СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ВЛАГИ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ
METHOD FOR DETERMINING MOISTURE DIFFUSION COEFFICIENT IN CAPILLARY-POROUS MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах.
Одним из свойств капиллярно-пористых материалов является гигроскопичность, то есть способность поглощать влагу из окружающего воздуха, в котором всегда присутствует определенное количество водяных паров. Количество воды в таких материалах характеризует их влажность, уровень которой влияет на теплофизические, механические и эксплуатационные свойства капиллярно-пористых материалов.
При нахождении в воздухе определенного состояния капиллярно-пористый материал в процессе сорбции или десорбции стремиться приобрести так называемую равновесную влажность, которая зависит от относительной влажности воздуха и его температуры, а также свойств данного материала. Движение влаги внутри капиллярно-пористых материалов происходит благодаря диффузии. Ее интенсивность характеризуется коэффициентом диффузии, величина которого определяется экспериментально.
Известен способ определения коэффициента диффузии капиллярно-пористых материалов, называемый методом «мокрой чашки» [1]. В англоязычной литературе его называют «wet cup method». При его реализации подготовленный образец испытуемого материала в форме диска устанавливают в верхней части испытательного сосуда - чашки, в которую предварительно наливают дистиллированную воду или насыщенный раствор определенной соли для создания в чашке воздушной среды с заданной относительной влажностью. Места контакта материала со стенками сосуда тщательно герметизируют. Испытательный сосуд устанавливают на весы и вмести с ними размещают в климатической станции, в которой поддерживают требуемые температуру и относительную влажность воздуха.
В процессе эксперимента фиксируют уменьшение массы сосуда за счет диффузии водяного пара через образец материала. После того, как скорость снижения массы сосуда станет постоянной и процесс диффузии становится стационарным, определяют плотность потока влаги через образец путем деления убыли массы образца на его площадь и на время, за которое это снижение массы произошло. Коэффициент диффузии рассчитывают, как произведение плотности потока влаги на толщину образца, деленное на разность влажностей его поверхностей, которые определяют с помощью изотермы сорбции по значениям относительной влажности воздуха внутри и снаружи сосуда. Такой подход предполагает, что условия влагообмена на поверхностях образца соответствуют граничным условиям 1-го рода.
Недостатком данного способа является его низкая точность. Это связано с тем, что реальные величины влажности на поверхностях образца капиллярно-пористого материала существенно отличается от значений, полученных с помощью изотермы сорбции. Дело в том, что интенсивность влагообмена на поверхностях образца, а, следовательно, и коэффициенты влагообмена сравнительно не велики. Это обусловлено наличием сопротивления движению водяного пара на переходах между воздухом и капиллярно-пористым материалом, что характерно для граничных условий 3-го рода, при которых наблюдается существенная разница между влажностью на поверхности и равновесной влажностью окружающего воздуха.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в минимизации ошибки определения коэффициента диффузии капиллярно-пористого материала.
К
2
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что влажность на поверхностях капиллярно-пористого материала определяют по относительной влажности и температуре среды в микрообъемах, непосредственно прилегающих к каждой поверхности капиллярно-пористого материала. Подробнее способ определения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах включает размещение испытуемого капиллярно-пористого материала между двумя средами с различной относительной влажностью, определение текущего значения плотности потока влаги, проходящего через капиллярно-пористый материал, определение влажности на обеих поверхностях капиллярно-пористого материала, через которые проходит поток влаги, с последующим определением коэффициента диффузии капиллярно-пористого материала , м/сек, по формуле:
Q
2
где:  - плотность потока влаги через капиллярно-пористый материал, кг/(м⋅сек);
W1
- влажность одной поверхности капиллярно-пористого материала;
W2
- влажность второй поверхности капиллярно-пористого материала;
d
- толщина капиллярно-пористого материала, м.
При этом влажность на поверхностях капиллярно-пористого материала определяют по относительной влажности и температуре среды в микрообъемах, непосредственно прилегающих к каждой поверхности капиллярно-пористого материала.
