Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций без нарушения их целостности

 

Способ относится к строительной теплотехнике. Способ заключается в адиабатическом воздействии на поверхность каждого наружного слоя соответствующим дисковым нагревателем, расположенным в полости зонда, окаймленного теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени. Для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках: под обоими нагревателями и в двух точках поверхности, расположенных под соответствующими охранными кольцами и отстоящих от края нагревателя на расстояния, равные соответствующим толщинам наружных слоев конструкции. Для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точках. Способ имеет повышенное быстродействие. 1 ил.

Изобретение относится к строительной теплотехнике, в частности к измерениям теплофизических характеристик (ТФХ) многослойных ограждающих конструкций (наружных перекрытий, перегородок, покрытий, полов и т.п.).

Известен способ неразрушающего контроля ТФХ материалов, состоящий в тепловом воздействии на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от точечного источника тепла, измерении времени достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности тела τ_max, измерении мощности источника тепла, при этом обеспечивают постоянную мощность источника тепла W_o до момента достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности, затем мощность источника тепла изменяют обратно пропорционально корню квадратному из времени и замеряют величину максимальной избыточной температуры в точке приложения источника тепла T_{o max}, а искомые ТФХ определяют по соответствующим формулам с учетом измеренных W_o, τ_max и Т_{o max} (см. а.с. СССР N 1390555, кл. 4 G 01 N 25/18, 1988).

Недостатками этого способа являются: 1) В качестве нагревателя используется точечный источник тепла, тогда как для определения ТФХ строительных материалов (бетон, кирпич, утеплители типа пенопласта и т. п. ) необходим источник тепла с большой активной (теплоотдающей) поверхностью, так как потребное время нагрева таких материалов при соблюдении условия исключения их термодеструкции весьма велико - более часа.

2) Область применения ограничена однослойными конструкциями.

3) Требуется усложнение аппаратурного оформления для обеспечения заданного закона регулирования мощности источника тепла, начиная с момента достижения максимальной избыточной температуры.

Известен также способ определения ТФХ строительных материалов конструкций, согласно которому вводят в соприкосновение поверхности эталонного тела и исследуемой конструкции, подают тепловой импульс и регистрируют изменение температуры в плоскости их соприкосновения, вычисляют коэффициенты тепловой активности, а затем вычисляют искомые ТФХ, при этом регистрацию изменения температуры производят в два разных промежутка времени (см. а.с. СССР N 1122956 кл. G 04 N 25/18, 1984).

Недостатками этого способа являются: 1) Область применения ограничена однослойными конструкциями.

2) Сложность алгоритма расчета: вначале вычисляют критическое время, коэффициенты тепловой активности по громоздким формулам и лишь затем по полученным данным рассчитывают ТФХ.

За прототип принят способ определения теплофизических материалов конструкций путем введения в соприкосновение поверхностей эталонного тела и исследуемой конструкции, создания теплового импульса в плоскости соприкосновения, регистрации во времени температуры в этой плоскости и одновременного измерения диэлектрической проницаемости материала конструкции, отличающийся тем, что с целью расширения области применения на конструкции, имеющие отделочный (облицовочный) слой, регистрацию температур в плоскости соприкосновения производят в три момента времени τ₁,τ₂,τ₃, причем моменты времени выбирают исходя из условия τ₁= yτ₂= (2y-1)τ₃, где 0,5 < y < 1,0, а измерение диэлектрической проницаемости производят дважды, причем одно измерение проводят при глубине зоны контроля, соизмеримой с толщиной отделочного слоя, а другое - при большей глубине, по заранее полученной зависимости определяют объемную влажность материалов отделочного слоя и тела конструкции и по полученным расчетным данным находят теплофизические характеристики материалов конструкции (см. а.с. СССР N 922606, G 01 N 25/18, 1982).

Недостатками прототипа являются: 1. Область применения ограничена двухслойными конструкциями, так как используемые расчетные соотношения, являясь нелинейными, принципиально не применимы для трехслойных конструкций.

2. Большое потребное время экспериментов и усложнение аппаратурного оформления из-за необходимости, кроме измерения температуры, дважды производить измерения диэлектрической проницаемости материалов слоев (на двух различных глубинах зоны контроля).

Кроме того, большое потребное время обусловлено применением импульсного теплового воздействия: строительные материалы - бетон, кирпич, утеплители типа пенопласта и т.п. - обладают малой теплопроводностью; поэтому целесообразно использовать непрерывно действующий нагреватель (как в предлагаемой заявке).

