CC BY
29
УДК 536.2.022:69
КАРПОВ ДЕНИС ФЕДОРОВИЧ, доцент,
ПАВЛОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ, доцент,
КОРЮКИН СТАНИСЛАВ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
МНУШКИН НИКОЛАЙ ВИТАЛЬЕВИЧ, аспирант, [email protected]
СОРОГИН АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, [email protected]
Вологодский государственный технический университет, 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В работе приведено описание авторского устройства и раскрыта методика комплексного определения основных теплофизических свойств строительных материалов: коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости. Принцип определения коэффициента температуропроводности основан на регистрации нестационарного температурного поля твердого тела в период его нагрева. Вычисление коэффициента теплопроводности выполнено для условий стационарного теплового режима твердого тела, а удельной теплоемкости - как производной от коэффициентов теплопроводности и температуропроводности. На примере силикатного кирпича представлены результаты практической реализации авторского изобретения, сопоставленные с данными соответствующих нормативных документов.
Ключевые слова: источник инфракрасного излучения; строительный материал; температурное поле; коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости.
DENIS F. KARPOV, A/Professor,
MIKHAIL V. PAVLOV, A/Professor,
STANISLAVI. KORYUKIN, PhD, A/Professor,
NIKOLAI V. MNUSHKIN, Research Assistant, [email protected]
ALEKSEI S. SOROGIN, Research Assistant,
Vologda State Technical University,
15, Lenin Str., 160000, Vologda, Russia
© Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, С.И. Корюкин, Н.В. Мнушкин, А.С. Сорогин, 2014
APPARATUS FOR MEASURING THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF CONSTRUCTION MATERIALS
The paper describes apparatus for measuring such thermophysical properties of construction materials as thermal diffusivity, thermal conductivity, and specific heat capacity. A determination of thermal diffusivity is based on registering non-steady temperature field of a solid during its heating. Thermal conductivity was calculated for a steady temperature condition of a solid, while the specific heat capacity was calculated as a derivative of thermal conductivity and thermal diffusivity. The implementation of the authors' invention is presented by a calcium silicate brick. Research results correspond to the pertinent regulatory documents.
Keywords: IR-source; building material; thermal field; thermal diffusivity; thermal conductivity; specific heat capacity.
В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем в области строительной физики является создание точных, надежных и простых в реализации методов определения теплофизических свойств строительных материалов. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций [1], построение нестационарного температурного поля оболочки здания [2], оценка уровня тепловой защиты строительного объекта [3] и т. п. невозможны без знания целого комплекса теплофизических параметров строительных материалов, к которым, в первую очередь, относятся коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости. Как отмечено в работах [4, 5], проблемы энергоресурсосбережения в области строительства и защиты окружающей среды от тепловых загрязнений также могут быть решены только при наличии достоверной информации о теплофизических свойствах наружных ограждений зданий.
В современной научно-технической литературе [6-10] приводится большое количество контактных и бесконтактных методов комплексного определения теплофизических свойств строительных материалов, основанных на теории стационарной и нестационарной теплопроводности. Основными недостатками существующих способов проведения теплофизических измерений являются техническая трудность их реализации и математическая сложность обработки полученных экспериментальных данных. Упрощение конструкции измерительного устройства и соответствующего способа комплексного определения теп-лофизических свойств строительных материалов позволит повысить оперативность и надежность получения требуемых результатов.
На рис. 1 представлена принципиальная схема авторского устройства для комплексного определения основных теплофизических свойств строительных материалов. В качестве прототипа изобретения выбрана измерительная система для определения коэффициента теплопроводности строительных материалов при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076-99.
В корпусе 1 устройства (рис. 1) с внутренними линейными размерами АхВхН при условии А/В > 2, изнутри покрытого слоем тепловой изоляции 2, установлен источник инфракрасного излучения 3. Ширина излучающей поверхности источника инфракрасного излучения соответствуют ширине В корпуса устройства, а высота равна 0,8-0,9 Н. Тепловую мощность источника инфракрасного излучения регулируют с помощью регулятора тепловой мощности.
А-А
5 !
