СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ, АКУСТИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЁРДЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к определению теплофизических, акустических и механических характеристик стеновых ограждений зданий неразрушающим методом испытаний и может найти широкое применение в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности для оценки теплофизических, акустических и механических характеристик при исследовании в натурных условиях.

Известны способы определения теплофизических характеристик [Патент DE 4333482 А1 и US 3971246 A, - аналоги], позволяющие определять теплопроводность исследуемого образца посредством нагрева его с помощью дополнительного нагревательного элемента.

Недостатком способов является невозможность использования его для определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик эксплуатируемого стенового ограждения здания.

Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящий в измерении температуры и плотности теплового потока на ограждающей конструкции здания и определении коэффициента теплопроводности, объемной теплоемкости, температуропроводности по соответствующим теоретическим зависимостям, измерении температуры посредством установки датчиков на внутреннюю и наружную поверхности ограждающей конструкции здания и датчика измерения теплового потока на наружную ее поверхность с занесением данных измерения в электронный блок памяти [Патент RU 2421711, - аналог].

В известном способе определяются только коэффициент теплопроводности, объемная теплоемкость и температуропроводность. Использование способа не обеспечивает определение комплекса физических характеристик твердых материалов.

Так же способ позволяет измерять только единичное значение температуры на наружной поверхности ограждения здания, что также снижает точность определения теплофизических характеристик.

Известен способ определения комплекса теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца, выполненного в виде пластины и размещенного между нагревателем и холодильником, подводом тепла к его поверхности, измерении во времени температуры исследуемого образца, причем со всех сторон исследуемый образец закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, в электронном блоке управления таймером устанавливают время исследования, с помощью пульта управления на кнопках устанавливают толщину образца, температуру нагревателя и температуру холодильника, значения которых в памяти блока управления поддерживаются до заданных величин, определяют значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны нагревателя, значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны холодильника, которые регистрируют с заданным интервалом от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, заносят данные в прибор ЭВМ с последующим определением искомых теплофизических характеристик. [Патент RU 2023104914, - прототип].

Известный способ обеспечивает определение комплекса теплофизических характеристик, модуля упругости Юнга и скорости распространения звука в твердом материале без разрушения образца при стационарном режиме распространения температур при испытании образца. Использование стационарного режима нагрева, при котором рассчитывается доля проникновения температурной волны, снижает точность определения комплекса теплофизических характеристик твердых материалов.

Недостатком способа является то, что его невозможно использовать для эксплуатируемых зданий.

Кроме того, использование энергоемкого оборудования повышает экономические затраты на осуществление способа.

Технический результат - повышение точности определения теплофизических характеристик стеновых ограждений эксплуатируемых зданий.

Техническая задача - повышение точности определения теплофизических характеристик стеновых ограждений зданий за счет определения волнового температурного числа при циклическом подводе теплоты к ограждению эксплуатируемого здания.

Решение технической задачи.

Способ определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик твердых строительных материалов, включающий нагрев поверхности исследуемого объекта, измерение во времени температуры исследуемого объекта посредством датчиков, подсоединенных к прибору ЭВМ, определяют плотность теплового потока датчиком теплового потока, подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации изменений во времени показаний плотности теплового потока, заносят данные в прибор ЭВМ для расчета комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик твердых материалов: коэффициент теплоусвоения, термическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость, температуропроводность, тепловую инерцию, тепловую активность и термопроводность, а также термическое напряжение на поверхности образца, модуль упругости Юнга и скорость распространения звука в твердом материале, в котором нагрев исследуемого объекта, в качестве которого используется стеновое ограждение эксплуатируемого здания, осуществляется циклически, при этом измерение температур во времени на наружной поверхности стенового ограждения здания осуществляется посредством четырех датчиков и установленных на расстоянии 0,4…0,5 м друг от друга, кроме этого измеряют изменение температуры во времени посредством датчика, установленного на внутренней поверхности стенового ограждения здания, а определение плотности теплового потока осуществляют датчиком теплового потока, установленным на наружной поверхности стенового ограждения здания, при этом измерения во времени температур и плотности теплового потока с занесением результатов в прибор ЭВМ осуществляют в течение 24 часов с интервалом 5…10 минут, использование четырех датчиков температур, установленных на наружной поверхности стенового ограждения позволяет прибору ЭВМ рассчитать среднеарифметическое значение температуры исследуемой поверхности стенового ограждения в каждом временном интервале с последующим определением максимального и минимального значений температуры и максимального значения теплового потока исследуемой поверхности, максимальной амплитуды температурной волны, которые используются для определения волнового температурного числа, используя занесенные в ЭВМ данные испытаний прибор ЭВМ определяет комплекс искомых характеристик.

