СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF SYSTEM OF THERMAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOLID CONSTRUCTION MATERIALS

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности к измерениям теплофизических характеристик твердых строительных материалов, и может найти широкое применение в теплоэнергетике, строительстве, химической технологии и т.д.
Известны способы комплексного определения теплофизических свойств, основанных на решении задач теплопроводности при действии источника (зонда) постоянной мощности (плоского, цилиндрического, сферического) в неограниченной среде.
Известен способ комплексного определения тепловых свойств веществ, основанный на использовании регулярного теплового режима третьего рода (температурных волн) с измерением монотонного изменения средней температуры образца во времени [Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М.: Энергия, 1979. 320 с. - аналог].
При определении теплофизических характеристик внутрь исследуемых тел, расположенных соответственно на одинаковых расстояниях от нагревателей, устанавливаются термопары, которые в процессе эксперимента регистрируют температуры, а искомые коэффициенты тепло- и температуропроводности определяются по соответствующим формулам.
Основным недостатком является то, что способ относится к разрушающим методам определения теплофизических характеристик, так как требуется помещение дифференциальных термопар внутрь исследуемого образца, что и нарушает его целостность.
0
Известен импульсный способ линейного источника тепла, основанный на решении двумерного уравнения теплопроводности для неограниченного тела при действии в нем в течение короткого времени τ линейного источника тепла, определении максимальной избыточной температуры в фиксированной точке исследуемого тела и времени наступления максимума термограммы нагрева, расчете искомых теплофизических характеристик по соответствующим формулам [Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.М. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973, с. 165-178 - аналог].
Основным недостатком является то, что способ относится к разрушающим методам определения ТФХ, так как требуется помещение дифференциальных термопар внутрь исследуемого образца, что и нарушает его целостность.
Наиболее близким по наибольшему количеству существенных признаков и достигаемому техническому результату является «Способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов» [Патент РФ №2263901, 2004 г. - прототип].
Известный способ обеспечивает необходимый контроль комплекса теплофизических характеристик твердых материалов без разрушения образца. Однако применение данного способа невозможно непосредственно на исследуемом объекте.
Кроме того, использование сложного энергоемкого оборудования, необходимого для определения теплофизических характеристик твердых материалов, требует дополнительных экономических затрат.
Технической задачей изобретения является упрощение способа определения комплекса теплофизических характеристик твердых материалов без нарушения их целостности и при сохранении точности контроля.
Технический результат заключается в том, что при осуществлении способа измерение температуры и теплового потока осуществляется непосредственно на эксплуатируемом объекте.
Технический результат достигается тем, что в способе неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящем в измерении температуры и плотности теплового потока на исследуемой поверхности и определении теплофизических характеристик по соответствующим теоретическим зависимостям, в качестве исследуемой поверхности используется ограждающая конструкция здания, а измерения температуры осуществляется посредством установки датчиков на ее внутреннюю и наружную поверхность и датчика измерения теплового потока - на наружную ее поверхность с занесением данных измерения в электронный блок памяти, при этом коэффициент теплопроводности определяют по формуле
вн
нар
где  - максимальная плотность наружного теплового потока; δ - толщина ограждающей конструкции здания; T - температура внутренней поверхности ограждающей конструкции здания; Т - температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания, а удельную теплоемкость определяют по формуле
где  - тепловая активность ограждающей конструкции здания;
max
min
- амплитуда колебаний температурной полуволны; z - полный период колебаний температуры на наружной поверхности конструкции здания в заданный промежуток времени; Т - максимальная температура наружной по верхности ограждающей конструкции здания; T - минимальная температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания; при этом коэффициент температуропроводности определяют по формуле
Сущность способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов заключается в следующем. В естественных условиях в разные периоды года происходит нагрев или охлаждение ограждающей конструкции здания. Также в течение суток за счет солнечного излучения температура ограждающей конструкции здания меняется. В результате этого через ограждающую конструкцию здания проходят тепловые потоки, которые меняются в течение суток (а также в течение года): зимой тепловой поток направлен от внутренней стенки к наружной, а в летний период - наоборот. В результате в ограждающей конструкции возникают температурные волны. В этом случае для определения комплекса теплофизических характеристик (коэффициентов теплопроводности, объемной теплоемкости и температуропроводности) достаточно естественных условий: охлаждение наружной стенки ограждающей конструкции в холодный период года или нагрев наружной стенки в теплый период года.
Используя данные измерений температуры и плотности теплового потока исследуемой поверхности ограждающей конструкции здания, по известным математическим зависимостям определяют комплекс теплофизических характеристик ограждающей конструкции здания.
