Научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям

Фокин, Владимир Михайлович

Автореферат диссертации на тему "Научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям"

На правах рукописи

ФОКИН Владимир Михайлович

НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Специальность 01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Астрахань — 2004

Работа выполнена в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете (кафедра энергоснабжения и теплотехники)

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Селиванов Николай Васильевич

доктор технических наук Игонин Владимир Иванович

доктор технических наук Руденко Михаил Федорович

Ведущая организация: Ростовский государственный строительный университет

в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д. 307.001.03 при Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, корпус 5, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита диссертации состоится «

¿0 »(ЩЫрЯ 2004 г.

Автореферат разослан «2,1 » октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

С. В. Виноградов

<?93СОЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время ведется поиск энергосберегающих мероприятий и инженерных решений по созданию тепло-технологических процессов с минимальными тепловыми потерями. Большую роль в этом играет знание теп-лофизических характеристик (ТФХ) используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Теплофизические характеристики строительных материалов и ограждающих конструкций существенно влияют на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения, а также на работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой энергии.

Проблемы энергосбережения и снижения потерь теплоты в окружающую среду существенно влияют на экологическую ситуацию, технико-экономические показатели и капитальные затраты строительных объектов. Для решения этих задач нужно знать теплопроводность, температуропроводность, объемную теплоемкость строительных и теплоизоляционных материалов. Кроме того, фактические ТФХ строительных материалов и изделий могут изменяться в процессе эксплуатации и не соответствовать их сертификату или паспорту. Немаловажное значение имеет изучение свойств ионных кристаллов, используемых при изготовлении стеклянных ограждающих конструкций применяемых для наружных ограждений современных зданий и сооружений. Поэтому при производстве изделий, в процессе строительства и эксплуатации объектов различного назначения, необходимо знание теплофи-зических свойств строительных и облицовочных материалов. Информация о свойствах новых, разрабатываемых и используемых материалов позволяет выбирать оптимальные варианты расчета и эксплуатации.

Качество, надежность, долговечность традиционных и вновь создаваемых конструкционных, строительных, теплоизоляционных материалов и изделий требуют совершенствования известных и разработки новых методов определения ТФХ, приборов и средств контроля, которые позволят провести оценку экономической эффективности как на стадии технологического контроля в процессе производства материалов, так и на стадии контроля качества готовых изделий. Несмотря на определенные успехи в этом направлении, методы определения и прогнозирования свойств пока еще должного развития не получили, и главным источником информации остается эксперимент.

В настоящее время очевидна необходимость разработки и внедрения неразрушающих методов экспериментального определения ТФХ материалов, основанных, в частности, на измерении температур на поверхности, без нарушения целостности образцов и эксплуатационных характеристик. Разрабатываемые и предлагаемые методы должны отличаться от известных методов быстродействием, более высокой точностью, обладать научной новизной и практической значимостью.

РОС. НАЦИ

БИЫМ СП« О» »

Цель работы и задачи исследования.

Разработка теоретических и методологических основ экспериментального определения теплофизических характеристик строительных, теплоизоляционных и облицовочных материалов по температурным измерениям тел, выполненных в виде образцов различной формы (призмы квадратного сечения, куба, шара).

Вывод закономерностей упорядоченного теплового режима в телах различной формы при их симметричном нагреве (охлаждении), а также апробирование полученных закономерностей при конвективном, лучистом и суммарном теплообмене.

Разработка экспериментальных установок и проведение физических экспериментов для строительных и теплоизоляционных материалов.

Разработка научно-методологических основ комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения, а также экспериментальная и промышленная проверка результатов исследований.

Техническая задача работы заключается в повышении точности и надежности методов определения ТФХ исследуемых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик.

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных в работе результатов основана на применении фундаментальных законов физики, математики и использовании оригинальных методов эксперимента; обеспечивается удовлетворительным совпадением расчетов с данными, полученными при экспериментах на опытных установках, стендах в лабораторных и промышленных условиях; подтверждается сопоставлением с результатами исследований других авторов, опубликованных в научной, справочной и технической литературе, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.

Научная новизна результатов работы

1. Разработаны научно-методологические основы экспериментального определения ТФХ строительных материалов по температурным измерениям.

2. На основе разработанных математических и физических моделей впервые получены закономерности упорядоченного теплового режима в телах различной формы (призме квадратного сечения, кубе, шаре) при их симметричном нагреве или охлаждении.

3. Получена закономерность упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения и впервые разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения.

4. Впервые предложен динамический температурный критерий, позволяющий установить наступление упорядоченной части теплового периода по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

5. Получена закономерность упорядоченного теплового режима в кубе и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов. Впервые для определения коэффициента температуропроводности в кубе использован закон теплового прослушивания.

6. Получена закономерность упорядоченного теплового режима для шара и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов, в том числе с использованием шарового температурного поля, расположенного внутри куба.

7. Разработана новая методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости строительных материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

8. Разработаны новые математический и графо-аналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов и предложен метод определения ТФХ ограждающих конструкций зданий методом неразрушающего контроля с использованием тепломера.

9. Проведены исследования коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов и уточнена связь с механическими и тепловыми константами.

Практическая ценность работы заключается в разработке методологических основ и приборов для экспериментального определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов. Разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения, без внедрения вглубь материала. Разработана методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов и изделий по температурным измерениям на поверхности, без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых образцов. Разработанный динамический температурный критерий позволяет установить наступление упорядоченной части теплового периода в телах различной формы (призма, куб, стержень, шар), а в призме квадратного сечения — по температурным измерениям на поверхности. Изложены рекомендации и порядок проведения экспериментов, а также методики обработки опытных данных.

Постановка опытов не требует измерений таких физических параметров, как температура окружающей среды, коэффициент теплообмена, степень черноты, тепловой поток. Нет необходимости в создании чисто конвективной или чисто лучистой окружающей среды, что значительно упрощает экспериментальные установки для исследования и определения ТФХ материалов. Не требуется учета потерь теплоты за счет теплообмена с окружающей средой, а также контактным сопротивлением между образцом и нагревателем. Эти преимущества значительно упрощают условия проведения эксперимента (экспериментальную установку) и повышают метрологический уровень ре-

зультатов измерения. Расчеты ТФХ различных материалов в количестве 29 таблиц приведены в пп. 3.3,4.4,6.3,7.3 и в приложении II диссертации.

Разработанные методы выгодно отличаются от известных методов быстродействием, небольшой погрешностью, обладают новизной и оригинальностью и имеют ряд существенных преимуществ перед известными способами указанного назначения. Методики позволяют легко автоматизировать те-плофизический эксперимент, упрощается реализация на базе микропроцессорной техники, и поэтому являются перспективными для использования в информационно-измерительных системах неразрушающего контроля ТФХ материалов, практике теплофизических измерений и строительной теплотехнике. Простота техники эксперимента позволяет проводить испытания непосредственно в условиях производства, координировать влияние технологических факторов на свойства готовых изделий и экономичность производства. Разработанные методики позволят оперативно контролировать комплекс ТФХ материалов и изделий как на стадии технологического контроля в процессе производства, так и на стадии контроля качества готовых изделий при различных режимах их эксплуатации в различных отраслях аграрно промышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства.

Практическое использование полученных автором разработок заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики определения ТФХ строительных материалов и изделий, экспериментальные установки внедрены и приняты для использования современных технологий на следующих предприятиях:

• ОАО «Волгоградский завод ЖБИ № 1», где проведены испытания строительных материалов, выполненных по технологии предприятия, показывающие достаточную точность определения ТФХ в сравнении с другими трудоемкими и дорогостоящими методами;

• ОАО «Волгоградгоргаз», где проведены испытания применяемых при монтаже оборудования и трубопроводов теплоизоляционных материалов, которые позволяют экономить тепловую энергию;

• ОАО «Теплосервис» комитета ЖКХ Волгоградской области, где проведены испытания огнеупорных материалов, применяемых при изготовлении и монтаже котельного оборудования, что позволило на экспериментальной установке провести оценку экономической эффективности применяемых материалов и соответствия их рекламным показателям;

• ОАО «Волгоградтрансгаз», где проведены испытания теплоизоляционных, облицовочных и огнеупорных материалов, применяемых при монтаже и капитальном ремонте теплотехнологического оборудования, тепловых сетей и систем утилизации теплоты, что позволило определить теплофизиче-ские характеристики непосредственно на объектах в условиях производства, провести оценку экономической эффективности при проведении энергетических обследований и энергоаудите предприятий;

• НИИЖБ Госстроя, где проведены испытания бетона с коррозионной мастикой, изготовленной по новой технологии, что позволило внедрить экспериментальную установку в производство для определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов;

• ОАО «Эталон», где проведены испытания оргстекла, фторопласта, текстолита, применяемых при монтаже теплотехнических приборов, что позволило использовать методики с целью проведения контроля материалов.

Полученные в работе результаты исследования температуропроводности ионных поликристаллов могут быть использованы в производстве стеклянных ограждений и металлургии (при получении новых сплавов). Справки об использовании разработанных автором методик и результатов испытаний на перечисленных предприятиях приведены в приложении IV диссертации.

Учебные пособия: «Теоретические основы оптимизации теплотехнических характеристик ограждающих конструкций», «Расчет и эксплуатация теплоэнергетического оборудования котельных» использованы в учебном процессе высших учебных заведений РФ с грифом «Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 101600 «Энергообеспечение предприятий» направления «Теплоэнергетика».

Результаты теоретических и экспериментальных работ используются в учебном процессе ВолгГАСУ при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий (справка приведена в приложении IV диссертации); в отчетах по госбюджетным темам Министерства образования РФ программы «Строительство»: Б-П-1993 «Разработка метода теплового прослушивания тел конечных размеров»; 2.5-1993 «Разработка теории эксперимента и конструкции прибора для скоростного определения температуропроводности строительных материалов в промышленных условиях»; Е—1.7—1997 «Разработка методики определения температуропроводности строительных материалов на образцах кубической формы»; 2.3-1997 «Разработка метода и средств контроля потерь теплоты через остекление и наружные ограждения».

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты многолетних исследований, выполненных лично автором: определение концепции и постановка проблемы; разработка математических и физических моделей определения ТФХ строительных материалов; организация, планирование и проведение экспериментальных исследований на лабораторных и промышленных установках; обработка, анализ и обобщение данных экспериментальных исследований; участие в проектировании, изготовлении, монтаже и натурных исследованиях. Основные положения диссертации опубликованы в 9 книгах (поз. 1...9 автореферата), 19 единоличных публикациях, 25 публикациях при ведущем участии автора, в остальных — при равноправном участии авторов, но с реализацией идей автора диссертации. В диссертацию включены только те результаты, которые принадлежат лично автору.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались: на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ, Волгоград, 1979...2004 гг.; конференции «Современные проблемы строительной науки», Нижний Новгород, 1993 г.; конференции «Градостроительство», Волгоград, ВолгГАСА, 1996 г.; IV Российской конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, УГТУ, 2003 г.; международной конференции «Композиционные строительные материалы», Пенза, ПГАСА, 2003 г, международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», Белгород, БГТУ, 2003 г.; международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 2003 г.; международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград, ВолгГАСУ, 2003 г.; Российской конференции «Стратегия развития архитектурно-строительной отрасли и ЖКХ, внедрение в практику наукоемких, инновационных технологий», Волгоград, ВолгГАСУ, 2003 г.; пятой международной теплофизической школе «Теплофизиче-ские измерения при контроле и управлении качеством», Тамбов, ТГТУ, 2004 г.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту;

• закономерности упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения, кубе, шаре, позволяющие определять ТФХ материалов;

• абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения;

• установки для экспериментального определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов;

• динамический температурный критерий, позволяющий установить наступление упорядоченной части теплового периода;

• методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения;

• метод определения коэффициента температуропроводности в телах кубической формы, в том числе с использованием закона теплового прослушивания;

• метод определения коэффициента температуропроводности материалов в шаре, в том числе с использованием шарового температурного поля, расположенного внутри куба;

• методика определения коэффициента температуропроводности строительных материалов и металлов на образцах в виде стержня с толстостенными экранами;

• результаты экспериментального определения коэффициентов температуропроводности ионных поликристаллов;

• математический и графо-аналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов.

