Аналитико-эмпирическая верификация экспериментальных результатов определения теплопроводности силикатного кирпича Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.2.022:69

Д.Ф. КАРПОВ, млад. научн. сотр. (karpov_denis_85@mail.ru); М.В. ПАВЛОВ, млад. научн. сотр. (pavlov_kaitgv@mail.ru), А.А. СИНИЦЫН, канд. техн. наук, Ю.А. КАЛЯГИН, д-р техн. наук, Д.А. ПОГОДИН, канд. техн. наук, Вологодский государственный технический университет

Аналитико-эмпирическая верификация экспериментальных результатов определения теплопроводности силикатного кирпича

Определение термических показателей объекта исследования после проведения теплотехнических измерений не является окончательной частью любой научно-исследовательской работы, так как полученные данные должны быть сопоставлены с результатами работ других авторов, посвященных подобной проблематике. Альтернативным способом верификации может служить построение температурного поля изучаемого тела путем решения краевой задачи теплопереноса с различными граничными условиями, в которые входили бы определяемые теплотехнические параметры. Тогда итоговое сравнение температурного поля, полученного аналитическим путем, с фактическим температурным полем станет основополагающим критерием для оценки научной правдоподобности верифицируемых термических показателей.

Для нахождения фактического температурного поля исследуемого объекта авторами разработана экспериментальная установка источник энергии — приемник, в качестве которых соответственно выступили электрический инфракрасный излучатель и фрагмент ограждающей строительной конструкции из силикатного кирпича марки М150 [ГОСТ 379-95] (рис. 1).

Принцип работы экспериментальной установки заключается в следующем (рис. 1). Электрический инфракрасный излучатель ЭЛК 10Я (1) суммарной мощностью облучает лицевую поверхность силикатного кирпича марки М150 (2) потоком электромагнитной энергии. На поверхности последнего происходит преобразование инфракрасного излучения во внутреннюю энергию тела и, как следствие, строительная конструкция начинает нагреваться. Температурное состояние кирпича в заданных координатах регистрируют хромель-алюмелевые термопары (3), которые через аналогово-цифровой преобразователь 1СРСОК 1-7014 и конвертер

1СРСОК 1-7520 (условно не показаны) передают информацию на энергонезависимую память компьютера (6). Для измерения плотности теплового потока на лицевой поверхности конструкции установлен преобразователь плотности теплового потока ПТП-0,25 (4), передающий сигнал на измерительный блок (5), который соединен с компьютером через кабель Я8-232. Данные с термопар и измерительного блока устройства ИПП-2 отображаются на мониторе компьютера в режиме реального времени.

Схема расположения хромель-алюмелевых термопар в силикатном кирпиче представлена на рис. 2.

Постановка краевой задачи теплопроводности для условий инфракрасного нагрева силикатного кирпича выглядит следующим образом (рис. 3).

Дано полуограниченное тело с начальным распределением температуры (0 (считается, что в начальный период времени температура тела постоянна и численно равна температуре окружающей среды). Тело нагревается с одной стороны в точке с координатой x=0, где тепловой поток на поверхности q(т) есть любая функция от времени. Изменение температуры происходит только в одном направлении — вдоль оси OX. Тогда условия однозначности принимают следующий вид:

Эфс,т)_ Эг2(х,т).

Эт

Эх2

Х>0, 0<Х<°°-

' »

t{x,0) = t¿ д((0,т)

дх

+ <?(0,Т) = 0;

(1)

(2)

(3)

(4)

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки: 1 - инфракрасный излучатель; 2 - силикатный кирпич; 3 - хромель-алюмелевые термопары; 4 - преобразователь плотности теплового потока; 5 - измерительный блок прибора; 6 - компьютер

Г; научно-технический и производственный журнал

Ш июнь 2012 25

j С \ - О см

250

А-А

0( Ш/ тб; Щ Щ 1 Ж '0л ■ ,тз, ш

30 30 30 30

1Í >0

Т4 х

Рис. 2. Схема расположения термопар в силикатном кирпиче

*(~,1) = *0, ^1 = 0, (5)

дх

где ( — температура; х — координата; т — время; б - толщина; а1 = —— коэффициент температуропроводности;

