CN104849178A - 水蒸气扩散系数非稳态测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水蒸气扩散系数非稳态测量的装置及其方法。该装置包括：恒温恒湿箱，用于提供高相对湿度环境；有机玻璃箱，内盛放无水氯化钙，用于提供低相对湿度；强制对流器，用于使箱体内部相对湿度均匀；电容式相对湿度传感器，用于测定待测样品内部及环境相对湿度；数据采集器，用于采集相对湿度传感器测定的相对湿度及对应的测定时间；以及计算机，用于结合表示水蒸气非稳态扩散的Fick第二定律与样品内部相对湿度及对应的测定时间，利用Boltzmann变换反问题处理得到待测样品不同相对湿度下水蒸气扩散系数。本发明具有结构简单、测量精度高以及测试时间短的特点。

Description

水蒸气扩散系数非稳态测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及物性测量技术领域，特别是涉及一种建筑领域的水蒸气扩散系数非稳态测量装置及方法。

背景技术

随着经济的飞速发展和人口的持续增长，能源问题成为全人类共同面临的重大社会问题。目前，建筑与工业、交通运输并列为中国三大高能耗行业。建筑围护结构使用的大多是多孔材料，如混凝土、页岩砖、木材等。在热湿气候中，多孔围护结构存在着很强的湿迁移过程，其热湿迁移及湿积累对建筑热工性能、建筑能耗及室内环境有着重要影响。例如，由于水的导热系数是空气的24倍左右，多孔建筑材料含湿量微小的变化都将对其传热性能产生巨大影响；同时，墙体高含湿量会导致室内空气含湿量升高，引发霉菌等微生物滋长，恶化室内环境。故研究多孔建筑材料的湿迁移有着十分重要的意义。

多孔建筑材料的水蒸气扩散系数是表征水蒸气在建筑材料中迁移性能的重要物性参数，是定量求解湿迁移问题所必需的基础数据，也是建筑围护结构热湿耦合传递研究的重要内容。

多孔建材的水蒸气扩散性能通常由稳态干湿杯实验表征，该方法在许多国家或地区已标准化。然而，等温条件下多孔建材的水蒸气扩散性能取决于其内部的相对湿度，在典型建筑环境相对湿度范围(40-95％)内，水蒸气扩散系数的最大值和最小值之间相差约一个数量级。由于建筑围护结构热湿耦合传递的数学模型日益复杂，对输入数据准确性的要求日益提高，水蒸气扩散性能在现有标准的基础上需在更广的湿度范围中表征。但是由于水蒸气在多孔建材内传递缓慢，一次稳态实验需耗时数周，且一次稳态实验只能测得一个水蒸气扩散系数，完整表征多孔建材的水蒸气传递性能可能需耗时数月，所以发展高效、可靠的非稳态测试方法有对于科学研究与工程应用都有着十分重要的意义。

Arfvidsson等人在《Building and Environment》2000年3期(A transienttechnique for determining diffusion coefficients in hygroscopic materials，2000，35(3)：239-249)中搭建了在环境相对湿度阶梯式变化时多孔建材质量测试实验台，并根据实验数据提出了一种以Kirchhoff势为驱动力的计算水蒸气扩散系数的方法，计算结果与稳态实验结果吻合，但该方法需通过稳态实验求得材料的吸湿曲线，仍耗时较长。Pavlík等人在《Journal of Building Physics》2012年3期中(ABoltzmann transformation method for investigation of water vapor transport inbuilding materials，2012，35(3)：213-223)利用时域反射仪搭建了多孔建材水蒸气扩散系数非稳态测试实验台，然而作者用稳态“干杯”法测得水蒸气扩散系数在非稳态法测得的扩散系数曲线上对应的相对湿度约为64％，与“干杯”法相对湿度条件为0/50％不符，可靠性不高，且时域反射仪价格昂贵。

尽管已有研究者开展了多孔建筑材料水蒸气扩散系数非稳态测量技术的研究，但这些方法仍存在耗时长、准确性不高、价格昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是为了测量出多孔建筑材料材料的水蒸气扩散系数，提供一种多孔建筑材料的水蒸气扩散系数非稳态测量装置，该装置结构简单、测量精度高并且能够通过一次实验确定水蒸气扩散系数与相对湿度的关系。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种水蒸气扩散系数非稳态测量装置包括恒温恒湿箱、有机玻璃箱、强制对流器、电容式相对湿度传感器、数据采集器、计算机；装置的布局如下：