Работу можно квалифицировать как комплекс научно обоснованных методологических и технических решений по проблеме экспериментального определения ТФХ строительных материалов на образцах различной формы, без нарушения их целостности. Разработанные методы являются перспективными в информационно-измерительных системах неразрушающего контроля ТФХ материалов, практике теплофизических измерений, строительной теплотехнике и различных отраслях народного хозяйства.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 47 работ, в том числе — монографии, статьи в журналах по списку ВАК, публикации в материалах международных и Российских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 276 наименований, четырех приложений, изложенных на 378 с. машинописного текста, в том числе 57 рисунков и 52 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Условные обозначения

Т; t —текущая температура по шкале Кельвина, К, и Цельсия, °С;

Г(0; т); Гц—темперэтура в центре тела;

Т (Я; т); Гп—температура на поверхности тела;

То— начальная температура тела;

Тс—температура окружающей среды;

9 = (Т- То)—избыточная температура;

0 = Т/То— безразмерная относительная температура;

х, у, г—текущие координаты;

т—время, с;

2Д—полная толщина тела, м;

д—плотность теплового потока, Вт/м2;

(ср)—объемная удельная теплоемкость, Дж/(м3-К);

а—коэффициент температуропроводности, м2/с;

А.—коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

а—коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м2К);

ц„ —характеристические числа;

—число Фурье;

В1 =--число Био;

Я.

£„-сп,Тс -Л

К1 =——-—---радиационное число Кирпичева.

Структура работы

Введение.

Условные обозначения.

1. Состояние вопроса и обзор экспериментальных методов определения теплофизических характеристик материалов. Цель и задачи исследования.

1.1. Характеристика тепловых режимов и методов определения теплофизических свойств материалов.

1.2. Обзор предшествующих исследований методов экспериментального определения температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности материалов.

1.2.1. Метод регулярного теплового режима.

1.2.2. Метод квазистационарного теплового режима.

1.2.3. Метод монотонного теплового режима.

1.2.4. Методы теплового импульса или мгновенного источника.

1.2.5. Комплексныеметоды.

1.2.6. Стационарныеметоды.

1.2.7. Методы теплометрии.

1.2.8. Другие методы экспериментального определения ТФХ материалов.

1.2.9. Анализ исследований экспериментального определения ТФХ материалов.

1.3. Выводы. Цель и задачи исследования.

2. Теоретические основы определения коэффициента температуропроводности материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

2.1. Математическое исследование процесса симметричного нагревания призмы квадратного сечения.

2.2. Критерии подобия, характерные для явления распространения тепла в призме квадратного сечения.

2.3. Вывод закономерности упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения.

2.4. Соответствие закономерностей упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения граничным условиям, выраженным конвективным, лучистым и суммарным тепловыми потоками.

2.5. Оценка наступления упорядоченной части теплового периода.

2.6. Выводы.

3. Методологические основы экспериментального определения коэффициента температуропроводности материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

3.1. Схема экспериментальной установки.

3.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов.

3.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности: оргстекла, фторопласта, бетона, фторопласта и оргстекла при низких температурах и в условиях вакуума.

3.4. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности материалов контактным методом неразрушающего контроля.

3.5. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов.

3.6. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности строительных материалов и металлов на образцах с толстостенными экранами.

3.7. Выводы.

4. Научно-методологические основы комплексного определения теплофизических характеристик строительных материалов. 4.1. Теоретические основы определения объемной теплоемкости

и теплопроводности материалов.

4.2. Математический и графо-аналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов и изделий.

4.3. Методика проведения эксперимента комплексного определения ТФХ материалов.

4.4. Экспериментальное определение объемной теплоемкости, коэффициентов температуропроводности и теплопроводности бетона, фторопласта, красного и силикатного кирпича.

4.5. Функциональная схема тепломеров для измерения плотности тепловых потоков.

4.6. Методика определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и сооружений с использованием тепломера

4.7. Выводы.

5. Метрологические характеристики и погрешности определения теплофизических характеристик материалов по температурным измерениям.

5.1. Классификация погрешностей средств измерений.

5.2. Погрешности измерения температур на поверхности тела

5.3. Погрешности измерения температур контактным методом.

5.4. Погрешность и надежность измерений.

5.5. Метрологические характеристики и погрешности средств измерения теплофизических характеристик материалов.

5.6. Погрешность термопреобразователя тепломера

5.7. Выводы.

6. Научно-методологические основы экспериментального определения коэффициента температуропроводности тел кубической формы.

6.1. Теоретические основы определения коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы.

6.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы.

6.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности в телах кубической формы.

6.4. Определение коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы методом теплового прослушивания.

6.5. Выводы.

7. Научно-методологические основы экспериментального определения коэффициента температуропроводности тел шаровой формы.

7.1. Теоретические основы определения коэффициента температуропроводности материалов в телах шаровой формы.

7.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов в телах шаровой формы.

7.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности оргстекла.

7.4. Шаровое температурное поле в объеме куба

7.5. Анализ шаровой области в кубе.

7.6. Температурное поле шара заключенного внутри куба

7.7. Выводы. Заключение.

Библиографический список (276 наименований).

Приложения: I — значения безразмерных относительных температур 0 в точках I...V1 призмы квадратного сечения, нагреваемой лучистым потоком тепла, рассчитанные на ЭВМ для критериев Ki и Эо; II — таблицы расчета коэффициентов температуропроводности различных строительных материалов; III — расчет коэффициентов теплоотдачи конвекцией, лучеиспусканием и их суммарного значения при различных термических условиях; IV — справки (отзывы) о внедрении на предприятиях и в учебном процессе.

Актуальность разработки теоретических и методологических основ экспериментального определения теплофизических характеристик (ТФХ) строительных материалов по температурным измерениям на образцах выполненных в виде призмы квадратного сечения, куба, шара и повышение точности методов определения ТФХ исследуемых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик кратко изложены выше.

Закономерности распространения тепла в твердых телах всегда привлекали внимание многих исследователей. Большой вклад в разработку методов определения теплофизических свойств материалов внесли ГЛ. Бойков, С. Е. Буравой, Ю. В. Видин, Г. Н. Дульнев, В. В. Иванов, Г. М. Кондратьев, В. В. Курепин, А. В. Лыков, Е. С. Платунов, Н. Ю. Тайц, Л. П. Филиппов, В. Н. Чернышов, П. В. Черпаков, А. Г. Шашков, Н. А. Ярышев и многие другие, в том числе зарубежные ученые Г. Карслоу, Д. Егер, О. Крейт, У. Блек, О. Кришер, Н. Эсдорн, Э. Сперроу.

Анализ основных работ, посвященных теоретическому и экспериментальному аспекту определения ТФХ материалов и проведенных к настоящему времени (глава 1), показал, что имеются различные взгляды на использование методов: регулярного и квазистационарного теплового режима, импульсного, монотонного и периодического нагрева, стационарных, нестационарных и комплексных методов контроля и диагностики. Эти методы обладают определенными преимуществами и недостатками. В частности, требуется создание постоянного теплового потока, проведение эксперимента в обстановке капельной среды при постоянной ее температуре, малые геометрические размеры исследуемых образцов, устройство изоляции, поддержание определенных коэффициентов теплообмена, сложное и дорогостоящее оборудование. В большинстве методов датчики температур устанавливаются внутри объема тела, что связано с рядом трудностей, так как расположение термопар в центральной части нарушает целостность образца. Эти требования существенно ограничивают возможности использования методов и серийных приборов для исследований строительных, теплоизоляционных материалов, минералов, горных пород, так как образцы гетерогенных, композиционных материалов не могут быть сколь угодно малыми. Строительные и теплоизоляционные материалы, кроме того, имеют свои особенности как по структуре, так и по форме, а по государственным стандартам изучение тепловых свойств строительных материалов и бетонов проводят на образцах, выполненных в виде призм квадратного сечения и куба.

Наиболее полную информацию о ТФХ исследуемых материалов содержит температурное поле, определяемое из решения краевых задач теплопроводности для соответствующих тепловых воздействий и условий проведения теплофизического эксперимента. Для создания математических моделей тепловых процессов необходимо знание температурного поля в исследуемом образце при различных видах теплообмена на его поверхности. При этом вид и режим теплового воздействия, форму нагревателя и условия про-

ведения эксперимента выбирают так, чтобы с помощью несложных математических зависимостей адекватно описать физику процесса. Кроме того, преобразования первичных данных должны обеспечивать возможность определения ТФХ материалов в зависимости от одного или двух измеряемых параметров (например, от температуры на поверхности и в центре исследуемого тела, либо от амплитуды и периода температурного колебания) и нечувствительность к измерениям других параметров.

На основе исследований экспериментального определения ТФХ, автором разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении температур на поверхности призмы квадратного сечения и куба. Сущность экспериментального определения ТФХ материалов заключается в следующем. Исследуемый образец в форме призмы квадратного сечения, длина которой во много раз (в 6 и более) превышает ширину грани, помещают в испытательную цилиндрическую камеру установки, схема которой приведена на рис. 1.

Конструкция экспериментальной установки состоит из двух расположенных друг в друге полых цилиндров /, служащих изотермическими поверхностями и выполненных из листового материала (глава 3). В зазоре между экранами установлены коаксиальные нагреватели 2, питающиеся через стабилизатор от сети переменного тока и обеспечивающие практически симметричные условия нагрева исследуемого образца в виде призмы квадратного сечения 3. Нагреватель представляет собой равномерно уложенную ни-хромовую проволоку, помещенную в коаксиально расположенных керамических трубках. Снизу камера закрыта, а сверху имеется отверстие с крышкой, через которое образец помещают в установку. Измерение температур на поверхности (ребре и грани) исследуемой призмы осуществляют термопарами 5, которые подключены к коммутатору 6 и далее, через усилитель 7 и порт ввода-вывода, к ЭВМ 8. Условие бесконечности длины исследуемых призм соблюдалось путем теплоизоляции 4 торцевых поверхностей.

После помещения исследуемого образца в камеру установки и его нагрева контролируют изменение температуры на ребре и грани призмы. Расчетное соотношение для определения искомого коэффициента температуропроводности получено на основании следующих рассуждений (глава 2).

При любых граничных условиях процесс симметричного нагрева призмы прямоугольного сечения бесконечной длины (рис. 2), с начальной температурой Т0, помещенной в цилиндрическую полость установки, может быть описан дифференциальным уравнением

«*[ V "я У

Используя решение (6) — (8), можно показать характер изменения соотношений составляющих градиента теплового потока для различных вариантов (рис. 3). В начальном периоде теплового воздействия отношение составляющих градиента теплового потока является функцией критерия Fo, но с течением времени процесс становится автомодельным относительно аргумента т. Это происходит потому, что в области регулярного режима (т > Т*)

выражение (6) упрощается, а кривые асимптотически стремятся к пределу

■2 »}

Н • (9)

flu

где )Хм И Щв — первые характеристические числа, зависящие от чисел Био:

а-Rt а-RB

Bi„

(10)

ЛС Л.с

Таким образом, в регулярной стадии Р^ не зависит от критерия Фурье, а является функцией В^ и В1в и отношением между измерениями сторон призмы Ял И Ив во второй степени. При Яв, стремящемся к Нд, призма принимает форму квадратного сечения, а значение начинает стремиться к своему предельному значению, равному единице.

Отношение составляющих градиента теплового потока (3у, при лучистом нагреве призмы квадратного сечения также равно единице в области упорядоченного теплового периода. Этот же результат получается при симметричных условиях нагрева призмы квадратного сечения и суммарным потоком теплоты (одновременно конвекцией и радиацией).

