СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETERMINING THERMAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик строительных материалов, как коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи.
Известен способ определения температуропроводности твердых материалов [см., например, Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. Уч. для Вузов. М.: Машиностроение, 1983, 424 с.], состоящий в воздействии от мгновенного источника тепла на исследуемый образец в виде пластины или стержня и определении момента наступления максимального значения температуры в заданных точках исследуемых образцов с последующим расчетом искомой температуропроводности по полученным соотношениям.
Основным недостатком данного способа является малая точность измерения температуропроводности, обусловленная большими динамическими погрешностями из-за влияния конечной длительности импульса, а также резко нестационарными тепловыми процессами при таком виде воздействия на исследуемый объект, большими потерями тепла из-за неучтенного теплообмена между образцом и окружающей средой. Кроме того, данный способ требует значительного времени на нагрев исследуемого образца, что уменьшает оперативность проведения эксперимента.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов [см., например, патент РФ №2263901, кл. G01N 25/18, 2004 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения подводом тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям.
Недостатками способа являются малая точность измерения теплопроводности, обусловленная динамическими погрешностями из-за влияния теплоемкости нагревателя и неучтенными тепловыми потерями с поверхности исследуемого образца в окружающую среду, значительное время проведения эксперимента.
За прототип принят способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов [см., например, патент РФ №2250454, кл. G01N 25/18, 2005 г.], состоящий в симметричном нагреве образцов в форме призмы квадратного сечения (параллелепипеда), измерении температурно-временных изменений в фиксированных точках исследуемого образца, определении момента наступления регулярного теплового режима в исследуемом образце с последующим расчетом искомой теплопроводности на основе полученной информации.
Недостатками способа-прототипа являются значительное время проведения эксперимента, невысокая точность измерений теплопроводности из-за неучтенных потерь в окружающую среду, которые пропорциональны времени эксперимента.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение оперативности и точности определения теплофизических характеристик строительных материалов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения теплофизических характеристик строительных материалов, состоящем в нагреве исследуемого образца в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда), измерении температурно-временных изменений в фиксированных точках образца и определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, одну из торцевых и все боковые грани исследуемого образца теплоизолируют от окружающей среды, а через неизолированную торцевую грань осуществляют нагрев образца воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) от переменно-фазовой многощелевой антенны, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения, контролируют изменение температуры на свободной от теплоизоляции грани и противоположной относительно нее торцевой грани исследуемого образца, определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, что свидетельствует об установлении стационарного теплового потока через исследуемый образец и прекращении разогрева образца, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхности грани СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые теплофизические характеристики.
Вместе с тем предлагают осуществлять симметричный нагрев образца в виде призмы через торцевые противоположные грани с теплоизолированными боковыми гранями призмы воздействием СВЧ-излучения от двух переменно-фазовых многощелевых антенн, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения, контролируют изменение температуры на свободных от теплоизоляции гранях и в среднем сечении исследуемого образца в виде призмы и определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, что свидетельствует об установлении стационарного теплового потока через исследуемый образец, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхностей граней СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые теплофизические характеристики.
Сущность способа заключается в следующем. Исследуемый образец 1 (см. Фиг.1) выполняют в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) с теплоизолированными поверхностями нижней торцевой и всех боковых граней (теплоизолятор 2) и открытой верхней торцевой гранью, через которую осуществляют нагрев образца воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) от излучающей антенны 3 (переменно-фазовый многощелевой излучатель), соединенной волноводом с СВЧ-генератором 4. При этом контролируют изменение температуры на поверхности открытой верхней торцевой грани призмы с помощью термопары Тп1 и на поверхности теплоизолированной нижней торцевой грани призмы с помощью термопары Тп2, а контроль температуры окружающей среды осуществляют термопарой Тп3. Термопары Тп1÷Тп3 через коммутатор 5, нормирующий прецизионный усилитель 6, и АЦП 7 подключают к микропроцессору 8.
