СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING THE COMPLEX OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOLID CONSTRUCTION MATERIALS

Изобретение относится к определению теплофизических характеристик твердых строительных материалов и изделий, и может найти широкое применение в области теплоэнергетике, строительстве и других.
Известно техническое решение, в котором определяют теплофизические характеристики - теплопроводность и температуропроводность твердых материалов, при нахождении которых используют эталонный образец для определения волнового числа, что усложняет способ и позволяет определять только теплопроводность и температуропроводность [Патент SU 1770872, - аналог].
Известен способ определения тепловой активности материалов, состоящий в тепловом нагреве исследуемого образца, регистрации изменения температуры образца и расчете тепловой активности исследуемого материала [Патент RU 2462703, - аналог].
Недостатком известного способа определения тепловой активности является то, что волновое число определяется только с использованием эталонного образца, что усложняет способ.
Так же недостатком способа является то, что он позволяет определять только тепловую активность исследуемого материала, определение других теплофизической характеристики невозможно.
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, 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 при определении комплекса теплофизических характеристик является то, что при расчете теплофизических характеристик учитывается только значение температуры поверхности образца со стороны нагревателя без учета значение температуры поверхности образца со стороны холодильника, что снижает точность определения теплофизических характеристик.
Так же недостатком является то, что способ не позволяет определять волновое температурное число в момент наступления стационарного теплового режима, которое используется при определении дополнительных теплофизических характеристик, что снижает функциональные возможности известного способа.
Технический результат - повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик.
Техническая задача - повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик твердых материалов, за счет определения дополнительных теплофизических характеристик, при одновременном расширении функциональных возможностей способа.
Решение технической задачи.
Способ определения комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца подводом тепла к его поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, измерении во времени температуры исследуемого образца, размещенного между плоским нагревателем и охлаждаемым снизу холодильником, со всех сторон исследуемый образец закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, выявляют температурную волну на поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, в электронном блоке управления таймером устанавливают время исследования, с помощью пульта управления на кнопках устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца, заносят значения температуры нагревателя и температуры холодильника, плотность стационарного теплового потока в блок памяти электронного блока управления, используя их для определения в вычислительном устройстве блока управления значений коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления, значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны нагревателя, заносят в ЭВМ и блок управления данными для определения искомых теплофизических характеристик, в котором дополнительно определяют температуру поверхности образца, выполненного в виде пластины, со стороны холодильника посредством термопары, установленной на середине плоскости поверхности образца для снятия и регистрации температуры и времени испытания с заданным интервалом, снятие показаний температуры от начала нагрева образца до наступления стационарного теплового режима, когда температура образца со стороны холодильника перестанет изменяться от времени нагрева, данные изменения температуры от времени нагрева образца заносят в блок памяти электронного блока управления для определения в вычислительном устройстве блока управления температурной волны поверхности образца со стороны холодильника, которые затем заносят в ЭВМ совместно с полученными в вычислительном устройстве блока управления данными для определения коэффициента термопроводности и коэффициента термоизоляции по математическим зависимостям соответственно:
где: 0,434 - математическая константа, равная log(2,718);
- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима;
δ - толщина образца;
где: 4,34 - математическая константа равная 10⋅log(2,718);
- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима;
δ - толщина образца.
Сущность.
Предлагаемый способ позволяет рассчитать дополнительные теплофизические характеристики исследуемого образца:
термопроводность и термоизоляцию, с помощью которых в дальнейшее определяют прочностные и звукофизические свойства твердых материалов, например, такие как модуль упругости Юнга и скорость звука в твердых материалах.
Сущность способа определения комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов заключается в том, что для повышения точности определения теплофизических характеристик исследуемого образца, выполненного в виде пластины, расположенной между плоским нагревателем, находящимся сверху образца и плоским холодильником, расположенным снизу образца, дополнительно определяют температуру поверхности образца со стороны холодильника с помощью термопары, установленной на середине плоскости поверхности образца со стороны холодильника и подключенной к прибору ЭВМ для снятия и регистрации показаний и времени от начала нагрева исследуемого образца и до наступления стационарного теплового режима, который наступает тогда, когда температура образца со стороны холодильника перестанет меняться во времени. До наступления стационарного теплового режима температуры поверхностей сопряжения образца и холодильника будут разные. Так же посредством термопары, подключенной к прибору ЭВМ, и установленной на середине плоскости образца со стороны нагревателя осуществляют снятие показаний и регистрацию температуры и времени от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима с занесением данных в прибор ЭВМ посредством термопары, установленной на середине плоскости образца со стороны нагревателя.