В процессах распространения теплоты, описываемых системой уравнений (11) — (14), искомое температурное поле является функцией многих физических параметров. Поскольку любое явление природы не зависит от выбранной системы единиц и величин измерения, то наиболее целесообразно описывать его совокупностью уравнений в безразмерном виде

(15)

(16) (17,18)

где 0п(Ро) уже заданное изменение температуры поверхности тела.

Безразмерная форма имеет ряд преимуществ и замечательна тем, что охватывает множество явлений, подобных друг другу, и, кроме того, позволяет оперировать значительно меньшим числом аргументов. Математические условия (15) — (18) позволяют получить решение в неявной форме с точностью до неизвестной постоянной величины (константы)

Ф = 1п[Щ,>-,г)-Г(0,у,т)]-с1Шу,х)

-1,23 f-" v-=-4,94—г+const-

h{R,y,x)-W,y,x) R

(19)

Полученное выражение (19) является закономерностью упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения при любых симметричных условиях теплообмена на границе и не лимитируется физическими переменными внешней среды. При ее практическом использовании нет необходимости измерять температуру окружающей среды или поддерживать ее постоянной. В структуру закономерности не входят такие физические характеристики, как коэффициент теплообмена, степень черноты и др. Температура окружающей среды может изменяться во времени. Если при нагреве призмы температуру измерять в конкретных парах точек сечения I—II, III—IV, V—VI (рис. 4), то выражение упорядоченного теплового режима (19) для каждой пары точек (когда i = I, III, V) запишется следующим образом:

2 R

У > V VI

III IV

I II

0

4 1R »

Л+1

-Т>

Ä2

(20)

Рис. 4. Расчетные точки призмы

квадратного сечения: I = (jc = 0); П3(* = Л;.у = 0); ID = (i=0j= 0,5R); lVs(x = R-,y = 0,5R); V = (i=0 ;y = R); VI = (x = R,y~R).

По результатам численного интегрирования можно выполнить построения, показывающие наступление упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения бесконечной длины. На рис. 5. показаны графики зависимости безразмерных температур 8 от значений Fo в точках I.. .VI при нагреве призмы квадратного сечения суммарным тепловым потоком, а по правой оси ординат нанесены результаты вычислений Фнр ФУ-¥Г

Рис. 5. Нагрев призмы квадратного сечения суммарным потоком тепла (К.1 = 0,5; В! = 0,5; 0О=0,2): ®ь ви, ву, 6у1—данные ЭВМ,

Ф^^-е.ьцзГ-^-,

О ОЛ ОД оЗ Ой О^Ро

Из графических построений видно, что тангенс угла наклона каждой прямой линии Ф, или ее угловой коэффициент АФ/^, численно равен множителю 4,94. Подобные расчеты были выполнены для большого числа сочетаний критериев теплообмена Ю и Bi и показали высокую степень достоверности закономерности упорядоченного теплового режима (19) и (20) для случаев нагрева призмы конвективным, лучистым и суммарным потоками тепла.Однако наибольший интерес представляют точки V и VI — центра грани и середины ребра призмы квадратного сечения (рис. 4), так как в этом случае отпадает необходимость проникать с термопарой внутрь тела и разрушать образец, что в итоге позволяет определить искомый коэффициент температуропроводности без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов. То есть, если при нагреве призмы квадратного сечения измерять температуру только на ее поверхности в точках V и VI (в центре грани и на середине ребра), то выражение упорядоченного теплового режима для этой пары точек запишется следующим образом:

Для экспериментального определения коэффициента температуропроводности а материалов, возможен один из четырёх любых вариантов.

1. Нагрев образца в предварительно прогретой экспериментальной установке, когда вначале установка без образца предварительно прогревается до определенной температуры (например, до 80... 100 °С), а затем в нее помещается призма квадратного сечения.

2. Нагрев образца одновременно с экспериментальной установкой, когда вначале призма квадратного сечения помещается в установку с начальной (или комнатной) температурой, а затем включается электрический нагреватель, и экспериментальная установка прогревается вместе с образцом.

3. Охлаждение образца на воздухе, при комнатной температуре и естественной конвекции, после его предварительного прогрева до термодинамического температурного равновесия в экспериментальной или иной нагревательной установке, или сушильном шкафу.

4. Нагрев образца на воздухе после его предварительного охлаждения в холодильнике или низкотемпературной кипящей жидкости.

Во всех вариантах подготовленные к опыту образцы-призмы квадратного сечения с установленными на них термопарами симметрично нагревают в экспериментальной установке или охлаждают на воздухе после его предварительного прогрева до термодинамического равновесия. Температурный комплекс Ф при нагреве призмы вычисляется по формуле (22), а при охлаждении — по формуле (23):

С целью большей надежности экспериментального определения ТФХ материалов необходимо иметь уверенность в наступлении упорядоченного теплового режима, не имея в наличии значений критерия Фурье. Поэтому оценкой регулярной части процесса нагрева тел, служит соотношение

^(Тц-ШТп-То), (24)

где — температуры центра и поверхности тела; — начальная темпе-ратуратела.

Закономерность изменения температурного критерия Ч*. в зависимости от критерия теплообмена Bi для тел различной формы показаны на рис. 6.

Для условий конвективного теплообмена любой интенсивности зависимость T.mK> f^jJaigTHpyeT наступление регулярного периода нагрева или охлаждения с погрешностью в 1 %, где £ = 1; 2; 2,2; 3 — соответственно для неограниченной пластины, бесконечного цилиндра, бесконечно длинной призмы квадратного сечения и шара. Динамическим температурным критерием наступления регулярной части упорядоченного теплового режима для сечения V—VI на поверхности призмы квадратного сечения (без установки термопар в центральную часть объема образца) служит соотношение <У«,:

• при нагреве У.. = (7V- ЩГи - Тй) = (Г,- Тй)!{Т^ - Т0), (25)

• при охлаждении = (Тй-ГУУ(70 - Tv¡) = (Т0- Т^У(Т0 - Т&), (26)

где Тгр— Ту температура центра грани; Tq — начальная температура призмы квадратного сечения; Тр^- T\i — температура середины ребра.

Для призмы квадратного сечения наступление упорядоченного теплового режима гарантировано с погрешностью порядка 1 % при соотношении Т. = 0,44, Ч*.. = 0,78 и любой интенсивности теплообмена на границе тела. График функции! Ч'»« =/(BÍ) также показан на рис. 6.

Следовательно, при симметричном нагреве или охлаждении призмы квадратного сечения, наступление упорядоченного теплового режима может быть установлено по температурам центра грани, середины ребра и начальной температуре, и в этом случае нет необходимости знать значение критерия Фурье, а также проникать с термопарой в центральную часть объема образца, что имеет особенное практическое использование.

Для определения коэффициента температуропроводности материала возможно два варианта расчета (глава 3).

1. По измеренным во времени температурам центра грани и середины ребра (рис. 4) призмы квадратного сечения выполняется графическое построение температур, вычисляется и на этом же графике выполняется построение температурного комплекса Ф = f (Т, х). Угловой коэффициент ДФ/Дт, согласно (21), численно равен множителю (4,94-а)//?2, а коэффициент

температуропроводности (а) материала подсчитывается по формуле:

Щ Дф

'4,94' Дт'

где R.— расстояние между термопарами, измеряющими температуры центра грани и середины ребра на поверхности призмы; — изме-

нение температурного комплекса Ф за любой интервал времени после наступления упорядоченного теплового режима.

Коэффициент температуропроводности материала для сечений I—II и III—IV призмы (рис. 4), также подсчитывается по формуле (27).

2. По измеренным во времени температурам Ту, Тщ вычисляется температурный комплекс Ф и динамический температурный критерий Т.», а коэффициент температуропроводности (а) вычисляется по формуле (27).

а=-

(27)

Все эти математические расчеты не представляют сложности и легко выполняются в программе Excel или других аналогичных программах ЭВМ. В таблицу программы Excel вводятся только значения температур Т\ И Туъ полученные на основе эксперимента в определенные промежутки времени

На рис. 7 и 8 приведены результаты экспериментального распределения температур в точках I...VI и расчеты температурных комплексов Фи, Фш-к> Ф™ при симметричном нагреве в установке (рис. 1) и охлаждении на воздухе призм квадратного сечения из блочного оргстекла и бетона.

В результате серии экспериментов при симметричном нагреве и охлаждении призм квадратного сечения из оргстекла (2R = 90 мм), фторопласта (2R = 28 мм), жаростойкого бетона (2R = 50 мм) получены следующие значения коэффициента температуропроводности, м2/с:

• нагрев оргстекла:ai-n= 0,112-Ю"6, Дщ-гу = 0,118-10"6, а v-vi= 0,12-10"6;

• охлаждение оргстекла: а щ = 0,112-1 ОТ6, а ш-iv = 0,108-10^, a v_vi = 0,12-10-6;

• охлаждение фторопласта:aV-vi= 0,119-Ю"6;

• охлаждение бетона: Дщ = 0,48'Ю-6, ay-vi = 0,46-10"6, м2/с.

Результаты всех опытов показывают удовлетворительное согласование значений коэффициента температуропроводности при нагреве и охлаждении призм квадратного сечения, однако наибольший интерес представляют точки V—центра грани призмы квадратного сечения и VI — середины ребра призмы. В этом случае все измерения температур производятся на поверхности призмы квадратного сечения, и отпадает необходимость проникать с термопарой вглубь образца, что имеет особое практическое значение и возможность использования контактных термопар.

Подготовленные к опыту призмы квадратного сечения с контактными термопарами помещали в испытательную цилиндрическую камеру (рис. 1), где обеспечиваются симметричные условия нагрева. Произведены исследования по сравнению вариантов одновременного измерения температур на поверхности призмы квадратного сечения с использованием контактных термопар и расположением термопар в пазу. На рис. 9 приведены результаты экспериментального распределения температур середины ребра Тр и центра грани Тгр, при нагреве призмы квадратного сечения из белого оргстекла плотностью р = 1200 кг/м3, построенных с помощью программы Excel.

90

SO

Р 70 я

о

8-50 с

f> 40 30

20 7

!ф

Wj

®

с с 5 8

>s

1е

CL

С 11 |

-12

200 400 800 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Время, с

Рис. 9. Нагрев призмы квадратного сечения из оргстекла (2R = 0,04 м),

плотностью 1200 кг/м3: Д—контактные термопары; о—термопары в пазу; V—температура центра грани; VI—температура середины ребра; Ф—температурный комплекс, вычисленный по формуле (22)

Из представленных графиков видно, что при симметричном нагреве призмы квадратного сечения из белого оргстекла при установке термопар в пазу (о) и контактных термопар (Д), начиная с Т = 1600...1800 с, начинается упорядоченный тепловой режим, угловой коэффициент ДФ/Дт становится постоянным, а температурный комплекс Ф выходит на прямую линию.

Численное значение коэффициента температуропроводности а белого оргстекла (Я. =0,018 м) составляет:

• при установке термопар в пазу (о), в диапазоне* = 1600...2400 С

Абсолютной оценкой регулярной части упорядоченного теплового режима служит соотношение 4*.«. Для призмы из белого оргстекла при её начальной температуре То — 22 °С И Т = 2000 с динамический температурный критерий Ч*.. становится равным 0,78 и, следовательно, наступил (с погрешностью 1 %) упорядоченный тепловой режим.

На рис. 10 и 11 приведены графики экспериментального распределения температур центра грани ТГР и середины ребра Тр при нагреве призм квадратного сечения из силикатного и красного кирпича (2R = 0,05 м), воздушно-сухой влажности, построенные с помощью программы Excel.

О

о t И о.

я а о с

2

£

50

40

30

20

10 О

VI V

^Ф

чс? # # $ £ £ ^ ^ ^ Вгемя. с

С) 60

га п 50

?

СО 40

о>

с 2 30

Я>

t- 20!

