СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
MEASUREMENT OF HEAT CONDUCTIVITY AND HEAT RESISTANCE OF CONSTRUCTION STRUCTURE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики строительных конструкций, например, зданий и сооружений по тепловому сопротивлению и теплопроводности.
Из уровня техники известны способы теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, какими, в частности, являются здания и сооружения, см., например, патент РФ №2219534. Для осуществления известного способа определяют временной интервал, необходимый для получения достоверного результата. В течение этого времени периодически измеряют температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают значение теплопроводности нужного слоя. Используя модель, определяют возможную температуру и плотность для каждого заданного значения теплопроводности. Проводят тепловизионное обследование, измеряют температуры внутренних и наружных поверхностей. Сравнивают теоретические и полученные измерением результаты. Выбирают для дальнейших расчетов значение теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.
В патенте Японии №9113473 раскрыт способ теплового неразрушающего контроля материалов и определения местоположения дефектов, которые приводят к теплопотере. Согласно этому способу облучают участок исследуемой поверхности, измеряют теплопроводность материала, информацию о распределении температурного поля объекта передают для анализа на устройство термографического контроля и затем на устройство отображения, которое показывает изменения в распределении температурного поля.
Все известные способы позволяют определить состояние конструкций и их теплопотери, однако они не применимы для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений.
В патенте РФ №2323435 описывается способ определения сопротивления теплопередаче с использованием двух теплоизолированных нагревательных элементов. Этот способ является ближайшим к заявленному. Согласно описанному способу теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций, включающему установку на одной стороне конструкции первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента, реализующего нагрев контролируемой конструкции, осуществляемое через заданный интервал времени измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, а также температур на обеих поверхностях строительной конструкции, определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции по формуле
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mi>B</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>T</mi><mi>H</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>q</mi><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
0
B,
H
где R - сопротивление теплопередаче строительной конструкции, Т T - температура на внутренней и наружной поверхностях строительной конструкции соответственно, q - тепловой поток через строительную конструкцию, после установки первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента на противоположной стороне строительной конструкции напротив первого нагревательного элемента дополнительно устанавливают второй теплоизолированный плоский нагревательный элемент, реализующий нагрев контролируемой конструкции с температурой, отличной от температуры первого плоского нагревательного элемента, термостабилизируют оба нагревательных элемента, при этом линейные размеры нагревательных элементов выбирают в диапазоне от 3 до 5 размеров толщины строительной конструкции, измеренной в средней части нагревательных элементов.
Недостаток известного способа состоит в том, что формула (1) применима только для условий стационарного процесса теплопередачи через исследуемый объект. Как показывают авторы, процесс теплопередачи через строительную конструкцию переходит в стационарный ориентировочно через 3-4 суток при выполнении следующего условия: температура на обеих поверхностях (наружной и внутренней) строительной конструкции не должна изменяться, что обеспечивается двумя теплоизолированными нагревателями.
Для обеспечения достоверного определения термического сопротивления строительной конструкции необходимо обеспечить стабильные температуры на наружной и внутренней поверхностях в течение 3-4 суток. Выдержка в течение такого длительного времени и, таким образом, значительные сроки проведения работ по оценке состояния строительных конструкций влияют на стоимость работ и отдаляют получение достоверных результатов. Важность получения информации о состоянии сооружений в настоящее время не вызывает сомнений.
Таким образом, существует потребность в разработке способа теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций, который бы устранял недостатки аналогов, известных на настоящий момент из уровня техники.
Технический результат, который достигается при использовании заявленного способа, состоит в сокращении времени проведения испытаний.
5
2
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе измерения теплопроводности и теплового сопротивления строительной конструкции толщиной h, включающем установку на обеих сторонах конструкции плоских термостатирующих элементов и на одной стороне - тепломера, отличающемся тем, что кроме первого тепломера на противоположной поверхности конструкции устанавливают второй тепломер, затем после включения термостатирующих элементов через время τ, определяемое по зависимости τ=4·10·h, где h - толщина образца, измеряют температуры поверхностей T и T, плотности тепловых потоков qи q, рассчитывается теплопроводность λ материала конструкции по формуле
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>h</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а тепловое сопротивление R - по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Сущность изобретения и возможность достижения при его использовании указанного технического результата будет более понятна из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на фиг.1 приведена принципиальная схема установки, с помощью которой реализуется заявленный способ, на фиг.2 приведен график зависимости тепловых потоков на поверхностях конструкции от времени в процессе выхода на стационарный тепловой режим.
Предлагаемый способ теплового неразрушающего контроля заключается в следующем.
