CC BY
25
УДК 536.2.022:69
КАРПОВ ДЕНИС ФЕДОРОВИЧ, доцент,
ПАВЛОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ, доцент,
СИНИЦЫН АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
КАЛЯГИН ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
МНУШКИН НИКОЛАЙ ВИТАЛЬЕВИЧ, аспирант, [email protected]
Вологодский государственный технический университет, 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА НА ПРИМЕРЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА АКТИВНЫМ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Целью работы является разработка и апробация на конкретном примере авторского способа определения коэффициента теплопроводности твердого тела активным методом теплового неразрушающего контроля. Способ включает бесконтактное тепловое воздействие на исследуемое твердое тело источником инфракрасного излучения, регистрацию температурных полей лицевой и задней поверхностей твердого тела с помощью бесконтактного измерителя температуры и нахождение плотности теплового потока. Вычисление коэффициента теплопроводности твердого тела выполнено по уравнению стационарной теплопроводности для плоской стенки. По итогам экспериментально-расчетной работы проведено сравнение полученного значения коэффициента теплопроводности силикатного кирпича с результатами предшествующих экспериментов авторов, данными завода-изготовителя и нормативной величиной.
Ключевые слова: тепловой неразрушающий контроль; стационарный тепловой режим; силикатный кирпич; источник инфракрасного излучения; коэффициент теплопроводности; тепловизор; тепловизионная съемка; зеркальный отражатель.
DENIS F. KARPOV, A/Professor,
MIKHAIL V. PAVLOV, A/Professor,
ANTON A. SINITSYN, PhD, A/Professor,
YURII A. KALYAGIN, DSc, Professor,
NIKOLAI V. MNUSHKIN, Research Assistant,
Vologda State Technical University,
© Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, А.А. Синицын, Ю.А. Калягин, Н.В. Мнушкин, 2014
15, Lenin Str., 160000, Vologda, Russia
NON-DESTRUCTIVE TESTING
OF CALCIUM SILICATE BRICK
THERMAL CONDUCTIVITY DETERMINATION
The paper presents the development and approval of the author's method of thermal conductivity determination for a solid body using active thermal non-destructive testing. The method includes non-contact thermal infrared effect on a solid body under review, registration of temperature fields of front and rear faces of a solid body is carried out with non-contact temperature gauge and determination of heat-flux density. Thermal conductivity factor was calculated using the equation of steady heat conduction for a plane wall. The results of theoretical and experimental research allowed a comparison between the obtained values of thermal conductivity factor of calcium silicate brick, previous experimental results, the data of the producing plant, and standard values.
Keywords: thermal non-destructive testing; steady temperature condition; calcium silicate brick; infrared source; conductivity factor; infrared image converter; thermal imaging survey; specular reflector.
В связи с огромной значимостью термических показателей материалов, широко применяемых при строительстве зданий и сооружений, существует большое количество классических способов определения теплопроводности твердых тел, построенных на методах стационарной и нестационарной теплопроводности [1-2]. К современным способам нахождения теплофизических параметров твердых тел, описанных, например, в работах [3-5], предъявляют ряд технических требований: организация режима теплового возмущения физического тела источником бесконтактного нагрева; определение температурных полей исследуемого тела неразрушающим способом; использование при-борно-измерительной базы, принцип работы которой основан на применении инфракрасного или ультразвукового сигнала; высокая точность и надежность измерений; простой математический вид расчетных уравнений.
На рис. 1 изображена принципиальная схема экспериментальной установки для реализации способа определения теплопроводности твердого тела активным методом теплового неразрушающего контроля [6], который соответствует современным требованиям теплотехнических измерений.