О

1 1 *** г- г-1 р

г- 5 и и

к И Г"' < S Ф

Г N 1

-1

•s

. t 0) -3 &g

g i

-4 2 g £

-5

0 * -0.5

&§

g s

-1.5 i о

-2

Время, с

Рис. 10. Нагрев призмы квадратного сечения из силикатного кирпича воздушно-сухой влажности, р = 2000 кг/м3; 2Я = 0,05 м:

V — температура центра грани; VI — температура середины ребра; Ф —температурный комплекс, вычисленный по формуле (22)

Рис. II. Нагрев призмы квадратного сечения из красного кирпича

р =1700 кг/м3,2Л = 0,05 м:

V — температура центра грани; VI — температура середины ребра; Ф—температурный комплекс, вычисленный по формуле (22)

Из представленных графиков и вычислений видно, что при симметричном нагреве призм из силикатного и красного кирпича, угловой коэффициент АФ/Ат становится постоянным, а температурный комплекс Ф выходит на прямую линию. В результате серии экспериментов для призм квадратного сечения получили следующие значения коэффициента температуропроводности, м2/« оргстекло при нагреве —а - 0,120'Ю"6; фторопласт при нагреве —а = 0,12-Ю"6 и охлаждении —а = 0,119-Ю"6; жаростойкий бетон при на-

греве — а = 0,495-10 и охлаждении — а — 0,465-10 ; силикатный кирпич —-й = 0,576-10"6; красныйкирпич— а = 0,393-Ю-6.

Все эти математические расчеты не представляют сложности и легко выполняются в программе Excel: в таблицу вводятся значения температур Ту и 7уь полученные на основе эксперимента, а коэффициент температуропроводности в процессе математических расчетов повторяет свои истинные значения в определенном промежутке времени т, что и соответствует упорядоченному тепловому режиму. Критерием оценки регулярной части упорядоченного теплового режима для сечения V—VI призмы квадратного сечения служит соотношение (25) при нагревании и (26)—при охлаждении.

Расчетные соотношения для комплексного определения ТФХ материалов получено на основании следующих рассуждений (глава 4). На рис. 12 показано распределение температуры на поверхности призмы квадратного сечения при воздействии теплового потока: температурная полуволна при нагреве и температурная полуволна при охлаждении.

Если коэффициент температуропроводности а материала предварительно рассчитать, используя закономерность упорядоченного теплового режима (19), максимальный тепловой поток на поверхности материала q^"1определить с помощью графиков, формул или тепломера, а амплитуду колебаний избыточной температуры на поверхности 8n(l) в любой момент времени симметричного нагрева или охлаждения измерить термопарой, то объемная теплоемкость материала рассчитывается по соотношению

Далее, используя полученную информацию о температуропроводности и объемной теплоемкости, определяют коэффициент теплопроводности исследуемого материала по известному соотношению

Х = о-(ср). (30)

Для определения коэффициентов температуропроводности а, теплопроводности и объемной теплоемкости (ср) возможен один из вариантов: нагрев призмы квадратного сечения в экспериментальной установке при условии создания максимального теплового потока на поверхности образца; охлаждение на воздухе, при комнатной температуре и естественной конвекции, после предварительного прогрева призмы до термодинамического температурного равновесия. В процессе симметричного нагрева или охлаждения призмы квадратного сечения измеряют изменение во времени температур центра грани и середины ребра определяют наступление упорядоченного теплового режима в призме, когда скорость изменения температурного комплекса Ф во времени достигнет постоянного значения (ДФ/Дт = const), а искомый коэффициент температуропроводности исследуемого материала определяют по формуле (27). Температурный комплекс Ф при нагреве определяют по формуле (22), а при охлаждении призмы—по формуле (23).

Максимальная плотность теплового потока q""" на поверхности призмы квадратного сечения, при ее симметричном нагреве, зависит от температуры среды в экспериментальной установке Т^ (рис. 1) и начальной температуры образца Тю равной в начальный момент времени нагрева температуре образца в центре ее грани то есть Г0— Г^, и определяется по рис. 13.

Рис. 13. Зависимость удельного теплового потока ¿7, Вт/м2, от температурного напора А Г, "С, для экспериментальной установки

Температурный напор, "С

Максимальная плотность теплового потока цЦ"" на поверхности призмы квадратного сечения при ее симметричном охлаждении зависит от температуры наружного воздуха Ткзд, при которой производят охлаждение образца, и

т<шах

начальной максимальной температуры 10 , полученной в процессе прогрева призмы до термодинамического температурного равновесия в установке (рис. 1), равной в начальный момент времени охлаждения температуре образца в центре ее грани Г^ то есть 7^ти= и определяется по рис. 14.

Рис. 14. Зависимость удельного теплового потока 9, Вт/м2, от температурного напора ЛГ, "С, нагретой поверхности образца и воздуха

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 Температурный напор, "С

Максимальную плотность теплового потока д^"1 на поверхности призмы в начальном периоде симметричного нагрева или охлаждения можно определить по графикам (рис. 13,14), а также по формулам:

• при нагреве образца в предварительно прогретой установке

д™ = 4,6 • Д Г+0,03 5 ■ ДГ2 + Д7""3, (3 ц

где ДГ—температурный напор, ДТ— Гвап, - Го = - Гф;

• при охлаждении на воздухе предварительно прогретого образца

$ ¡¡" = 4,6 • Д Т + 0,035 • Д Т2 +1,5 • ДГи", (32)

где ДГ—температурный напор, ДТ= Т^""-ТГ,ои.

В процессе нагрева призмы квадратного сечения амплитуда колебаний температурной полуволны на ее поверхности определяют из соотношения

Эп= 0,5-17^,)-Го], (33)

где Гг^Тзад]) — температура центра грани исследуемой призмы в заданный момент времени — начальная температура призмы,

При охлаждении призмы квадратного сечения амплитуда колебаний температурной полуволны на ее поверхности определяют из соотношения

Зп=0,5-[Готм-Гф(тзал2)], (34)

ттах

где — максимальная температура призмы, полученная при ее нагреве до термодинамического равновесия; Гф(т^) — температура центра грани призмы в заданный момент времени (Тзи2).

Объемную теплоемкость (ср) и коэффициент теплопроводности X исследуемого материала призмы квадратного сечения определяют из соотношений (29) и (30). Результаты расчета объемной теплоемкости и коэффициента теплопроводности по температурному полю на поверхности при нагреве

: 840 Вт/м2, к

жаростойкого бетона (То — 23 °С, Гнщ,- 97 °С, АТ- 74 "С, ^

эффнцнент температуропроводности а = 0,495-Ю"6 М2/с) и при охлаждении жаростойкого бетона (Г0™х= 94 °С, ТК1Л =- 27 °С, АТ = 67 °С, д™ = 870 Вт/м2,

коэффициент температуропроводности а — 0,465-10"6М2/с) сведены в табл. 1.

Таблица 1. Расчет объемной теплоемкости и коэффициента теплопроводности по температурному полю на поверхности жаростойкого бетона

Время Xjjji ИЛИ Тяд2,С Э„=0,5-[7'П)(ТзМ,)-7-о] 9п=о ятг-тф»*)] тех (ч>)--- V зад1(2) кДж/(м -К) Х=а-(ср), Вх/(мК)

нагрев: Т<г 23 <С, Гмгр= 97 °С, ДГ= 74 °С, дп"АХ=840 Вт/м2, а = 0,495-10"4 м2/с

180 34,0 5,5 1630 0,81

270 36,5 6,75 1627 0,81

360 39,0 8,0 1612 0,81

450 41,0 9,0 1581 0,80

540 43,0 10,0 1555 0,78

охлаждение: Т^ = 94 °С, Т^=27 "С, ДГ= 67 "С, 9пМАХ= 870 Вт/м1, а=0,465-10"6 м2/с

150 83,0 5,50 1617 0,75

300 79,5 7,25 1726 0,80

450 76,5 8,75 1752 0,81

600 73,5 10,25 1727 0,80

750 71,0 11,5 1723 0,80

Для повышения точности результатов измерения за счет уменьшения доли случайной составляющей в общей погрешности измерений за окончательные искомые ТФХ следует принимать средние значения, полученные на стадии симметричного нагрева и охлаждения исследуемого образца.

При расположении начала координат в центре куба (х = 0;у= 0;х = 0) условия нагревания в области упорядоченного теплового периода мо-

гут быть описаны зависимостями (глава 6):

dT(x,_y,z,x) = 3ад2Т(х,У1г,х)

(35)

(36)

дт дх2

дТ(О, y,z,х) = 0.8Т(х,0, z,x) = 0- дТ(х,у,0,т) _ Q дх ду ' dz '

T(R,y,z,x) = Tn(y,z,x)-t T(x,y,z,x.) = T,(x,y,z). (37) Математические условия (35) — (36) позволили получить решение в неявной форме с точностью до постоянной величины (const): 0 = b[T(R,y,z,x)-T(P,y,z,x)]-

-1,23 J-

dT(R,y,z,x)

T(R,y,z,x)-T(0,y,z,x)

= -7,41—x+const. (38) R

Полученное выражение является закономерностью упорядоченного теплового режима, которая соблюдается при любых симметричных условиях теплообмена на границах куба. Достоверность закономерности (38) подтверждается при любых значениях критерия Bi, а также в случае симметричного нагрева куба лучистым и суммарным потоками теплоты.

При измерении температуры в центре куба Гц, а также на поверхности куба—в центре грани Гп> или на середине ребра ГР, температурный комплекс Ф для соответствующего сечения определится по формулам (39) и (40):

(39)

(40)

Экспериментальное подтверждение проводилось на кубах из оргстекла, фторопласта и бетона, а коэффициент температуропроводности а под-считывается по формуле:

где — расстояние между термопарами, установленными в центре куба, а также на поверхности куба: в центре грани или середине ребра; Ф — температурный комплекс, определяемый на основе (39) или (40); — угловой коэффициент прямой линии в области упорядоченного теплового режима.

На рис. 15 и 16 приведены графики экспериментального распределения температур при нагреве куба из оргстекла и фторопласта.

(41)

100 о 90

в" 80

70

•Ы-pÁJ L

Тр

Á^ft Ц1 1 rsJ,

ГТ Tjwifip ----h—+--1-

3

2,5 >s

2 2 X ©

1,5 a. f? У

1 0,5 a. p с с 7

0 2 O и

-0,5 1-

-1

20 40 60 ВО 100120140160180200 Время мин

100

O o au 80 -

Л

a. £ 70-

<0 a 60 ■

a) с 50-

? 40 -

a>

1-

30

20 5

4>ц ^isj fГ2

P

*T 1>T~P

'Ф KP

т T T- J1 'r

3,5

3,25

3

2,75 2,5 2,25 2

1,75 1.5

s 9

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Время, мин

Рис. 15. Нагрев куба из оргстекла (2Я = 90 мм): Гц — температура центра куба (х = = 0; г = 0); Ггр — температура центра грани (х = Л;_у = 0;г = 0); ГР— температура середины ребра (х = Я;у = Я;2 = 0)

Рис. 16. Нагрев куба из фторопласта (2Л = 63 мм) Фц-р и Фщт> — температурные комплексы вычисленные по формулам (39) и (40)

Из математических вычислений программы Excel видно, что при симметричном нагреве куба из оргстекла и фторопласта, с определенного времени наступает упорядоченный тепловой режим. Для оргстекла критерий наступления упорядоченного теплового режима при Т = 100 мин составляет 4'. = 0,51 > 0,5. В результате серии экспериментов получены следующие значения коэффициента температуропроводности а, м2/с, вычисленные по формуле (41): нагрев куба из оргстекла ац_гт = 0,108'Ю^, ац-т = 0,119-10 ; нагрев куба из фторопласта = 0,12-КГ*, м2 /с.

