УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАСОЛЕННЫХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА

Область применения: определение теплофизических характеристик (температуропроводности, коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости) сухих и увлажненных стеновых материалов, содержащих гигроскопические соли.
Аналогом разработанной авторами установки для определения теплофизических характеристик (ТФХ) является установка для определения ТФХ при линейном изменении температуры внешней поверхности тела и наличии в нем источника тепла, разработанная П.И. Филипповым и A.M. Тимофеевым [Филиппов П.И., Тимофеев A.M. Методы определения теплофизических свойств твердых тел. - Новосибирск: Наука. - 1976. - 103 с]. Метод определения ТФХ материалов основан на применении решения уравнения теплопроводности при граничных условиях II рода для бесконечной пластины. Метод заключается в двухступенчатом нагреве испытуемого образца источником тепла со скачкообразно меняющейся мощностью без предварительного термостатирования. Экспериментальная кривая роста температуры во времени регистрируется только в одной точке образца (поверхности).
Образцам материалов придают форму цилиндра или пластины. Отношение длины цилиндра L к его диаметру d выбирается из условия L/d≥3, а для пластины L/d≥8. Основной нагреватель помещают между двух пластин, поверхности которых шлифуют. Он питается от стабилизированного источника питания. Температура образца измеряется на той его поверхности, где находится основной нагреватель, дифференциальной медь-константановой термопарой. Показание термопары записывается на ленте автоматического электронного потенциометра через фотокомпенсационный усилитель. Предел усилителя устанавливается таким образом, чтобы вся шкала потенциометра соответствовала 10°С.
Для расширения диапазона измерения температур последовательно с дифференциальной термопарой подключается потенциометр.
1
2
2
2
14
15
16
3
-3
Для поддержания адиабатического условия нагрева применяется замкнутая цепочка: дифференциальная термопара - фотокомпенсационный усилитель - усилитель мощности - нагреватель. При появлении разности температур ΔT между охранным нагревателем и наружной поверхностью образца термо-ЭДС от дифференциальной термопары поступает на вход фотоусилителя, т.е. на клеммы низкоомного гальванометра, и вызывает отклонение легкого зеркальца, укрепленного на рамке гальванометра. Перераспределение светового потока между фотоэлементами Φ и Ф является причиной увеличения или уменьшения анодного тока лампы Л, следовательно, разбаланса моста, образуемого лампой Л и сопротивлениями r, r и r. По диагонали моста ток, и падение напряжения на сопротивлении r, вызваемое этим током, компенсирует измеряемое напряжение. В диагонали моста находится регистрирующий прибор, шкала которого отградуирована в микровольтах. По показаниям прибора можно судить о разности температур между поверхностью образца и адиабатической оболочкой. В диагонали моста есть магазин шунтов, что позволяет иметь различные пределы регулирования напряжения. Благодаря компенсационной схеме результат измерений не зависит от непостоянства ЭДС фотоэлементов (фотосопротивлений). Усиленный по напряжению сигнал поступает на вход усилителя мощности УМ. Усилитель мощности представляет собой усилитель постоянного тока. От УМ на нагреватель поступает ток такой величины, который устранил бы появившуюся разность температур ΔT. По мере уменьшения ΔT мощность нагревателя автоматически снижается до определенного значения. Таким образом, все время поддерживается нулевая разность температур с точностью до 10°С. Для устранения боковой утечки тепла образец помещается в камеру из тонкой фольги с воздушными зазорами между боковыми поверхностями образца и стенками камеры, равными 5 мм. С помощью нагревателя в зазоре поддерживается нулевая разность температур, которая контролируется и регулируется дифференциальной термопарой, фотоусилителем и потенциометром. Для равномерного нагрева стенок камеры используется вентилятор.