Суть предложенного способа поясняют фиг.1 и фиг. 2. На фиг. 1 показан вариант устройства зонда для измерения поверхностной влажности капиллярно-пористых материалов. Миниатюрные датчики относительной влажности 1 и температуры 2 воздуха установлены в общем корпусе 3, которой с помощью компаунда 4, например, эпоксидной смолы, фиксируется в зонде 5 так, чтобы между краем зонда и корпусом датчиков оставался небольшой зазор, образующий микрообъем воздуха 6. Благодаря кольцевому уплотнителю 7 микрообъем воздуха, непосредственно прилегающий к поверхности капиллярно-пористого материала 8, надежно изолируется от влияния окружающей среды.
При проведении измерений зонд прижимают к поверхности исследуемого материала и следят за показаниями датчиков относительной влажности и температуры воздуха в микрообъеме 6, которые будут меняться вследствие тепломассообмена с поверхностным слоем материала 8. Температура воздуха в процессе измерения, как правило, остается неизменной или изменяется не значительно. В тоже время относительная влажность воздуха может существенно измениться в зависимости от поверхностной влажности исследуемого материала. Стабилизация показаний датчика при измерении поверхностной влажности распространенных строительных материалов, например, силикатных кирпичей, керамических плиток, бетонов, древесины и др. происходит в течение нескольких десятков секунд. Влагообмен между материалом и микрообъемом воздуха, высота которого составляет лишь несколько десятых долей миллиметра, происходит достаточно быстро благодаря его малым размерам.
Влажность на поверхностях исследуемого капиллярно-пористого материала определяют по относительной влажности и температуре воздуха в микрообъеме 6 с помощью таблиц, графиков и диаграмм равновесной влажности для соответствующего материала, которые имеются в технической литературе. Например, при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 60% равновесная влажность легкого бетона равна 2,0%, а при той же температуре и относительной влажности воздуха 80% она составит 3,1% [2]. При тех же параметрах воздуха равновесная влажность древесины будет равна 11,3% и 16,9% соответственно [3].
Для проведения эксперимента удобно использовать сосуд, состоящий из двух частей (фиг. 2). В его нижнюю часть 1 наливают дистиллированную воду или насыщенный раствор определенной соли 2. На нижнюю часть через уплотнитель 3 устанавливают имеющую форму кольца верхнюю часть 4, на которой с помощью герметика 5 закреплен испытуемый образец капиллярно-пористого материала 6, имеющий форму диска. Подготовленный к эксперименту сосуд взвешивают и помещают в климатическую камеру 7, в которой поддерживаются заданные температурно-влажностные условия.
В ходе эксперимента сосуд периодически извлекают из климатической камеры и взвешивают. Сразу после взвешивания с помощью датчика определяют относительную влажность и температуру воздуха в микрообъеме над верхней поверхностью образца капиллярно-пористого материала и после снятия верхней части сосуда под его нижней поверхностью. Далее верхнюю часть возвращают на место и сосуд помещают обратно в климатическую камеру. Затем с помощью соответствующих таблиц, графиков, диаграмм или аппроксимирующих функций определяют значения влажности на поверхностях экспериментального образца. После завершения эксперимента вычисляют коэффициент диффузии.
Процессы диффузии в капиллярно-пористых материалах протекают очень медленно, иногда десятки и даже сотни часов, поэтому кратковременные на 2-3 минуты прерывания эксперимента практически не увеличивают погрешность определения коэффициентов диффузии.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность и надежность определения коэффициентов диффузии капиллярно-пористых материалов.
Использованные источники информации
1. Olek W. Analysis of the cup method application for determination of the bound water diffusion coefficient in wood //Fol. For. Pol., Ser. B. Drzewnictwo. - 2003. - Т. 34. - С. 15-25.
2. СТРУКТУРА ПОР И СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КИРПИЧА. Фасеева Г.Р., Салахов А.М., Хацринов А.И., Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 8. с. 220-223.
3. Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. - М.: Экология, 1991. - 256 с.