Сущность.

Ограждения зданий по температурному режиму за одни сутки подчиняются закону простого гармонического колебания - температура внутренней поверхности ограждения остается примерно постоянной, а температура наружной поверхности здания изменяется (днем нагревается, а ночью охлаждается), в результате чего в дневные часы температура ограждения здания на наружной поверхности выше, а в ночные часы - ниже, а плотность теплового потока на поверхности ограждения здания при этом в ночные часы выше, а в дневные - ниже.

Косинусоида температурных колебаний внутри ограждения здания описывается уравнением:

,

где: - максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности ограждения здания, °С;

ω - угловая частота колебаний, с^-1;

τ - время, с;

k - волновое число, м^-1;

х - текущая координата по толщине тела, м;

е - число Эйлера.

Одним из физических параметров, с помощью которого рассчитываются теплофизические свойства, является температура на наружной поверхности ограждения здания. В заявляемом способе осуществляется циклический подвод теплоты в естественных условиях, что позволяет измерять температуру на наружной поверхности ограждения здания в течение 24 часов и определять температурные колебания внутри ограждения здания.

Чтобы увеличить точность определения температуры наружной поверхности и тем самым повысить точность определения теплофизических характеристик на наружной поверхности стенового ограждения устанавливается измерительная система, состоящая из четырех датчиков, в качестве которых используются термопары измерения температур, которые регистрируют изменения температуры в четырех точках поверхности стенового ограждения.

Датчики устанавливают на расстоянии 0,4…0,5 м относительно друг друга, что позволит измерять значения температур в четырех удаленных друг от друга точках поверхности и отслеживать изменение температуры на большей площади исследуемой поверхности и тем самым также позволит повысить точность измеряемой температуры наружной поверхности.

Измерения теплового потока осуществляют датчиком теплового потока, установленным на наружной поверхности стенового ограждения. Датчики измерения температуры и теплового потока подключены к прибору ЭВМ.

Изменения и регистрацию температуры и теплового потока осуществляют с заданным интервалом времени равным 5…10 минут, которые заносятся в прибор ЭВМ, который определяет максимальное и минимальное значения температуры и теплового потока и также определяет максимальную амплитуду колебаний температурной волны в исследуемом материале, что повысит точность определения теплофизических характеристик. Интервал времени равный 5…10 минут используемый для измерения температуры на наружной поверхности выбран из условий того, что изменения температуры наружного воздуха происходит постоянно, следовательно, динамика изменения температуры на наружной поверхности стенового ограждения также будет непрерывна.

В соответствии с полученными опытными данными, занесенными в прибор ЭВМ, рассчитывают комплекс теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения здания по известным математическим зависимостям.

Для определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик, проводят испытания в течение 24 часов на стеновом ограждении толщиной 0,6 м эксплуатируемого здания, выполненного из однородного материала, например, из силикатного кирпича или другого строительного материала.

Перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока определяют по формуле:

ΔT=Т_вн-Т_нар, °С, (1)

где: Т_вн - температура внутренней поверхности ограждения при максимальной плотности теплового потока, °С;

Т_нар - температура наружной поверхности ограждения при максимальной плотности теплового потока, °С.

Ограждение эксплуатируемого здания характеризуется способностью задерживать или пропускать тепловую энергию. Зная толщину ограждения здания, максимальную плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания, максимальную разность температур между внутренней и наружной поверхностями ограждения в момент наступления максимального теплового потока, определяют коэффициент теплопроводности по формуле:

(2)

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания, Вт/м²;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания, м;

ΔT - перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока, °С.