Комплексный способ определения теплофизических свойств ограждающей конструкции методом неразрушающего контроля заключается в том, что вначале определяют коэффициент теплопроводности по формуле
вн
нар
где  - максимальная плотность наружного теплового потока, δ - толщина ограждающей конструкции здания; Т - температура внутренней поверхности ограждающей конструкции здания; Т - температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания, а удельную теплоемкость определяют по формуле
где  - тепловая активность ограждающей конструкции здания;
max
min
- амплитуда колебаний температурной полуволны; z - полный период колебаний температуры на наружной поверхности конструкции здания в заданный промежуток времени; T - максимальная температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания; T - минимальная температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания; при этом коэффициент температуропроводности определяют по формуле
Способ поясняется графическим материалом:
H
E
на фиг.1 приведена схема установки датчиков температуры и теплового потока на исследуемую поверхность ограждающей конструкции здания; датчик температуры t 4, датчик температуры t 5, датчик теплового потока q 6, электронный блок 7;
на фиг.2 - график распределения температур и теплового потока в течение суток.
Способ осуществляется следующим образом. На внутреннюю и наружную стенки ограждающей конструкции здания устанавливают датчики измерения температуры и теплового потока. Изменение температур внутренней и наружной стенки ограждающей конструкции здания, а также наружного теплового потока замеряют с заданным интервалом времени и заносят в электронный блок памяти. Затем по известным математическим зависимостям определяют комплекс теплофизических характеристик.
Пример конкретного исполнения.
На внутреннюю и наружную стенки ограждающей конструкции здания устанавливали датчики измерения температуры и теплового потока. Изменение температур внутренней и наружной стенки ограждающей конструкции здания, а также теплового потока замеряли каждый час в течение суток и заносили в электронный блок памяти.
Результаты экспериментального исследования теплофизических свойств конструкции здания в течение суток в холодный период года приведены в таблице.
2
Из таблицы видно, что минимальная температура наружной конструкции здания наблюдалась в ночное время и была равна -3,5°С, а максимальная температура наружной конструкции здания наблюдалась в дневное время и была равна 2°С. При этом максимальное значение теплового потока составило 21 Вт/м.
Коэффициент теплопроводности рассчитывали по формуле
2
вн
нар
где  - максимальная плотность теплового потока, равна 21 Вт/м; δ - толщина ограждающей конструкции здания, равна 0,7 м; Т - температура внутренней поверхности ограждающей конструкции здания, равна 17,2 °С; Т - температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания, равна
Удельную объемную теплоемкость исследуемой конструкции здания определяли по формуле
max
min
где  - тепловая активность ограждающей конструкции здания, ; , °C - амплитуда колебаний температурной полуволны; Т - максимальная температура наружной поверхности ограждающей конструкции здания равна 2°С, T - минимальная температура наружной поверхности конструкции здания, равна , с - полный период колебаний температуры на наружной поверхности конструкции здания; откуда
Коэффициент температуропроводности определяли по известному соотношению
Откуда
В соответствии с табличными данными температур и теплового потока строили график распределения температур и теплового потока ограждающей конструкции здания в суточный интервал времени.
2
2
На фиг.2 приведена линия температура внутренней ограждающей конструкции здания 1. Как видно из графика, данная температура меняется в течение суток незначительно, в пределах 1°С. Температура наружной ограждающей конструкции здания выражена в виде синусоидальной кривой 2, которая падает до 21 часа, затем возрастает до 12 часов и снова падает. Линия теплового потока 3 также изображена в виде синусоидальной кривой: перепад температур между наружной и внутренней поверхностью увеличивается, а тепловой поток при этом возрастает. Когда же перепад температур между наружной и внутренней поверхностями уменьшается, тепловой поток уменьшается. Максимальная разность температур между наружной и внутренней поверхностями ограждающей конструкции здания отмечена в 21 час, тепловой поток при этом также составил максимальное значение 21 Вт/м. Минимальная разность температур между наружной и внутренней поверхностями ограждающей конструкции здания наблюдалась в 12 часов, тепловой поток при этом имел значение 1,5 Вт/м.
Предлагаемый способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов позволяет измерять необходимые теплофизические характеристики непосредственно на исследуемой поверхности ограждающей конструкции эксплуатируемого здания, является менее трудоемким, не требует сложного энергоемкого оборудования и связанных с этим высоких экономических затрат, таким образом является более эффективным и экономичным в сравнении с прототипом.