сотрудник
Вологодская область, Россия
Тепловой контроль относится к методам неразрушающего контроля. Различают пассивный и активный тепловой неразрушающий контроль. При пассивном тепловом контроле объект испытаний характеризуется температурным полем, сформировавшимся в процессе его функционирования. При активном тепловом контроле применяют дополнительный источник тепловой стимуляции контролируемого объекта. Тепловой контроль нашел широкое применение в различных отраслях строительства, энергетики, машиностроения, транспорта. В работе предложен вариант активного теплового неразрушающего контроля коэффициента теплопроводности строительных материалов и изделий на примере фрагмента строительной конструкции из силикатного кирпича. Контролируемый объект подвергают термостимуляции внешним источником тепловой энергии до момента наступления установившегося стационарного теплового режима. Выполняют термографирование поверхностей объекта контроля. Вычисляют среднеинтегральные значения температур поверхностей или отдельных участков объекта контроля. По уравнению теплопроводности определяют контролируемый параметр – коэффициент теплопроводности объекта контроля. При известном коэффициенте теплопроводности вычисляют термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) контролируемого объекта. При известном коэффициенте термического сопротивления (сопротивления теплопередаче) вычисляют коэффициент теплопередаче. Метод реализован в лабораторных условиях. Может применяться в натурных и эксплуатационных условиях для точного и быстрого определения ключевых теплофизических свойств строительных материалов и изделий.
тепловой контроль, объект контроля, предмет контроля, теплопроводность, коэффициент теплопроводности, термическое сопротивление, тепловая стимуляция, температура, тепло-визор, термограмма
Введение. Из-за сложности и большого объема экспериментальных исследований по определению качества, долговечности, надежности и безопасности традиционных и современных строительных материалов и изделий, актуальными и практически значимыми являются вопросы разработки новых и усовершенствования существующих методов и средств теплового контроля (ТК) и технической диагностики (ТД) [1–4]. При помощи методов и средств ТК и ТД можно определять указанные характеристики исследуемых строительных материалов и готовых изделий по теплофизическим свойствам (ТФС) [5, 6], к числу которых относятся: теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, тепловая активность, термостойкость и др. [7].
Основные термины и определения. Согласно действующим нормативным документам (национальным стандартам (ГОСТ Р)) дадим определения применяемым в работе терминам [8–11].
Неразрушающий контроль – область науки и техники, охватывающая исследования физических принципов, разработку, совершенствование и применение методов, средств и технологий технического контроля объектов, не разрушающего и не ухудшающего их пригодность к эксплуатации.
Тепловой неразрушающий контроль – неразрушающий контроль, основанный на регистрации температурных полей контролируемого объекта.
Активный метод теплового неразрушающего контроля – метод теплового неразрушающего контроля, при котором контролируемый объект термостимулируют внешним источником тепловой энергии.
Неконтактная термометрия – совокупность методов и средств измерения температуры, основанных на бесконтактном и дистанционном измерении теплового излучения поверхности контролируемого объекта.
Тепловизор – устройство, предназначенное для наблюдения нагретых контролируемых объектов по их собственному тепловому излучению. Тепловизор преобразует невидимое человеческому глазу инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение контролируемых объектов.
Тепловизионная съемка (контроль, обследование, мониторинг) – совокупность технологических операций, направленных на измерение температурного поля контролируемого объекта методом неконтактной термометрии с помощью тепловизора с целью обнаружения теплотехнических дефектов.
Термограмма – тепловое изображение контролируемого объекта или его отдельного участка.
Температурное поле – совокупность мгновенных значений температуры во всех точках поверхности объекта контроля или его отдельного участка.
Цель, достоинства и алгоритм реализации метода. Целью метода является повышение точности и упрощение технической процедуры определения коэффициента теплопроводности строительных материалов и изделий активным методом теплового неразрушающего контроля при стационарном тепловом режиме, а также расширение возможностей применения данного метода на исследование теплопроводных свойств неоднородных однослойных строительных конструкций [1, 2, 4, 12, 13].