Температурное поле, возникающее в процессе симметричного нагрева или охлаждения куба, может быть скоординировано распределением температуры по его поверхности. Закон теплового прослушивания позволяет установить связь между избыточными температурами в теле конечных размеров при охлаждении (или нагреве): избыточная температура центра куба может координироваться избыточными температурами его ребра и центра граней:

(7цпр - Гв) = [(Зап- 7в)2/(7Ь>- 71)], или 7цлр = Гв + [(Гц*- Th)4(Tu-Гв)], (42)

где Гц.п>, Тег — опытные значения температур центра грани и середины ребра; Гв —температура охлаждаемой (нагреваемой) среды.

Это означает, что избыточную температуру центра куба можно определить по поверхностным измерениям температур Тцхт И Тег, не проникая с термопарой внутрь его объема и не нарушая его целостность. На рис. 17 приведены результаты экспериментального распределения температур при охлаждении куба из оргстекла на воздухе при Тв= 31 °С. Используя значения экспериментальной температуры поверхности центра грани Гц.п> и расчетной температуры центра куба полученной тепловым прослушиванием, вычисляем температурный комплекс

Ф = 1п(7Ц.ПР - 7цгт) -1.23 J;

dT,

игр

Т -Т 1 Ц.пр 1 ц.гр

(43)

Метод исключает влияние внешних условий, не нарушает целостность образца, а коэффициент температуропроводности при охлаждении на воздухе куба из оргстекла, вычисленный по формуле (41), равен

Для тел шаровой формы и измерении температур в центре 2ц и поверхности шара 7п, получена закономерность упорядоченного теплового режима

Ф = 1п(7ц -Гп)-1,73- 9,86 (ах/й2) + согеЛ,

'Гц-Гд

(44)

которая соблюдается при симметричных условиях теплообмена на границе шара и подтверждается при любых значениях критерия конвективного теплообмена Bi, а также при лучистом и суммарном теплообмене (глава 7). На рис. 18 приведены результаты экспериментального распределения температур в центре и на поверхности шара из оргстекла при его охлаждении.

Математический и физический эксперимент, численные расчеты подтвердили возможность определения коэффициента температуропроводности при использовании температурного шарового поля, расположенного внутри куба. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что для определения коэффициента температуропроводности материалов возможно использование формулы (45) для условной шаровой поверхности, расположенной в точке 0,51И от центра куба. На рис. 19 приведены результаты экспериментального распределения температур в центре шара (куба) и на его условной поверхности (расстоянии от центра Ид = 0,51ИК) расположенной в кубе.

"С ф -ч -2 0

[х

Рис. 19. Охлаждение куба из оргстекла (2Л =160 мм) на воздухе: 1 — температура в центре куба; 2—температура шаровой поверхности в точке 0,51/? от центра куба; Ф — температурный комплекс, вычисленный по формуле (44)

2» 300 (мин)

Используя графические построения Ф, усредняя значение углового коэффициента ДФ/Ат, по формуле (45) определяется коэффициент температуропроводности оргстекла для шаровой поверхности, расположенной в точке 0,517? от центра куба (/?.= 0,51-0,08 = 0,0408 м) вдиапазоне Т = 150...250 мин:

Достоверность полученных в работе ТФХ материалов подтверждается сопоставлением с результатами исследований других авторов, опубликованных в научной, справочной и технической литературе. В частности, по результатам аттестации НИИ метрологии им. Менделеева (г. Санкт-Петербург), коэффициент температуропроводности для блочного оргстекла а = 0,115'Ю-6 М2/С, для фторопласта По данным НИИ Строительной фи-

зики (г. Москва), коэффициент температуропроводности, м2/с, соответственно составляет: красного кирпича плотностью р = 1700 кг/м3, влажностью 2 % — а = 0,39'10*6; силикатного кирпича плотностью р = 2000 кг/м3 и влажностью 5 %—а = 0,576 10^; белого оргстекла (р = 1220 кг/м3)—а - 0,13 -Ю""6. Табличные значения из справочной литературы для жаростойкого бетона:

X = 0,8...0,84 Вт/(мК), (ср) = 1500...1850 кДж/(м3-К).

В работе обобщены экспериментальные результаты коэффициентов температуропроводности ионных кристаллов и выявлены основные физические закономерности, которые проверены на системах более сложного состава (глава 3). На рис. 20 приведены результаты экспериментального определения коэффициентов температуропроводности некоторых щелочно-галоидных поликристаллов: NaCl, NaBr, NaJ, KC1, KBr, KJ. При систематизации свойств ионных поликристаллов в качестве основного параметра выбрана энергия кристаллической решетки, от которой зависит молярная концентрация, твердость, коэффициенты сжимаемости и расширения, теплота плавления.

\г

§ и На

S ш «

зо г so... ■е-с • 1

о о

Q.

г?.

о л

и Ф ^ О. Ф С

з

е

0.9

0.8

№ВГд / Д NaCl

КС!. Д / КВг/

Д/Д 7 NaJ

/дм

Ряс. 20. Зависимость коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов от энергии кристаллической решетки

600 650 700 750 800

Энергия кристаллической решётки, кДж/моль

Расположив в порядке убывания значения энергии кристаллической решетки, отметим, что коэффициент температуропроводности при одной и той же температуре больше в щелочно-галоидных поликристаллах с большей энергией кристаллической решетки, и кроме того, в случае катиона Ыа+ температуропроводность выше, чем К+. Чем выше энергия кристаллической решетки, тем больше коэффициент температуропроводности щелочно-галоидного поликристалла. Полученные экспериментальные значения коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов согласуются с фононной теорией теплопроводности и подтверждают их достоверность.

Метрологические характеристики и погрешности определения ТФХ материалов (глава 5) складываются из погрешностей измерения параметров, входящих в расчетные формулы, погрешности, связанной с неточностью реализации теоретических предпосылок и случайных погрешностей. Суммарная поправка, отражающая влияние каждого фактора, связанного с неточностью реализации теоретических предпосылок, составляет 0,0453. Относительная погрешность измерения коэффициента температуропроводности методом упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения составляет ± 4,4 %. Вероятность, с которой коэффициент температуропроводности находится в заданном интервале погрешностей, или надежность результата (по таблицам Стьюдента), равна 0,95. Оценка погрешности, надежности, степени точности комплексного определения ТФХ материалов проводилась для полученных теоретических закономерностей и формул, а также результатов экспериментального определения ТФХ материалов. При использовании контактных термопар суммарная погрешность измерения коэффициента температуропроводности в призме квадратного сечения не превышает 6,5 %. Надежность метода неразрушающего контроля составляет 0,92...0,95.

Для определения и исследования ТФХ веществ, материалов и изделий использован современный измерительный комплекс, обобщенная или функциональная схема которого приведена на рис. 21.

Рис. 21. Схема средств измерения ТФХ материалов

Датчики ТХК

Измеритель ТРМ138

Адаптер АС 3

СОМ порт ЭВМ

На рис. 22 (обложка автореферата) показаны образцы материалов, выполненные в виде призм квадратного сечения, куба, шара, стержня, а также просмотр файла на ЭВМ при определении ТФХ красного кирпича в графическом виде. Программа позволяет просматривать файлы архива в табличном или графическом виде, а пользователь может определять, какие из происшедших событий, зафиксированных в архивном файле, следует включать в отображаемые таблицы и графики или более подробно рассматривать отдельные эпизоды технологического процесса. В табл. 2 приведены расчеты коэффициента температуропроводности а и динамического температурного критерия Ч'.. для оргстекла с контактными термопарами в программе Excel.

Заключение.

Основными результатами диссертационной работы являются теоретическая и экспериментальная разработка научно-методологических основ определения ТФХ строительных материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик; использование разработанных методов в информационно-измерительных системах неразрушающего контроля материалов, в практике теплофизических измерений, в строительной и технической теплотехнике.

Получены следующие результаты, определяющие научную новизну работы и ее практическую значимость.

1. На основании выполненного обзора и анализа экспериментальных методов определения теплофизических свойств веществ определены приоритетные направления и разработаны научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям. Изложены рекомендации, порядок проведения экспериментов и методики обработки опытных данных.

2. На основе разработанных математических и физических моделей впервые теоретически получены закономерности упорядоченного теплового режима в телах различной формы (призме квадратного сечения, кубе, шаре) при симметричных условиях нагрева или охлаждения. Постановка опытов не требует измерений таких параметров, как температура окружающей среды, коэффициент теплообмена, степень черноты, тепловой поток. Нет необходимости в создании чисто конвективной или чисто лучистой окружающей среды, что значительно упрощает экспериментальные установки для исследования и определения ТФХ материалов. Не нужен учет потерь теплоты за счет теплообмена с окружающей средой, а также контактным сопротивлением между образцом и нагревателем. Эти преимущества значительно упрощают условия проведения эксперимента (экспериментальные установки) и повышают метрологический уровень результатов измерения.

3. Получены закономерности упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения и впервые разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения (в центре грани и на середине ребра). Для измерения температур ребра и грани на призме квадратного сечения возможно использование контактных термопар. При экспериментальном определении коэффициента температуропроводности материалов возможен один из любых вариантов: нагрев образца в прогретой экспериментальной установке или одновременно вместе с печью, охлаждение образца на воздухе и нагрев охлажденного образца на воздухе. Для определения коэффициента температуропроводности материала возможно применение графо-аналитического построения температур ребра и грани либо путем использования программы Excel и абсолютной оценки наступления регулярной части упорядоченного теплового режима.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА 33 СПекрвург

< 01 W ш

4. Разработана новая методика определения наступления упорядоченного теплового режима в телах различной формы. Впервые предложен динамический температурный критерий, позволяющий установить и дать абсолютную оценку наступления упорядоченной части теплового периода по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

5. Получена закономерность упорядоченного теплового режима в кубе и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов. Впервые для определения коэффициента температуропроводности в кубе применен закон теплового прослушивания.

6. Получена закономерность упорядоченного теплового режима для шара и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов, в том числе с использованием шарового температурного поля, расположенного внутри куба.

7. Разработана новая методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости строительных материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

8. Разработан новый математический и графоаналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов и предложен метод определения ТФХ ограждающих конструкций зданий методом неразрушающего контроля с использованием тепломера.

9. Проведены исследования коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов и получена корреляция зависимости от энергии кристаллической решетки.

10. Представлены метрологические характеристики и погрешности при экспериментальном определении ТФХ строительных материалов. Суммарная погрешность определения коэффициента температуропроводности, определяемого абсолютным методом, основанным на измерении температур на поверхности призм квадратного сечения, не превышает 4,4 %, а при использовании контактных термопар—6,5 %; надежность метода—0,92...0,95.

11. Экспериментальное и производственное подтверждение полученных на опытных установках, стендах в лабораторных и промышленных условиях ТФХ оргстекла, фторопласта, бетона, красного, силикатного кирпича, ионных кристаллов согласуются с результатами исследований других авторов, опубликованных в справочной и технической литературе.

12. Разработанные методы отличаются от известных быстродействием, небольшой погрешностью, обладают новизной и оригинальностью, позволяют координировать влияние технологических факторов на свойства готовых изделий и экономичность их производства. Кроме того, методики позволяют легко автоматизировать теплофизический эксперимент, упрощается реализация на базе микропроцессорной техники, и поэтому являются перспективными для использования в информационно-измерительных системах неразру-шающего контроля, в практике теплофизических измерений и теплотехнике, а также в различных отраслях аграрно-промышленного комплекса и ЖКХ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Отдельные издания

1. Фокин В. М. Научно-методологические основы определения теплофизиче-ских свойств материалов методом неразрушающего контроля: Монография. М: Машиностроение-1,2003.140 с.

2. Фокин В. М., Бойков Г. П., Видин Ю. В. Основы технической теплофизики: Монография. М.: Машиностроение-1,2004.172 с.

3. Бойков Г. П., Видин Ю. В., Фокин В. М„ Шаронова О. В. Определение те-плофизических свойств строительных материалов: Монография. Красноярск, изд. Красноярского университета (физико-математические науки). 1992.172 с.

4. Фокин В. М. Определение температуропроводности строительных материалов: Монография. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2002.127 с.

5. Фокин В. М., Чернышев В. Н. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов: Монография. М.: Машиностроение-1, 2004.212 с.