I/ 2 10
1 Т
г
Условные обозначения
-------► инфракрасное излучение
-► теплый воздух
-----* холодный воздух
Ф
Передняя лицевая
поверхность
Задняя лицевая
поверхность
Рис. 1. Общий вид измерительного устройства:
1 - корпус; 2 - тепловая изоляция; 3 - источник инфракрасного излучения; 4 -регулятор тепловой мощности; 5 - строительный материал; 6 - фиксирующие элементы; 7 - термопреобразователи; 8 - преобразователь плотности теплового потока; 9 - измерительный блок; 10 - перфорированная перегородка; 11 - канал для отвода нагретого воздуха; 12 - вентилятор; 13 - электрический двигатель; 14 - всасывающий патрубок; 15 - нагнетательный патрубок; 16 - крышка; 17 -вентиляционные отверстия
Строительный материал 5 высотой, соответствующей высоте излучающей поверхности источника инфракрасного излучения, закреплен в корпусе устройства на расстоянии от источника инфракрасного излучения с помощью фиксирующих элементов 6. Центры источника инфракрасного излучения и строительного материала расположены на одной оси. В центре на поверхностях и в толще строительного материала размещены термопреобразователи 7. На передней лицевой поверхности строительного материала установлен преобразователь плотности теплового потока 8. Термопреобразователи и преобразователь плотности теплового потока подсоединены к измерительному блоку устройства. За перфорированной перегородкой 10, расположенной напротив задней лицевой поверхности строительного материала, регулируемые отверстия в верхней части которой предназначены для пропускания нагретого воздуха, размещен канал 11 для отвода нагретого воздуха из корпуса устройства. Вентилятор 12, работающий на всасывание с помощью электрического двигателя 13, соединен с каналом для отвода нагретого воздуха через всасывающий патрубок 14 и с окружающей средой - через нагнетательный патрубок 15. Для восполнения нагретого воздуха, удаляемого из устройства в окружающую среду, на крышке 16 измеритель-
ного прибора за строительным материалом расположены вентиляционные отверстия 17 для забора воздуха из окружающей среды.
Устройство работает следующим образом. Строительный материал помещают в открытый корпус устройства и закрепляют внутри него с помощью фиксирующих элементов. По окончании установки строительного материала в корпусе устройства сверху на корпус устанавливают крышку, которая полностью перекрывает габариты устройства, включают источник инфракрасного излучения с предварительно отрегулированной тепловой мощностью и электрический двигатель вентилятора. В начальный момент времени т = 0 температурное поле строительного материала, установленного с помощью фиксирующих элементов в корпусе устройства, однородно и численно равно температуре окружающей среды. В момент включения источника инфракрасного излучения на переднюю лицевую поверхность строительного материала равномерно подают поток электромагнитного излучения, который впоследствии преобразуется во внутреннюю энергию строительного материала. Во избежание перегрева устройства нагретый воздух из корпуса устройства отводят в окружающую среду через регулируемые отверстия, расположенные в верхней части перфорированной перегородки, и канал. Приточный воздух из окружающей среды поступает через вентиляционные отверстия, расположенные на крышке устройства. Организованный воздухообмен в корпусе устройства осуществляют с помощью всасывающего и нагнетательного патрубков вентилятора, на валу которого размещен электрический двигатель. Температурное состояние строительного материала в координатах х = 0, 5/4, 5/2 и 5 за период проведения тепловых измерений регистрируют термопреобразователи. По данным термопреобразователей строят температурное поле строительного материала вида t = ¿(х, т). Плотность теплового потока, идущего от источника инфракрасного излучения в направлении лицевой поверхности строительного материала, регистрирует за период проведения тепловых измерений преобразователь плотности теплового потока, установленный на передней лицевой поверхности строительного материала.
Расчетную продолжительность периода нагрева строительного материала определяют по формуле
. 52
а,
(1)
где 5 - толщина строительного материала; а \ - предварительно заданный коэффициент температуропроводности.
Пусть по данным термопреобразователей известны температурное поле строительного материала и его уравнение аналитического вида t = t (х, тм)
в период нагрева те[0, тм ]. Тогда коэффициент температуропроводности
строительного материала можно найти через дифференциальное уравнение теплопроводности
(2)
где t - температура; х - координата; т - время.
При выходе строительного материала на стационарный тепловой режим т^ > тм коэффициент теплопроводности строительного материала определяют по уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме:
X. =-
д5
.с1 .с2
(3)
где д - плотность теплового потока, падающего на лицевую поверхность строительного материала, по данным преобразователя плотности теплового потока 8; .с1 и .с2 - соответственно значения температуры на передней и задней лицевых поверхностях строительного материала.