3. Повышенная погрешность из-за необходимости пересчета диэлектрической проницаемости в объемную влажность обоих материалов слоев.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения (использования способа для исследования трехслойной конструкции) и повышение быстродействия.

Наличие совокупности существенных признаков: проведение исследования трехслойной конструкции, применение нагревателя в непрерывном режиме нагрева, исключение необходимости измерения диэлектрической проницаемости материалов слоев обеспечит расширение области применения и повышение быстродействия.

По сравнению с прототипом (см. а.с. СССР N 922606 кл. G 01 N 25/18, 1982) предлагаемый способ имеет: 1) более широкую область применения: объект исследования - трехслойная конструкция вместо двухслойной; 2) повышенное быстродействие, вследствие: а) применения нагревателя в непрерывном режиме нагрева вместо импульсного, б) исключения затрат времени на измерение диэлектрической проницаемости материалов слоев.

Технико-экономическая эффективность способа вытекает из расширения области применения и повышения быстродействия.

Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют активное тепловое воздействие на поверхность каждого наружного слоя адиабатически от дисковых нагревателей, расположенных в полости зондов, окаймленных охранными (теплоизоляционными) кольцами, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени, при этом для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках: под обоими нагревателями и в двух точках поверхности, расположенных под соответствующими охранными кольцами на заданных расстояниях от нагревателей, а для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точек, одна из которых расположена под охранным кольцом со стороны включенного нагревателя, а другая - под отключенным нагревателем, кроме того, определение коэффициентов теплопроводности наружных и внутренних слоев конструкции проводят с использованием специальной аппроксимации полученных зависимостей температуры от времени и искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.

Наличие совокупности существенных признаков: проведение исследования многослойной конструкции, применение дискового нагревателя, осуществление непрерывного режима нагрева, исключение необходимости достижения установившегося значения температур в заданных точках контроля обеспечит расширение области применения и повышение быстродействия.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На каждую из наружных поверхностей полубесконечной в тепловом отношении многослойной конструкции устанавливается по одному зонду, в полости которого расположены дисковый нагреватель и термопара (см. чертеж). 3онд поджимается к наружной поверхности определенным усилием, сообщаемым грузом или пружиной (на чертеже не показаны). На фиг. обозначены: 1 - 4 - порядковые номера поверхностей слоев, h₁ - h₃ - толщины слоев.

В случае различных толщин h₁ и h₃ и величин теплофизических характеристик материалов слоев потребные плотности теплового потока q₁ и q₄ нагревателей также различны. На чертеже представлен случай h₁ > h₃ и q₁ > q₄.

Осуществляемые посредством термопар измерения температуры в зависимости от времени t проводятся в точках O₁, O₄, расположенных под соответствующими нагревателями, и в точках b₁ и b₄, расположенных под охранными (теплоизоляционными) кольцами. Точки b₁ и b₄ отстоят от среза соответствующего нагревателя на расстояния h₁ и h₃.

Охранные кольца из теплоизоляционного материала типа пенопласта окаймляют источник тепла, обеспечивая направленное движение теплового потока на наружную поверхность конструкции и препятствуя теплообмену в других направлениях, тем самым позволяют реализовывать адиабатический режим нагрева.

Включаются электрические нагреватели и термопары замеряют температуру в указанных точках наружных поверхностей через заданные промежутки времени с последующей регистрацией ее вторичным прибором. На основании полученных зависимостей температуры от времени находят теплофизические характеристики наружных слоев конструкции.

Для определения теплофизических характеристик материалов внутренних слоев конструкции один из нагревателей (как правило, имеющий меньшую мощность) отключают и измерение температуры проводят лишь в точках b₁ и O₄. Посредством математической обработки полученных экспериментальных зависимостей температуры от времени находят теплофизические характеристики материалов внутренних слоев.

Аналитическое решение, описывающее распределение температуры по толщине z тела и во времени t при использовании модели полупространства, имеет следующий вид [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк. 1967.]: где

erfu - функция ошибок Гаусса;

ε - тепловая активность материала тела;
T_o - начальная температура тела.

Для поверхности тела z = о согласно (1) получим:

так как при z = 0, u = 0,
Разделив соотношение (1) на (2), получим для 1-го слоя (z = h₁):

где
Благодаря теплоизоляционному (охранному) кольцу можно записать:
(4)
Из равенств (3) - (4), используя экспериментальные термограммы и табулированные значения функции ierfc u₁, определяем коэффициент температуропроводности a₁ первого слоя.

