CN108776152A - 一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统，包括保温隔热箱、工业风扇、风速仪、小型自动气象站、热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器和建筑材料试件。保温隔热箱和建筑材料试件构成一个封闭箱体；在保温隔热箱内设置水温传感器；在建筑材料试件表面设置热电偶温度传感器；在外部环境设置气温传感器；热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器与风速仪均连接一个小型自动气象站，用于对测试数据进行实时地采集和存储。本发明基于传热学理论，能够高效、简捷、精准地测定建筑材料与外界环境对流热交换系数，同时能考虑吸热和放热两个过程，更好地模拟实际工程结构材料在服役环境下的热行为，具有较好的应用前景。

Description

一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统及方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统及方法。
背景技术
土木工程基础设施暴露于外部自然环境，受外部气候的影响，导致结构的温度发生变化，材料的热胀冷缩使得结构产生力学响应，例如位移、应力、应变和支座反力的变化。对某些温度敏感性建筑，例如桥梁和大跨空间结构，温度荷载引起的力学响应可以达到甚至超过外部运营荷载产生的结构响应，是结构出现损伤、病害和性能退化的主要原因。分析构件的温度效应，首先要精确计算结构的温度场(温度荷载)，而明确建筑材料的热相关特征(热物性参数或热工参数)是计算结构温度的最基础性工作。因此，确定建筑材料的热工参数，意义重大。
结构与外部环境以传热的方式进行能量交换。传热可分为三大类：热传导、热对流和热辐射。热对流是流经结构表面的空气带走或带来热量，是空气中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流是结构与外部能量交换的主要方式，影响热对流的主要因素有材料的传热系数(又称导热系数)、空气与结构之间的温差和传热面积有关。热对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流是由于空气温度不均匀导致空气流动而产生热交换。强迫对流是由于外界因素使得空气流动而产生热交换。空气与固体表面之间的对流热交换能力采用对流热交换系数来表示，其物理意义是物体表面与附近空气温度差1℃，单位时间(1s)单位面积(1m2)上通过对流与附近空气交换的热量，单位为W/(m2·℃)或J/(m2·s·℃)。表面对流热交换系数的数值与热交换过程中流体的物理性质、热交换表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等因素有密切关系。确定建筑材料的热对流系数非常重要，主要途径有实验室测定和场地实测数据回归方法。实验方法主要是对材料尺度的测量，具有试件尺寸小、试验条件可控和测量精度高等优点，但同时存在试验成本高、尺寸效应明显、材料的测试环境与其服役环境差异大等缺点。因此，基于试验的材料热对流系数可能与工程实际有较大差异。基于结构现场温度测试和理论回归的材料热对流系数，体现了材料真实的服役状态，但耦合太多影响因素，例如热传导和热辐射，而且外部气候环境参数因区域性和时变性太强而难以精确计算，使得基于实测数据回归的热对流系数，其可靠度和普适性难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，本发明把现场测量和实验室测量相结合，具有成本低、简单快捷、影响因素可控、建筑材料试件尺寸大以及测试精度高等优点。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，所述系统具体包括：保温隔热箱、工业风扇、风速仪、小型自动气象站、热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器和建筑材料试件；
所述建筑材料试件水平放置于保温隔热箱顶部，与保温隔热箱构成一个封闭箱体，在保温隔热箱内设置水温传感器，用于测量保温隔热箱内水的温度；在建筑材料试件表面设置多个热电偶温度传感器，用于测量建筑材料试件的温度；在测试环境中设置气温传感器，用于测量大气的温度；在所述保温隔热箱一侧放置工业风扇；所述工业风扇用于制造和控制建筑材料试件所在环境的风速；在建筑材料试件附近设置风速仪，所述风速仪用于测定流经建筑材料试件外表面的风速；所述小型自动气象站用于与风速仪、热电偶温度传感器、气温传感器和水温传感器连接，进行数据实时采集和存储。
进一步地，所述建筑材料试件为板状，其长度和宽度与保温隔热箱上部盖板吻合，厚度视材料特性选取。
进一步地，在所述建筑材料试件的外表面和内表面布设热电偶温度传感器，吸水性材料试件需要对除与空气接触的外表面之外的所有表面进行防水处理。
进一步地，在所述保温隔热箱的一侧安装工业风扇，根据建筑材料试件外表面所需的风速，能够对工业风扇的数量以及工业风扇到保温隔热箱的距离进行调整。
