§1.12. Экспериментальные методы определения теплопроводности строительных материалов.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье — Кирхгофа (4.5) содержит три параметра,отражающие наиболее характерные теплофизические свойства материала: коэффициенты температуропроводности ( а ) и теплопроводности ( X ), значение удельной теплоемкости ( с ), связанные соотношением

(12.1

)

X

ср

а

где р — плотность вещества.

Существующие теории не позволяют рассчитывать указанные параметры из представлений о молекулярном строении вещества.

Для экспериментального измерения каждого из параметров в отдельности разработаны многочисленные методы, позволяющие определять эти величины в различных физических условиях. Существующие методы в применении к строительным материалам характеризуются определенной сложностью в получении воспроизводимых результатов,перенесении данных от лабораторного образца к изделию из того же материала. Экспериментальные методы определения теплофизических свойств и ,в частности, коэффициента теплопроводности принято условно разделять на стационарные и нестационарные.

Методы стационарной теплопроводности основаны на использовании закона Фурье (3.1) и дифференциального уравнения теплопроводности Лапласа (4.9). При исследовании теплопроводности строительных материалов 0,1 < X < 1,5 Вт/м К широкое распространение получил метод неограниченной пластины [ 9,10]. Образец в виде J

диска (пластины) толщиной б ( 5 < 0,1 D) помещается между двумя плитами,температура которых поддерживается неизменной (рис.1.13). Для исключения потока тепла из плиты — нагревателя в радиальном направлении применяется нагреваемое охранное кольцо. Вся установка тщательно термостатируется.

Коэффициент теплопроводности рассчитывается по формуле

5 • q

(12.2)

где q = Р = I² - R (12.3)

Погрешности определениях, в этом методе могут достигать = 10 — 20%.

Рис.1.13 Схемы измерения коэффициента теплопроводности: а)метод неограниченной пластины;б)метод шарового слоя 1 -утеплитель; 2 -теплоохранное кольцо; 3 -исследуемый материал; 4-пластина-холодильник.

При исследовании коэффициентов теплопроводности сыпучих веществ используют метод шарового слоя, г.е. когда образцу придается форма шаровой стенки (рис.1.13). Для вычисления коэффициента используется формула:

(12.4)

1 1

_1_

2п

t, -t,

где d,₍ d₂ — внутренний и наружный диаметры шарового слоя.

Для независимого измерения величины плотности теплового потока разработаны также специальные тепломеры. Устройство одного из типов тепломеров показано на рис.1.14.

1-& б ТИС

Тепловой поток, проходящий через тепломер (чаще всего резиновый диск),

Термопар

Г I

приводит К возникновению термоэдс. _Рис ,₁₄ Тепломер (преобразователь После изготовления тепломера о

н

теплового потока).

градуируется на соответствии значения термоэдс величине теплового потока. Использование тепломеров упрощает проведение измерений, но снижает точность получаемых результатов. Другие типы тепломеров, используемые в лабораториях строительной физики описаны в [ 4,8] и журнальных публикациях.

Методы нестационарной теплопроводности базируются на частных решениях дифференциального уравнения теплопроводности

5. . В методах нестационарной теплопроводности измеряют лишь изменение температуры в нескольких точках среды, либо изменение температуры в одной точке,но для разных моментов времени и не измеряют тепловых потоков. В строительной теплофизике методы нестационарной теплопроводности измерения коэффициента А, нашли применение в зондовых методах. Специальное устройство "зонд" погружается в исследуемый материал, и о распространении теплового потока от зонда судят по изменению его температуры.

Преимуществами зондовых методов являются возможность проводить измерения на готовом изделии и быстрота измерений. Методы зонда удобны для наблюдения динамики изменения коэффициента теплопроводности в зависимости от различных физических воздействий на изделие — старение материала, периодические увлажнения (высыхания), давления и т.д.

В разработку зондовых методов измерения теплотехнических характеристик строительных материалов большой вклад внесли

В.В.Фетисов, П.Ф.Янк^лев, В.М.Россомагин.А.Ф.Чудновский и др.

Для осуществления экспресного теплотехнического контроля в производственных условиях Грызловым B.C. [ 5,9] разработаны зондовые измерители теплопроводности ИТ — 1, ИТ — 1М, которые в соответствии с ГОСТ 11024 —84 и ВСН —66 —03 —02 —90 внедрены на ряде строительных предприятий,ДСК и КПД. Общая схема измерения теплопроводности с использованием измерителя ИТ приведена на рис. 1.15.

Датчиком измерителя выступает тонкий цилиндрический зонд с электрическим нагревателем постоянной мощности. Зонд представляет тонкостенную металлическую трубку ( d/1 <

0. 1), внутри которой разме­щается нагреватель (спираль из нихрома) и измеритель тем­пературы — термопара ( тер — мосопротивление). Собст­венная теплоемкость зонда является достаточно малой.

   материал

   ив м. ft

   

Температурное поле в среде „ Рис.1.15

Общая схема измерителя теплопроводности ИТ

.

вокруг зонда условно можно принять как радиальное. Изменение температуры зонда во времени подчиняется закону близкому к экспоненциальному. По зависимости изменения температуры зонда с течением времени с учетом аппаратурного фактора (постоянная прибора) может быть определено значение коэффициента теплопроводности материала.

Постоянная прибора предварительно определяется на образцах из эталонного вещества — стекла органического, пенополистирола. Диапазон измерения коэффициента теплопроводности от 0,04 до 1,0 Вт/м К при относительной погрешности + 10% . Температурный диапазон измерения от — 30 до +40° С, продолжительность единичного измерения не более 10—12 мин.