Лабораторная работа № 1 Измерение коэффициента теплопроводности строительных материалов зондовым методом
Введение
Потребность в измерении теплопроводности различных материалов существует во многих областях науки и промышленности. К ним относятся, прежде всего, строительство и энергетика. Необходимость технологического контроля и сертификации по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения (наиболее важные элементы сложных инженерных объектов, например ограждающие конструкций отапливаемых зданий и сооружений), а также при испытаниях на соответствие требованиям нормативных документов. Таким образом, в современном технологическом обществе, характеризующемся все возрастающим уровнем энергопотребления на фоне постоянного увеличения стоимости и ограниченности запасов энергоносителей, измерения теплопроводности наиболее востребованы среди других видов измерений теплофизических свойств материалов и конструкций.
Лабораторная работа № 1
Измерение коэффициента теплопроводности
строительных материалов зондовым методом
Цель работы: ознакомление с приборами для измерения влагосодержания и коэффициента теплопроводности строительных материалов и получение навыков измерения коэффициента теплопроводности зондовым методом при различных влагосодержаниях материалов.
Оборудование и приборы: влагомер HYDRO CONDTROL, измеритель коэффициента теплопроводности зондовый МИТ-1.
Основные понятия
Важнейшей характеристикой строительных материалов для тепловой защиты зданий является коэффициент теплопроводности, используемый при теплотехническом расчете строительных конструкций [1]. Коэффициент теплопроводности материала характеризует способность проводить тепло внутри материала – т.е. определяет отношение количества энергии, проходящей через тело площадью 1 м² и толщиной 1 м за единицу времени – λ (Вт/м·К). Коэффициент теплопроводности, с другой стороны, характеризует способность материала сопротивляться теплопередаче. Величина коэффициента теплопередачи строительных материалов зависит, в первую очередь, от свойств их компонентов, пористости, и в значительной степени от влагосодержания материала.
Расчетная величина коэффициента теплопроводности в расчетах термического сопротивления строительных конструкций принимается по данным нормативных документов [3,4] или по данным сертификационных испытаний в зависимости от их влажности. В [3,4] выделяют два влажностных режима эксплуатации строительных конструкций «А» – нормальный и «Б» – влажный в зависимости от влажностного режима помещений и зоны влажности территории России. В [4], табл. Т.1 устанавливаются предельные значения влажности, %, для режимов «А» и «Б» эксплуатации строительных конструкций и приводятся соответствующие величины коэффициентов теплопроводности строительных материалов.
Определение фактической влажности строительных материалов и конструкций является важным этапом при определении коэффициента теплопроводности. В настоящее время для определения влажности строительных конструкций применяются следующие методы:
1. сушильно-весовой – основанный на определении разности массы влажного образца и массы образца после сушки;
2. диэлектрический – основанный на изменении диэлектрической проницаемости пористых материалов в зависимости от влажности;
3. электромагнитный – основанный на изменении магнитной проницаемости материала в зависимости от влажности;
4. нейтронный – основанный на эффекте замедления быстрых нейтронов в процессе их взаимодействия с ядрами атомов водорода воды, содержащейся в материале.
Наиболее распространенным методом для оперативного контроля влажности строительных материалов является диэлькометрический метод, являющийся неразрушающим методом контроля, производимым портативными автоматическими приборами.
Для измерения влажности используется прибор HYDRO CONDTROL, внешний вид которого представлен на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Влагомер HYDRO CONDTROL
Влагомер состоит из первичного преобразователя и электронного блока, имеющего на лицевой панели двухстрочный дисплей и клавиатуру, состоящую из 4 кнопок: «▲», «▼», «ОК», « 
/ ESC».
Для включения прибора нажмите кнопку « / ESC», прибор после автонастройки переходим в главное меню. Переход между пунктами меню осуществляется кнопками «▲», «▼», чтобы войти в пункт меню, выберите его и нажмите кнопку «ОК», для выхода на уровень меню выше текущего, нажмите кнопку « / ESC».
Для проведения измерений включите прибор, выберите вид и группу материала и нажмите «ОК». прижмите чувствительный элемент прибора к измеряемой поверхности с усилием около 1 кг и дождитесь появления показаний.
Измерения влажности производятся согласно [5].
