ГОСТ 28236-89 (МЭК 68-3-1-74) Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 3. Дополнительная информация. Раздел 1. Испытания на холод и сухое тепло

3. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ

3.1. Механизм теплообмена

3.1.1. Конвекция

3.1.1.1. Теплообмен конвекцией у теплорассеивающих образцов при испытании в камере составляет важную часть их общего теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи при переносе тепла с поверхности испытуемого образца в окружающую среду зависит от скорости воздуха вокруг образца. Чем больше скорость воздуха, тем эффективнее теплоотдача. Таким образом, при одной и той же температуре окружающей среды температура поверхности испытуемого образца будет тем ниже, чем выше скорость воздуха, его обтекающего. Эта зависимость показана на рис.2 и 3 приложения В.

Помимо влияния на температуру какой-либо одной точки поверхности испытуемого образца, циркуляция воздуха оказывает влияние также на распределение температуры поверхности испытуемого образца (см. рис.4 приложения В).

3.1.1.2. Из приложения В следует, что между температурой поверхности и распределением температур, с одной стороны, и скоростью воздуха и направлением воздушного потока, с другой, не существует простой зависимости. Также очевидно, что если бы условия испытаний задавались в соответствии с действительными условиями эксплуатации с помощью конкретных значений скорости и направления воздушного потока, это привело бы к затруднениям при разработке камер.

Потребность в обеспечении точно определенных, воспроизводимых условий испытания, которые давали бы возможность легко производить сравнение результатов испытания с действительными условиями эксплуатации, ведет к применению так называемых "условий свободного обмена воздуха".

3.1.1.3. Условия свободного обмена воздуха - это такие условия неограниченного пространства, когда на движение воздуха влияет только теплорассеивающий образец, а энергия, излучаемая образцом, поглощается. Обеспечение этих условий при проведении испытания затруднительно и не всегда целесообразно (см. разд.3). Из приложения А следует, что применение условий свободного обмена воздуха в качестве стандартных обычно не требует дорогостоящих и больших испытательных камер. Так как условия свободного обмена воздуха обеспечивают определенные технические преимущества и выполнить их обычно легче, чем обеспечить заданные условия принудительной циркуляции воздуха, при проведении испытаний теплорассеивающих образцов на холод и сухое тепло их использование является предпочтительным.

Вследствие причин, изложенных в разд.3, имеются случаи, когда появляются определенные трудности при проведении испытания без принудительной циркуляции воздуха. Поэтому предлагаются два метода, которые предусматривают применение принудительной циркуляции воздуха с малой скоростью воздушного потока.

Первый метод применяется в тех случаях, когда размеры камеры удовлетворяют требованиям, указанным в приложении А, однако нагрев или охлаждение камеры возможны лишь в условиях принудительной циркуляции воздуха.

Второй метод применяется в тех случаях, когда камера слишком мала, чтобы удовлетворить требованиям, указанным в приложении А, или когда первый метод не может быть применен по иным причинам.

3.1.2. Тепловое излучение

3.1.2.1. Как видно из рис.5 приложения С, при рассмотрении условий в камере для испытания теплорассеивающих образцов необходимо учитывать теплообмен излучением. Если испытуемые образцы и стенки камеры термически черные (коэффициент лучепоглощения приближается к единице), теплообмен испытуемого образца с окружающей средой в результате теплового излучения может составить почти половину общего теплообмена. Таким образом, если теплорассеивающий образец подвергается воздействию определенной температуры окружающей среды в термически белой и в термически черной камерах, температура поверхности испытуемого образца в первом и втором случаях будет существенно отличаться. Следовательно, чтобы получить воспроизводимые результаты испытания, следует задать коэффициент лучепоглощения и температуру стенок камеры.