埋设电容式相对湿度传感器的待测样品的一部分固定于有机玻璃箱内，有机玻璃箱置于恒温恒湿箱中，恒温恒湿箱和有机玻璃箱中各放置一个强制对流器，电容式相对湿度传感器通过恒温恒湿箱侧面开孔连接到数据采集器，数据采集器连接计算机。

所述装置的水蒸气扩散系数非稳态测量方法是：

用环氧树脂密封长方体待测样品的前、后、上、下四个表面，在涂覆环氧树脂的某一面向内钻数个预留孔，烘干待测样品后冷却；在预留孔内埋入电容式相对湿度传感器并用工业橡皮泥进行固定和密封；使用玻璃胶将待测样品固定于内部盛放有无水氯化钙的有机玻璃箱，待测样品未涂覆环氧树脂的某一面(左端面或右端面)暴露于密封的有机玻璃箱内，另一未涂覆环氧树脂的表面暴露于有机玻璃箱外；将固定有待测样品的有机玻璃箱放置于恒温恒湿箱中停放一天，恒温恒湿箱设定温度为25℃、相对湿度为0％，以确保待测样品内部温度均匀且与环境温度一致；实验开始时设定恒温恒湿箱温度为25℃、相对湿度为90％，从而使水蒸气在待测样品中一维传递；整个操作过程中，强制对流器持续工作以均匀两个箱体内的相对湿度；数枚电容式相对湿度传感器、数据采集器和计算机持续监测和记录待测样品内部及恒温恒湿箱、有机玻璃箱内的相对湿度；结合表示水蒸气非稳态扩散的Fick第二定律与样品内部相对湿度及对应的测定时间，利用Boltzmann变换反问题计算得到待测样品不同相对湿度下水蒸气扩散系数。

与现有技术相比，本发明的水蒸气扩散系数非稳态测量装置及方法利用高精度且价格低廉的电容式相对湿度传感器测量水蒸气在多孔建筑材料中一维非稳态传递时的相对湿度分布，基于反问题原理精确反算出水蒸气扩散系数。因此，克服了传统稳态测量方法及其他非稳态测量方法耗时长、准确性不高、价格昂贵等缺点，有利于高效可靠地表征多孔建筑材料水蒸气传递性能，进而促进建筑围护结构热湿耦合传递模型在工程中的应用。

附图说明

图1为本发明水蒸气扩散系数非稳态测量装置示意图；

图2为本发明电容式相对湿度传感器埋设示意图；

图3为本发明待测样品装配图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先参考图1，该图给出了本发明水蒸气扩散系数非稳态测量装置示意图。

如图1所示，本发明水蒸气扩散系数非稳态测量装置包括恒温恒湿箱1、有机玻璃箱2、强制对流器3、电容式相对湿度传感器4、数据采集器5、计算机6。所述的强制对流器可以选用任何能起到强制对流的作用的器件，如选用风扇。恒温恒湿箱1用于提供高相对湿度环境，有机玻璃箱2内盛放无水氯化钙用于提供低相对湿度，强制对流器3用于使箱体内部相对湿度均匀，电容式相对湿度传感器4用于测定待测样品内部及环境相对湿度，数据采集器5用于采集相对湿度传感器测定的相对湿度及对应的测定时间，以及计算机6用于结合表示水蒸气非稳态扩散的Fick第二定律与样品内部相对湿度及对应的测定时间，利用Boltzmann变换反问题处理得到待测样品不同相对湿度下水蒸气扩散系数。

待测的多孔建筑材料要求长方体切割，在纵向的四周用环氧树脂密封绝湿，确保水蒸气的一维传递。待测样品需干燥，且内部初始温度与环境一致且均匀。

假设多孔建筑材料试样均匀，水蒸气扩散引起的试样温度改变忽略不计，则等温环境中水蒸气在多孔建材内的传递可用Fick第二定律表示：

$\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_v}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(D\left({\mathrm{\ρ}}_v\right)\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}_v}{\∂x}\right)---\left(1\right)$

边界条件：

ρ_v(0,t)＝ρ_v1  (2)

ρ_v(∞,t)＝ρ_v2  (3)

初始条件：

ρ_v(x,0)＝ρ_v2  (4)

其中，ρ_v为局部水蒸气密度，kg/m³；x为距离样品高湿度表面的距离，m；D为水蒸气扩散系数，m²/s；t为扩散时间，s。

引入Boltzmann变量：

$\mathrm{\η}=\frac{x}{2\sqrt{t}}---\left(5\right)$

ρ_v(x,t)＝ω(η)  (6)

式(1)可转化为常微分方程：

$\frac{d}{\mathrm{d\η}}\left(D\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{d\η}}\right)+2\mathrm{\η}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{d\η}}=0---\left(7\right)$