Измеряемую с помощью датчиков температур на наружной поверхности ограждения используют при определении значений максимальной амплитуды колебаний температурной волны, с помощью которой в дальнейшем рассчитывают волновое температурное число, которое необходимо для определения теплофизических, акустических и механических характеристик. Максимальную амплитуду колебаний температурной волны на наружной поверхности определяют по формуле:

, °C (3)

где: - максимальная температура на наружной поверхности, °С;

- минимальная температура на наружной поверхности, °С;

Одновременно с изменением температуры на наружной и внутренней поверхностях стенового ограждения здания изменяется и плотность теплового потока на поверхности стенового ограждения, причем плотность теплового потока в ночные часы больше плотности теплового потока, чем в дневные часы.

Волновое температурное число ограждения определяют по формуле:

, (4)

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания, Вт/м²;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/ (м⋅К);

- максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности, °С.

Рассчитав волновое температурное число, определяют другие физические характеристики.

Температуропроводность определяют по формуле:

, (5)

где: z - полный период колебания температурной волны, с;

- волновое температурное число, м^-1;

π - математическая константа, равна 3,14.

Термическое сопротивление определяют по формуле:

R=δ/λ, (м²⋅К)/Вт, (6)

где: δ - толщина однородного стенового ограждения здания, м;

λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К).

Коэффициент теплоусвоения В определяют по формуле:

, (7)

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания, Вт/м²;

- максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности, °С.

Объемную теплоемкость определяют по формуле:

(ср)=(В²⋅z)/(2π⋅λ), Дж/(м³⋅К), (8)

где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м²⋅К);

z - полный период колебания температурной волны, с;

π - математическая константа, равна 3,14;

λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К).

Тепловую инерцию определяют по формуле:

b=λ⋅(ср), Дж²/(с⋅м⁴⋅К²), (9)

где: λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К);

(ср) - объемная теплоемкость, Дж/(м³⋅К).

Тепловую активность определяют по формуле:

, Дж/(с^0,5⋅м²⋅К), (10)

где: b - тепловая инерция, Дж²/(с⋅м⁴⋅К²).

Термоизоляцию определяют по формуле:

, ДБ, (11)

где: 4,34 - математическая константа равная 10⋅log(2,718);

- волновое температурное число, м^-1;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания, м.

Термопроводность определяют по формуле:

α_терм=, (12)

где: 0,434 - математическая константа, равная log(2,718);

- волновое температурное число, м^-1.

Термическое напряжение возникает в любой точке объема материала стенового ограждения за счет нагрева и представляет собой тепловое давление, действующее на единицу глубины по толщине стенового ограждения.

Для условий циклического подвода теплоты, при прохождении теплоты Q равной 1 Джоуль, в единицу времени τ равной 1 с, через объем вещества V равный 1 м³, возникает температурная волна с амплитудой ϑ равной 1°С, что подтверждается термодинамическим законом (Менделеева-Клапейрона) и законом сохранения энергии, а именно в данном случае, переходе части тепловой энергии Q в механическую энергию, в виде теплового давления, то есть выполняется условие:

1 Дж/ (с⋅м³⋅К)=1 Вт/ (м³⋅К)=1 Па или Вт / (м²⋅К)=(Па⋅м). Термическое напряжение на поверхности образца определяют по формуле:

=0,5 B, (Па⋅м), (13)

где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м²⋅К).

Плотность тепловой энергии определяют по формуле:

ε_ст=(сρ)⋅ΔТ_ст, Дж/м³, (14)

где: (сρ) - объемная теплоемкость, Дж/(м³⋅К);

ΔТ_ст - перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока, °С.

Поверхностную скорость температурной волны определяют по формуле:

, (15)

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания, Вт/м²;

ε_ст - плотность тепловой энергии, Дж/м³.

Поверхностную плотность стенового ограждения определяют по формуле:

ρ_П=50R_ТЕРМ, кг/м², (16)

где: R_терм - термоизоляция, дБ.