Для измерений теплопроводности строительных материалов применяются следующие методы:
1. прямого измерения коэффициента теплопроводности на основании уравнения Фурье (поверхностным преобразователем, цилиндрическим зондом, калориметрический);
2. косвенного измерения – основанные на измерении физической величины, связанной с теплопроводностью известным законом (диэлектрический, электромагнитный).
Для лабораторного измерения коэффициента теплопроводности строительных материалов наибольшее распространение получили методы прямого измерения, позволяющие оценивать теплопроводность материалов с учетом их внутренней структуры по всей их толщине или на глубину зонда.
Для измерения коэффициента теплопроводности используется прибор МИТ-1, внешний вид которого представлен на рис. 1.2.
Прибор состоит из электронного блока и измерительного зонда (далее зонда). На лицевой панели корпуса электронного блока расположены клавиатура и окно графического дисплея. В верхней торцевой части корпуса находится разъем для подключения зонда, а также разъём USB для связи с компьютером для обработки результатов и подключения внешнего источника питания.
Для проведения измерений подсоедините к прибору зондовый датчик и внешний источник питания. Для проведения измерений теплопроводности прибор обязательно должен питаться от внешнего источника +5 В. При попытке измерения без внешнего источника питания или при пропадании напряжения внешнего источника в процессе измерения, будет выдано предупредительное сообщение.
Включите питание прибора клавишей. При этом на дисплее на 2-3 секунды должно появиться сообщение со значением напряжения аккумуляторной батареи и текущем временем. Затем прибор выйдет в главное меню
Рис. 1.2. Измеритель коэффициента теплопроводности МИТ-1
Образец материала (или испытуемый объект) перед измерением должны быть подготовлены. В образце сверлится отверстие ø6 мм глубиной 100 мм. Зонд плотно вставляется в подготовленное отверстие. В заднюю стенку отверстия зонд упираться не должен. Для материалов с гладкими не гигроскопичными стенками желательно использовать теплопроводящую смазку для улучшения теплового контакта между зондом и испытуемым материалом. Смазку зонда необходимо использовать также в том случае, если материал не позволяет вставлять измерительный зонд достаточно плотно, без зазора между стенками отверстия и зондом. В качестве смазки может быть использован технический вазелин, глицерин, солидол, литол, графитная смазка или теплопроводящая паста. Если испытуемый материал имеет пористую структуру, смазка при нагреве должна оставаться достаточно густой, чтобы не впитываться в поры.
При проникновении смазки в поры испытуемого материала результаты измерения искажаются. Для любых материалов желательно, чтобы зонд вставлялся в отверстие плотно, с минимальным зазором. Для уменьшения влияния зазора между зондом и стенкой отверстия, а также снижения погрешности измерений с использованием смазки, необходимо применять тот вид смазки, теплопроводность которой близка по значению к теплопроводности исследуемого материала.
Для начала измерения после включения прибора необходимо выбрать пункт «Выбор материала» клавишей «F». Для подтверждения выбранного вида материала нажать клавишу «F». Выбрать пункт меню «Параметры», в подменю «Диапазон» установить ожидаемый диапазон теплопроводности, в подменю «Мощность нагрева» установить ожидаемое значение теплопроводности. Для подтверждения выбранного значения нажать клавишу «F». Нажатием клавиши «M» перевести прибор в режим измерений. Появится экран стабилизации температуры зонда.
На экране ожидания процесса измерения выводится информация о температуре зонда и индикатор с указанием оставшегося времени окончания процесса стабилизации. При резком изменении температуры зонда отсчет времени начинается вновь.
Далее прибор переходит в режим измерения теплопроводности. В первой строке экрана процесса измерения выводятся названия выбранного материала. Во второй строке указан номер измерения и диапазон теплопроводности, в центре дисплея появляется и постоянно уточняется оценочное значение измеряемой теплопроводности, температура нагревателя и фактическое значение мощности нагрева. В нижней строке расположен индикатор прогресса измерения, показывающий процент выполнения измерения (по времени). При окончании измерения раздается звуковой сигнал и, после непродолжительной математической обработки измеренных и полученных данных, выводится рассчитанное значение теплопроводности.
Измерения коэффициента теплопроводности производятся согласно [6].