Для наглядности, в соответствии с полученными данными экспериментальных исследований, изменение температуры поверхности образца со стороны холодильника, а так же изменение температуры поверхности образца со стороны нагревателя и времени проведения исследования строятся графики (фиг. 1, кривая 1 и кривая 2). По кривым 1 и 2 отслеживают изменения температуры поверхности образца со стороны нагревателя и холодильника соответственно и момент времени, когда температуры перестают изменяться, тепловой поток, проходящий через образец, стабилизируется и станет постоянным, это соответствует времени наступления стационарного теплового режима.
0
х
0
П1
При проведении исследования образца из текстолита размером 250×250×20 мм начальная температура поверхности образца со стороны холодильника составляет T=22°С, а после включения установки, значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, характеризующие температурную волну на указанной поверхности образца, начинают изменяться и при достижения заданной температуры в блоке управления Т=19,1°С поддерживаются постоянными (Фиг. 1. кривая I). Начальная температура поверхности образца со стороны нагревателя также равна Т=22°С, а после включения установки значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на указанной поверхности, начинают изменяться и при достижении заданной температуры нагревателя Т=34°С поддерживаются постоянными (Фиг. 1, кривая II). После того, как температуры поверхности образца со стороны холодильника и нагревателя перестали изменяться, то есть тепловой поток стабилизировался, достигается стационарный тепловой режим, а время его наступления составляет τ=36 мин. (Фиг. 1, позиция III).
Комплекс теплофизических характеристик в соответствии с опытными данными определяют по математическим зависимостям.
Амплитуду колебаний температурной полуволны определяют по формуле:
П1
где: Т - температура поверхности образца со стороны нагревателя в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;
0
Т - начальная температура поверхности образца.
Коэффициент теплоусвоения определяют по формуле:
п
где: q - плотность теплового потока, в момент времени наступления стационарного теплового режима, Вт/м;
- амплитуда колебаний температурной полуволны, °С.
Термическое сопротивление теплопроводности определяют по формуле:
п
2
где: q - плотность теплового потока, в момент времени наступления стационарного теплового режима, Вт/м;
П1
Т - температура поверхности образца со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;
П2
Т - температура поверхности образца со стороны холодильника, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С.
Волновое температурное число определяют в момент времени наступления стационарного теплового режима, по формуле:
где: Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем в момент наступления стационарного теплового режима равное 1,414;
δ - толщина образца, м.
Коэффициент теплопроводности определяют по формуле:
2
где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м⋅К);
Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем в момент наступления стационарного теплового режима равное 1,414;
-1
- волновое температурное число образца в момент времени наступления стационарного теплового режима, м.
Объемную теплоемкость определяют по формуле:
2
где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м⋅К);
τ - время наступления стационарного теплового режима, с;
λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К);
π - математическая константа, равна 3,14.
Температуропроводность определяют по формуле:
где: τ - время наступления стационарного теплового режима, с;
-1
- волновое температурное число образца в момент времени наступления стационарного теплового режима, м;
Тепловую инерцию определяют по формуле:
где: λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К);
3
(сρ) - объемная теплоемкость, Дж/(м⋅К).
Тепловую активность определяют по формуле:
2
4
2
где: b - тепловая инерция, Дж/(с⋅м⋅К).
Определив волновое температурное число  образца в момент времени наступления стационарного теплового режима определяют дополнительные теплофизические характеристики исследуемого образца: термопроводность и термоизоляцию.
Термопроводность - это безразмерный коэффициент, который характеризует долю отношения, прошедшей через образец энергии температурной волны (Дж) к энергии, подведенной к образцу определяемый по формуле:
где: 0,434 - математическая константа, равная log(2,718);
-1
- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, м;
δ - толщина образца, м.
Термоизоляцию определяют по формуле:
где: 4,34 - математическая константа равная 10⋅log(2,718).
-1
- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, м;
δ - толщина образца, м.
Определение волнового температурного числа образца, в момент времени наступления стационарного теплового режима, позволяет определять дополнительные теплофизические характеристики исследуемого образца термопроводность и термоизоляцию, расширяя функциональные возможности способа, что и является новым техническим результатом.
