RU2734062C1

RU2734062C1 - Способ измерения теплопроводности строительных материалов

Info

Publication number: RU2734062C1
Application number: RU2020108596A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Крылов; Дмитрий Алексеевич Минкин; Александр Сергеевич Некрасов
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2020-10-12

Abstract

Изобретение относится к области теплофизических измерений, в частности к измерениям теплофизических свойств строительных материалов, и может быть использовано для оценки теплопроводности новых материалов в области строительства жилых, технических и других зданий и сооружений. Согласно заявленному способу измерения теплопроводности из исследуемого материала изготавливают цилиндрический образец длиной не менее пяти диаметров. Внутри образца устанавливают осевой нагревательный элемент. По центру длины на расстояниях rи rот оси цилиндра устанавливают термопары, подключенные к милливольтметру, определяющие значения температуры tу оси и tу поверхности образца. В момент начала изменения значения температуры tопределяют теплопроводность по формулегде λ - теплопроводность исследуемого материала, Вт/(м⋅К); Q - мощность, рассеиваемая нагревателем, Вт; r, r- расстояния от оси образца до точек установки термопар, м;- высота образца, м; t, t- температуры образца на расстояниях rи rот оси, К. Технический результат - упрощение процедуры проведения эксперимента, сокращение времени подготовки к нему и ускорение получения результатов измерений. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области измерений тепла, в частности, к измерениям теплофизических свойств строительных материалов и может быть использовано для оценки теплопроводности новых материалов в области строительства жилых, технических и других зданий и сооружений.

Из уровня техники известны различные способы оценки теплопроводности материалов, основанные на измерении теплового потока и разности температур. При измерении коэффициента теплопроводности используют, в основном, различные варианты реализации закона Фурье, например, ГОСТ 7076-99 Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Введ. 01.04.2000.- М., 2000.

Недостатком данного способа является необходимость достижения стационарного теплового режима в образце, что сужает область применения способа.

Известен способ измерения коэффициента теплопроводности (патент SU 1 165 958 А1, опубл. 07.07.1985), позволяющий определять теплопроводность образца, опираясь на измерения скорости изменения температур на двух поверхностях образца, температуры поверхностей образца, геометрические размеры и теплоемкость образца.

Недостатком известного способа является необходимость предварительных измерений теплоемкости образца и фиксирование изменения температуры во времени.

Наиболее близким к заявленному способу является способ измерения теплопроводности и теплового сопротивления строительной конструкции (патент RU 2 527 128, опубл. 27.08.2014). Согласно указанному способу на сторонах строительной конструкции толщиной h устанавливают теплоизолированные нагревательные элементы, с помощью которых при использовании нагревательных узлов и систем термостабилизации стороны конструкции термостатируют при температурах Т₁ и Т₂, а теплопроводность конструкции определяют на основании показаний датчиков теплового потока q₁ и q₂ по расчетной формуле.

Данный способ принят за прототип. Недостатком это способа является необходимость использования громоздкого оборудования для термостатирования поверхностей, использование дополнительных средств измерения в виде датчиков теплового потока, длительное время, необходимое для измерений, связанное с большой массой и толщиной ограждающих конструкций.

Техническая проблема заключается в необходимости создания способа измерения теплопроводности, который был бы лишен недостатков аналогов, известных на настоящий момент из уровня техники, а именно обеспечивающего высокую скорость измерений и простоту проведения эксперимента.

Технический результат, который достигается при использовании заявленного способа, состоит в упрощении процедуры проведения эксперимента, сокращении времени подготовки к нему и ускорении получения результатов измерений.

Технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе измерения коэффициента теплопроводности из исследуемого материала изготавливают цилиндрический образец длиной не менее пяти диаметров, внутри образца устанавливают осевой нагревательный элемент, по центру длины на расстояниях r₁ и r₂ от оси цилиндра устанавливают термопары, подключенные к милливольтметру, определяющие значения температуры t₁ и t₂, и в момент начала изменения значения температуры t₂ определяют теплопроводность по формуле:

где: λ - теплопроводность исследуемого материала, Вт/(м²⋅К); Q -мощность, рассеиваемая нагревателем, Вт; r₁, r₂ - расстояния от оси образца до точек установки термопар, м; l - высота образца, м; t₁, t₂ - температуры образца на расстояниях r₁ и r₂ от оси, К.

Предлагаемый способ измерения теплопроводности заключается в следующем.

Из исследуемого материала изготавливают цилиндрический образец длиной не менее пяти диаметров. По оси образца устанавливают линейный электрический нагревательный элемент из нихрома. По центру длины на расстояниях r₁ и r₂ от оси цилиндра монтируют термопары для измерения температуры материала в точках установки. Определяют фактическое расстояние r₁ и r₂ от оси до точек установки термопар. Торцы цилиндра тщательно теплоизолируют для минимизации тепловых потерь в осевом направлении. Нагреватель подключают к источнику электрического тока с возможностью определения мощности электрического тока. Термопары подключают к милливольтметру. В момент начала эксперимента на источнике электрического тока устанавливают постоянную мощность и начинают контролировать значения температур t₁ и t₂. В момент времени, когда температура t₂ начинает изменяться, фиксируют значения температур t₁ и t₂. Далее осуществляют определение теплопроводности λ материала образца по формуле (1).

Для проверки заявленного способа была собрана установка, включающая в себя, три однотипных образца 1 из различных материалов (бетон, гипс, газобетон), каждый из которых имеет форму цилиндра с теплоизолированными торцами 4, установленный внутри образца электрический нагреватель 2 и две термопары 3, источник электрического тока с возможностью определения его мощности 5, подключенный к нагревателю, и милливольтметр 6, подключенный к термопарам (фиг. 1).

На установке проведена серия экспериментов с каждым из образцов, включающая не менее трех опытов не менее чем при трех различных мощностях электрического нагревателя. В начале эксперимента на лабораторном источнике напряжения выставлялась заданная мощность, и отслеживались температуры термопар. В момент времени, когда показания термопары, установленной у поверхности образца, начинали изменяться, фиксировали показания термопар и мощность нагревателя. Эксперимент с данным образцом на данной мощности повторялся еще не менее двух раз, результаты осредняли. Процедуру повторяли при двух других мощностях электрического нагревателя. Аналогичные эксперименты выполнены с другими образцами. Также определяли время от начала эксперимента до фиксации показаний термопар.

Экспериментальные данные (таблица 1) указывают на то, что теплопроводность λ, определенная с помощью заявленного способа по формуле (1) соответствует значению, заявленному производителем строительного материала с погрешностью не более 7,2%. Это позволяет утверждать, что предложенный способ отвечает требованиям для выполнения условий для соответствия изобретения требованию промышленной применимости.

Claims

Способ измерения теплопроводности (λ) строительных материалов, включающий установку в цилиндрическом образце из исследуемого материала осевого электрического нагревателя двух термопар, расположенных на половине высоты образца на расстояниях r₁ и r₂ от его оси, подключение электрического тока к осевому нагревателю и милливольтметров к термопарам, измерение мощности, рассеиваемой нагревателем, и температуры, отличающийся тем, что теплопроводность исследуемого материала определяют до наступления стационарного теплового режима в образце в момент времени начала изменения температуры у поверхности образца по формуле:
где λ - теплопроводность исследуемого материала, Вт/(м²⋅К); Q - мощность, рассеиваемая нагревателем, Вт; r₁, r₂ - расстояния от оси образца до точек установки термопар, м; l - высота образца, м; t₁, t₂ - температуры образца на расстояниях r₁ и r₂ от оси, К.