边界条件：

ω(0)＝ρ_v1  (8)

ω(∞)＝ρ_v2  (9)

如果已知某时刻的局部水蒸气密度分布ρ_v(x,t₀)，通过对式(7)积分并假设η→∞时水蒸气通量为零，可得水蒸气扩散系数关于局部水蒸气密度的函数：

$D\left({\mathrm{\ρ}}_v(x_0,t_0)\right)=\frac{1}{2t_0{\left(\frac{d{\mathrm{\ρ}}_v}{\mathrm{dx}}\right)}_{x_0}}{\∫}_{x_0}^{\∞}x\frac{d{\mathrm{\ρ}}_v}{\mathrm{dx}}\mathrm{dx}---\left(10\right)$

通过理想气体状态方程和相对湿度定义可推导出局部水蒸气密度与相对湿度的显式关系，则在等温条件下，水蒸气扩散系数关于相对湿度的函数为：

在进行测量时，具体操作如下：

1、将长方体待测样品用环氧树脂密封纵向四周后，如图2所示，在涂覆环氧树脂的某一面沿纵向钻数个预留孔，烘干待测样品后冷却。

2、在预留孔内埋入电容式相对湿度传感器并用工业橡皮泥进行固定和密封。

3、使用玻璃胶将待测样品固定于内部盛放有无水氯化钙的有机玻璃箱，待测样品未涂覆的一个表面暴露于密封的有机玻璃箱内，另一个表面暴露于有机玻璃箱外，如图3所示。

4、将固定有待测样品的有机玻璃箱放置于恒温恒湿箱中停放一天(恒温恒湿箱设定温度为25℃、相对湿度为0％)以确保待测样品内部温度均匀且与环境温度一致。

5、实验开始时设定恒温恒湿箱温度为25℃、相对湿度为90％，从而使水蒸气在待测样品中一维传递。整个实验过程中，强制对流器持续工作以均匀两个箱体内的相对湿度。数枚电容式相对湿度传感器、数据采集器和计算机持续监测和记录待测样品内部及恒温恒湿箱、有机玻璃箱内的相对湿度。

6、结合表示水蒸气非稳态扩散的Fick第二定律与样品内部相对湿度及对应的测定时间，利用Boltzmann变换反问题计算得到待测样品不同相对湿度水蒸气扩散系数。

Claims (2)

1.一种水蒸气扩散系数非稳态测量装置，特征在于：包括恒温恒湿箱（1）、有机玻璃箱（2）、强制对流器（3）、电容式相对湿度传感器（4）、数据采集器（5）、计算机（6）；装置的布局如下：

埋设电容式相对湿度传感器（4）的待测样品的一部分固定于有机玻璃箱（2）内，有机玻璃箱（2）置于恒温恒湿箱（1）中，恒温恒湿箱（1）和有机玻璃箱（2）中各放置一个强制对流器（3），电容式相对湿度传感器（4）通过恒温恒湿箱（1）侧面开孔连接到数据采集器（5），数据采集器（5）连接计算机（6）。

2.一种使用如权利要求1所述装置的水蒸气扩散系数非稳态测量方法，其特征在于：

用环氧树脂密封长方体待测样品的前、后、上、下四个表面，在涂覆环氧树脂的某一面向内钻数个预留孔，烘干待测样品后冷却；在预留孔内埋入电容式相对湿度传感器（4）并用工业橡皮泥进行固定和密封；使用玻璃胶将待测样品固定于内部盛放有无水氯化钙的有机玻璃箱（2），待测样品未涂覆环氧树脂的某一面暴露于密封的有机玻璃箱（2）内，另一未涂覆环氧树脂的表面暴露于有机玻璃箱（2）外；将固定有待测样品的有机玻璃箱（2）放置于恒温恒湿箱（1）中停放一天，恒温恒湿箱设定温度为25℃、相对湿度为0%，以确保待测样品内部温度均匀且与环境温度一致；实验开始时设定恒温恒湿箱（1）温度为25℃、相对湿度为90%，从而使水蒸气在待测样品中一维传递；整个操作过程中，强制对流器（3）持续工作以均匀两个箱体内的相对湿度；数枚电容式相对湿度传感器（4）、数据采集器（5）和计算机（6）持续监测和记录待测样品内部及恒温恒湿箱（1）、有机玻璃箱（2）内的相对湿度；结合表示水蒸气非稳态扩散的Fick第二定律与样品内部相对湿度及对应的测定时间，利用Boltzmann变换反问题计算得到待测样品不同相对湿度下水蒸气扩散系数。