Безразмерное число волновой скорости определяют по формуле:

, (17)

где: S_п - поверхностная скорость температурной волны, м/с;

ρ_п - поверхностная плотность, кг/м²;

- термическое напряжение на поверхности, (Па⋅м).

Поверхностная скорость плоской температурной волны на глубине 1 м, численно пропорциональна температуропроводности материала. Поверхностную скорость температурной волны при толщине δ равной 1 м определяют по формуле:

=а/δ, (м/с), (18)

где: а - температуропроводность, м²/с;

δ - толщина, равна 1 м.

Во время эксплуатации зданий акустические свойства конструкции ограждения изменяются под воздействием сезонных температурных режимов. Определение акустической скорости звука позволяет определить значения контролируемых акустических характеристик стеновых ограждений, характеризующих эксплуатационное состояние ограждения. Звуковую (акустическую) скорость определяют по формуле:

, (19)

где: - поверхностная скорость плоской температурной волны на глубине 1 м;

Ф_К - безразмерное число волновой скорости.

Удельную плотность ограждения определяют по формуле:

ρ=ρ_П/δ, (кг/м³), (20)

где: ρ_П - поверхностная плотность, кг/м²;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания, м.

Определение прочностной характеристики модуля упругости Юнга позволяет определить эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность строительной конструкции. Модуль упругости Юнга определяют по формуле:

, (21)

где: С_А - звуковая (акустическая) скорость, м/с;

ρ - удельная плотность образца, (кг/м³).

Предлагаемый способ, в сравнении со способом по прототипу, позволяет повысить точность определения теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения эксплуатируемого здания при циклическом подводе теплоты.

Способ поясняется графическим материалом. На фиг. 1 приведена схема установки датчиков температур и теплового потока на наружной поверхности стенового ограждения здания:

1 - измерительная система, состоящая из четырех датчиков температур;

2 - датчик теплового потока.

На фиг. 2 приведена схема установки датчика температуры на внутренней поверхности стенового ограждения здания.

3 - датчик измерения температуры.

Осуществление способа.

Для осуществления способа по определению комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик в качестве исследуемого объекта используют стеновое ограждение эксплуатируемого здания с толщиной стены 0,6 м, исследования проводят в течение 24 часов, при этом нагрев стенового ограждения осуществляется циклически.

Измерение изменения температуры во времени осуществляется посредством четырех датчиков, выполненных в виде термопар, установленных на наружной поверхности стенового ограждения здания на расстоянии 04…0,5 м друг от друга, кроме этого измеряют изменение температуры во времени датчиком температуры, установленным на внутренней поверхности стенового ограждения. А измерение изменения плотности теплового потока во времени определяют датчиком теплового потока, установленным на наружной поверхности стенового ограждения здания.

Датчики измерения температур на наружной и внутренней поверхностях стенового ограждения и датчик теплового потока подсоединены к прибору ЭВМ.

Измерения изменения температур во времени и плотности теплового потока осуществляют с интервалом 5…10 мин. Данные исследований поверхности стенового ограждения здания во времени, интервал измерения, толщину стенового ограждения заносят в прибор ЭВМ.

Использование четырех датчиков для измерения температуры, установленных на наружной поверхности стенового ограждения, с занесением данных в прибор ЭВМ для определения среднеарифметического значения температуры с определением максимального и минимального значений температур, максимальной амплитуды колебаний температурной волны, которые прибор ЭВМ использует в расчетах при определении комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения здания: коэффициент теплоусвоения, термическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость, температуропроводность, тепловую инерцию, тепловую активность и термопроводность, а также термическое напряжение на поверхности образца, модуль упругости Юнга и скорость распространения звука в твердом материале.

Пример конкретного исполнения.

Экспериментальное исследование по определению комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик проводили на стеновом ограждении эксплуатируемого здания толщиной 0,6 м.

На наружную поверхность устанавливали датчик теплового потока. Кроме этого на наружную поверхности ограждения устанавливали измерительную систему, состоящую из четырех датчиков температур. Датчики устанавливали на удалении 0,4…0,5 м относительно друг друга. Измерительная система из четырех датчиков, позволяет измерять температуру в четырех удаленных друг от друга точках исследуемой поверхности, увеличивая площадь измерения температуры поверхности, повышая среднеарифметическое значение при определении температуры наружной поверхности, что позволит повысить точность определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения.