Удельную объемную теплоемкость строительного материала определяют по найденным коэффициентам температуропроводности и теплопроводности:
X.
(4)
где X. и аг - соответственно коэффициенты теплопроводности и температуропроводности.
По предварительно заданной плотности строительного материала и найденным коэффициентам температуропроводности и теплопроводности строительного материала определяют удельную массовую теплоемкость строительного материала:
X.
а р
(5)
=
а
где р - плотность строительного материала.
Рассмотрим способ комплексного определения основных теплофизиче-ских свойств строительных материалов, на котором основана работа авторского изобретения на примере силикатного кирпича марки М150 (ГОСТ 379-95) толщиной 5 = 0,12 м (рис. 2). В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель марки ЭкоЛайн ЭЛК 10Я суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии 0,6 м от передней лицевой поверхности силикатного кирпича. Спаи хромель-алюмелевых термопар Т0; Т1; Т2 и Т3 закреплены в центре силикатного кирпича соответственно в точках с координатами х = 0; 0,03; 0,06 и 0,12 м. На передней лицевой поверхности силикатного кирпича установлен преобразователь плотности теплового потока ИТ! 1-0,25, подключенный к измерителю плотности
теплового потока ИПП-2. Для регистрации температуры силикатного кирпича в заданных координатах и плотности теплового потока хромель-алюмелевые термопары через аналогово-цифровой преобразователь ICPCON 1-7014, конвертер ICPCON 1-7520 и измеритель плотности теплового потока ИПП-2 подключены к персональному компьютеру.
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки:
1 - инфракрасный излучатель; 2 - силикатный кирпич; 3 - хромель-алюмелевые термопары; 4 - преобразователь плотности теплового потока; 5 - измеритель плотности теплового потока; 6 - персональный компьютер
Предварительное значение температуропроводности силикатного кирпича принимаем равным а\ = 5,49 • 10-7 м2/с, согласно СП 23-101-2004. Тогда продолжительность периода нагрева силикатного кирпича по формуле (1) составит т'ы = 26 218 с (по результатам эксперимента ты = с 31 560 с (рис. 3); среднее изменение температур на участке х е [0; 0,12] м силикатного кирпича на интервале времени [т'м; тм ] с в соответствии с показаниями хромель-
алюмелевых термопар при погрешности измерений ±2,5 °С составило 0,65 °С, что можно считать вполне допустимым).
Выход силикатного кирпича на стационарный тепловой режим в соответствии с рис. 3 происходит при т^ > 31 560 с.
.1«
то 77
|
Т2 —1
ГЗ
26И2 С ---*
41 Си
3-15М С
коо змк» 1ясо ¿ома зях»
Период проведения тепловых измерений т, с
Рис. 3. Периоды нагрева и стационарного теплового режима силикатного кирпича
Рассмотрим тепловой режим участка хе [0; 0,06] м силикатного кирпича на интервале времени те[0; 15 000] с. На рис. 4 изображено температурное поле силикатного кирпича вида t = ¿(х, т) в период нагрева при хе[0; 0,06] м и те[0; 15 000] с, построенное по экспериментальным данным. Функциональная зависимость, описывающая период нагрева силикатного кирпича, °С, при хе[0; 0,06] и те[0; 15 000] с, имеет вид
t = а + Ьт + сх + йт2 +ех2 + fxт + gт3 + Их3 + ¡х2т + ]хтг, Я2 = 0,9927 , (6)
где а = 22,830014; Ь = 0,010623358; с = -481,12022; й = -6,1933549 • 10-7; е = 10518,343; / = -0,01485750; g = 1,2080758 • 10-11; И = -79288,783; i = -0,44211261; j = 2,4679544 • 10-6 - параметры уравнения.
Рис. 4. Температурное поле силикатного кирпича в период нагрева
На рис. 5 по результатам решения уравнения (2) получен график изменения коэффициента температуропроводности силикатного кирпича в период нагрева при те [0; 15 000] с вида а1 = а1 (т) • 10-7, м2/с:
а, = 5-10-9т2 -0,0004т + 5,0896, Я2 = 0,9997. (7)
Значение коэффициента температуропроводности а( силикатного кирпича в начальный момент времени т = 0, согласно уравнению (7), равно 5,09 • 10-7 м2/с (при температуре силикатного кирпича t = 19,7 °С, равной температуре окружающей среды), что сопоставимо с нормативным значением 5,09 • 10-7 м2/с по СП 23-101-2004.