При этом для увеличения точности целесообразно вначале рассчитать несколько значений (а₁)_i, используя точки термограмм, отвечающие различным моментам времени t_i.

Искомая величина a₁ определяется затем посредством усреднения полученных значений (а₁)_i.

Проведенные нами эксперименты показывают, что точность определения а₁ находится в пределах 2 - 3% при использовании 5 - 10 точек термограмм. Целесообразно при этом для сокращения процедуры брать первую точку при минимально возможном времени, именно времени достижения величины избыточной температуры , достаточной для надежного ее измерения (3 - 4^oC).

Аналогично находим коэффициент температуропроводности а₃ третьего слоя:

где ;

Для определения коэффициента температуропроводности а₂ внутреннего слоя следует отключить нагреватель меньшей мощности. В нашем случае, как отмечалось, таким является нагреватель с плотностью теплового потока q₄. Температурная волна будет распространяться от более нагретой поверхности контакта 2 к менее нагретой 3. Тогда по аналогии с (3) получим следующие два соотношения:


где
Из этих выражений имеем:

Искомый коэффициент температуропроводности а₂ находим из (8). Таким образом, величина а₂ определяется посредством обработки двух термограмм:
Для определения коэффициентов тепловой активности ε₁ и ε₃ наружных слоев используем решение системы дифференциальных уравнений теплопроводности для двух полуограниченных тел, приведенных в контакт, т.е. подчиняющихся граничному условию 4-го рода (ГУ-4). При этом начальные температуры тел отличаются друг от друга. Теплопередача осуществляется через поверхность контакта от тела, имеющего более высокую температуру.

При ГУ-4 решение имеет наиболее простой вид при наложении на более горячее тело условия постоянства его температуры в течение всего процесса теплопередачи [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк. 1967. - С. 865].

В нашем случае телами, отвечающими ГУ-4, являются, в первую очередь, нагреватель и слой, с которым он контактирует, а затем парные сочетания последующих слоев.

Для первого слоя при условии постоянства температуры нагревателя (т.е. наложения на нагреватель граничного условия 1-го рода) решение имеет вид [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк. 1967. - С. 366]:

где
Для соблюдения ГУ-1 по отношению к нагревателю следует экспериментальную термограмму нагревателя аппроксимировать отрезками кусочно-ступенчатой функции с шагом по времени Δt. Тогда (9) будет иметь вид:

где i - номер шага по времени, i = 1 - n; целесообразно шаг по времени Δt выбрать равномерным;
t_i= t_i-1+Δt;

Учитывая, что коэффициент температуропроводности a₁ определен ранее (см. соотношение (3)), находим из (10) относительную тепловую активность в дискретных точках по времени t_i:

где обозначено:

Тогда дискретна тепловая активность для первого слоя

Искомую тепловую активность для первого слоя в целом находим усреднением:

Коэффициент теплопроводности

Аналогично для материала третьего слоя


Для определения тепловой активности ε₂ внутреннего слоя следует использовать указанный ранее подход при нахождении температуропроводности a₂ этого слоя - отключить нагреватель меньшей мощности, т.е. с плотностью теплового потока q₄.

Тогда по аналогии с (10) получим:

откуда с учетом (7) имеем:
ь

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций без нарушения их целостности, состоящий в тепловом воздействии на поверхность наружного слоя дисковым нагревателем и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени, отличающийся тем, что для реализации адиабатического режима нагрева дисковый нагреватель располагают в полости зонда, окаймленного охранным кольцом, дополнительно устанавливают на противоположной поверхности другого наружного слоя дисковый нагреватель, конструктивно аналогичный первому, при этом для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках: под обоими нагревателями и в двух точках поверхности, расположенных под соответствующими охранными кольцами и отстоящих от края нагревателя на расстояния, равные соответствующим толщинам наружных слоев конструкции, а для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точек, одна из которых расположена под охранным кольцом со стороны включенного нагревателя, а другая - под отключенным нагревателем, кроме того, для определения коэффициентов теплопроводности наружных и внутренних слоев конструкции экспериментальные зависимости температуры от времени для точек поверхности, имеющих более высокую температуру, аппроксимируют кусочно-ступенчатыми функциями с заданным шагом по времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.

РИСУНКИ

Рисунок 1