Способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов и устройство для его осуществления
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF COMPLEX OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOLID CONSTRUCTION MATERIALS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к определению теплофизических характеристик твёрдых строительных материалов и изделий, и может найти широкое применение в теплоэнергетике, строительстве и т.д.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения подводом тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, при этом исследуемый образец помещают в цилиндрическую камеру экспериментальной установки, предварительно нагретой до температуры 80 - 100 °С, измеряют изменение во времени температур ребра и середины грани исследуемой призмы соответственно в паре точек сечения призмы, определяют наступление упорядоченного теплового режима в исследуемой призме и определяют коэффициент температуропроводности и объемную теплоемкость исследуемого образца [Патент РФ № 2263901, 2005 г. - аналог].
Недостатком известного способа, является то, что экспериментально определяют только температуру и плотность теплового потока на поверхности исследуемого материала, остальные теплофизические характеристики нужно рассчитывать. Кроме того, использование сложного энергоёмкого оборудования, требует высоких  экономических затрат, снижая эффективность работы устройства, повышая тем самым затраты на осуществление самого способа.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов и устройство для его осуществления, состоящий в нагреве исследуемого образца  в виде призмы прямоугольного сечения, подводом тепла к её поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, измерении во времени температуры середины грани исследуемой призмы, исследуемый образец помещают между плоским нагревателем и охлаждают снизу холодильником и со всех сторон образец закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока на поверхности исследуемого материала со стороны нагревателя, в электронном блоке управления таймером задают время наблюдения, с помощью пульта управления кнопками устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца, заносят значения температуры нагревателя, холодильника и плотности стационарного теплового потока в блок памяти электронного блока управления, используя их для определения в вычислительном устройстве электронного блока управления значений коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления, а значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на указанной поверхности образца, заносят в ЭВМ и используют совместно с полученными в вычислительном устройстве электронного блока управления данными, при этом для определения искомых теплофизических характеристик используется стационарная плотность теплового потока [Патент РФ № 2530441, - прототип].
Недостатком известного способа и устройства при определении комплекса теплофизических характеристик является то, что в известном техническом решении учитывается только значение стационарной плотности теплового потока без учёта максимальной плотности теплового потока. Кроме того, экспериментально определяется только плотность теплового потока со стороны холодильника без учёта теплового потока со стороны нагревателя, что снижает точность определения теплофизических характеристик и снижает эффективность работы устройства.
Также недостатком способа является низкая точность определения объёмной теплоёмкости, так как используется значение времени измерения температуры со стороны нагревателя до наступления стационарного режима, которое не совпадает со значением времени достижения максимальной плотности теплового потока.
Технический результат
- повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик строительных материалов и изделий.
Техническая задача
- повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик строительных материалов за счёт определения максимальной плотности теплового потока со стороны нагревателя и времени достижения максимальной плотности теплового потока при повышении эффективности работы устройства для осуществления способа за счёт конструктивного исполнения устройства направленного на определение максимальной плотности теплового потока.
Решение технической задачи.