уст1
уст2
Постепенно увеличивая мощность СВЧ-генератора, контролируют с помощью термопар Тп1 и Тп2 изменение температуры на торцевых гранях исследуемого образца в виде призмы и определяют момент, при котором контролируемая в указанных точках образца температура достигнет неизменного установившегося значения Т и Т (см. Фиг.2). В этом случае наступает тепловой баланс между количеством тепла, выделяемым в исследуемом образце при воздействии СВЧ-излучения, и количеством тепла, отводимым в окружающую среду через свободную (неизолированную) верхнюю торцевую грань призмы. При этом прекращается разогрев образца, т.е. в образце устанавливается стационарный одномерный тепловой поток. Для установившихся значений температур в контролируемых точках в i-й и j-й моменты времени выполняются условия:
Измеренные термопарами Тп1 и Тп2 значения установившейся температуры через усилитель 6 и АЦП 7 заносят в микропроцессор. Измеряют с помощью термопары Тп3 температуру окружающей среды, определяют также мощность СВЧ-генератора, при которой в исследуемом образце установился стационарный тепловой поток, и полученную информацию фиксируют в оперативной памяти микропроцессора 8.
Поскольку при нагреве образца часть энергии СВЧ-излучения отражается от поверхностей торцевых граней призмы, то с помощью СВЧ-ваттметра 9, помещенного в антенне 3, измеряют мощность энергии отраженного излучения и полученную информацию через коммутатор 5 и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 7 заносят также в микропроцессор 8. С целью обмена оперативной информацией микропроцессор соединен с СВЧ-генератором 4 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10 и порт ввода-вывода 11. Данные эксперимента выводятся на индикатор 12. В микропроцессоре с использованием полученной в ходе теплофизического эксперимента измерительной информации определяют искомые теплофизические характеристики исследуемого материала на основе математических соотношений, полученных на основе следующих рассуждений.
При воздействии на исследуемый материал в виде призмы электромагнитных волн СВЧ-диапазона в нем будет выделяться энергия удельной мощности, равной [см, например, Марков А.В., Юленец Ю.П. Метод контроля влагосодержания при непосредственном сверхвысокочастотном нагреве. Письма в ЖТФ, 2005, том 31, вып.7; см, формула 7, с.80]:
x
где x - координата вглубь образца; β - коэффициент затухания электромагнитной (ЭМ) волны; γ - коэффициент отражения ЭМ-волны; p - плотность потока падающей на образец СВЧ-энергии, при которой наступает тепловой баланс.
Количество тепла, поглощаемое образцом в единицу времени, определяется соотношением:
x
Поглощаемое тепло приводит к нагреву образца и частично рассеивается в окружающую среду в процессе теплоотдачи через свободную от изоляции грань, в результате чего создается в направлении нормали к этой грани одномерный тепловой поток плотностью q=Q/S, где S - площадь свободной грани.
Варьируя мощностью электромагнитного СВЧ-излучения, определяют такой тепловой (энергетический) режим, при котором выделяемое в образце тепло полностью расходуется в теплообмене с окружающей средой и не приводит к дальнейшему разогреву образца, т.е. в исследуемом образце устанавливается стационарный тепловой поток.
В режиме стационарного теплового потока коэффициент теплоотдачи исследуемого материала в соответствии [см., например, Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд 2-е, стереотип. М.: «Энергия». 1977. - 344 с.; см. формулу 2-2, с.35] определяется выражением:
x
1
3
1
где Q - количество тепла, прошедшее через поверхность площадью S; ΔT - разность между температурой окружающей среды T и температурой поверхности открытой торцевой грани T.
пот
Поскольку часть СВЧ-излучения отражается от поверхности грани при нагреве образца и эти потери Q фиксируются СВЧ-ваттметром, то для получения более точного результата измерения коэффициента теплоотдачи исследуемого образца целесообразно использовать следующую формулу:
пот
где Q - энергия СВЧ-излучения, отраженного от поверхности открытой торцевой грани призмы.
Искомый коэффициент теплопроводности исследуемого материала при таком тепловом режиме и условиях проведения эксперимента согласно [см., например, Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд 2-е, стереотип. М.: «Энергия». 1977. - 344 с.; см. формулу 1-1, с.10] определяется из уравнения:
где q - вектор плотности стационарного теплового потока; gradT - градиент температуры в исследуемом образце, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплового потока в образце.