Источник инфракрасного излучения 1 зафиксирован на вращающемся механизме с углом поворота 90 °С. Исследуемое твердое тело 2 в форме параллелепипеда толщиной 5 расположено на расстоянии h от источника инфракрасного излучения при условии h < 55. Центральная ось излучателя 1 и твердого тела 2 совпадают. На лицевой поверхности твердого тела при x = 0 закреплен преобразователь плотности теплового потока 3, подключенный к измерителю плотности теплового потока (далее ИПТП) тепломера. Последний регистрирует плотность теплового потока q, идущего от источника инфракрасного излучения. Зеркальный отражатель 4 с углом вращения 180° установлен в таком положении, при котором задняя поверхность твердого тела с координатой x = 5 полностью попадает в его поле зрения. Для локализации лучистого теплообмена между объектами окружающей среды и задней поверхностью твердого тела на расстоянии s от последнего размещен свето-
поглощающий экран 5 при условии 5 < 105. По центру на расстоянии от источника инфракрасного излучения на штативе (условно не показан) закреплен бесконтактный измеритель температуры 6, в обзор которого попадает как лицевая сторона, так и отражение задней поверхности твердого тела от зеркального отражателя.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для определения теплопроводности твердого тела:
1 - источник инфракрасного излучения; 2 - твердое тело; 3 - преобразователь плотности теплового потока; 4 - зеркальный отражатель; 5 - светопоглощающий экран; 6 - бесконтактный измеритель температуры
Устройство работает следующим образом. Источник инфракрасного излучения 1 проецирует на лицевую поверхность твердого тела 2 при х = 0 поток электромагнитного излучения, где он преобразуется во внутреннюю энергию. Последнее приводит к бесконтактному нагреву лицевой поверхности твердого тела во времени. Градиент температур, возникший по направлению вдоль оси 0Х вследствие неравномерного распределения температур в твердом теле, формирует достаточное условие для движения потока теплоты теплопроводностью сквозь твердое тело к его задней поверхности при х = 5. Величину плотности теплового потока q регистрирует преобразователь плотности теплового потока 3, который передает сигнал на компьютер через ИПТ П тепломера. Зеркальный отражатель 4 с помощью отраженного теплового излучения отображает температурное поле задней поверхности твердого тела. Часть инфракрасного излучения от нагретого твердого тела поступает на поверхность светопоглощающего экрана 5 без последующих отражений. При установлении стационарного теплового режима в твердом теле, благодаря вращательному механизму, источник инфракрасного излучения поворачивают на 90° в горизонтальное положение. С помощью бесконтактного измерителя температуры 6, установленного на штативе, произ-
ш-
§
водят одновременную съемку температурного поля лицевои и задней поверхностей твердого тела.
Если начальный момент времени принять равным нулю, то время, за которое твердое тело выйдет на стационарный тепловой режим, вычисляют по приблизительной формуле [7]
т = ^, (1)
а
где 5 - толщина твердого тела; at - коэффициент температуропроводности твердого тела.
Пусть ¿о и ¿5 - средние значения температур поверхностей или отдельных участков твердого тела соответственно в координатах х = 0 и х = 5 при установившемся тепловом режиме с момента времени т. Тогда для определения коэффициента теплопроводности твердого тела может быть использовано уравнение теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме [8]
д5
К =
¿00 ¿5
(2)
где q - плотность теплового потока на лицевой поверхности твердого тела при х = 0 по данным ИПТП; 5 - толщина твердого тела.
Рассмотрим вариант определения коэффициента теплопроводности твердого тела 2 (рис. 1) на примере 3-пустотного силикатного кирпича марки М150 (ГОСТ 379-95) толщиной 5 = 0,120 м (рис. 2).
Рис. 2. Натурный вид экспериментальной установки для определения теплопроводности твердого тела:
1 - инфракрасный излучатель; 2 - силикатный кирпич; 3 - преобразователь плотности теплового потока; 4 - зеркальный отражатель; 5 - черный свето-поглощающий экран
В качестве источника инфракрасного излучения 1 использован электрический инфракрасный излучатель марки ЭкоЛайн ЭЛК 10Я суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии И = 0,6 м от лицевой поверхности исследуемого объекта 2. На лицевой поверхности силикатного кирпича марки М150 закреплен преобразователь плотности теплового потока
ПИ 1-0,25 3, подключенный к измерителю плотности теплового потока ИПП-2. Зеркальный отражатель 4 из обычного стекла закреплен на деревянном кронштейне. На расстоянии 5 = 1,2 м от задней поверхности силикатного кирпича 2 расположен черный экран 5.