В
c
а
Техническая задача решается тем, что в способе определения теплофизических характеристик твёрдых строительных материалов, включающем нагрев исследуемого образца  подводом тепла сверху к его поверхности и охлаждение образца холодильником снизу, измерение температуры поверхности исследуемого образца по времени, измерение датчиком теплового потока со стороны холодильника значения плотности стационарного теплового потока, при этом исследуемый образец размещён между нагревателем и холодильником, а торцы исследуемого образца со всех сторон защищены герметичными крышками для стабилизации в нём температуры и теплового потока, при этом в электронном блоке управления с помощью пульта управления кнопками устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца и время измерений, данные измерений обрабатываются в электронном блоке управления с получением и отображением на дисплее значений коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления, которые определяют с учётом полученных значений температуры нагревателя, температуры холодильника и плотности стационарного теплового потока, причём значение температуры поверхности исследуемого образца, измеренное посредством датчика измерения температуры образца, установленного на середину грани поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, совместно со значениями коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления передают и заносят в ЭВМ для определения теплофизических характеристик, причём дополнительно измеряют датчиком теплового потока, установленным на середину грани поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, плотность теплового потока со стороны нагревателя, которую используют совместно  со временем измерений для определения максимальной плотности теплового потока  исследуемого образца, определяют температуру нагрева исследуемого образца при максимальной плотности теплового потока с учётом измеренных значений температуры поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя и времени наступления максимального теплового потока, полученные значения максимальной плотности теплового потока  исследуемого образца и температуры нагрева исследуемого образца при максимальной плотности теплового потока используют для определения максимальной амплитуды колебаний температурной полуволны (), коэффициента теплоусвоения (), объёмной теплоёмкости (ρ) и температуропроводности (),  причём устройство для осуществления способа определения теплофизических характеристик твёрдых строительных материалов по п.1, содержащее нагреватель и холодильник, подключенные к сети переменного тока и выполненные с возможностью расположения между ними исследуемого образца, герметично защищённого с торцов крышками, электронный блок управления для включения и выключения установки для испытания исследуемого образца, содержащий пульт управления с кнопками для включения и выключения установки, регулирования заданной температуры нагревателя, холодильника и толщины исследуемого образца, дисплей для отображения информации, блок памяти, таймер и вычислительное устройство причем электронный блок управления соединён с нагревателем и холодильником, термопарами, установленными на нагревателе и холодильнике и с датчиком теплового потока, установленным на холодильнике, причём устройство также содержит датчик измерения температуры, установленный на середину грани поверхности образца со стороны нагревателя и подключенный к прибору ЭВМ для снятия показаний температуры и внесения данных с электронного блока управления и расчёта теплофизических характеристик исследуемого образца, устройство дополнительно содержит датчик измерения плотности теплового потока, установленный на середину грани поверхности образца со стороны нагревателя, подключенный к прибору ЭВМ, и предназначенный для определения максимальной плотности теплового потока  исследуемого образца.
Сущность.
Технический результат достигается тем, что в способе неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящем в определении коэффициента теплопроводности, термического сопротивления, коэффициента теплоусвоения, объёмной теплоёмкости, температуропроводности, коэффициента теплоусвоения, используется максимальная плотность теплового потока   и время при котором достигается максимальная плотность теплового потока.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твёрдых строительных материалов и устройстве для его осуществления для повышения точности определения теплофизических характеристик исследуемого образца в виде пластины, расположенной между нагревателем и холодильником, дополнительно определяют максимальную плотность теплового потока  датчиком теплового потока, установленным на середине плоскости поверхности образца со стороны нагревателя, подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации показаний плотности теплового потока и времени наступления максимального теплового потока .
q
Т
Т
п
П1
х
В соответствии с полученными экспериментальными данными плотности теплового потока со стороны нагревателя и времени экспериментального исследования τ, строится график зависимости плотности теплового потока со стороны нагревателя от времени измерения (Фиг. 2, кривая I), по которой находят максимальное значение теплового потока . Также на этом графике изображена зависимость температуры поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя от времени измерения (кривая II), по которой  находят значение температуры  при максимальной плотности теплового потока и кроме того, на графике изображена зависимость температуры поверхности исследуемого образца со стороны холодильника от времени измерения (кривая III), по которой  находят значение температуры.
Т
Т
Т
Т
Т
0
х
0
П1
Н
р
∗
2
При проведении исследования образца из фторопласта размером 250×250×22 мм после включения установки начальная температура поверхности образца со стороны холодильника составляет  = 20,1 °С и затем начинает снижаться до заданной температуры  =19 °С при достижении которой поддерживается постоянной (Фиг. 2. кривая III).  При этом начальная температура поверхности образца со стороны нагревателя  = 20,1 °С  начинает расти и при максимальной плотности теплового потока  достигает значения = 34,3 °С и затем стабилизируется и становиться равной температуре нагревателя  = 34 °С (Фиг. 2, кривая II). При этом тепловой поток  начинает увеличиваться, достигает своего максимального значения = 226 Вт/м и время измерения составило τ = 31 мин. После чего тепловой поток снижается и стабилизируется, то есть наступает стационарный тепловой режим, при этом время измерения составило τ= 42 мин. (Фиг. 2, кривая I).
