СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2020 года по МПК G01N25/18 

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.

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 r₁ и r₂ от оси цилиндра устанавливают термопары, подключенные к милливольтметру, определяющие значения температуры t₁ у оси и t₂ у поверхности образца. 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. Технический результат - упрощение процедуры проведения эксперимента, сокращение времени подготовки к нему и ускорение получения результатов измерений. 1 ил.

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.