В период стационарного теплового режима при т > 31 560 с средние значения температуры на передней и задней лицевых поверхностях силикатного кирпича (рис. 3) соответственно составили ¿с1 = 87,0 °С и ¿с2 = 58,8 °С. Среднее значение плотности теплового потока (рис. 6) в период стационарного теплового режима д = 189 Вт/м2.
5000 7500 10000
Период нагрева т«, с
Рис. 5. Коэффициент температуропроводности силикатного кирпича
Тогда коэффициент теплопроводности силикатного кирпича по уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме по выражению (3) равен
189 • 0 12
\ =-^-= 0,804 Вт/(м • К).
' 87,0 - 58,8
150
Н
И
^оо
Й
И о 350
Р
О
С 3»
о
и
о и :50
о
(и аой
н
£ 154
о
о
ш
о
»
0
Л
V
11 ""К д = 189 Вт/м2
1
IV <
4- 26218 1- Т^г 1
-- - - - -г 1
10000 15000 :КЮ00 25000 30000
Период проведения тепловых измерений т, с
55000
Рис. 6. Результаты измерения плотности теплового потока
Значение коэффициента теплопроводности Х( силикатного кирпича сопоставимо с нормативным значением 0,87 Вт/(м-К) по СП 23-101-2004.
Удельная объемная теплоемкость силикатного кирпича по соотношению (4) при = 0,804 Вт/(мК) и а = 5,09 • 10-7 м2/с составит
о, = 0,804 7 = 1580 кДж/(м3 • К). г 5,09 •Ю-7
Удельная массовая теплоемкость силикатного кирпича по соотношению (5) при А* = 0,804 Вт/(м-К), а( = 5,09 • 10-7 м2/с и плотности р = 1900 кг/м3 составит
ч
0,804
7 - = 0,83 кДж/(кг • К). 5,09•Ю-7 • 1900
Значение удельной массовой теплоемкости силикатного кирпича сопоставимо с нормативным значением 0,88 кДж/(кг-К) по СП 23-101-2004.
c =
m
Выводы
Как показали результаты исследований, значения теплофизических коэффициентов силикатного кирпича, полученные по итогам практической реализации авторского способа, сопоставимы с нормативными данными. Возможно, это связано с методикой расчета, полностью основанной на классических законах теории теплопроводности. В перспективе научных исследований планируется создание авторского устройства, проведение с его помощью теп-лофизических измерений на примере широко используемых на практике строительных материалов и сравнение полученных результатов с данными нормативных документов и справочной литературы.
Библиографический список
1. Медведева, Л.В. Компьютерное моделирование теплофизических процессов в оценке аварийных рисков ограждающих конструкций / Л.В. Медведева, В.П. Сугак // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2010. - № 2. - Т. 14. - С. 83-90.
2. Хуторной, А.Н. Теплоперенос в плоской трехслойной системе с поперечным несквозным включением / А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Я. Кузин, А.В. Колесникова // Инженерно-физический журнал. - 2005. - № 2. - Т. 78. - С. 29-35.
3. Семенов, В.Н. Исследование влияния энергоэффективных покрытий на тепловую защиту зданий / В.Н. Семенов, Д.Ю. Королев, В.А. Лукинов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 4.- С. 36-44.
4. Фокин, В.М. Энергоэффективные методы определения теплофизических свойств строительных материалов и изделий / В.М. Фокин, А.В. Ковылин, В.Н. Чернышов. - М. : Издательский дом «Спектр», 2011. - 156 с.
5. Синицын, А.А. Теория и практика теплообмена / А.А. Синицын, Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов. - Вологда : ВоГТУ, 2013. - 71 с.
6. Ковылин, А.В. Определение теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий методом неразрушающего контроля с использованием универсального многоканального регистратора «Теплограф» / А.В. Ковылин, В.М. Фокин // Интернет-вестник ВолгГАСУ. - 2009. - № 1. - С. 2. - Условия доступа : http://vestnik.vgasu.ru (дата обращения : 30.09.2013).
7. Полунин, Е.П. Измерительная система для определения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов / Е.П. Полунин, Н.Ю. Тужилина, Д.С. Кацуба // Психолого-педагогический журнал «Гаудеамус». - 2011. - № 18. - Т. 2. - С. 136-138.