Недостатки установки заключаются в том, что замеры роста температуры во времени при проведении эксперимента только в одной точке образца на его поверхности может привести к искажению результатов вследствие появления при сушке высолов на гранях засоленных образцов. Применение потенциометра, автоматически записывающего данные на ленту, приводит к снижению точности эксперимента и появлению ошибок, связанных с возможным неравномерным движением ленты и погрешностями шкалы. При считывании данных с ленты присутствует субъективная ошибка отсчетов результата измерения, связанная с особенностями зрения.
Прототипом является установка для определения термических характеристик влажных материалов импульсным методом, разработанная. Е.Е. Вишневским [Вишневский Е.Е. Импульсный метод определения термических характеристик влажных материалов // Труды Всесоюзного науч. - исслед. кинофотоинститута, 1958, вып. 2(25). С. 73-90].
Образец материала состоит из двух пришлифованных друг к другу половинок, обжатых струбцинами и помещенных в воздушный термостат. В образец в параллельных прорезях заложены линейный нагреватель и термопара. До начала опыта образец выдерживается в термостате до тех пор, пока температура по всей массе образца выровняется и станет равной температуре в термостате. Об этом состоянии судят по «нулевому» показанию потенциометра. Тепловой импульс вводится в образец материала путем кратковременного включения электронагревателя. Одновременно включается секундомер. В процессе опыта определяются: время действия электронагревателя; время наступления максимума температуры, отсчитываемое от момента включения электронагревателя; показание потенциометра, соответствующее максимуму температуры.
Недостатки установки заключаются в том, что применение секундомера, не включенного в цепь, и аналогового потенциометра приводит к снижению точности эксперимента и появлению ошибок при замерах, связанных с низкой точностью аналоговых приборов: максимальный класс точности аналоговых измерительных приборов (АИП)-0,05. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, самого измерительного механизма, погрешностями шкалы. При замерах АИЛ присутствует субъективная ошибка отсчетов результата измерения, связанная с особенностями зрения человека (из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза).
Задача: определить теплофизические характеристики (ТФХ) (температуропроводность, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость) сухих и увлажненных стеновых материалов, содержащих гигроскопические соли.
Поставленная задача достигается при определении ТФХ засоленных стеновых материалов с помощью разработанной установки для определения ТФХ засоленных стеновых материалов нестационарным импульсным методом с использованием линейного источника тепла.
Для недопущения сушки стеновых материалов и фазовых превращений в порах и капиллярах в процессе проведения эксперимента, метод определения ТФХ должен был отвечать следующим параметрам:
1) Обеспечение достаточной точности эксперимента в пределах интервала измерения коэффициента теплопроводности λ стеновых материалов в пределах от 0,03 до 2,0 Вт/(м·°С).
2) Малая продолжительность эксперимента (до 5 мин).
3) Возможность определения ТФХ в зонах фазовых превращений в порах и капиллярах стеновых материалов.
4) Малая трудоемкость изготовления из исследуемых стеновых материалов образцов требуемой формы и размеров для испытаний на установке.
Проведенный анализ методов измерения ТФХ показал возможность использования для замеров установку, основанную на импульсном методе линейного источника тепла, когда возможно определение λ в конкретной точке образца. Время проведения замеров составляет от 1 до 5 мин. в зависимости от ТФХ исследуемого стенового материала, что обеспечивает возможность определения ТФХ в зонах превращения солей и солевых растворов в порах и капиллярах стеновых материалов. Вследствие кратковременности замеров фазовый состав внутрипорового вещества практически не изменяется, что выгодно отличает предлагаемый метод от других.
0
Метод основывается на решении двумерного уравнения теплопроводности для неограниченного тела, если в нем действует кратковременно в течение времени τ линейный источник тепла.
Установка для определения ТФХ стеновых материалов методом теплового импульса разработана по функционально-блочному принципу и включает три выделенных блока (фиг. 1).
1. Блок стабилизации переменного напряжения. Состоит из линейного автотрансформатора ЛАТр1 и стабилизатора переменного напряжения на 220 В.