— коэффициент теплопроводности; ср — удельная массовая теплоемкость; р — плотность; q — плотность теплового потока. 2 т

Если принять т) = <ус = — | <7(т)Л, то решение

1 о

уравнения (1) получит вид [1]:

Рис. 3. К решению уравнения теплопроводности (для полуограниченного тела)

А, „ К,

ierfc(u) = -^e~"2 -uerfc(u); ыл

X

u =

ал-

(6)

(7)

(8)

В соответствии с поставленной в работе задачей коэффициент теплопроводности является искомой величиной в уравнениях (6)—(8). В работе [2] приводится описание способов нахождения кондуктивных характеристик силикатного кирпича марки М150 в условиях

Рис. 4. Сравнение аналитических и эмпирических данных (пример)

научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 26 июнь 2012 Ы ®

стационарного и нестационарного тепловых режимов, по результатам которых получены значения соответственно А™ = 0,825 Вт/(м -0С) и Ai(2) = 0,751 Вт/(м -°С) (кирпич рассмотрен как однородное тело). Так как итоговые значения имеют расхождение |ДА,(| = 0,074 Вт/(м-°С), то аналитико-эмпирическая верификация позволит уточнить истинное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

Для исследования температурного поля силикатного кирпича экспериментальным и аналитическим методами процесс нагрева объекта разбит на пространственно-временные узлы. Пересечения линий координат и временных моментов образуют сетку. Если вести отчет xi и Tj от нулевого значения, то ;=0...4 и j=0...7. Диапазон измерений xi е [0;120j мм, 1, е [0;35000] с, шаг измерений соответственно Ç = 30 мм (сигма) и ^ = 5000 с (хи). Тогда суммарное количество узловых точек в расчетной сетке N=40. Таким образом, аналитическое решение задачи (6)—(8) сводится к определению температур i(x,,Ty) в заданных узлах координатной сетки.

Исходные данные для расчета выглядят следующим образом. Средняя начальная температура силикатного кирпича при 6=120 мм (рис. 2) ?0=21,4°С плотность теплового потока qc = 502Вт/м2 . Коэффициент температуропроводности силикатного кирпича принят равным соответственно Я((1) =5,208 -10-7м7с и а™ = 4,741-10"7 м2/с (в зависимости от коэффициента теплопроводности) при следующих теплотехнических параметрах [СП 23-101-04]: ср = 880 Дж/(кг -"С) и р=1800 кг/м3.

Некоторые результаты сравнения аналитических и экспериментальных данных представлены на рис. 4.

Как показали результаты исследований (рис. 4), температурное поле силикатного кирпича, построенное

при условии А,® = 0,825 Вт/(м С), имеет меньшее относительное отклонение по температурам от экспериментальных данных, чем поле, полученное при коэффициенте теплопроводности X, = 0,751 Вт/(м -"С) (5^ = 16,8 и =21,1 %). Несмотря на незначительное расхождение между ¿((1> и 8t(J\ коэффициент теплопроводности, полученныи"при стационарном тепловом режиме, ближе к истинному значению. Это доказывают и данные, полученные в ходе определения величины X, = 0,88 Вт/(м -°С) при охлаждении одной из сторон строительной конструкции из силикатного кирпича в холодильной камере [3], а также при сравнении с нормативной величиной X, = 0,82 Вт/(м -°С) [СП 23-101-04].

Список литературы

1. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

2. Игонин В.И., Карпов Д.Ф., Павлов М.В. Экспериментально-расчетное определение приведенного коэффициента теплопроводности фрагмента неоднородной ограждающей строительной конструкции из силикатного кирпича при нестационарном и стационарном тепловых режимах // Вестник ТГАСУ. 2011. № 3 (32). С. 120-132.

3. Кочкин А.А., Карпов Д.Ф., Павлов М.В., Игонин В.И. Экспериментально-расчетное определение приведенного коэффициента теплопроводности фрагмента неоднородной ограждающей строительной конструкции из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе методом теплового неразру-шающего контроля // Вестник МГСУ. 2011. № 3. С. 351-358.

ОАктиватор

измельчение актииаш^я синтез

AKTHBaTOp-2SL

100

80

J 60

t.

г;

S 40 SS

20 О

5 мин. e j*

У - у * 1 мин.

У

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Для лроболодготовки материалов

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.