При этом на внутреннюю поверхность ограждения устанавливали датчик измерения температуры.

Все датчики измерения температуры и теплового потока в заданный момент времени на исследуемой поверхности соединены с прибором ЭВМ. Измерения осуществляли в течение 24 часов с заданным интервалом времени равным 5…10 минут, который задавался в ЭВМ. Прибор ЭВМ определял максимальное и минимальное значения температуры и теплового потока на исследуемой поверхности и рассчитывал среднеарифметические значения.

По полученным в приборе ЭВМ данным максимальной и минимальной температуры на наружной поверхности ограждения, максимальной плотности теплового потока, а так же температур на наружной и внутренней поверхности при максимальной плотности теплового потока определяют комплекс теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения эксплуатируемого здания.

При проведении исследования в естественных условиях стенового ограждения здания толщиной 0,60 м получены следующие экспериментальные данные, которые использовали в расчетах:

максимальная температура наружной поверхности =1,9°С;

минимальная температуры наружной поверхности =-4,7°С;

температуры наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока Т_нар=-4,7°С;

температуры внутренней поверхности при максимальной плотности теплового потока Т_вн=18,5°С;

максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности =32,7 Вт/м².

По полученным значениям максимальной температуры наружной поверхности, минимальной температуры наружной поверхности, температур наружной и внутренней поверхности стенового ограждения при максимальной плотности теплового потока, максимальной плотности теплового потока по известным математическим зависимостям в приборе ЭВМ рассчитывались теплофизические, акустические и механические характеристики.

Перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока определяли по формуле:

ΔT=Т_вн-Т_нар=18,5-(-4,7)=23,2,°С,

где: Т_вн - температура внутренней поверхности ограждения при максимальной плотности теплового потока равна (-4,7)°С;

Т_нар - температура наружной поверхности ограждения при максимальной плотности теплового потока равна 18,5°С.

Коэффициент теплопроводности определяли по формуле:

λ=(⋅δ)/ΔТ=(32,7⋅0,6)/23,2=0,846, Вт/(м⋅К),

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания равна 32,7 Вт/м²;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания рана 0,6 м;

ΔT - перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока равен 23,2°С.

Максимальную амплитуду колебаний температурной волны на наружной поверхности определяли по формуле:

,

где: - максимальная температура на наружной поверхности равна 1,9°С;

- минимальная температура на наружной поверхности равна (-4,7)°С.

Волновое температурное число ограждения определяли по формуле:

,

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания равна 32,7 Вт/м²;

λ - коэффициент теплопроводности равен 0,846 Вт/(м⋅К);

- максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности равна 3,3°С.

Температуропроводность определяли по формуле:

,

где: z - полный период колебания температурной волны равен 86400 с;

- волновое температурное число равно 8,282 м^-1;

π - математическая константа, равна 3,14.

Термическое сопротивление определяли по формуле:

R=δ/λ=0,6/0,846=0,709, (м²⋅К) /Вт,

где: δ - толщина однородного стенового ограждения здания равна 0,6 м;

λ - коэффициента теплопроводности равен 0,846 Вт/(м⋅К).

Коэффициент теплоусвоения В определяли по формуле:

,

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания равна 32,7 Вт/м²;

- максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности равна 3,3°С.

Объемную теплоемкость определяли по формуле:

(сρ)=(В²⋅z)/(2π⋅λ)=(9,91²⋅86400)/(2⋅3,14⋅0,846)=1597096, Дж/(м³⋅К),

где: В - коэффициент теплоусвоения равен 9,91 Вт/(м²⋅К);

z - полный период колебания температурной волны равен 8600 с;

π - математическая константа равна 3,14;

λ - коэффициента теплопроводности равен 0,846 Вт/(м⋅К).