Температуропроводность силикатного кирпича равна а = 5,3 • 10-7 м2/с. Тогда по формуле (1) начало стационарного теплового режима для силикатного кирпича х = 27 170 с (по результатам эксперимента х' = 30 000 с; среднее изменение температур лицевой и задней поверхностей силикатного кирпича на интервале времени [х; т'] с в соответствии с показаниями термопар типа ТХА при погрешности измерений ±2,5 °С составило 0,3 °С, что можно считать стационарным режимом).
После наступления стационарного теплового режима с помощью тепловизора Но1Р1М-Б [9] получены термограммы поверхностей силикатного кирпича, которые впоследствии были обработаны с помощью прикладного программного обеспечения 8ЛТЯеро1!2009 [10] при следующих параметрах: температура и относительная влажность воздуха соответственно 25,9 °С и 15 %; среднее расстояние от фокусирующего кольца тепловизора до поверхности исследуемого объекта 2 2,3 м; излучательная способность поверхности силикатного кирпича 0,91 м, зеркального отражателя 4 (стекла) 0,91. Некоторые результаты тепловизионной съемки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты тепловизионной съемки силикатного кирпича (пример)
Тепловое изображение
Температурный рельеф
Температура поверхности
¿шах = 98,8 °С;
г . = 952 °С-
г = 40 4 °С
шах
¿ш1п = 39,8 °С; а = 40,2 °С
х
0
а = 97,5 °С
5
В табл. 2 представлены результаты определения коэффициента теплопроводности силикатного кирпича согласно выражению (2).
Таблица 2
Коэффициент теплопроводности силикатного кирпича
№ п/п д, Вт/м2 5, м ¿0, °С ¿5, °С Вт/(м-К)
1 98,8 39,9 0,788
2 387 0,120 97,5 40,2 0,810
3 94,1 41,1 0,876
Среднее значение Х,ау, Вт/(м-К) 0,825
На рис. 3 выполнено сравнение коэффициентов теплопроводности А,ь полученных: при стационарном тепловом режиме (рис. 2); методом регулярного теплового режима [11]; по методике расчета с применением холодильной камеры [12]; данных завода-изготовителя [13] и нормативного значения [14].
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рис. 3. Сравнение результатов экспериментально-расчетного определения коэффициента теплопроводности силикатного кирпича с нормативной величиной и значением завода-изготовителя
Анализ диаграммы на рис. 3 показал, что результат определения теплопроводности силикатного кирпича активным методом теплового неразруша-ющего контроля при стационарном тепловом режиме соответствует данным, полученным в ходе нахождения величины Х( при охлаждении одной из сторон строительной конструкции в холодильной камере [12], и согласуется с нормативной величиной СП 23-101-04. Вероятно, что все три указанных способа исследования теплофизических характеристик материалов по сути идентичны друг другу и основаны на действующем стандарте ГОСТ 7076-99. В свою очередь, нестационарный способ [11] близок к результатам завода-изготовителя [13]. Однако такое сравнение является научно необоснованным, т. к. данные завода-изготовителя приведены для кирпича в сухом состоянии.
Выводы
В настоящей работе на примере силикатного кирпича приведены описание и реализация авторского способа определения теплопроводности твердого тела активным методом бесконтактной термометрии при проведении теплотехнических измерений. В сравнении с классическими способами определения теплофизических свойств строительных материалов при стационарном и нестационарном тепловых режимах рассмотренный вариант отвечает современным научно-техническим требованиям: использование источника бесконтактного нагрева; определение температурных полей исследуемого тела бесконтактным способом; применение измерительных приборов, действие которых основано на генерации и получении инфракрасного или ультразвукового сигнала.
По результатам конкретной реализации авторского способа на силикатном кирпиче М150 (ГОСТ 379-95) получено среднее значение коэффициента теплопроводности материала ау = 0,825 Вт/(м-К).