进一步地，所述风速仪设置在建筑材料试件上表面中心点正上方0.5米高处。
进一步地，在所述保温隔热箱内安装加热装置，用于控制箱内水的温度，实现建筑材料在自然环境下吸热和放热两类热传递过程的测试；在所述保温隔热箱内安装水循环装置，使箱内的水缓慢流动形成内循环，确保箱内水的温度一致。
本发明的另一目的在于提供一种建筑材料表面对流热交换系数的测试方法。
本发明的另一目的能够通过以下技术方案实现：
一种建筑材料表面对流热交换系数的测试方法，具体步骤包括：
(1)通过对系统进行连续测量得到保温隔热箱内水的降温曲线，并采用二次多项式进行函数拟合；
(2)用建筑材料试件取代保温盖，打开保温隔热箱内水循环装置和电热装置，加热水温至试验所需的初始温度，关闭电热装置，保持水循环装置开启，打开工业风扇，持续测量风速、建筑材料试件温度、保温隔热箱内水温和大气温度，直至保温隔热箱内水温基本稳定，即在30分钟内变化不超过0.3℃。
(3)选取测试过程中的某个时间段Δt，所述Δt的时间长度应取1-2小时；根据所选时间段内建筑材料试件温度和保温隔热箱内水温的变化，计算系统的热变化量Qt。
(4)根据步骤(1)得到的保温隔热箱热损曲线计算所选取时间段内保温隔热箱的热损量，并求取对流热交换系数。
(5)通过在水中加入冰块降低保温隔热箱内水的初始温度，重复上述步骤(1)-(4)但不开启电热装置，测量建筑材料吸热过程中表面对流热交换系数。把测试系统放置在室内无风环境，即不开启工业风扇，风速为0；测量建筑材料吸热和放热过程中的表面稳态对流热交换系数。
(6)对同一次试验取多段数据，分别计算对流热交换系数并取平均值，以提高测试结果的精度。
优选地，为了避免热辐射对测试结果造成影响，本测试系统对于对流热交换系数的测定应在夜间的室内进行。
具体地，在所述步骤(1)中，测量系统连续测量步骤具体为：在测试环境中，往保温隔热箱内注水，直至水与保温盖正好完全接触；采用保温发泡剂将保温盖与保温隔热箱企口间的直接缝隙填实。打开保温隔热箱内水循环装置和电热装置，加热水，使水温高于35℃，关闭电热装置并保持水循环装置开启，连续测量保温隔热箱内水温和大气温度，直至水温基本稳定。
具体地，所述步骤(2)中，在用建筑材料试件取代保温盖后，将建筑材料试件置于保温隔热箱之上并嵌入企口，往保温隔热箱内注水直至水与建筑材料试件的内表面完全接触，采用保温发泡剂将建筑材料试件与保温隔热箱企口间的直接缝隙填实。
进一步地，所述步骤(3)中，热变化量的具体计算方法为：
Qt＝cwmw(Tw1-Tw0)+csms(Ts1-Ts0)
其中，cw和cs分别表示水和建筑材料试件的比热容；mw和ms分别表示水和建筑材料试件的质量；Tw0和Tw1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻水的温度；Ts0和Ts1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻整个建筑材料试件的温度。
进一步地，根据对流热交换的计算理论，经由建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量具体为：
Qc＝hc(Ts-Ta)A
其中，hc表示对流热交换系数，Ts表示建筑材料试件外表面的温度，Ta表示大气温度，A表示建筑材料试件外表面的面积。
进一步地，所述步骤(4)中，热损量具体计算方法为：
其中，cw和mw分别表示水的比热容和质量，Δt为所选取时间段长度，Δt＝Tw1-Tw0，Tw0和Tw1分别表示所选取时间段开始和终止时刻水的温度，Lt0和Lt1分别表示保温隔热箱中热损曲线Tw0和Tw1对应点处的降温速率，即降温曲线上对应点处的切线方程斜率，可由函数求导计算得到。
进一步地，根据Qt＝Qc+Ql，可求得对流热交换系数hc。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明具有简单易用、试验成本低以及可重复性好的优点；
2、本发明采用大尺寸板件的建筑材料试件，能够避免尺寸效应；
3、本发明的测试条件可控，能实现不同风速下的对流热交换系数的测定；
4、本发明能模拟建筑材料吸热和放热两个不同的热行为过程；
5、本发明能够进行不同建筑材料以及传热表面状况的试验测定。
附图说明
图1为本发明的一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统的结构图；
图2为本发明中保温隔热箱的结构图；
图3为本发明中建筑材料试件的结构图；
图4为本实施例中保温隔热箱的热损曲线。
图中，1—保温隔热箱、2—工业风扇、3—风速仪、4—小型自动气象站、5—气温传感器、6—建筑材料试件、7—建筑材料试件外表面、8—建筑材料试件内表面、9—水、10—电热装置、11—水循环装置、12—热电偶温度传感器、13—水温传感器、14—经流建筑材料试件外表面的风速、15—建筑材料试件温度、16—大气温度、17—保温隔热箱内水的温度、18—保温隔热箱企口、19—保温盖、20—防水处理后的建筑材料试件。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统的结构图。所述系统具体包括：保温隔热箱(1)、工业风扇(2)、风速仪(3)、小型自动气象站(4)、气温传感器(5)、建筑材料试件(6)、热电偶温度传感器(12)和水温传感器(13)；