2
2
2
1
В нашем случае gradT=ΔT/H, где ΔT=T-T - разность между температурой, измеряемой термопарой Тп2 на поверхности нижней торцевой теплоизолированной грани, и температурой поверхности верхней торцевой грани, через которую происходит теплоотдача, H - расстояние между торцевыми гранями призмы (глубина образца).
уст1
уст2
n1
n2
При нагреве через одну грань наблюдается неравномерность нагрева по глубине образца H (см. Фиг.3) Т≠Т, T≠T, что вносит дополнительную погрешность при измерении искомых теплофизических свойств. Для устранения этого недостатка, повышения точности результатов измерения за счет выравнивания температурной кривой в исследуемом образце, а также повышения оперативности проведения эксперимента за счет уменьшения времени нагрева предлагают проводить симметричный нагрев образца через две противоположные неизолированные торцевые грани призмы.
В этом случае у исследуемого образца в виде призмы теплоизолируют только боковые грани, а через открытые торцевые грани осуществляют симметричный нагрев образца воздействием СВЧ электромагнитного поля от излучающих антенн 3 и 4 (см. Фиг.4). При этом контролируют изменение температуры на поверхностях открытых противоположных граней призмы с помощью термопар Тп1 и Тп2, контролируют температуру также в середине призмы термопарой Тп3, а контроль температуры окружающей среды осуществляют термопарой Тп4.
уст1
уст2
уст3
Увеличивая мощность СВЧ-генератора, контролируют с помощью термопар Тп1, Тп2 и Тп3 изменение температуры на торцевых гранях и в середине исследуемого образца и определяют момент, при котором контролируемая в указанных точках образца температура достигнет неизменного установившегося значения Т, Т, Т (см. Фиг.5). В этом случае наступает тепловой баланс между количеством тепла, выделяемым в исследуемом образце при воздействии СВЧ-излучения, и количеством тепла, отводимым в окружающую среду через свободные (неизолированные) торцевые грани призмы. При этом прекращается разогрев образца, т.е. в образце устанавливается стационарный одномерный тепловой поток. Для установившихся значений температур в контролируемых точках в i-й и j-й моменты времени выполняются условия:
Измеренные термопарами Тп1÷Тп3 значения установившейся температуры заносят в микропроцессор. Измеряют с помощью термопары Тп4 температуру окружающей среды, определяют также мощность СВЧ-генератора, при которой в исследуемом образце установился стационарный тепловой поток, и полученную информацию фиксируют в оперативной памяти микропроцессора 9.
Поскольку при нагреве образца часть энергии СВЧ-излучения отражается от поверхностей торцевых граней призмы, то с помощью СВЧ-ваттметров 10 и 11, помещенных в антеннах 3 и 4 (см. Фиг.4), измеряют мощность энергии отраженного излучения и полученную информацию через коммутатор 6 и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 8 заносят также в микропроцессор 9. Микропроцессор соединен с СВЧ-генератором 5 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12 и порт ввода-вывода 13. Данные эксперимента выводятся на индикатор 14. В микропроцессоре с использованием полученной в ходе теплофизического эксперимента измерительной информации определяют искомые теплофизические характеристики исследуемого материала на основе математических соотношений, полученных на основе следующих рассуждений.
При симметричном нагреве двух противоположных граней призмы толщиной Н удельная мощность выделяемой в образце энергии будет равна:
Количество тепла, поглощаемого образцом в единицу времени, определяется соотношением:
x
2
2
Поглощаемое тепло приводит к нагреву образца и частично рассеивается в окружающую среду в процессе теплоотдачи через свободные от изоляции грани, в результате чего создается от середины призмы к граням в направлении нормали к этим граням одномерный тепловой поток плотностью q=Q/S, где S=2S - суммарная площадь свободных граней.
Варьируя мощностью электромагнитного СВЧ-излучения, определяют такой тепловой (энергетический) режим, при котором выделяемое в образце тепло полностью расходуется в теплообмене с окружающей средой и не приводит к дальнейшему разогреву образца, т.е. в исследуемом образце устанавливается стационарный тепловой поток.