6. Фокин В. М. Энергосбережение в производственных и отопительных котельных: Монография. М.: Машиностроение-1,2004.180 с.

7. Фокин В. М. Теоретические основы оптимизации теплотехнических характеристик ограждающих конструкций: Учебное пособие с грифом УМО по «Теплоэнергетике и электротехнике». Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2003.140 с.

8. Фокин В. М. Расчет и эксплуатация теплоэнергетического оборудования котельных: Учебное пособие с грифом УМО по «Теплоэнергетике и электротехнике». Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004.228 с.

9. Фокин В. М., Семенова Т. А., Бойков Г. П. Определение температуропроводности строительных материалов в телах кубической формы: Moнография. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2001. 36 с.

Публикации в ведущих научных изданиях

10. Фокин В. М., Шаронова О. В., Бойков Г. П. Оценка наступления упорядоченной части теплового периода при нагревании бруса квадратного сечения: Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки. 1988. № 2. С. 62 — 65. (По списку ВАК).

11. Фокин В. М. Температуропроводность ионных кристаллов: Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 1994. № 3—4. С. 41 —46. (По списку ВАК).

12. Шадрин А. А., Фокин В. М., Бойков Г. П. Определение температуропроводности на образцах из древесины и других материалов с толстостенными экра-нами//Лесной вестник. Изд. Московского госуниверситета леса, 2001. № 2 (16). С. 146 — 148. (По списку ВАК).

13. Фокин В. М., Озеров М. А., Бойков Г. П. Измеритель тепловых потоков через остекление и наружные ограждениаТВестник КГТУ «Проблемы развития теплоэнергетики и пути их решения». Красноярск, Красноярский государственный технический университет. 1997. Вып. 8. С. 207—209. (По списку ВАК).

14. Фокин В. М., Перфилов В. А. Определение теплофизических и механических свойств строительных материалов неразрушающими методами//Вестник БГТУ. Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова. 2003. № 5. С. 399—400.

15. Фокин В. М, Воронков Г. В., Бойков Г. П. О тепловом прослушивании тел конечных размеров, нагреваемых вместе с печью//Межвузовский сборник ИЭИ «Моделирование процессов в технологических установках». Иваново, Ивановский энергетический институт. 1990. С. 103 — 109.

Публикации в научных изданиях

16. Фокин В. М. Комплексное определение теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям//Вестник ВолгГАСУ. Технические науки. Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004. Вып. 4 (12). С. 107 — 112.

17. Фокин В. М., Бацура А. В. Погрешности измерения температур при определении теплофизических свойств материалов//Вестник ВолгГАСУ. Естественные науки. Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004. Вып. 3 (10). С. 74 — 78.

18. Фокин В. М. Определение теплопроводности, объемной теплоемкости и температуропроводности ограждающих конструкций зданий и сооружений с использованием тепломера//Вестник ВолгГАСА. Технические науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2003. Вып. 2—3 (8). С. 76—78.

19. Фокин В. М., Бойков Г. П. Определение температуропроводности металлов на образцах с толстостенными экранами//Вестник ВолгГАСА. Технические науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2003. Вып. 2 — 3 (8). С. 74—76.

20. Фокин В. М. Теоретические основы определения объемной теплоемкости ограждающих конструкций//Вестник ВолгГАСА. Естественные науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2002. Вып. 2 (6). С. 65 — 67.

21. Фокин В. М., Семенова Т. А., Бойков Г. П. Определение температуропроводности строительных материалов методом теплового прослушивания//Вестник ВолгГАСА. Технические науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2001. Вып. 1 (4). С. 123 — 126.

22. Фокин В. М, Семенова Т. А., Бойков Г. П. О шаровом температурном поле внутри тел кубической формы//Вестник ВолгГАСА. Технические науки. Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2001. Вып. 1 (4). С. 126—128.

23. Фокин В. М. Определение погрешности термопреобразователя тепломе-ра//Вестник ВолгГАСА. Естественные науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2002. Вып. 2 (6). С. 63.

24. Фокин В. М., Бойков Г. П. Закономерность упорядоченного теплового режима в стержне конечной длины//Сб. «Вопросы теплообмена». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1981. С. 16 — 19.

25. Фокин В. М., Бойков Г. П. Установка для экспериментального определения тепловой активности материалов//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1981. С. 64.

26. Фокин В. М. К расчету упорядоченного теплового режима в стержне конечной длины//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1983. С. 44 — 46.

27. Бойков А. Г., Фокин В. М. Об экспериментальном определении теплопроводности в цилиндрическом слое при упорядоченном нестационарном режиме нагрева//Вестник ВолгГАСУ. Естественные науки. Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004. Вып. 3 (10). С. 78 — 80.

28. Фокин В. М., Бойков Г. П. Апробирование закономерности упорядоченного теплового режима в стержне конечной длины численным способом//Сб. «Вопросы теплообмена». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1984. С. 49—59.

29. Фокин В. М„ Бойков Г. П. Эффективность шахматного экранирования стержня конечной длины при определении температуропроводности строительных материалов//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1984. С. 29—39.

30. Бойков Г. П., Фокин В. М., Драчева Ж. В. Условия симметричного охлаждения образцов кубической формы//Вестник ВолгГАСА. Естественные науки. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 1999. Вып. 1(2). С. 62 — 65.

31. Фокин В. М, Шаронова О. В. О симметричном нагревании куба при экспериментальном определении температуропроводности//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1986. С. 45—53.

32. Фокин В. М, Озеров М. А. Принципиальная схема высокочастотного помехозащшценного АЦП//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1992. С. 91 —93.

33. Фокин В. М., Шаронова О. В. Упорядоченный тепловой режим в брусе квадратного сечения//Сб. «Вопросы теплообмена в строительстве». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1986. С. 79 — 84.

34. Фокин В. М, Шаронова О. В., Бойков Г. П. Исследование температуропроводности оргстекла//Сб. «Комплексное использование тепла при проектировании в строительстве промышленных предприятий». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1987. С. 72—76.

35. Фокин В. М. Определение коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости строительных и теплоизоляционных материалов методом упорядоченного теплового режима//Сб. «Вопросы теплообмена в строительстве». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1989. С. 15 —19.

36. Фокин В. М., Чурбанов К. А. Определение теплофизических свойств металлов в виде стержня конечной длины//Сб. «Вопросы теплообмена в строительстве». Ростов-на-Дону, Ростовский инженерно-строительный институт. 1990. С. 69—78.

37. Фокин В. М. О тепловом проникновении короткого стержня//Сб. «Теплообмен и гидродинамика». Красноярск, Красноярский политехнический институт. 1981. С. 50 — 52.

38. Фокин В. М., Бойков Г. П. О законе теплового прослушивания тел конечных размеров//Сб. «Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и охрана воздушного бассейна». Ростов-на-Дону, Ростовская государственная академия строительства 1995. с. 42—46.

39. Пустовалов В. П., Фокин В. М., Бабиков Г. П. Использование новых теплоизоляционных вкладышей при разливке стали//Сб. «Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и охрана воздушного бассейна». Ростов-на-Дону, Ростовская государственная академия строительства 1995. С. 59—60.

40. Фокин В. М. Расчет потерь тепла теплогенерирующими и тепловыми установками. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. Волгоград, Волгоградский инженерно-строительный институт. 1991.44 с.

41. Бойков А. Г., Фокин В. М. Экспериментальное определение теплопроводности бетона//Вестник ВолгГАСУ. Технические науки. Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004. Вып. 4 (12). С. ИЗ —114.

Материалы Российских и международных конференций

42. Фокин В. М. Актуальность разработки методов и приборов контроля теплотехнических характеристик строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и ограждающих конструкции//Сборник материалов международной конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». Пенза, Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. 2003. С. 330 — 333.

43. Фокин В. М. Связь температуропроводности с тепловыми и механическими константами ионных кристаллов используемых для стеклянных огражде-ний//Материалы IV Российской конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности». Т. 1. Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет. 2003. С. 346 — 348.

44. Фокин В. М, Бойков Г. П. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности фторопласта при низких отрицательных температу-рах//Материалы III международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций». Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2003. С. 91 —93.

45. Фокин В. М. Современные методы приборного контроля теплотехнических характеристик строительных материалов, ограждающих конструкций зданий и сооружений/УМатериалы II Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2003. С. 162 — 165.

46. Фокин В. М. Оптимизация теплотехнических характеристик стеклянных ограждающих конструкций с использованием ионных кристаллов//Материалы Российской конференции «Стратегия развития архитектурно-строительной отрасли и ЖКХ, внедрение в практику наукоёмких и инновационных технологий». Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет.

2003. С. 387 — 389.

47. Чернышов В. Н., Фокин В. М. Научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям//Материалы пятой международной тепло-физической школы «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством». Ч. 1. Тамбов, Тамбовский государственный технический университет.

2004. С. 229 — 233.

Фокин Владимир Михайлович

Научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям

Подписано к печати 7.10.2004. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. г. Волгоград. Типография ВолгГАСУ. Заказ

Рис. 22. Просмотр файла на ЭВМ при определении ТФХ красного кирпича в графическом виде программы Excel

Таблица 2 (к с. 32). Расчёт коэффициента температуропроводности оргстекла контактными термопарами в программе Excel: Го=22 °С; Л.=0,019 м; Дт = 200

7р,'С 7гр,°С Ч** ДТр-гр 1пДГ Нср Д7р f F Ф а, Мг/С

200 24 23 0,5 1 0 0,666 5 3,333

400 29 26 0,571 3 1,098 0,243 7 1,705 3,3333 -3,001 4.831Е-07

600 36 29,5 0,535 6,5 1,871 0,134 7 0,940 5,038 -4,325 3,162Е-07

800 43 34,3 0,585 8,7 2,163 0,107 6 0,644 5,979 -5,191 2.389Е-07

1000 49 39 0,629 10 2,302 0,097 6 0,585 6,624 -5,845 2,454Е-07

1200 55 44,5 0,681 10,5 2,351 0,093 5 0,465 7,209 -6,516 1,921Е-07

1400 60 49 0,710 11 2,397 0,089 4,3 3,385 7,675 -7,042 1.635Е-07

1600 64,3 53 0,732 11,3 2,424 0,089 3,7 0,331 8,060 -7,490 1,589Е-07

1800 68 57 0,760 И 2,397 0,091 3 0,275 8,392 -7,925 1.304Е-07

2000 71 60,2 0,779 10,8 2,379 0,093 2,5 0,234 8,668 -8,282 U58E-07

2200 73,5 63 0,796 10,5 2,351 0,097 2,5 0,244 8,902 -8,599 1,275Е-07

2400 76 66 0,814 10 2,302 0,102 2 0,205 9,146 -8,948 1Д09Е-07

2600 78 68,5 0,830 9,5 2,251 0,108 2 0,216 9,352 -9,251 1,169Е-07

2800 80 71 0,844 9 2,197 0,111 2 0,222 9,5684 -9,572 9,987Е-08

3000 82 73 0,85 9 2,197 0,111 9,790 -9,845

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора технических наук, Фокин, Владимир Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Характеристика тепловых режимов и методов определения теплофизических свойств материалов.

1.2. Обзор предшествующих исследований и методов экспериментального определения температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности материалов.

1.2.1. Метод регулярного теплового режима.

1.2.2. Метод квазистационарного теплового режима.

1.2.3. Метод монотонного теплового режима.

1.2.4. Методы теплового импульса или мгновенного источника.

1.2.5. Комплексные методы. ф 1.2.6. Стационарные методы.

1.2.7. Методы теплометрии.

1.2.8. Другие методы экспериментального определения

ТФХ материалов.

1.2.9. Анализ исследований экспериментального определения ТФХ материалов.

1.3. Выводы. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ф МАТЕРИАЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

НА ПОВЕРХНОСТИ ПРИЗМЫ КВАДРАТНОГО СЕЧЕНИЯ.

2.1. Математическое исследование процесса симметричного нагревания призмы квадратного сечения.