Блок управления ходом теплофизического эксперимента. Состоит из пускового устройства; электронного реле времени, задающего время работы регулятора величины теплового потока и регулятора величины теплового потока через линейный нагреватель, состоящего из линейного автотрансформатора ЛАТр2, трансформатора Tp1, диодного моста из четырех диодов Д242А, конденсатора C1 марки К50-18 емкостью 10000 мкФ.
1
2
max
Блок измерения результатов теплофизического эксперимента. Состоит из приборов для измерения силы тока Ц43101 (погрешность измерения - 1,5%) и напряжения В7-40/5 (погрешность измерения - 0,1%) на линейном нагревателе; секундомера C1 (точность измерения - до 0,01 с) для регистрации длительности импульса на линейном нагревателе; секундомера C2 (точность измерения - до 0,01 с) для отсчета времени с момента начала импульса до наступления заранее заданных моментов времени τ и τ (или времени τ - с момента начала импульса до наступления максимального значения термоЭДС) и милливольтметра В7-53/1 (погрешность измерения - 0,04%) для регистрации термоЭДС.
Электрическая схема установки приведена на фиг. 2.
Образец материала разрезался на две половинки, которые притирались и плотно прижимались друг к другу с помощью струбцины. В одной из них по оси центральной симметрии образца устанавливалась дифференциальная термопара. В параллельной прорези на расстоянии 10 мм от термопары размещался линейный источник тепла (проволока из нихрома диаметром 0,42 мм с малым температурным коэффициентом сопротивления - 0,65 Ом).
0
При исследовании ТФХ использовалась медь-константановая термопара диаметром 0,18 мм и хромель-копелевая - диаметром 0,19 мм. Выбор материала для изготовления термопар осуществлялся с учетом возможности достижения наибольших значений термоЭДС для обеспечения точности эксперимента. Перед началом испытаний температура образца должна быть равна температуре окружающей среды Т, которая на всем протяжении опыта оставалась постоянной. Для исключения колебания температуры и влажности окружающей среды образец помещался в термостат.
Методика определения ТФХ засоленных стеновых материалов.
На разработанной установке эксперименты проводятся в такой последовательности:
1) В термостат помещается образец материала с вложенными в него линейным нагревателем и дифференциальной термопарой. Образец обжимается струбциной и выдерживается в термостате до тех пор, когда температура по всему объему образца выровняется и становится равной температуре воздуха в термостате. О наступлении этого момента указывает «нулевое» показание милливольтметра.
2) Включается выключатель B1, срабатывает реле РВ1, замыкаются контакты реле РВ1-1 и 2. Подается напряжение на регулятор величины теплового потока, происходит нагрев линейного нагревателя.
0
0
3) Через 10 секунд (длительность импульса τ) отключается реле РВ1, размыкаются контакты 1 и 2, отключается регулятор величины теплового потока и прекращается нагрев линейного нагревателя. В то же время замыкаются контакты 1 и 3 реле РВ1 и напряжение подается на секундомер С2. Фактическая длительность импульса τ определяется секундомером C1.
Выбор длительности импульса в 10 с был принят на основании серии пробных экспериментов, так как при этом значении отчетливо наблюдается пик термоЭДС. Установлено, что пик термоЭДС для разных стеновых материалов наблюдается при различных сочетаниях силы тока (от 1,0 до 7,0 А) и напряжения (от 0,3 до 2,8 В).
1
2
max
1
2
max
4) По показаниям милливольтметра регистрируются с точностью до 1 мкВ значения термоЭДС в моменты времени τ и τ и максимальное значение термоЭДС в момент времени τ. Секундомером С2 регистрируются моменты времени τ, τ и τ.
5) На одном образце проводится, минимум, три опыта. Каждое следующее определение проводится, когда температура на «горячем» и «холодном» спаях термопары выравнивается, о чем свидетельствует «нулевое» показание милливольтметра.
ТФХ стеновых материалов, для контроля сопоставимости результатов, определялись по двум методам: температурно-временных интервалов и по максимуму избыточной температуры.