3.1.2.2. Если испытуемый образец заслонен от стенок камеры другими образцами, нагревательными или охлаждающими элементами, монтажными приспособлениями и т.д., которые не отвечают требованиям, предъявляемым к термическому цвету и температуре стенок камеры, теплообмен между испытуемым образцом и стенками камеры посредством теплового излучения нарушается. Часть стенок камеры, которая находится "в зоне видимости" определенной точки на испытуемом образце, обусловливает "угловой коэффициент излучения" этой точки. На угловой коэффициент излучения каждой точки испытуемого образца не должны оказывать нежелательного влияния предметы, которые не отвечают требованиям, предъявляемым к термическому цвету и температуре стенок камеры.

3.1.2.3. В идеальных условиях свободного обмена воздуха тепло, отдаваемое испытуемым образцом, полностью поглощается окружающей средой. Это происходит вследствие естественной конвекции и полного поглощения теплового излучения.

Большая часть аппаратуры и элементов обычно работает в среде, которая по своим характеристикам ближе к черному телу (имеет высокий коэффициент поглощения). Кроме того, значительно легче изготовлять камеры с цветом внутренней поверхности, близким к термически черному, чем к термически белому. Особенно трудно сохранять термически белый цвет камер в течение длительного времени вследствие явления старения. Фактически большинство красок и материалов (неполированных) ближе к термически черному цвету, а не к термически белому (см. приложение I). Если температура стенок камеры изменяется в пределах 3% от заданной температуры испытания, измеренной в Кельвинах, а коэффициент лучепоглощения изменяется от 0,7 до 1, то получающееся в результате изменение температуры поверхности испытуемого образца обычно не превышает 3 К. Так как мощность теплового излучения пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхности испытуемого образца и стенки камеры, то тепловое излучение менее значительно при низких температурах и поэтому требования к термическому цвету и температуре стенок камер для испытаний на воздействие низких температур являются менее жесткими.

3.1.2.4. Теплообмен излучением в значительной степени зависит от температуры стенок камеры. Эта зависимость является основной причиной, вызывающей необходимость применения поправок, приведенных в приложении Е, когда испытание проводится с принудительной циркуляцией воздуха и разница между температурой поверхности образца и температурой окружающей среды значительна.

3.1.3. Теплопроводность

3.1.3.1. Теплообмен теплопроводностью зависит от тепловых характеристик монтажа и соединений.

3.1.3.2. Многие типы теплорассеивающей аппаратуры и теплорассеивающих элементов предназначены для монтажа на радиаторах или других приспособлениях с хорошей теплопроводностью, которые обеспечивают эффективный отвод определенного количества тепла за счет теплопроводности.

В таком случае в соответствующей НТД должны быть определены тепловые характеристики монтажных приспособлений и эти характеристики должны обеспечиваться при проведении испытаний.

3.1.3.3. Если аппаратура или элемент могут монтироваться разными способами, при которых имеет место различная теплопроводность монтажных приспособлений, следует учитывать наихудший вариант. Наихудший вариант определяется, принимая во внимание следующее:

а) испытание теплорассеивающих образцов на воздействие сухого тепла

Поскольку тепло переносится от испытуемого образца к монтажным приспособлениям, наихудшим считается вариант, когда передача тепла минимальна, т.е. когда монтажные приспособления имеют низкую теплопроводность (образец теплоизолирован);

б) испытание нетеплорассеивающих образцов на воздействие сухого тепла

До тех пор пока не будет достигнуто тепловое равновесие, передача тепла будет происходить от стенок камеры через монтажные приспособления к испытуемому образцу. В этом случае наихудший вариант имеет место тогда, когда теплопроводность монтажных приспособлений высокая. Теплоемкость монтажных приспособлений должна быть низкой во избежание длительного времени нагрева монтажных приспособлений и, соответственно, замедления переноса тепла от стенок камеры к испытуемому образцу;

в) испытание теплорассеивающих и нетеплорассеивающих образцов на холод

Поскольку перенос тепла происходит в направлении от испытуемого образца через монтажные приспособления к стенкам камеры, наихудшим вариантом (температура образца самая низкая) является тот, при котором теплообмен происходит наиболее интенсивно, т.е. когда теплопроводность монтажных приспособлений высокая.