По итогам сравнительного анализа найденное значение кондуктивной способности силикатного кирпича соответствует данным, полученным по результатам апробации других авторских методик в условиях стационарного теплового режима, а также нормативной величине по СП 23-101-04. Однако следует отметить, что результаты апробации нестационарного способа, основанного на теории регулярного теплового режима, и данные завода-изготовителя расходятся с полученным значением на 25-27 %, что может быть связано с несоответствием условий проведения теплотехнических измерений или погрешностями самих экспериментально-расчетных методов. Для получения достоверного ответа на данный вопрос требуется проведение дополнительных научных исследований.
Библиографический список
1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник / Е.В. Аметистов, Б.С. Белосельский, Б.Т. Емцев [и др.] ; под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина: В 4 т. Т. 2. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.
2. Теплотехнический справочник: справочник / под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева: В 2 т. Т. 2. - М. : Энергия, 1976. - 896 с.
3. Манешев, О.И. Экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности и эффективности сверхтонких теплоизоляционных покрытий / О.И. Манешев, Ю.И. Правник, Р.А. Садыков, И.А. Сафин, С.А. Еремин // Известия КазГАСУ. - № 1. -2013. - С. 135-142.
4. Титунин, А.А. Определение коэффициента теплопроводности клееной древесины / А.А. Титунин, Ю.П. Данилов, В.П. Чулков, К.В. Сироткина // Вестник Костромского государственного технологического университета. - 2005. - № 11. - С. 114-117.
5. Серегина, Н.В. Способ определения коэффициента теплопроводности теплоизоляции теплоизолированной лифтовой трубы в скважине / Н.В. Серегина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2011. - № 12.- С. 34-36.
6. Пат. 2488102 Российская Федерация, (51) МПК 00Ш 25/18 (2006.01). Способ определения теплопроводности твердого тела активным методом теплового неразрушающего контроля / Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, А.А. Синицын, В.И. Игонин ; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет (ВоГТУ) (Яи). -№ 2012106323 ; заявл. 21.02.2012 г. ; опубл. 20.07.2013 г., Бюл. № 20. - 12 с.
7. Чудновский, А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов / А.Ф. Чуд-новский. - М. : Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. - 456 с.
8. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов [и др.] ; под ред. А.И. Леонтьева. - М. : Высшая школа, 1979. - 495 с.
9. Инструкция к применению тепловизора SDS HotFind-D. Энергоаудит. Приборы нашего времени. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Федеральное государственное учреждение. Российский центр испытаний и сертификации. -М. : Энергетика, 2009. - 53 с.
10. Игонин, В.И. Разработка методики энергообследования зданий и сооружений с помощью тепловизора : отчет о научно-исследовательской работе / В.И. Игонин, Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов [и др.]. - Вологда : ВоГТУ, 2010. - 50 с.
11. Карпов, Д.Ф. Экспериментально-расчетное определение приведенного коэффициента теплопроводности фрагмента неоднородной ограждающей строительной конструкции из силикатного кирпича при нестационарном и стационарном тепловых режимах / Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, В.И. Игонин // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2011. - № 3.- С. 120-132.
12. Карпов, Д.Ф. Экспериментально-расчетное определение приведенного коэффициента теплопроводности фрагмента неоднородной ограждающей строительной конструкции из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе методом теплового неразру-шающего контроля / Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, В.И. Игонин, А.А. Кочкин // Вестник МГСУ. - 2011. - № 3.- С. 351-358.
13. Ярославский завод силикатного кирпича: [официальный сайт производителя]. - Условия доступа : http://www.yarzsk.ru.