Комплекс теплофизических характеристик в соответствии с опытными данными определяют по известным математическим зависимостям. Коэффициент теплопроводности вычисляют по формуле:
,                                            (1)
2
где:  - плотность теплового потока в стационарном тепловом режиме, Вт⁄м;
δ - толщина образца, м;
Т
н
- температура нагревателя, °С;
Т
х
- температура холодильника, °С.
Термическое сопротивление теплопроводности вычисляют по формуле:
,
(2)
где: δ - толщина образца, м;
λ - коэффициента теплопроводности, Вт⁄(м·К).
Максимальную амплитуду колебаний температурной полуволны вычисляют по формуле:
= 0,5(<i>T</i><sub>П1</sub><i></i>- <i>T</i><sub>0</sub>),
(3)
T
П1
где:  - температура поверхности образца со стороны нагревателя, при максимальном значении теплового потока, °С;
T
0
- начальная температура поверхности образца со стороны нагревателя.
Коэффициент теплоусвоения вычисляют по формуле:
,
(4)
р
2
где:  - максимальная плотность теплового потока, при τ, Вт⁄м;
- максимальная амплитуда колебаний температурной полуволны.
Объемную теплоемкость вычисляют по формуле:
,
(5)
B
2
где:  - коэффициент теплоусвоения, Вт⁄(м∙К);
z
z
р
- время достижения тепловым потоком своего максимального значения ( = τ), с;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт⁄(м·К).
Температуропроводность вычисляют формуле:
,
(6)
где: λ - коэффициент теплопроводности, Вт⁄(м·К);
c
3
(ρ) - объемная теплоемкость, Дж⁄(м·К).
р
Таким образом, определение максимальной плотности теплового потока  посредством датчика теплового потока, установленного со стороны нагревателя, и времени достижения максимальной плотности теплового потока τ позволяют повысить, в сравнении с прототипом, точность определения комплекса теплофизических характеристик исследуемых образов твердых строительных материалов, что и является новым техническим результатом заявляемого изобретения.
Осуществление способа.
Исследуемый образец в форме пластины из фторопласта с размерами 250×250×5÷45 мм помещают в устройство для осуществления способа между нагревателем и холодильником. Устанавливают датчик измерения температуры и датчик измерения плотности теплового потока на наружную поверхность исследуемого образца со стороны нагревателя и подключенных к прибору ЭВМ.  Исследуемый образец с торцов закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, проходящего через исследуемый образец. В электронном блоке управления устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца и включают устройство. Изменение температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя замеряют с заданным интервалом времени. Вычислительное устройство блока управления, используя температуры нагревателя и холодильника, стационарную плотность теплового потока со стороны нагревателя по известным формулам определяет коэффициент теплопроводности и коэффициент термического сопротивления. Прибор ЭВМ, используя полученные экспериментальные данные температур исследуемого образца со стороны нагревателя, максимальную плотность теплового потока со стороны нагревателя и время достижения максимальной плотности теплового потока также со стороны нагревателя, рассчитывает искомые теплофизические характеристики исследуемого  образца.
Устройство.