Тепловую инерцию определяли по формуле:

b=λ⋅(сρ)=0,846⋅1597096=1351143, Дж²/(с⋅м⁴⋅К²),

где: λ - коэффициента теплопроводности равен 0,846 Вт/(м⋅К);

(сρ) - объемная теплоемкость равна 1597096 Дж/(м³⋅К).

Тепловую активность определяли по формуле:

,

где: b - тепловая инерция равна 1351143, Дж²/(с⋅м⁴⋅К²).

Термоизоляцию определяли по формуле:

R_терм=4,34(⋅δ)=4,34⋅8,282⋅0,6=21,57, дБ,

где: 4,34 - математическая константа равна 10⋅log(2,718);

- волновое температурное число равно 8,282 м^-1;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания равна 0,6 м.

Термопроводность определяли по формуле:

α_терм==10^-0,1(21,57)=0,00697,

где: R_терм - термоизоляция равна 21,57 дБ.

Для условий циклического подвода теплоты, при прохождении теплоты Q равной 1 Джоуль, в единицу времени τ равной 1 с, через объем вещества V равный 1 м³, возникает температурная волна с амплитудой ϑ равной 1°С, выполняется условие:

1 Дж/ (с⋅м³⋅К)=1 Вт/ (м³⋅К)=1 Па или Вт / (м²⋅К)=(Па⋅м).

Термическое напряжение на поверхности ограждения определяли по формуле:

=0,5В=0,5⋅9,91=4,96, (Па⋅м),

где: В - коэффициент теплоусвоения равен 9,91 Вт/ (м²⋅К).

Плотность тепловой энергии определяли по формуле:

ε_ст=(сρ)⋅ΔТ_ст=1597096⋅23,2=37052627, Дж/м³,

где: (сρ) - объемная теплоемкость равна 1597096 Дж/(м³⋅К);

ΔТ_ст - перепад температур внутренней и наружной поверхности при максимальной плотности теплового потока равен 23,2°С.

Поверхностную скорость температурной волны определяли по формуле:

S_n=/ε_ст=32,7/37052627=0,8825⋅10^-6, м/с,

где: - максимальная плотность теплового потока на наружной поверхности ограждения здания равна 32,7 Вт/м²;

ε_ст - плотность тепловой энергии равна 37052627 Дж/м³.

Поверхностную плотность стенового ограждения определяли по формуле:

ρ_П=50⋅R_ТЕРМ=50⋅21,57=1078,5, кг/м²,

где: R_терм - термоизоляция равна 21,57 дБ.

Безразмерное число волновой скорости определяли по формуле:

,

где: S_п - поверхностная скорость температурной волны равна 0,8825⋅10^-6 м/с

ρ_п - поверхностная плотность равна 1078,5 кг/м²;

- термическое напряжение на поверхности равно 4,96 (Па⋅м).

Поверхностную скорость плоской температурной волны на глубине 1 м, численно пропорциональна температуропроводности материала. Поверхностную скорость температурной волны при толщине равной 1 м определяли по формуле:

=а/δ=0,5298⋅10^-6/1=0,5298⋅10^-6, (м/с),

где: а - температуропроводность равна 0,5298⋅10^-6 м²/с;

δ - толщина равна 1 м.

Звуковую (акустическую) скорость определяли по формуле:

С_А=/Ф_К=0,5298⋅10^-6/0,1693⋅10^-9=3130, м/с,

где: - поверхностная скорость плоской температурной волны на глубине 1 м равна 0,5298⋅10^-6 м²/с;

Ф_К - безразмерное число волновой скорости равно 0,1693⋅10^-9.

Удельную плотность ограждения определяли по формуле:

ρ=ρ_П/δ=1078,5/0,6=1797,5, кг/м³,

где: ρ_П - поверхностную плотность равна 1078,5 кг/м²;

δ - толщина однородного стенового ограждения здания равна 0,6 м.

Модуль упругости Юнга определяли по формуле:

Е_р=⋅ρ=(3130)²⋅1797,5=17,6⋅10⁹, Па,

где: С_А - звуковая (акустическая) скорость равна 3130 м/с;

ρ - удельная плотность равна 1797,5 (кг/м³).