所述建筑材料试件(6)水平放置于保温隔热箱(1)顶部，与保温隔热箱构成一个封闭箱体，在保温隔热箱内设置水温传感器(13)，用于测量保温隔热箱内水的温度(17)；在建筑材料试件表面设置多个热电偶温度传感器(12)，用于测量建筑材料试件温度(15)；在测试环境中设置气温传感器(5)，用于测量大气温度(16)；在所述保温隔热箱一侧放置工业风扇(2)；所述工业风扇用于制造和控制建筑材料试件所在环境的风速；在建筑材料试件附近设置风速仪(3)，所述风速仪用于测定流经建筑材料试件外表面的风速(14)；所述小型自动气象站(4)用于与热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器和风速仪连接，进行数据实时采集和存储。
如图2所示为发明中保温隔热箱的结构图；如图3所示为本发明中建筑材料试件的结构图。
进一步地，所述建筑材料试件为板状，其长度和宽度与保温隔热箱上部盖板吻合，厚度视材料特性选取。
进一步地，在所述建筑材料试件外表面(7)和内表面(8)布设热电偶温度传感器，对于吸水性建筑材料试件，除了与空气接触的外表面，其余表面都进行防水处理，即除建筑材料试件外表面，其余为建筑材料试件经过防水处理后的表面(20)。
进一步地，在所述保温隔热箱的一侧安装工业风扇，根据建筑材料试件外表面所需的风速，能够对工业风扇的数量以及工业风扇到保温隔热箱的距离进行调整。
进一步地，所述风速仪设置在建筑材料试件上表面中心点正上方0.5米高处。
进一步地，在所述保温隔热箱内安装电热装置(10)，用于控制箱内水的温度，实现建筑材料在自然环境下吸热和放热两类热传递过程的测试；在所述保温隔热箱内安装水循环装置(11)，使箱内的水缓慢流动形成内循环，确保箱内水的温度一致。
一种建筑材料表面对流热交换系数的测量方法，具体步骤包括：
(1)在夜间室内的测试环境中，往保温隔热箱内注水(9)，直至水与保温盖(19)正好完全接触；采用保温发泡剂将保温盖与保温隔热箱企口(18)间的直接缝隙填实。打开保温隔热箱内水循环装置和电热装置，加热水，使水温高于35℃关闭电热装置并保持水循环装置开启，连续测量保温隔热箱内水温和大气温度，直至水温30分钟内变化不超过0.3℃。最终得到保温隔热箱内水的降温曲线，并采用二次多项式进行函数拟合，得到的降温曲线如图4所示。
(2)用建筑材料试件(6)取代保温盖(19)，打开保温隔热箱内水循环装置和电热装置，加热水温至试验所需的初始温度，关闭电热装置，保持水循环装置开启，打开工业风扇，持续测量风速、建筑试件温度、保温隔热箱内水温和大气温度，直至保温隔热箱内水温基本稳定，即在30分钟内变化不超过0.3℃。
(3)选取测试过程中的某个时间段Δt，所述Δt的时间长度应取1-2小时；通过时段内建筑材料试件和保温隔热箱内水温的变化，计算系统的热变化量Qt。
进一步地，所述步骤(3)中，热变化量的具体计算方法为：
Qt＝cwmw(Tw1-Tw0)+csms(Ts1-Ts0)
其中，cw和cs分别表示水和建筑材料的比热容；mw和ms分别表示水和建筑材料的质量；Tw0和Tw1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻水的温度；Ts0和Ts1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻整个建筑材料试件的温度。
进一步地，根据对流热交换的计算理论，经由建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量具体为：
Qc＝hc(Ts-Ta)A
其中，hc表示对流热交换系数，Ts表示建筑材料试件外表面的温度，Ta表示大气温度，A表示建筑材料试件外表面的面积。
(4)根据步骤(1)得到的保温隔热箱热损曲线计算所选取时间段内保温隔热箱的热损量，并求取对流热交换系数。
进一步地，所述步骤(4)中，热损量具体计算方法为：
其中，cw和mw分别表示水的比热容和质量，Δt为所选取时间段长度，Δt＝Tw1-Tw0，Tw0和Tw1分别表示所选取时间段的开始和终止时刻水的温度，Lt0和Lt1分别表示保温隔热箱中热损曲线Tw0和Tw1对应点处的降温速率，即降温曲线上对应点处的切线方程斜率，可由函数求导计算得到。
进一步地，根据Qt＝Qc+Ql，可求得对流热交换系数hc。
(5)通过在水中加入冰块降低保温隔热箱内水的初始温度，重复上述步骤(1)-(4)(不开启电热装置)，测量建筑材料吸热过程中表面对流热交换系数。把测试系统放置在室内无风环境(不开启工业风扇，风速为0)，测量建筑材料吸热和放热过程中的表面稳态对流热交换系数。
(6)对同一次试验取多段数据，分别计算对流热交换系数并取平均值，以提高测试结果的精度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑材料表面对流热交换系数的测量系统，其特征在于，所述系统包括保温隔热箱、工业风扇、风速仪、小型自动气象站、热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器和建筑材料试件；