References
1. Ametistov E.V., Belosel'skii B.S., Emtsev B.T., et al. Teoreticheskie osnovy teplotekhniki. [Theoretical basics of heat engineering]. Teplotekhnicheskii eksperiment: spravochnik. Grigor'ev V.A., Zorin V.M. editors. Moscow : Energoatomizdat, 1988. V. 2. 560 p. (rus)
2. Teplotekhnicheskii spravochnik. [Heat engineering handbook]. V.N. Yurenev, P.D. Lebedev editors. Moscow : Energiya, 1976. V. 2. 896 p. (rus)
3. Maneshev O.I., Pravnik Yu.I., Sadykov R.A., Safin I.A., Eremin S.A. Eksperimental'noe opre-delenie koeffitsientov teploprovodnosti i effektivnosti sverkhtonkikh teploizolyatsionnykh pokrytii [Experimental determination of coefficients of heat conductivity and efficiency of super-thin heat-insulating coatings]. News of the KSUAE. 2013. No. 1. Pp. 135-142. (rus)
4. Titunin A.A., Danilov Yu.P., Chulkov V.P., Sirotkina K.V. Opredelenie koeffitsienta tep-loprovodnosti kleenoi drevesiny [Determination of thermal conductivity coefficient of glued wood]. Vestnik Kostromskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta [Journal of Kostroma State Technological University]. 2005. No. 11. Pp. 114-117. (rus)
5. Seregina N.V. Sposob opredeleniya koeffitsienta teploprovodnosti teploizolyatsii teploizoliro-vannoi liftovoi truby v skvazhine [Determination of heat conductivity factor of a well tubing]. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more [Construction of oil and gas wells on land and sea]. Moscow, 2011. No. 12. Pp. 34-36. (rus)
6. Karpov D.F., Pavlov M.V., Sinitsyn A.A., Igonin V.I. Pat. Rus. Fed. N 2488102, (51) IPC G01N 25/18 (2006.01). Sposob opredeleniya teploprovodnosti tverdogo tela aktivnym metodom teplovogo nerazrushayushchego kontrolya [Detremination of heat conductivity of solid by active thermal non-destructive testing]; patent applicant and owner Vologda State Technical University. N 2012106323; appl. 21.02.2012; publ. 20.07.2013. Bul. No. 20. 12 p. (rus)
7. Chudnovskii A.F. Teplofizicheskie kharakteristiki dispersnykh materialov [Thermophysical properties of dispersion materials]. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel'stvo fiziko-matematicheskoy literatury [State Publisher of Physical and Mathematical Literature], 1962. 456 p. (rus)
8. Isaev S.I., Kozhinov I.A., Kofanov V.I. Teoriya teplomassoobmena [The theory of heat-mass exchange]. Ed. Leont'ev A.I. Moscow : Vysshaya Shkola Publishers, 1979. 495 p. (rus)
9. Instruktsiya k primeneniyu teplovizora SDS HotFind-D [Hand-book for infrared image converter SDS HotFind-D]. Moscow, 2009. 53 p. (rus)
10. Igonin V.I., Karpov D.F., Pavlov M.V., et al. Razrabotka metodiki energoobsledovaniya zdanii i sooruzhenii s pomoshch'yu teplovizora: otchet o nauchno issledovatel'skoi rabote [Methodology of energy inspection of buildings using infrared image converter: report on research work]. Vologda : Vologda State Technical University, 2010. 50 p. (rus)
11. Karpov D.F., Pavlov M.V., Igonin V.I. Eksperimental'no-raschetnoe opredelenie privedennogo koeffitsienta teploprovodnosti fragmenta neodnorodnoy og-razhdayushchey stroitel'noy kon-struktsii iz silikatnogo kirpicha pri nestatsionarnom i statsionarnom teplovykh rezhimakh [Experimental and theoretical determination of heat conductivity reduced factor of non-uniform building envelope calcium silicate brick fragment at non-stationary and stationary thermal conditions]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building, 2011. No. 3. Pp. 120-132. (rus)
12. Karpov D.F., Pavlov M.V., Igonin V.I., Kochkin A.A. Eksperimental'no-raschetnoe opredelenie privedennogo koeffitsienta teploprovodnosti fragmenta neodnorodnoi ograzhdayushchei stroitel'noi konstruktsii iz silikatnogo kirpicha na tsementno-peschanom rastvore metodom teplovogo nerazrushayushchego kontrolya [Experimental and theoretical determination of heat conductivity reduced factor of non-uniform building envelope calcium silicate brick based on cement-sandy solution using thermal non-destructive testing]. Scientific and technical Journal on Construction and Architecture. 2011. No. 3. Pp. 351-358. (rus)
13. Yaroslavskii zavod silikatnogo kirpicha [The Yaroslavl factory of a silicate brick: Internet-site of the manufacturer]. Available at : http://www.yarzsk.ru.