8. Методика определения теплофизических свойств зернового материала / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян, Н.В. Демский, Н.Н. Конусов // Вестник КрасГАУ. - 2007. - № 4. - С. 131-133.
9. Фокин, В.М. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов / В.М. Фокин, В.Н. Чернышов. - М. : Изд-во «Машиностроение-1», 2004. -212 с.
10. Неразрушающий контроль теплозащитных свойств многослойных строительных изделий / А.В. Чернышов, Э.В. Сысоев, В.Н. Чернышов [и др.]. - М. : Изд-во «Машиностроение-!», 2007. - 112 с.
References
1. Medvedeva, L.V., Sugak, V.P. Komp'yuternoe modelirovanie teplofizicheskikh protsessov v otsenke avariinykh riskov ograzhdayushchikh konstruktsii [Computer simulation of thermo-physical processes in risk assessment of enclosure structures]. Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. Saint-Petersburg, 2010. No. 2. V. 14. Pp. 83-90. (rus)
2. Khutornoi, A.N., Tsvetkov, N.A., Kuzin, A.Ya., Kolesnikova, A.V. Teploperenos v ploskoi trekhsloinoi sisteme s poperechnym neskvoznym vklyucheniem [Heat transfer in a plane three-layer system with blind cross connection]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Minsk, 2005. No. 2. V. 78. Pp. 29-35. (rus)
3. Semenov, V.N., Korolev, D.Yu., Lukinov, V.A. Issledovanie vliyaniya energoeffektivnykh pokrytiy na teplovuyu zashchitu zdaniy [A study of influence of energy-efficient coatings on heat protection of buildings]. Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. Voronezh, 2011. No. 4. Pp. 36-44. (rus)
4. Fokin, V.M., Kovylin, A.V., Chernyshov, V.N. Energoeffektivnye metody opredeleniya teplofizicheskikh svoystv stroitel'nykh materialov i izdeliy [Energy-efficient methods for determination of thermophysical properties of building materials and products]. Moscow, Iz-datel'skii dom «Spektr» [Publishing House 'Spectrum'], 2011. 156 p. (rus)
5. Sinitsyn, A.A., Karpov, D.F., Pavlov, M.V. Teoriya i praktika teploobmena [Theory and practice of heat transfer]. Vologda: Vologda State Technical University Publ., 2013. 71 p. (rus)
6. Kovylin, A. V., Fokin, V.M. Opredelenie teplofizicheskikh svoistv ograzhdayushchikh kon-struktsii zdanii metodom nerazrushayushchego kontrolya s ispol'zovaniem universal'nogo mnogokanal'nogo registratora «Teplograf» [Determination of thermophysical properties of envelope structures by non-destructive testing using universal multichannel recorder "Teplograf"]. Internet-Vestnik VolgGASU. Volgograd, 2009. No. 1. P. 2. (rus)
7. Polunin, E.P., Tuzhilina, N.Yu., Katsuba, D.S. Izmeritel'naya sistema dlya opredeleniya tep-lofizicheskikh svoistv teploizolyatsionnykh materialov [Measuring system for determination of thermophysical properties of heat-insulating materials]. Psychological-Pedagogical Journal Gaudeamus. Tambov, 2011. No. 18. V. 2. Pp. 136-138. (rus)
8. Tsuglenok, N.V., Manasyan, S.K., Demskii, N.V., Konusov, N.N. Metodika opredeleniya teplofizi-cheskikh svoistv zernovogo materiala [Method of determination of thermophysical properties of grain material]. Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Vestnik of Krasnoyarsk State Agrarian University]. Krasnoyarsk, 2007. No 4. Pp. 131-133. (rus)
9. Fokin, V.M., Chernyshov, V.N. Nerazrushayushchii kontrol' teplofizicheskikh kharakteristik stroitel'nykh materialov [Non-destructive testing of thermal properties of building materials]. Moscow, Izdatel'stvo Mashinostroenie-1, 2004. 212 p. (rus)
10. Chernyshov, A.V., Sysoev, E.V., Chernyshov, V.N., Ivanov, G.N., Chelnokov, A.V. Ne-razrushayushchiy kontrol' teplozashchitnykh svoystv mnogosloynykh stroitel'nykh izdeliy [Non-destructive testing of heat-shielding properties of multilayer construction products]. Moscow, Izdatel'stvo Mashinostroenie-1, 2007. 112 p. (rus)