2.2. Критерии подобия, характерные для явления распространения тепла в призме квадратного сечения.

2.3. Вывод закономерностей упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения.

2.4. Соответствие закономерностей упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения граничным условиям, выраженным конвективным, лучистым и суммарным тепловыми потоками.

2.5. Оценка наступления упорядоченной части теплового периода.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ НА ПОВЕРХНОСТИ

ПРИЗМЫ КВАДРАТНОГО СЕЧЕНИЯ.

3.1. Схема экспериментальной установки.

3.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов.

3.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности оргстекла, фторопласта, бетона, фторопласта и оргстекла при низких температурах и в условиях вакуума.

3.4. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности материалов контактным методом неразрутающего контроля.

3.5. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов.

3.6. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности строительных материалов и металлов на образцах с толстостенными экранами.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛО ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Теоретические основы определения объемной теплоемкости и теплопроводности материалов.

4.2. Математический и графо-аналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов и изделий.

4.3. Методика проведения эксперимента комплексного определения теплофизических характеристик материалов. 4.4. Экспериментальное определение объемной теплоемкости, коэффициентов температуропроводности и теплопроводности бетона, фторопласта, красного и силикатного кирпича.

4.5. Функциональная схема тепломеров для измерения плотности тепловых потоков.

4.6. Методика определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и сооружений с использованием тепломера.

4.7. Выводы.

ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ.

5.1. Классификация погрешностей средств измерений.

5.2. Погрешности измерения температур на поверхности тела.

5.3. Погрешности измерения температур контактным методом.

5.4. Погрешность и надежность измерений.

5.5. Метрологические характеристики и погрешности средств измерения теплофизических характеристик материалов.

5.6. Погрешность термопреобразователя тепломера.

5.7. Выводы.

ГЛАВА 6. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ

ТЕЛ КУБИЧЕСКОЙ ФОРМЫ.

6.1. Теоретические основы определения коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы.

6.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы.

6.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности в телах кубической формы.

6.4. Определение коэффициента температуропроводности материалов в телах кубической формы методом теплового прослушивания.

6.5. Выводы.

ГЛАВА 7. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТЕЛ

ШАРОВОЙ ФОРМЫ.

7.1. Теоретические основы определения коэффициента температуропроводности материалов ^ в телах шаровой формы.

7.2. Методика проведения эксперимента и определения коэффициента температуропроводности материалов в телах шаровой формы.

7.3. Экспериментальное определение коэффициента температуропроводности оргстекла.

7.4. Шаровое температурное поле в объеме куба.

7.5. Анализ шаровой области в кубе.

7.6. Температурное поле шара, заключенного внутри куба.

7.7. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Научно-методологические основы экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов по температурным измерениям"

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является поиск и создание энергосберегающих мероприятий и инженерных решений по созданию тепло- и технологических процессов с минимальными тепловыми потерями. Большую роль в этом играет знание теплофизических характеристик (ТФХ) используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Теплофизические ха-щ рактеристики ограждающих конструкций существенно влияют на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения, а также на работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой энергии.

Проблемы энергосбережения и снижения потерь теплоты в окружающую . среду, существенно влияют на экологическую ситуацию, технико-экономические показатели и капитальные затраты строительных объектов. Для решения этих задач нужно знать теплопроводность, температуропроводность, объемную теплоемкость строительных и теплоизоляционных материалов. На некоторые изделия и материалы, паспортные данные есть, на другие — нет. Кроме того, фактические характеристики строительных материалов и изделий могут изменяться в процессе эксплуатации и не соответствовать их сертификату или паспорту.

В промышленности и строительстве все больший удельный вес приобретают и синтезированные материалы, которые по своим технологическим и эксплутационным параметрам имеют преимущества перед естественными материалами. Среди широкого аспекта строительных материалов немаловажное значение имеет изучение свойств ионных кристаллов, которые находят все более широкое применение в производстве стеклянных ограждающих конструкций, металлургии, получении новых сплавов, химических соединений, а также в процессах получения неразъемных соединений методом контактного плавления. Диэлектрические ионные кристаллы используются при производстве оптических материалов, стекол различного назначения (термических, кварцевых, молибденовых и других), многие из которых применяются для наружных ограждений современных зданий и сооружений.

Поэтому, при возведении объектов различного назначения, в ходе строительства, при их производстве и эксплуатации необходимо знание ТФХ строительных, теплоизоляционных материалов и изделий. Информация о свойствах новых, разрабатываемых и используемых материалах позволяет вскрыть природу веществ, корректно проводить тепловые расчеты технологических процессов и выбирать оптимальные варианты расчета и эксплуатации. Качество, надежность и долговечность традиционных и вновь создаваемых конструкционных, строительных, тепло- и электроизоляционных материалов требуют совершенствования известных и разработки новых методов определения ТФХ, приборов и средств контроля, которые позволят провести оценку экономической эффективности как на стадии технологического контроля в процессе производства материалов, так и на стадии контроля качества готовых изделий.

Кардинальный ответ на запросы техники - развитие методов расчета и прогнозирования теплофизических характеристик на основе фундаментальных научных обобщений. Несмотря на определенные успехи в этом направлении, методы предсказания свойств пока еще должного развития не получили, и главным источником информации остается эксперимент. Важнейшим условием повышения эффективности эксперимента является высокая производительность всего цикла измерений, включая монтаж и демонтаж образцов. Это требует разработки и внедрения неразрушающих методов испытания материалов и изделий по температурным измерениям на поверхности, которые практически позволяют по теплофизическим характеристикам материалов оценить качество продукции, и ее влияние на энергосбережение.

Для определения теплофизических характеристик материалов применяют стационарные, нестационарные и комплексные методы, основанные на теории теплопроводности при стационарном или нестационарном тепловом режиме. Кроме того, эти методы могут быть абсолютными и относительными. Экспериментальное определение ТФХ материалов стационарными методами, сопровождается рядом побочных явлений: утечки теплоты через торцы, конвекция, излучение, скачек температуры на границе твердого тела и газа (жидкости). В процессе нагрева исследуемых влажных материалов происходит перераспределение влаги, что также искажает опытные данные.

В нестационарных методах исследования теплофизических свойств веществ, по сравнению с стационарными, снижены требования к тепловой защите, затрачивается меньше времени и тепловой энергии для проведения эксперимента. Комплексные методы позволяют определять одновременно из одного эксперимента, на одной установке и на одном образце несколько теплофизических характеристик. В абсолютных методах определение параметров осуществляется непосредственным измерением. В относительных методах определяемые параметры зависят от постоянной прибора и определяются путем тарировки по эталонному веществу, материалу или образцу.

В большинстве методов определения ТФХ материалов установка датчиков температур проводится внутри тела, что связано с рядом трудностей, так как расположение термопар в центральной части нарушает целостность образца. Если на границе тела действует сложный (лучистый или суммарный) теплообмен, то задачи такого рода значительно усложняются как теоретически, так и экспериментально. Для многих методов определения ТФХ материалов требуется создание постоянного теплового потока, либо проведения эксперимента в обстановке жидкости (воды) при постоянной ее температуре или требование выдерживать малые геометрические размеры исследуемых образцов. Однако образцы гетерогенных, композиционных материалов, минералов, горных пород не могут быть сколь угодно малыми. Кроме того, исследование теплофизических и механических свойств бетонов и большинства строительных материалов производят на образцах, выполненных в виде призмы квадратного сечения или куба. Поэтому наиболее приемлемым способом определения ТФХ материалов должен быть неразрушающий метод, основанный на измерениях температур на поверхности, без нарушения целостности образца.

Наиболее полную информацию о ТФХ исследуемых материалов содержит температурное поле, определяемое из решения краевых задач теплопроводности для соответствующих тепловых воздействий и условий проведения теплофизического эксперимента. Для создания математических моделей тепловых процессов в физических объектах или исследуемых образцах необходимо знание распределения температурного поля в объекте при различных видах теплового воздействия на его поверхность.

С другой стороны, сами измерения, например температуры на поверхности образца, содержат данные, которые могут описывать целый ряд других параметров. Предпринималось значительное число попыток для отыскания таких видов преобразований первичных данных (например, температуры на поверхности и в центре исследуемого тела, либо амплитуды и периода температурного колебания), которые обеспечивали бы зависимость результата измерений ТФХ только от одного или двух измеряемых параметров и нечувствительность к измерениям других параметров. При этом вид и режим теплового воздействия, форму нагревателя и условия проведения эксперимента выбирают таким, чтобы с помощью несложных математических зависимостей адекватно описать физику процесса.

На этой основе автором разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении температур на поверхности образца в двух точках — в центре грани и на середине ребра призмы квадратного сечения. Интерес к измерениям коэффициента температуропроводности обусловлен рядом причин. Прежде всего, температуропроводность является паспортной характеристикой существующих и вновь разрабатываемых материалов, число которых непрерывно растет. Тесно связаны со знанием температуропроводности задачи экономии энергии, расчета тепловых режимов сложных конструкций, оптимизации технологических процессов в различных температурных интервалах. Кроме того, температуропроводность, как теплофизический параметр, является эффективным инструментом в научных исследованиях.

Методы теплофизического анализа и неразрушающего контроля позволяют дать не только информацию и качественную оценку состояния материалов и изделий, но в некоторых случаях и количественную оценку показателей ТФХ материалов. Автором разработан метод определения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности, а также объемной теплоемкости строительных материалов и ограждающих конструкций зданий и сооружений по температурным измерениям на поверхности образца выпол-неннрго в виде призмы квадратного сечения. То есть, предлагаемый метод неразрушающего контроля позволяет определять весь комплекс ТФХ в течение одного опыта без нарушения структуры материала.

В настоящее время очевидна необходимость разработки и внедрения неразрушающих методов экспериментального определения ТФХ материалов, основанных, в частности, на измерении температур на поверхности, без нарушения целостности образцов и эксплуатационных характеристик. Разрабатываемые и предлагаемые методы должны отличаться от известных методов быстродействием, более высокой точностью, автоматизацией и реализацией на базе микропроцессорной техники, обладать научной новизной и практической значимостью.

Закономерности распространения тепла в твердых телах всегда привлекали внимание многих исследователей. Большой вклад в разработку методов определения теплофизических свойств материалов внесли Г. П. Бойков [27, 28], Ю. В. Видин [41], Г. Н. Дульнев [70.73], В. В. Иванов [42, 85],

Г. М. Кондратьев [100, 101], В. В. Курепин [114.119], А. В. Лыков [133.135], Е. С. Платунов [168, 169], Н. Ю. Тайц [193], Л. П. Филиппов [218, 219], В. Н. Чернышов [229, 230], П. В. Черпаков [231], А. Г. Шашков [239, 240], Н. А. Ярышев [251.255] и многие другие, в том числе зарубежные ученые Г. Карелоу, Д. Егер [90], О. Крейт, У. Блек [107], О. Кришер, Н. Эс-дорн, [226], Ли, Тейлор [126], Э. М. Сперроу [188].

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Разработка теоретических и методологических основ экспериментального определения теплофизических характеристик строительных, теплоизоляционных и облицовочных материалов по температурным измерениям тел, выполненных в виде образцов различной формы (призмы квадратного сечения, куба, шара).

Вывод закономерностей упорядоченного теплового режима в телах различной формы при их симметричном нагревании (охлаждении), а также апробирование полученных закономерностей при конвективном, лучистом и суммарном теплообмене.

Разработка экспериментальных установок и проведение физических экспериментов для строительных и теплоизоляционных материалов.

Разработка научно-методологических основ комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения, а также экспериментальная и промышленная проверка результатов исследований.

Техническая задача работы заключается в повышении точности и надежности методов определения ТФХ исследуемых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ научных положений и полученных в работе результатов основана на применении фундаментальных законов физики, математики и использовании оригинальных методов эксперимента; обеспечивается удовлетворительным совпадением расчетов с данными, полученными при экспериментах на опытных установках, стендах в лабораторных и промышленных условиях; подтверждается сопоставлением с результатами исследований других авторов, опубликованных в научной, справочной и технической литературе, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

1. Разработаны научно-методологические основы экспериментального определения ТФХ строительных материалов по температурным измерениям.