Активатор-4М

100

so

. 60 8

1 40

#

20

«

2 мин. ■ V* » ■

■ ♦ -

» * ^ 1 мин.

1 10 100 диаметр частим, мкм

Для наработки небольших партий материалов

Активаторов

Для помола материалов в ударном сдвиговом, вихревом режимах

www.activator.ru »

Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 3 (333) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail: belyaev@activator.ru

h] ®

научно-технический и производственный журнал

июнь 2012

27

УДК 691

И.В. БЕССОНОВ, канд. техн. наук, А.Н. САПЕЛИН, инженер, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва)

Коэффициенты структуры как критерий оценки теплотехнического качества строительных материалов

После ужесточения теплотехнических требований к ограждающим конструкциям к теплотехническим характеристикам стеновых материалов стали предъявляться также более жесткие требования. Известно, что теплотехнические свойства материалов, в частности бетонов, в том числе ячеистых, зависят от их плотности и влажности.

На основе анализа расчетной теплопроводности материалов, которая является важнейшим теплотехническим показателем, д-р техн. наук, член-корр. РААСН В.Г. Гагарин [1] предложил к применению четыре коэффициента теплотехнического качества (КТК), приведенных в табл. 1.

Коэффициент теплотехнического качества КТК11 в общем случае можно назвать коэффициентом структуры строительного материала по теплопроводности (КСТ). Примем, что для пористых материалов с одинаковой плотностью матрицы действительна зависимость, выведенная Г.Н. Дульневым и В.В. Новиковым [2].

1-Рп

(2-Р0)[1-У(1-Р0)]

' 1 + з/(1-Ро)

)

(1)

где Хм — коэффициент теплопроводности матрицы, Хв — теплопроводность воздуха, составляющая 0,026 Вт/(м-°С), р0 = рм/р.

Для ячеистых бетонов в диапазоне средней плотности 300—1200 кг/м3 истинная плотность матрицы составляет рм=2650 кг/м3 [3], а теплопроводность Хм=1,364 Вт/(м-оС), при этом справедлива зависимость:

кст =

Х- 0,026

р1Д2 ,

(2)

где X — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-оС); р — средняя плотность материала в сухом состоянии, кг/м3.

Р 0,5.

со 0,4

200 400 600 800 Средняя плотность, кг/м3

1000

Рис. 1. Совпадение теоретических (сплошная линия) и выведенных (пунктирная линия) зависимостей для разных теплопроводностей каркаса

КСТ — коэффициент структуры по теплопроводности (КСТ) это упрощенный случай теоретической зависимости проводимости по Г.Н. Дульневу и В.В. Новикову. Теоретическая зависимость теплопроводности от плотности по Дульневу—Новикову выведена для кубической упаковки шаров. Следовательно, и упрощенная формула должна быть справедлива для кубической упаковки шаров. Для учета влияния формы и расположения пустот в массиве материала на теплопроводность в коэффициент структуры по теплопроводности необходимо ввести поправочную компоненту в, тогда зависимость примет вид:

КСТ = ДХМ) • р/р,

1,12

(3)

где р — новый коэффициент, отражающий влияние формы и расположения пустот, который равен 1, для кубической упаковки шаров.

На рис. 1 представлено совпадение теоретической зависимости Дульнева—Новикова с упрощенной зависимостью для материалов с одинаковой теплопроводностью и плотностью матрицы.

При уменьшении теплопроводности, коэффициент структуры по теплопроводности будет также уменьшаться, следовательно, при одинаковой плотности, меньший коэффициент структуры по теплопроводности будет отражать меньшую теплопроводность материала.

В настоящее время для оценки теплопроводности могут быть использованы следующие коэффициенты: X о Хв

— КТК11 = —р— (без учета влияния теплопроводности воздуха);

— Хо/р — оценочный коэффициент (учитывает влияние теплопроводности воздуха).