R
Для осуществления способа неразрушающего контроля используется устройство, которое содержит установку 1 для испытания исследуемого образца 2, прибор ЭВМ 3, предназначенный для снятия, регистрации показаний и расчёта теплофизических характеристик: максимальную амплитуду колебаний температурной полуволны, тепловую активность, объёмную теплоёмкость, коэффициент температуропроводности и электронный блок управления 4, предназначенный для управления и вычисления теплофизических характеристик: коэффициента теплопроводности λ и коэффициента термического сопротивления . Установка 1 для испытания исследуемого образца содержит плоский нагреватель 5, для нагрева сверху исследуемого образца 2, холодильник 6, для охлаждения снизу исследуемого образца 2, который размещён между нагревателем 5 и холодильником 6. При этом торцы исследуемого образца 2 со всех сторон закрыты герметичными крышками 7, предназначенными для стабилизации температуры и теплового потока. Помимо этого, на середине грани исследуемого образца 2 со стороны нагревателя 5 установлены датчик измерения температуры 8, предназначенный для измерения температуры исследуемого образца 2 со стороны нагревателя 5 и датчик теплового потока 9, для измерения плотности теплового потока со стороны нагревателя 5, подключенные к прибору ЭВМ 3. Помимо этого, к электронному блоку управления 4 подключены термопара 10, установленная на нагревателе 5, для фиксации температуры нагревателя 5, термопара 11, установленная  на холодильник 6, для измерения температуры холодильника и датчик теплового потока 12, установленный  на холодильнике 6, для измерения стационарной плотности теплового потока. Электронный блок управления 4 содержит пульт управления с кнопками 13 для включения и выключения установки 1,  регулирования заданной температуры нагревателя 5, холодильника 6 и толщины исследуемого образца 2, дисплей 14 для отображения информации, блок памяти 15, таймер 16 и вычислительное устройство 17. Прибор ЭВМ 3, нагреватель 5, холодильник 6, электронный блок управления 4 подключены к источнику переменного тока 18.
Работа устройства.
Устройство работает следующим образом. На середину плоскости поверхности исследуемого образца 2 со стороны нагревателя 5 устанавливается датчик измерения температуры 8 и датчик теплового потока 9. Исследуемый образец 2 помещают между нагревателем 5 и холодильником 6, торцы закрываются герметичными крышками 7. В электронном блоке управления 4 с помощью пульта управления 13 устанавливают температуру нагревателя 5, температуру холодильника 6, толщину образца 2 и включают установку 1. Нагреватель 5 начинает нагреваться до заданной температуры, а холодильник 6 охлаждаться до заданной температуры. Электронный блок управления 4 поддерживает заданные температуры нагревателя 5 и холодильника 6 и контролирует их с точностью ± 0,1 °С, до тех пор, пока тепловой поток, проходящий через испытываемый образец 2, не стабилизируется. Температуры нагревателя 5, холодильника 6, стационарная плотность теплового потока заносятся в блок памяти 15 электронного блока управления 4. Температуры поверхности исследуемого образца 2 со стороны нагревателя 5 и плотности теплового потока со стороны нагревателя 5 заносятся в прибор ЭВМ 3. Запись показаний производиться до наступления стационарного теплового режима. Вычислительное устройство 17 блока управления 4, используя значения температуры нагревателя и холодильника, стационарную плотность теплового потока по известным формулам рассчитывает коэффициент теплопроводности и коэффициент термического сопротивления. Посредством прибора ЭВМ 3 по полученным экспериментальным данным определяют комплекс теплофизических характеристик твёрдых строительных материалов. По окончании времени эксперимента установка 1 выключалась.
Изобретение  поясняется графическим материалом:
на фиг. 1 схематично приведено устройство для осуществления способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов;
Т
Т
П1
х
р
∗
на фиг. 2 приведено распределением температур и теплового потока по толщине образца от времени измерения. Кривая I - изменение плотности теплового потока со стороны нагревателя от времени испытания исследуемого образца; Кривая II - изменение температуры  исследуемого образца со стороны нагревателя от времени испытания; Кривая III - изменение температуры  исследуемого образца со стороны холодильника от времени испытания;  - температура образца со стороны нагревателя при максимальной плотности теплового потока;  - температура образца со стороны холодильника;  - тепловой поток со стороны нагревателя;  - максимальный тепловой поток со стороны нагревателя; τ - время достижения максимального теплового потока со стороны нагревателя; τ - время наступления стационарного теплового режима.
Пример конкретного исполнения.