Достоинством метода является бесконтактная дистанционная идентификация температурных полей поверхностей контролируемого объекта, знание которых необходимо для определения коэффициента теплопроводности, как отдельных элементов, так и всей конструкций в целом, независимо от величины ее теплотехнической неоднородности. Условия реализации метода не зависят от внешних факторов окружающей среды и полностью определяются режимов теплообмена между источником тепловой стимуляции и контролируемым объектом. Тепловизор и зеркальный отражатель, в поле зрения которого попадает задняя поверхность контролируемого объекта, позволяют с небольшим интервалом времени, практически одновременно, оценивать температурное состояние обеих поверхностей контролируемого объекта, что понижает погрешность измерений и повышает точность всего эксперимента при реализации метода. Аналитическое выражение для установления начального момента стационарного теплового режима контролируемого объекта имеет простой математический вид, что в свою очередь позволяет существенно сократить время проведения замеров и обеспечить высокую надежность полученных экспериментальных результатов.
Предлагаемый метод реализуется на экспериментальной установке (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид установки и схема реализации метода: 1 – источник тепловой стимуляции;
2 – объект контроля; 3 – преобразователь плотности теплового потока; 4 – зеркальный отражатель;
5 – светопоглощающий экран; 6 – тепловизор
Алгоритм реализации метода выглядит так:
1. Объект контроля 2 термостимулируют внешним источником тепловой энергии 1 до момента наступления установившегося стационарного теплового режима.
2. По специальному аналитическому выражению вычисляют время τ, с, выхода объекта контроля 2 на стационарный тепловой режим:
τ = δ2/a, (1)
где δ – толщина объекта контроля 2, м; a – температуропроводность объекта контроля 2, м2/c (предварительно задаются).
3. Выполняют термографирование обеих поверхностей объекта контроля 2 при установившемся стационарном тепловом режиме с момента времени τ.
4. Определяют среднеинтегральные значения температур передней поверхности (ПП) t0 и задней поверхности (ЗП) tδ или отдельных участков объекта контроля 2 соответственно в координатах х = 0 и х = δ.
5. Вычисляют коэффициент теплопроводности объекта контроля 2 λt, Вт/(м·°С), по уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме:
λt = qδ/(t0 - tδ), (2)
где q – плотность теплового потока на ПП объекта контроля 2 при х = 0 по данным ИПТП 3, Вт/м2; δ – толщина объекта контроля 2, м.
6. При известном коэффициенте теплопроводности λt, Вт/(м·°С), рассчитывают фактическое термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) R, (м2·°С)/Вт, объекта контроля 2 по аналитическому выражению:
R = δ/λt, (3)
где δ – толщина объекта контроля 2, м; λt – коэффициент теплопроводности объекта контроля 2, Вт/(м·°С).
Пример реализации метода. Метод реализован на фрагменте ограждающей строительной конструкции в виде стенки из силикатных кирпичей (кирпич строительный 3-х пустотный М150 [14]) согласно алгоритму, представленному в предыдущем пункте.
1. Выполнена термостимуляция стенки источником инфракрасного излучения – электрическими инфракрасными излучателями марки Эколайн ЭЛК 10R суммарной мощностью N = 3 кВт.
2. Согласно [7] предварительно задались коэффициентом температуропроводности силикатного кирпича a = 5,3·10-7 м2/c. Тогда в соответствии с (1) начало выхода стенки на стационарный тепловой режим τ = 27170 с (экспериментально τ' = 30000 с).
3. Выполнено термографирование поверхностей стенки тепловизором Testo 875-2 три раза через равные временные промежутки. Выбор термограмм осуществлен с учетом качества тепловых изображений, дающих максимально полную и точную информацию о температурном поле поверхностей стенки (табл. 1).
4. Определены среднеинтегральные значения температур отдельных участков t0 ПП и tδ ЗП стенки соответственно в координатах х = 0 и х = δ (табл. 2).
5. Рассчитан коэффициент теплопроводности стенки по (2) (табл. 2).
6. Рассчитано термическое сопротивление стенки по (3) (табл. 2).