При расчете по методу температурно-временных интервалов ТФХ определялись по формулам:
L
где q - количество тепла, выделяемое единицей длины линейного постоянного источника тепла в единицу времени, Дж/м:
0
1
2
1
2
1
2
2
3
где Q - тепловой поток, Вт через линейный нагреватель длины L, м; U, I - соответственно, напряжение, В и сила тока, А в цепи линейного нагревателя; τ - продолжительность теплового импульса, с; x - координата точки, м на заданном расстоянии от источника тепла; τ и τ - заранее заданные моменты времени контроля температуры в точке x, с; T(x,τ) и Τ(x,τ) - температура в точке x, °С, соответственно, в моменты времени τ и τ; α-температуропроводность, м/с; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С); ср - объемная теплоемкость, Дж/(м·°С).
При расчете по максимуму избыточной температуры ТФХ определялись по формулам:
λ
a
o
o
max
max
Значения φ и φ зависят от аргумента φ=τ/τ (τ - время наступления максимума температуры в точке, с), который может принимать значения от нуля до единицы. Связь между этими величинами следующая:
λ
а
0
tmax
значения φ и φ принимаются в зависимости от φ; Δ - максимальная разница температур «горячего» и «холодного» спаев, принимается по таблицам для определения термоЭДС, °С.
Точность эксперимента оценивалась путем сравнения полученных значений λ со значениями, определенными стационарным методом на приборе для измерения коэффициента теплопроводности ИТ-3 по ГОСТ 7076-99 [ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления. Утв. 20.05.1999 г. МНТКС пост. №89 и 24.12.1999 г. Госстроем России пост. №89. Введ. в действие с 1.04.2000 г пост. Госстроя России №89 от 24.12.1999 г. М.: ГУП ЦПП, 2000. - 12 с] и со справочными данными. В качестве эталонного материала для определения λ использовали полиметилметакрилат.
Сравнительное определение λ полиметилметакрилата проводилось:
1. на приборе ИТ-3 по методу стационарного теплового режима;
2. на разработанной установке методом импульсного линейного источника тепла:
а) по максимуму избыточной температуры термопарой Х-К;
б) по максимуму избыточной температуры термопарой М-К.
в) по методу температурно-временных интервалов термопарой Х-К.
набл
кр
(0,05; 3; 3)
набл
кр
{x}
2
-4
Установлено, что расхождение опытных данных при экспериментальном определении λ двумя методами не превышало 2%. Нулевая гипотеза об однородности дисперсий различных методов определения коэффициента теплопроводности проверялась по критерию Кохрена. При числе степеней свободы f=3 (при числе опытов n=4 для каждого метода определения λ), числе сравниваемых дисперсий N=3, уровне значимости α=0,05 наблюдаемое значение критерия Кохрена G=0,7107. G=G=0,7977. Так как G<G, то справедлива нулевая гипотеза. Тогда в качестве общей оценки дисперсии воспроизводимости результатов эксперимента принято среднее арифметическое значение дисперсий отдельных уровней: S =1,2994·10 с девятью степенями свободы.
Метод, выбранный для определения коэффициента теплопроводности материала не оказывает статистически значимого влияния на величину λ, следовательно применяемый импульсный метод определения ТФХ на разработанной установке является корректным.
Преимущества: Включение в состав установки блока управления ходом теплофизического эксперимента, в который входят секундомеры и реле времени, дает возможность автоматизировать процесс измерения. Включение в состав установки блока измерения результатов теплофизического эксперимента позволяет определять характеристики засоленных стеновых материалов внутри зон фазовых превращений солей и влаги с высокой точностью благодаря малой продолжительности эксперимента, исключающей сушку стеновых материалов, и использованию в составе блока серийных цифровых измерительных приборов, которые потребляют малую мощность от объекта измерения, обладают высоким быстродействием и помехоустойчивостью и выдают индикацию результатов измерения в виде чисел и во внешние устройства (ЭВМ).