所述保温隔热箱和建筑材料试件构成一个封闭箱体；所述风速仪设置在建筑材料试件外表面上方，用于测定流经建筑材料试件外表面的风速；所述工业风扇用于制造和控制建筑材料试件的环境风速；在所述保温隔热箱内设置水温传感器，用于测量保温隔热箱内水的温度；在所述建筑材料试件表面设置热电偶温度传感器，用于测量建筑材料试件的温度；在外部环境设置气温传感器，用于测量大气温度；热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器与风速仪均连接一个小型自动气象站，用于对测试数据进行实时地采集和存储。
2.根据权利要求1所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，其特征在于，所述建筑材料试件为板状，其长度和宽度与保温隔热箱上部保温盖相一致，建筑材料试件的厚度视材料特性选取。
3.根据权利要求1所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，其特征在于，在所述保温隔热箱内安装电热装置，使系统能够进行建筑材料在自然环境下吸热和放热这两类热传递过程的测试；在所述保温隔热箱内安装一个水循环装置，使箱内的水保持缓慢流动形成内循环，确保整个保温隔热箱内水的温度一致。
4.根据权利要求1所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，其特征在于，在所述保温隔热箱的一侧安装工业风扇，根据建筑材料试件外表面所需的风速，能够对工业风扇的数量以及工业风扇到保温隔热箱的距离进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测试系统，其特征在于，所述风速仪设置在建筑材料试件上表面中心点正上方0.5米高处。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述的建筑材料表面对流热交换系数测试系统的方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)通过对系统进行连续测量得到保温隔热箱内水的降温曲线，并采用二次多项式进行函数拟合；
(2)用建筑材料试件取代保温盖，打开保温隔热箱内水循环装置和电热装置，加热水温至试验所需的初始温度，关闭电热装置，保持水循环装置开启，打开工业风扇，持续测量风速、建筑试件温度、保温隔热箱内水温和大气温度，直至保温隔热箱内水温在30分钟内变化不超过0.3℃；
(3)选取测试过程中的某个时间段Δt，根据所选时间段内建筑材料试件温度和保温隔热箱内水温的变化，计算系统的热变化量Qt；
(4)根据步骤(1)得到的保温隔热箱热损曲线计算所选取时间段内保温隔热箱的热损量，并求取对流热交换系数；
(5)通过在水中加入冰块降低保温隔热箱内水的初始温度，重复上述步骤(1)-(4)但不开启电热装置，测量建筑材料吸热过程中表面对流热交换系数；把测试系统放置在室内无风环境，测量建筑材料吸热和放热过程中的表面稳态对流热交换系数；
(6)对同一次试验取多段数据，分别计算对流热交换系数并取平均值。
7.根据权利要求6所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，热变化量的具体计算方法为：
Qt＝cwmw(Tw1-Tw0)+csms(Ts1-Ts0)
其中，cw和cs分别表示水和建筑材料的比热容；mw和ms分别表示水和建筑材料的质量；Tw0和Tw1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻水的温度；Ts0和Ts1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻整个建筑材料试件的温度。
8.根据权利要求6所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测量方法，其特征在于，根据对流热交换的计算理论，经由建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量具体为：
Qc＝hc(Ts-Ta)A
其中，hc表示对流热交换系数，Ts表示建筑材料试件外表面的温度，Ta表示大气温度，A表示建筑材料试件外表面的面积。
9.根据权利要求6所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，热损量具体计算方法为：
其中，cw和mw分别表示水的比热容和质量，Δt为所选取时间段长度，Δt＝Tw1-Tw0，Tw0和Tw1分别表示所选取时间段的开始和终止时刻水的温度，Lt0和Lt1分别表示保温隔热箱中热损曲线Tw0和Tw1对应点处的降温速率，即降温曲线上对应点处的切线方程斜率。
10.根据权利要求6所述的一种建筑材料表面对流热交换系数的测量方法，其特征在于，根据Qt＝Qc+Ql，求得对流热交换系数hc；其中，Qt表示热变化量，Qc表示建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量，Ql表示热损量。
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