Таблица 1
Некоторые результаты термографирования поверхностей стенки
|
х |
Термограмма |
Температура поверхности |
|
0 |
|
tmax = 93,61 °С; tmin = 60,50 °С; tav = 77, 60 °С |
|
δ |
|
tmax = 41,75 °С; tmin = 35,50 °С; tav = 38, 63 °С |
Таблица 2
Расчетные значения коэффициентов теплопроводности и термического
сопротивления стенки
|
№ п/п |
q, Вт/м2 |
δ, м |
t0, °С |
tδ, °С |
λt, Вт/(м·°С) |
R, (м2·°С)/Вт |
|
1 |
370 |
0,12 |
93,5 |
39,0 |
0,81 |
0,147 |
|
2 |
93,3 |
38,0 |
0,80 |
0,149 |
||
|
3 |
93,1 |
36,0 |
0,78 |
0,154 |
||
|
Среднее значение λt, av, Вт/(м·°С) и Rav, (м2·°С)/Вт |
0,80 |
0,150 |
||||
По результатам расчетов получили для фрагмента ограждающей строительной конструкции в виде стенки из силикатных кирпичей коэффициент теплопроводности 0,80 Вт/(м·°С), который согласуется с нормативной величиной, равной 0,82 Вт/(м·°С) [15].
Вывод. Предложенный метод позволяет в процессе исследовательских, контрольных, определительных, лабораторных, стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний определять фактическое значение коэффициента теплопроводности строительных материалов и изделий, что в свою очередь дает возможность рассчитывать фактическое термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Знание величины термического сопротивления (сопротивления теплопередаче) ограждающих конструкций позволяет количественно оценить теплотехнические качества строительных конструкций зданий и сооружений и их соответствие нормативным требованиям, установить реальные потери теплоты через наружные ограждающие конструкции, проверить расчетные и конструктивные решения.
1. Клюев В.В., Будадин О.Н., Абрамова Е.В. и др. Тепловой контроль композитных конструкций в условиях силового и ударного нагружения. Изд. 1-е. М.: Издательский дом «СПЕКТР». 2017. 200 с.
2. Будадин О.Н., Вавилов В.П., Абрамова Е.В. Тепловой контроль: учеб. пособие. М.: Издательский дом «Спектр». 2013. 176 с.
3. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: 2013. 544 с.
4. Вавилов В.П. Тепловидение и тепловой контроль для инженеров. Изд. 1-е. М.: Издательский дом «СПЕКТР». 2017. 72 с.
5. Чернышев В.Н., Однолько В.Г., Чернышев А.В. Методы и системы неразрушающего контроля теплозащитных свойств строительных материалов и изделий. М.: Издательский дом «Спектр». 2012. 200 с.
6. Фокин В.М., Ковылин А.В., Чернышов В.Н. Энергоэффективные методы определения теплофизических свойств строительных материалов и изделий. М.: Издательский дом «Спектр». 2011. 156 с.
7. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учеб. пособие. Томск. ТПУ. Изд-во Томского политехнического университета. 2011. 97 с.
8. ГОСТ Р 53697-2009. Контроль неразрушающий. Основные термины и определения. Утв. и введ. в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15.12.2009 г. № 1101-ст. М.: Стандартинформ. 2010. 12 с.
9. ГОСТ Р 56542-2015. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Утв. и введ. в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 07.08.2015 г. № 1112-ст. М.: Стандартинформ. 2015. 16 с.
10. ГОСТ Р 8.619-2006. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки. Утв. и введ. в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24.07.2006 г. № 142-ст. М.: Стандартинформ. 2006. 19 с.
11. ПНСТ 57-2015. Контроль неразрушающий. Инфракрасная термография. Система и оборудование. Часть 1. Описание характеристик. Утв. и введ. в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 20.11.2015 г. № 32-пнст. М.: Стандартинформ. 2016. 15 с.
12. George S., Goravar S., Mishra etс. al. Stress monitoring and analysis using lock-in thermography // Insight. 2010. Volume 52. No. 9. Pp. 470-474.
13. Vijayraghavan G.K., Majumder M.C., Ramachandran K.P. NDTE using flash thermography: numerical modelilling and analysis of delaminations in GRP pipes // Insight. 2010. Vol. 52. No. 9. Pp. 481-487.
14. ГОСТ 379-2015. Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Введ. в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 09.04.2015 г. № 246-ст. Взамен ГОСТ 379-95. М.: Стандартинформ. 2015. 22 с.
15. СП 23-101-2004. Свод правил по проектированию и строительству: Проектирование тепловой защиты зданий. Введ. 01.06.2004 г. М.: ФГУП ЦНС. 2004. 132 с.