В качестве исследуемого образца для определения комплекса теплофизических характеристик использовали образец фторопласта, выполненный виде пластины с размерами 250×250×22 мм. На середину плоскости поверхности образца со стороны нагревателя устанавливали датчик измерения температуры и датчик теплового потока. Образец  помещали в устройство для осуществления способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов между нагревателем и холодильником, торцы закрыли герметичными крышками.
В электронном блоке управления с помощью пульта управления кнопками устанавливали температуру нагревателя 34 °С, температуру холодильника 19 °С, толщину образца 22 мм и включали установку. Далее нагреватель и холодильник начинали достигать своих заданных температур. Посредством электронного блока управления установленные температуры нагревателя и холодильника поддерживались с точностью ± 0,1 °С, до тех пор, пока тепловой поток, проходящий через испытываемый образец, не стабилизируется. Температуры нагревателя, холодильника, стационарная плотность теплового потока заносились в блок памяти электронного блока управления. Температуры поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя и плотности теплового потока также со стороны нагревателя с интервалом 1 мин заносились в устройство ЭВМ.
Значения коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления определяли с помощью вычислительного устройства электронного блока управления.
Коэффициент теплопроводности определяли по формуле:
=0,20 Вт⁄(м·К),
q
ст
2
где:   — стационарная плотность теплового потока, проходящего через испытываемый образец, составила 137 Вт/м;
δ — толщина образца 0,022 м;
Т
н
— температура нагревателя 34 °С;
Т
х
— температура холодильника 19 °С.
Коэффициент термического сопротивления определяли по формуле:
0,11 (м·К)⁄Вт.
В,
с
а
T
T
q
0
П1
р
ст
2
2
Для определения максимальной амплитуды колебаний температурной полуволны - , коэффициента теплоусвоения -  объемной теплоемкости - (ρ) и температуропроводности -  исследуемого образца, строили график распределением температур и теплового потока по толщине образца от времени испытания исследуемого образца и определяли максимальное значение плотности теплового потока . Температура испытуемого образца до начала испытаний составляла  = 20,1 °С, а температура до которой максимально нагрелась поверхность образца составила  = 34,6 °С. При этом максимальное значение плотности теплового потока достигало = 226 Вт⁄мчерез время τ = 31 минуту от начала нагрева. Плотность стационарного теплового потока при этом составила  = 137 Вт⁄м. Далее по полученному значению максимальной плотности теплового потока, посредством прибора ЭВМ производили расчёт.
Максимальную амплитуду колебаний температурной полуволны вычисляли по формуле:
T
- T
П1
0
= 0,5() =0,5(34,3 – 20,1) =7,1 °С,
T
П1
где:  - температура поверхности образца со стороны нагревателя, при максимальном значении плотности теплового потока, равна 34,3 °С;
T
0
- начальная температура поверхности образца со стороны нагревателя, равна 20,1 °С.
Коэффициент теплоусвоения определяли по формуле:
2
= 31,8 Вт⁄(м∙К),
2
где:  - максимальная плотность теплового потока со стороны нагревателя, составила 226 Вт⁄м;
- максимальная амплитуда колебаний температурной полуволны.
Объемную теплоемкость вычисляли по формуле:
3
3
1498·10 кДж⁄(мК),
z
где:  - время достижения плотности теплового потока своего максимального значения, составило 1860 с;
λ - коэффициент теплопроводности, равен 0,20 Вт⁄(м·К);
В
- коэффициент теплоусвоения плоского образца.
При этом коэффициент температуропроводности определяли по формуле:
-6
2
0,134·10, м⁄с.
Предлагаемый способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов и устройство для его осуществления позволяют измерять значения плотности теплового потока не только со стороны холодильника, но и со стороны нагревателя, определять максимальное значение плотности теплового потока, время достижения максимальной плотности теплового потока и таким образом рассчитывать теплофизические характеристики твёрдых строительных материалов с высокой степенью точности.
Определение комплекса теплофизических характеристик по предлагаемому способу возможно для различных твёрдых строительных материалов, например, кирпич, пенопласт, стекло и др.