2. На основе разработанных математических и физических моделей впервые получены закономерности упорядоченного теплового режима в телах различной формы (призме квадратного сечения, кубе, шаре) при их симметричном нагреве или охлаждении.

3. Получена закономерность упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения и впервые разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения.

4. Впервые предложен динамический температурный критерий, позволяющий установить наступление упорядоченной части теплового периода по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

5. Получена закономерность упорядоченного теплового режима в кубе и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов. Впервые для определения коэффициента температуропроводности в кубе использован закон теплового прослушивания.

6. Получена закономерность упорядоченного теплового режима для шара и впервые разработан метод определения коэффициента температуропроводности материалов, в том числе с использованием шарового температурного поля, расположенного внутри куба.

7. Разработана новая методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости строительных материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения.

8. Разработаны новые математический и графо-аналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов и предложен метод определения ТФХ ограждающих конструкций зданий методом неразрушающе го контроля с использованием тепломера.

9. Проведены исследования коэффициента температуропроводности ионных поликристаллов и уточнена связь с механическими и тепловыми константами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке методологических основ и приборов для экспериментального определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов. Разработан абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения, без внедрения вглубь материала.

Разработана методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов и изделий по температурным измерениям на поверхности, без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых образцов.

Разработанный динамический температурный критерий позволяет установить начало наступления упорядоченной части теплового периода в телах различной формы (призма, куб, стержень, шар), а в призме квадратного сечения - по температурным измерениям на поверхности. Изложены рекомендации и порядок проведения экспериментов, а также методики обработки опытных данных.

Постановка опытов не требует измерений таких физических параметров, как температура окружающей среды, коэффициент теплообмена, степень черноты, тепловой поток. Нет необходимости в создании чисто конвективной или чисто лучистой окружающей среды, что значительно упрощает экспериментальные установки для исследования и определения ТФХ материалов. Не требуется учета потерь теплоты за счет теплообмена с окружающей средой, а также контактным сопротивлением между образцом и нагревателем. Эти преимущества значительно упрощают условия проведения эксперимента (экспериментальную установку) и повышают метрологический уровень результатов измерения.

Расчеты ТФХ различных материалов в количестве 29 таблиц приведены в пп. 3.3, 4.4, 6.3, 7.3 и в приложении II диссертации.

Разработанные методы выгодно отличаются от известных методов быстродействием, небольшой погрешностью, обладают новизной и оригинальностью и имеют ряд существенных преимуществ перед известными способами указанного назначения. Методики позволяют легко автоматизировать те-плофизический эксперимент, упрощается реализация на базе микропроцессорной техники, и поэтому являются перспективными для использования в информационно-измерительных системах неразрушающего контроля ТФХ материалов, практике теплофизических измерений и строительной теплотехнике. Простота техники эксперимента позволяет проводить испытания непосредственно в условиях производства, координировать влияние технологических факторов на свойства готовых изделий и экономичность производства.

Разработанные методики позволят оперативно контролировать комплекс ТФХ материалов и изделий как на стадии технологического контроля в процессе производства, так и на стадии контроля качества готовых изделий при различных режимах их эксплуатации в различных отраслях аграрно-промышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ полученных автором разработок заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики определения ТФХ строительных материалов и изделий, экспериментальные установки внедрены и приняты для использования современных технологий на следующих предприятиях:

• ОАО «Волгоградский завод ЖБИ № 1», где проведены испытания строительных материалов, выполненных по технологии предприятия, показывающие достаточную точность определения ТФХ в сравнении с другими трудоемкими и дорогостоящими методами;

• ОАО «Волгоградгоргаз», где проведены испытания применяемых при монтаже оборудования и трубопроводов теплоизоляционных материалов, которые позволяют экономить тепловую энергию;

• ОАО «Теплосервис» комитета ЖКХ Волгоградской области, где проведены испытания огнеупорных материалов, применяемых при изготовлении и монтаже котельного оборудования, что позволило на экспериментальной установке провести оценку экономической эффективности применяемых материалов и соответствия их рекламным показателям;

• ОАО «Волгоградтрансгаз», где проведены испытания теплоизоляционных, облицовочных и огнеупорных материалов, применяемых при монтаже и капитальном ремонте теплотехнологического оборудования, тепловых сетей и систем утилизации теплоты, что позволило определить теплофизиче-ские характеристики непосредственно на объектах в условиях производства, провести оценку экономической эффективности при проведении энергетических обследований и энергоаудите предприятий;

• НИИЖБ Госстроя, где проведены испытания бетона с коррозионной мастикой, изготовленной по новой технологии, что позволило внедрить экспериментальную установку в производство для определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов;

• ОАО «Эталон», где проведены испытания оргстекла, фторопласта, текстолита, применяемых при монтаже теплотехнических приборов, что позволило использовать методики с целью проведения контроля материалов.

Полученные в работе результаты исследования температуропроводности ионных поликристаллов могут быть использованы в производстве стеклянных ограждений и металлургии (при получении новых сплавов).

Справки об использовании разработанных автором методик и результатов испытаний на перечисленных предприятиях приведены в приложении IV диссертации.

Учебные пособия: «Теоретические основы оптимизации теплотехнических характеристик ограждающих конструкций», «Расчет и эксплуатация теплоэнергетического оборудования котельных» использованы в учебном процессе высших учебных заведений РФ с грифом «Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 101600 «Энергообеспечение предприятий» направления «Теплоэнергетика».

Результаты теоретических и экспериментальных работ используются:

• в учебном процессе Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете (ВолгГАСУ) при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий (справка приведена в приложении IV диссертации);

• в отчетах по госбюджетным темам Министерства образования РФ программы «Строительство»: Б-Н-1993 «Разработка метода теплового прослушивания тел конечных размеров»; 2.5-1993 «Разработка теории эксперимента и конструкции прибора для скоростного определения температуропроводности строительных материалов в промышленных условиях»; Е—1.7—1997 «Разработка методики определения температуропроводности строительных материалов на образцах кубической формы»; 2.3-1997 «Разработка метода и средств контроля потерь теплоты через остекление и наружные ограждения».

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА.

В диссертации изложены результаты многолетних исследований, выполненных лично автором: определение концепции и постановка проблемы; разработка математических и физических моделей определения ТФХ строительных материалов; организация, планирование и проведение экспериментальных исследований на лабораторных и промышленных установках; обработка, анализ и обобщение данных экспериментальных исследований; участие в проектировании, изготовлении, монтаже и натурных исследованиях. Основные положения диссертации опубликованы в 9 книгах, 19 единоличных публикациях, 25 публикациях при ведущем участии автора, в остальных — при равноправном участии авторов, но с реализацией идей автора диссертации. В диссертацию включены только те результаты, которые принадлежат лично автору.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались:

• на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ, Волгоград, 1979.2004 гг.;

• конференции «Современные проблемы строительной науки», Нижний Новгород, 1993 г.;

• конференции «Градостроительство», Волгоград, ВолгГАСА, 1996 г.;

• IV Российской конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, УГТУ, 2003 г.;

• международной конференции «Композиционные строительные материалы», Пенза, ПГАСА, 2003 г;

• международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», Белгород, БГТУ, 2003 г.;

• международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 2003 г.;

• международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград, ВолгГАСУ, 2003 г.;

• Российской конференции «Стратегия развития архитектурно-строительной отрасли и ЖКХ, внедрение в практику наукоемких, инновационных технологий», Волгоград, ВолгГАСУ, 2003 г.;

• пятой международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством», Тамбов, ТГТУ, 2004 г.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• закономерности упорядоченного теплового режима в призме квадратного сечения, кубе, шаре, позволяющие определять ТФХ материалов;

• абсолютный метод определения коэффициента температуропроводности материалов, основанный на измерении двух температур на поверхности призмы квадратного сечения (середине грани и ребра);

• • установки для экспериментального определения ТФХ строительных и теплоизоляционных материалов;

• динамический температурный критерий, позволяющий установить наступление упорядоченной части теплового периода;

• методика комплексного определения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости материалов по температурным измерениям на поверхности призмы квадратного сечения;

• метод определения коэффициента температуропроводности в телах кубической формы, в том числе методом теплового прослушивания;

• метод определения коэффициента температуропроводности материалов в шаре, в том числе с использованием шарового температурного поля, расположенного внутри куба;

• методика определения коэффициента температуропроводности строительных материалов и металлов на образцах в виде стержня с толстостенными экранами;

• результаты экспериментального определения коэффициентов температуропроводности ионных поликристаллов;

• математический и графоаналитический методы определения плотности теплового потока на поверхности материалов.

Работу можно квалифицировать как комплекс научно обоснованных методологических и технических решений по проблеме экспериментального определения ТФХ строительных материалов на образцах различной формы, без нарушения их целостности. Разработанные методы являются перспективными в информационно-измерительных системах неразрушающего контроля ТФХ материалов, практике теплофизических измерений, строительной теплотехнике и различных отраслях народного хозяйства.

ПУБЛИКАЦИИ.

По результатам выполненных исследований опубликовано 47 работ, в том числе — монографии, статьи в журналах по списку ВАК, публикации в материалах международных и Российских конференций.

Отдельные издания:

1. Фокин В. М. Научно-методологические основы определения теплофизических свойств материалов методом неразрушающего контроля: Монография. М.: Машиностроение-1, 2003. 140 с.

2. Фокин В. М., Бойков Г. П., Видин Ю. В. Основы технической теплофизики: Монография. М.: Машиностроение-1, 2004. 172 с.

3. Бойков Г. П., Видин Ю. В., Фокин В. М., Шаронова О. В. Определение теплофизических свойств строительных материалов: Монография. Красноярск, изд. Красноярского университета (физико-математические науки). 1992. 172 с.

4. Фокин В. М. Определение температуропроводности строительных материалов: Монография. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2002. 127 с.

5. Фокин В. М., Чернышов В. Н. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов: Монография. М.: Машиностроение-1, 2004.212 с.

6. Фокин В. М. Энергосбережение в производственных и отопительных котельных: Монография. М.: Машиностроение-1, 2004. 180 с.

7. Фокин В. М. Теоретические основы оптимизации теплотехнических характеристик ограждающих конструкций: Учебное пособие с грифом УМО по «Теплоэнергетике и электротехнике». Волгоград, Волгоградская государственная арv хитектурно-строительная академия. 2003. 140 с.

8. Фокин В. М. Расчет и эксплуатация теплоэнергетического оборудования котельных: Учебное пособие с грифом УМО по «Теплоэнергетике и электротехнике». Волгоград, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. 2004. 228 с.

9. Фокин В. М., Семенова Т. А., Бойков Г. П. Определение температуропроводности строительных материалов в телах кубической формы: Монография. Волгоград, Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2001. 36 с.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 276 наименований, четырех приложений, изложенных на 378 с. машинописного текста, в том числе 57 рисунков и 52 таблицы.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

7.7. ВЫВОДЫ

1. Впервые теоретически получена закономерность упорядоченного теплового режима для шара, которая соблюдается при любых способах симметричного нагрева или охлаждения и не лимитируется параметрами и физическими переменными внешней среды.

2. Физические эксперименты подтвердили возможность определения коэффициента температуропроводности материалов методом упорядоченного теплового режима в телах шаровой формы.

3. Эксперименты и численные расчеты подтвердили также возможность определения коэффициента температуропроводности материалов методом упорядоченного теплового режима при использовании температурного шарового поля расположенного внутри куба.

4. Постановка опытов не требует измерений таких физических величин, как температура окружающей среды, коэффициент теплообмена, степень черноты, тепловой поток и др. Нет необходимости в создании чисто конвективного или чисто лучистого теплообмена, что сильно упрощает экспериментальные установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