Кроме того, измерение температуры поверхности образца посредством дополнительной термопары, установленной со стороны холодильника и времени наступления стационарного теплового режима позволяют, в сравнении с прототипом, повысить точность определения теплофизических характеристик.
Осуществление способа.
Исследуемый образец выполненный в форме пластины, например из текстолита, с размерами 250×250×5÷45 мм помещают в устройство для осуществления способа между нагревателем и холодильником. Устанавливают термопару для измерения температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника, термопару для измерения температуры на наружной поверхности 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. Электронный блок управления поддерживает заданные температуры нагревателя и холодильника и контролирует их с заданной точностью. Изменение температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника и температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя с заданным интервалом времени регистрирует прибор ЭВМ. Далее строят графики зависимости температур от времени измерения, выявляют по ним температурную волну на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника, температурную волну на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя и когда температуры перестанут изменяться, определяют время наступления стационарного теплового режима.
Прибор ЭВМ, используя полученные экспериментальные данные температур поверхности исследуемого образца со стороны холодильника, со стороны нагревателя, стационарную плотность теплового потока и время наступления стационарного теплового режима, рассчитывает комплекс теплофизических характеристик исследуемого образца.
Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг. 1 приведено распределение температур по толщине образца от времени измерения. Кривая I - изменение температуры поверхности исследуемого образца со стороны холодильника от времени испытания. Кривая II - изменение температуры поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя от времени испытания. Позиция III - время наступления стационарного теплового режима. Кривая IV - температура нагревателя. Кривая V - температура холодильника. На фиг. 2 схематично приведено устройство для осуществления способа с принятыми обозначениями.
Пример конкретного исполнения.
В качестве исследуемого образца 1 для определения комплекса теплофизических характеристик использовали образец из текстолита, выполненный виде пластины с размерами 250×250×20 мм. На середину плоскости поверхности образца 1 со стороны холодильника 2 и на середину плоскости поверхности образца 1 со стороны нагревателя 3 устанавливали датчики измерения температуры 4 и 5 соответственно. Образец 1 помещали в устройство для осуществления способа между нагревателем 3 и холодильником 2, торцы закрыли герметичными крышками 6.
В электронном блоке управления 7 с помощью пульта управления 8 кнопками устанавливали температуру нагревателя 34°С, температуру холодильника 19,1°С, толщину образца устанавливали 20 мм и подключали устройство к источнику переменного тока 9. Далее нагреватель 3 и холодильник 2 начинали достигать своих заданных температур. Посредством электронного блока управления 7 установленные температуры нагревателя 3 и холодильника 2 поддерживались заданных значений. Кроме того, к электронному блоку управления 7 подключены термопара 10, установленная на нагревателе 3, термопара 11, установленная на холодильник 2, и датчик теплового потока 12, установленный на холодильнике 2, для измерения стационарной плотности теплового потока. Температуры нагревателя 3, холодильника 2, стационарная плотность теплового потока заносились в блок памяти 13 электронного блока управления 7. Температуры поверхности исследуемого образца 1 со стороны холодильника 2 и температуры поверхности исследуемого образца 1 со стороны нагревателя 3 с интервалом 1 мин. заносились в устройство ЭВМ 14.
До наступления стационарного теплового режима, температуры поверхностей сопряжения образца 1 с холодильником 2 и нагревателем 3 будут разные. Для нахождения температуры поверхности образца 1 со стороны холодильника 2, на его поверхность устанавливали дополнительную термопару 4 для измерения температуры во времени. Когда температуры поверхности образца 1 со стороны нагревателя 3 и со стороны холодильника 2 перестанут изменяться и тепловой поток стабилизируется наступит стационарный тепловой режим.
0
П2
П1
п
р
2
Для определения амплитуды колебаний температурной полуволны, коэффициента теплоусвоения - В, коэффициента термического сопротивления теплопроводности, волнового температурного числа, коэффициента теплопроводности, объемной теплоемкости - (сρ), температуропроводности - а, а также термопроводности и термоизоляции исследуемого образца, строили график распределения температур от времени испытания исследуемого образца и определяли температуру поверхности образца со стороны холодильника, температуру поверхности образца со стороны нагревателя и время наступления стационарного теплового режима. Температура испытуемого образца до начала испытаний составляла Т=22°С, температура поверхности образца со стороны холодильника составляла Т - 19,1°С температура поверхности образца со стороны нагревателя составляла Т=34°С. Значение плотности стационарного теплового потока составило q=195 Вт/м через τ=36 минут от начала измерений.