1
2
На строительную конструкцию 1 (например, стену здания) устанавливают два - первый 2 и второй 3 плоские теплоизолированные нагревательные элементы. Их монтируют на противоположных сторонах здания - наружной и внутренней стенах. При этом линейные размеры нагревательных элементов 2, 3 составляют от 3 до 5 величин толщины конструкции 1, измеренной в средней части установленных нагревательных элементов, например по их оси. Причем первый нагревательный элемент 2 реализует нагрев конструкции до температуры, отличной от той, до которой нагревает соответствующую сторону конструкции 1 нагревательный элемент 3. С помощью исполнительных нагревательных узлов 8, 9 внутри элементов 2, 3 устанавливаются соответствующие температуры, например Tи Т, которые измеряются датчиками температуры 4 и 5, которые также установлены по разные стороны конструкции 1. Данные температуры стабилизируют посредством систем термостабилизации 10, 11 исполнительных нагревательных элементов в течение определенного времени τ.
Указанный интервал времени τ определяется перед проведением измерений и зависит от материалов и толщины h конструкции 1.
Системы термостабилизации 10, 11 исполнительных нагревательных элементов 8, 9 обеспечивают постоянную температуру внутри плоских нагревательных элементов и температуру нагрева строительной конструкции вне зависимости от температуры наружного и воздуха внутри помещения.
i
2
По истечении времени τ температуры поверхностей стены устанавливаются равными температурам теплоизолированных нагревательных элементов 2, 3. В этот момент времени датчиками теплового потока 6 и 7 измеряют тепловые потоки q и q через строительную конструкцию. Далее осуществляют определение теплопроводности λ материала конструкции по формуле
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>h</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а тепловое сопротивление R - по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для повышения достоверности результатов контроля путем минимизации величины теплового потока вдоль конструкции размеры теплоизолированных нагревательных элементов выбирают по результатам проведенных экспериментальных исследований в диапазоне от 3 до 5 величин толщины строительной конструкции, измеренной в средней части установленных нагревательных элементов, например по их оси.
Аналитические исследования эффективности и возможностей заявленного способа теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций были проведены применительно к однослойной строительной конструкции.
Результаты исследований приведены в виде графика зависимости вычисленных тепловых потоков от времени на фигуре 2.
Из графика следует, что момент, когда теплопроводность конструкции можно определить с погрешностью не более 5%, наступает в четыре раза быстрее стационарного режима.
К преимуществам заявленного способа по сравнению с известными из уровня техники относится сокращение времени на проведение испытаний.
Ее температурное поле можно описать дифференциальным уравнением
<mrow><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>a</mi></mfrac><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где координата x направлена перпендикулярно плоскости.
На поверхностях реализованы граничные условия
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi></mi><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi></mi></mrow></msub><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>h</mi><mo>,</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mtext>2</mtext></msub><mtext>. </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(8)</mtext></mrow>
Начальные условия
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mn>,0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mi>H</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При таких условиях уравнение решалось численно относительно величины
<mrow><msubsup><mi>q</mi><mn>1</mn><mrow /></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>λ</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,</mn><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
<mrow><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>λ</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>,</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
Было получено, что qи qв течение определенного времени становятся равными, и это время считается временем выхода на стационарный тепловой режим. Было обнаружено, что величина
<mrow><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
принимает стационарное значение значительно раньше, и начиная от времени
<mrow><mi>τ</mi><mo>*</mo><mo>=</mo><mn>0.1</mn><mfrac><mrow><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>a</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
становится равной стационарному тепловому потоку через конструкцию при постоянных температурах Т и Т на ее поверхностях.
Величину q(τ) можно использовать для расчета величины теплопроводности и удельного теплового сопротивления стены, по формулам (5) и (6), начиная с времени τ* с систематической погрешностью не более 5%. Величина τ* меньше времени выхода на стационарный тепловой режим в 4 раза, поэтому и время проведения испытаний сокращается в 4 раза.
Для проверки работоспособности предлагаемого метода были проведены измерения теплопроводности λ и теплового сопротивления R на трех типах материалов: оптическом стекле ЛК в качестве образцового калориметрического вещества, кирпичной кладке и листе экструдированного пенополистирола. Для измерения использовалась установка, описанная в статье «Установка для измерения эффективного коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов» А.Ф.Бегункова, Ю.П.Заричняк, В.А.Кораблев, А.В.Шарков на стр.84 журнала Приборостроение №4, 1983.
Установка состоит из двух термостатированных плит, на каждой из которых установлен тепломер.
1
2
1
2
Графики изменения теплового потока представлены на фиг.3, 4, 5 соответственно для стекла, кирпича, полистирола. Из рисунков видно, что время установления стационарного теплового потока и выход на постоянное значение величины 0,5(q+q) зависит от значения температуропроводности и толщины образца. При этом время установления стационарного режима было больше времени выхода на постоянное значение величины 0,5(q+q).
а
-7
2
5
2
Температуропроводность строительных материалов отличается менее чем в 10 раз, поэтому на практике, когда неизвестна теплопроводность λ, можно ориентироваться на =2,7·10 м/с. Из этого можно рекомендовать момент измерения τ=4·10·h, где h - толщина образца.
Использование данного изобретения для измерения теплового сопротивления R стен толщиной от 150 мм позволит сократить время испытаний до 4 часов. Предложенный способ может быть использован для измерения теплофизических свойств в машиностроении, геофизике, лесном хозяйстве, в горном деле, химической промышленности и других отраслях науки и техники.