Предлагаемый способ, в сравнении со способом по прототипу, позволяет определять температурные колебания внутри ограждения здания при циклическом подводе теплоты в естественных условиях. Измерительная система, состоящая из четырех датчиков измерения температур в четырех точках поверхности стенового ограждения и определения максимальных и минимальных значений температур в заданный момент времени позволяет при расчетах сократить погрешность измерения температуры и тем самым повысить точность определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик, включающих коэффициент теплопроводности, волновое температурное число, температуропроводность, коэффициент теплоусвоения, термическое сопротивление, объемную теплоемкость, тепловую инерцию, тепловую активность и термопроводность, термическое напряжение на поверхности образца, плотность тепловой энергии, поверхностную скорость температурной волны, поверхностную плотность, безразмерное число волновой скорости, звуковую (акустическую) скорость, модуль упругости Юнга.

Предлагаемый способ позволяет определять комплекс теплофизических, акустических и механических характеристик однородного стенового ограждения здания выполненного из твердых строительных материалов.

Изобретение относится к определению теплофизических, акустических и механических характеристик стеновых ограждений зданий неразрушающим методом испытаний и может найти широкое применение в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности для оценки теплофизических, акустических и механических характеристик при исследовании в натурных условиях. Осуществление способа определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик выполняют на стеновом ограждении эксплуатируемого здания с толщиной стены 0,6 м, исследования проводят в течение 24 ч, нагрев осуществляется циклически. Измерение изменения температуры во времени осуществляется посредством четырех датчиков, установленных на наружной поверхности на расстоянии 04…0,5 м друг от друга, кроме этого измеряют изменение температуры во времени датчиком температуры, установленным на внутренней поверхности стенового ограждения. Измерение изменения плотности теплового потока во времени определяют датчиком теплового потока, установленным на наружной поверхности стенового ограждения. Датчики измерения температур и теплового потока подсоединены к прибору ЭВМ. Измерения осуществляют с интервалом 5…10 мин. Данные исследований поверхности стенового ограждения здания, время исследования, интервал измерения, толщину стенового ограждения заносят в прибор ЭВМ, который по известным математическим зависимостям определяет комплекс теплофизических, акустических и механических характеристик стенового ограждения здания. Технический результат - повышение точности определения теплофизических характеристик стеновых ограждений эксплуатируемых зданий. 2 ил.

Способ определения комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик твердых строительных материалов, включающий нагрев поверхности исследуемого объекта, измерение во времени температуры исследуемого объекта посредством датчиков, подсоединенных к прибору ЭВМ, определяют плотность теплового потока датчиком теплового потока, подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации изменений во времени показаний плотности теплового потока, заносят данные в прибор ЭВМ для расчета комплекса теплофизических, акустических и механических характеристик твердых материалов: коэффициент теплоусвоения, термическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость, температуропроводность, тепловую инерцию, тепловую активность и термопроводность, а также термическое напряжение на поверхности образца, модуль упругости Юнга и скорость распространения звука в твердом материале, отличающийся тем, что нагрев исследуемого объекта, в качестве которого используется стеновое ограждение эксплуатируемого здания, осуществляется циклически, при этом измерение температур во времени на наружной поверхности стенового ограждения здания осуществляется посредством четырех датчиков и установленных на расстоянии 0,4…0,5 м друг от друга, кроме этого измеряют изменение температуры во времени посредством датчика, установленного на внутренней поверхности стенового ограждения здания, а определение плотности теплового потока осуществляют датчиком теплового потока, установленным на наружной поверхности стенового ограждения здания, при этом измерения во времени температур и плотности теплового потока с занесением результатов в прибор ЭВМ осуществляют в течение 24 ч с интервалом 5…10 мин, использование четырех датчиков температур, установленных на наружной поверхности стенового ограждения позволяет прибору ЭВМ рассчитать среднеарифметическое значение температуры исследуемой поверхности стенового ограждения в каждом временном интервале с последующим определением максимального и минимального значений температуры и максимального значения теплового потока исследуемой поверхности, максимальной амплитуды температурной волны, которые используются для определения волнового температурного числа, используя занесенные в ЭВМ данные испытаний прибор ЭВМ определяет комплекс искомых характеристик.