Таблица 1

1200

Обозначение коэффициента Расчетная формула Физический смысл

КТКц КТК11= ^ Показывает, на сколько увеличивается теплопроводность скелета материала (без влияния теплопроводности воздуха) при увеличении плотности материала на 1 кг/м3

КТК12 ¿0 КТК12= л 3 Л0 ЛВ Показывает влияние теплопроводности воздуха на теплопроводность материала в сухом состоянии. Чем ближе теплопроводность материала к теплопроводности воздуха, тем больше КТК12, приближаясь к бесконечности

КТК21 КТК21= ДЯ/Я0 Показывает долю увеличения теплопроводности материала при увеличении влажности на 1%. Является характеристикой материала

КТК22 КТК22=ш Является расчетной влажностью материала. Характеризует не только материал,но и конструкцию,условия эксплуатации и климатические условия

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 28 июнь 2012 М *

Марка Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/(м-оС) КСТ

0300 300 0,08 90,8 267

0350 350 0,09 90,5 257

0400 400 0,1 90,1 250

0500 500 0,12 89,2 240

0600 600 0,14 88,2 233

0700 700 0,18 100,2 257

0800 800 0,21 103,1 263

0900 900 0,24 105,1 267

01000 1000 0,29 115,2 290

01100 1100 0,34 123,2 309

01200 1200 0,38 126 317

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Х=317-р

Х=Х=0,026+126р1,1^„ **

-Х=233р

J_!_

Х=Х=0,026+88,2.р112

300

500

700 900

Плотность, кг/м3

1100

1300

Рис.

ства

3. Коэффициенты структуры при оценке теплотехнического каче-строительных материалов

Рис. 2. Виды пустот в строительном материале: а - пустоты, характерные для ячеистого бетона низкой плотности; б - теоретическая модель; в - пустоты, характерные для ячеистого бетона высокой плотности; г - теоретическая модель

При малой плотности поры имеют сотовую, а не шарообразную структуру (рис. 2, а), причем происходит наложение пустот друг на друга в одной плоскости. Как будет показано дальше, после определенного момента, с увеличением плотности коэффициент структуры по теплопроводности начинает увеличиваться, что может быть вызвано отсутствием наложения пустот друг на друга, уменьшением длины теплового пути, приближением упаковки шаров к кубической. В то же время коэффициент структуры по теплопроводности можно уменьшить с помощью изменения формы пустот, вследствие чего, может увеличиться длина теплового пути (рис. 2, г). Все это отражает качество материала с теплотехнической точки зрения, которое может быть создано как путем направленного порообразования (при малых плотностях) так и принудительно изменяя форму пустот, введением специальных наполнителей, например алюмосиликатных микросфер [3].

В качестве примера использования коэффициента структуры по теплопроводности в табл. 2 представлены теплотехнические свойства ячеистого бетона для марок, указанных в ГОСТ 25192.

Данные табл. 2 показывают, что чем ниже коэффициент КСТ, тем лучше его теплозащитные свойства.

Таблица 2

Следовательно, при выборе материала с теплотехнической точки зрения следует ориентироваться на материалы с более низким КСТ. Коэффициент КСТ удобно использовать при разработке новых строительных материалов конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения.

На рис. 3 сплошной линией показано реальное распределение теплопроводности ячеистого бетона, пунктирными линиями ограничена область вычисления теплопроводностей с использованием наибольшего и наименьшего коэффициента структуры по теплопроводности, точками — то же для отношения Хо/р. Используя предлагаемый коэффициент КСТ можно спрогнозировать теплопроводность в широком диапазоне плотности при сохранении формы и расположения пустот (рис. 2).

Таким образом, коэффициент структуры по теплопроводности может быть полезен для проектировщиков при выборе материалов для ограждающих конструкций, а так же для разработчиков новых строительных материалов при подборе оптимальных составов конструкционно-теплоизоляционных строительный материалов.

Ключевые слова: строительные материалы, теплопроводность, плотность, коэффициенты структуры, качество, расположение пустот.

Список литературы

1. Гагарин В.Г. «Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. НИИСФ. Москва. 2000 г.

2. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991. 248 с.

3. Пинскер В.А. Некоторые вопросы физики ячеистого бетона. Сб. трудов «Жилые дома из ячеистого бетона». Л.: Госстройиздат, 1963. С. 123—143.

4. Бессонов И.В., Сапелин А.Н., Кордюков Н.П. Решение о выдаче патента на изобретение от 19.01.2012 г. по заявке № 2011107564/03 «Способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер» кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40, патентообладатель НИИСФ РААСН.

а

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® июнь 2012 29"