В режиме стационарного теплового потока коэффициент теплоотдачи исследуемого материала в соответствии [см., например, Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд 2-е, стереотип. М.: «Энергия». 1977. - 344 с.; см. формулу 2-2, с.35] определяется выражением:
x
2
1
4
ср
ср
1
2
где Q - количество тепла, прошедшее через поверхность площадью S; ΔT - разность между температурой окружающей среды T, и средней температурой поверхностей торцевых граней Т, определяемой как Т=(T+T)/2.
пот
Поскольку часть СВЧ-излучения отражается от поверхности грани при нагреве образца и эти потери Q фиксируются СВЧ-ваттметрами, то для получения более точного результата измерения коэффициента теплоотдачи исследуемого образца целесообразно использовать следующую формулу:
пот
где Q - суммарная энергия СВЧ-излучения, отраженного от поверхностей торцевых граней призмы, определяемая как  - потери с первой неизолированной грани,  - потери со второй неизолированной грани.
Усреднение значения температуры в формуле 10 позволяет уменьшить долю случайной составляющей общей погрешности определения находимых величин.
Искомый коэффициент теплопроводности исследуемого материала при таком тепловом режиме и условиях проведения эксперимента согласно [см., например, Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд 2-е, стереотип. М.: «Энергия». 1977. - 344 с.; см. формулу 1-1, с.10] определяется из уравнения:
где q - вектор плотности стационарного теплового потока; gradT- градиент температуры в исследуемом образце, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплового потока в образце.
2
2
3
ср
В нашем случае gradT=ΔT/h, где ΔT=T-Т - разность между температурой, измеряемой термопарой Тп3 в среднем сечении образца (где начинается тепловой поток), и усредненной температурой поверхностей торцевых граней, через которые происходит теплоотдача, h - расстояние между свободной поверхностью грани призмы и ее средним сечением (серединой).
Эксперимент показал, что при ассиметричном нагреве образца толщиной 8-10 см под действием СВЧ-излучения на 20-30°С разность между температурой на поверхностях торцевых граней составляет 9-12°С (см. Фиг.3), при симметричном нагреве образца с аналогичной толщиной под действием СВЧ-излучения на 20-30°С разность между температурой на поверхностях торцевых граней и температурой в среднем сечении образца составляет 4-6°С (см. Фиг.6), т.е. при симметричном тепловом воздействии обеспечивается равномерность нагрева образца по толщине, а это обуславливает соответствующий выбор размеров исследуемого образца.
Для проверки работоспособности предложенного способа определения теплофизических характеристик материалов были проведены эксперименты на образцах в виде куба с толщиной Н=10 см, изготовленных из керамзитного бетона, силикатного и красного кирпича. Ассиметричный и симметричный нагревы образца осуществлялись при температуре окружающей среды 20°С.
Данные экспериментов для керамзитного бетона приведены в таблице 1.
Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного способа определения теплофизических характеристик материалов, и позволяет сделать вывод о том, что разработанный способ найдет широкое применение в строительной теплотехнике, теплоэнергетике и т.д.
Технико-экономический эффект от использования предполагаемого изобретения заключается в существенном уменьшении времени эксперимента за счет использования для нагрева образца энергии СВЧ-излучения, повышении точности и достоверности измерений за счет устранения влияния состояния поверхности исследуемых образцов (шероховатость, степень черноты тепловых потерь, коррекции и поправки на потери), усреднения значений измеренных температур и тепловых потерь.
Способ, основанный на симметричном нагреве образца, дает меньшее значение относительной погрешности измерений по сравнению со способом ассиметричного нагрева, что связано с большей равномерностью прогрева при использовании двух излучателей.
В способе-прототипе время эксперимента с учетом выхода установки в рабочий режим составляет около 30 минут, в предложенном способе ассиметричного нагрева образца на проведение эксперимента затрачивается 1,5-2 минуты, что в 15-20 раз меньше по сравнению со способом-прототипом. При симметричном нагреве время эксперимента не превышает 40-60 секунд, что в 1,5 раза меньше по сравнению со способом ассиметричного нагрева.
Поскольку неучтенные тепловые потери в теплофизических измерениях пропорциональны времени эксперимента, то повышение оперативности более, чем на порядок существенно повышает также и точность полученных результатов.
Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям на поверхностях и в центре призмы с использованием для нагрева СВЧ-излучения имеет ряд существенных преимуществ перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.