Далее, по полученному значению температуры поверхности образца со стороны холодильника, значению температуры поверхности образца со стороны нагревателя, плотности стационарного теплового потока, а так же времени наступления стационарного теплового режима, предварительно занесенные в прибор ЭВМ, который производил расчеты.
Амплитуду колебаний температурной полуволны определяли по формуле:
П1
где: Т - температура поверхности образца со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, равна 34°С;
П2
Т - температура поверхности образца со стороны холодильника, в момент наступления стационарного теплового режима, равна 19,1°С. Коэффициент теплоусвоения определяли по формуле:
п
2
где: q - плотность теплового потока, в момент времени наступления стационарного теплового режима, составила 194 Вт/м;
- амплитуда колебаний температурной полуволны, равна 7,45°С.
Термическое сопротивление теплопроводности определяли по формуле:
П1
где: Т - температура поверхности образца со стороны нагревателя, в момент наступления стационарного теплового режима, равна 34°С;
П2
Т - температура поверхности образца со стороны холодильника, в момент наступления стационарного теплового режима, равна 19,1°С.
Волновое температурное число, определяли в момент времени наступления стационарного теплового режима, по формуле:
где: Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем в момент наступления стационарного теплового режима равное 1,414;
δ - толщина образца, равна 0,02 м.
Коэффициент теплопроводности определяли по формуле:
2
где: В - коэффициент теплоусвоения, составил 26,04 Вт/(м⋅К);
Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем в момент наступления стационарного теплового режима равное 1,414;
-1
- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равное 70,7 м.
Объемную теплоемкость определяли по формуле:
2
2
3
3
(сρ)=В⋅τ/(π⋅λ)=(26,04⋅2160)/(3,14⋅0,26)=1794⋅10, кДж/(м⋅К),
2
где: В - коэффициент теплоусвоения, составил 26,04 Вт/(м⋅К);
τ - время наступления стационарного теплового режима, определяемое по графику, составило 2160 с;
λ - коэффициента теплопроводности, составил 0,26 Вт/(м⋅К);
π - математическая константа, равная 3,14.
Температуропроводность определяли по формуле:
где: τ - время наступления стационарного теплового режима, определяемое по графику, составило 2160 с;
-1
- волновое температурное число, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, составило 70,7 м;
π - математическая константа, равная 3,14.
Тепловую инерцию определяли по формуле:
3
6
2
4
2
b=λ⋅(сρ)=0,26⋅(1794⋅10)=0,466⋅10, Дж/(с⋅м⋅К),
3
3
где: λ - коэффициента теплопроводности, составил 0,26 Вт/(м⋅К); (сρ) - объемная теплоемкость, составила 1794⋅10 Дж/(м⋅К).
Тепловую активность определяли по формуле:
6
2
4
2
где: b - тепловая инерция, составила 0,466⋅10 Дж/(с⋅м⋅К).
Определив волновое температурное число образца, в виде пластины, в момент времени наступления стационарного теплового режима, определяют дополнительные теплофизические характеристики исследуемого образца: термопроводность и термоизоляцию.
При этом термопроводность определяли по формуле:
где: 0,434 - математическая константа, равная log(2,718);
-1
- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равное 70,7 м;
δ - толщина образца, равна 0,02 м.
Термоизоляцию определяли по формуле:
где: 4,34 - математическая константа равная 10⋅log(2,718);
-1
- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равное 70,7 м;
δ - толщина образца, равна 0,02 м.
Предлагаемый способ определения комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов с помощью волнового температурного числа, позволяет определять дополнительные теплофизические характеристики исследуемого образца термопроводность и термоизоляцию. Используя термопроводность и термоизоляцию возможно определять прочностные и звукофизические свойства твердых материалов, например, такие как модуль упругости Юнга и скорость звука в твердых материалах, расширяя функциональные возможности способа, что и является новым техническим результатом.
Кроме того, измерение температуры поверхности образца посредством дополнительной термопары, установленной со стороны холодильника и времени наступления стационарного теплового режима позволяют, в сравнении с прототипом, повысить точность определения теплофизических характеристик.
Предлагаемый способ позволяет определять комплекс теплофизических характеристик для различных твердых строительных материалов, например, кирпича, стекла и других.