Прилад для визначення теплофізичних характеристик матеріалів та теплових ефектів

Реферат: Винахід належить до області теплофізичного приладобудування, а саме до приладів для визначення теплофізичних характеристик та тепловиділень цементу й бетонних сумішей у процесі гідратації. В приладі для визначення теплофізичних характеристик матеріалів та теплових ефектів у теплометричні блоки вмонтовані додаткові перетворювачі теплового потоку з перетворювачами температури, між ними розміщено теплоізоляційну вкладку з комірками для дослідного матеріалу, а термостатовані блоки облаштовані обертовим пристроєм, що забезпечує їх обертання на 90°. Досягається можливість вимірювання при проведенні одного досліду коефіцієнта теплопровідності та тепловиділення цементів або бетонних сумішей протягом усього процесу гідратації без підвищення похибки на другу й третю добу випробування. UA 99061 C2 (12) UA 99061 C2 UA 99061 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області теплофізичного приладобудування, а саме до приладів для визначення теплофізичних характеристик та тепловиділень цементу й бетонних сумішей у процесі гідратації. Для визначення тепловиділень цементів по ГОСТ 310.5 використовується ізотермічний калориметр, який проводить тепло, "ЦЕМЕНТ ТГЦ 1М" [1, стор. 3], принцип дії якого оснований на вимірюванні теплового потоку за допомогою перетворювача теплового потоку, що розташований у нижній частині реакційної комірки з цементом, що гідратує. Мале значення співвідношення поверхні контакту тепломіра та загальної поверхні вимірювальної комірки в даному калориметрі не забезпечує необхідної точності визначення тепловиділень. Визначення тепловиділень у процесі тужавлення бетонів по ГОСТ 24316 проводиться за допомогою адіабатичного калориметра [2, стор. 2-3]. Однак труднощі забезпечення адіабатичного процесу протягом тривалого часу приводять до значного підвищення похибки на другу та третю добу випробувань. Калориметр з пласкими реакційними камерами [3, с. 583] використовується для дослідження пласких твердих зразків. Застосування пласких реакційних камер дозволяє суттєво покращити співвідношення поверхні камери, яка контактує з термобатареєю, до об'єму та досягти більшої швидкодії. Недоліками цього калориметра є складний доступ до вимірювальної комірки та можливість використання його виключно для твердих зразків. Відомий прилад з двома тепломірами для визначення теплопровідності, який виконаний згідно з ГОСТ 7076-99 (ISO 8301:1991) [4, 5, стор. 15] за симетричною схемою при доповненні його спеціальною кюветою [6, стор. 12-16]. Удосконалення цього приладу привело до розробки приладу ИТ-7 [7, стор. 15-19]. До недоліків цих двох приладів слід віднести порушення контактного опору у процесі застигання зразка бетонної суміші із-за наявності повітря та неможливості проведення синхронного порівняння похідної суміші та суміші з домішками, що дуже суттєво при розробці нових складів бетонних сумішей. В основу винаходу поставлена задача удосконалення приладу шляхом застосування додаткових перетворювачів теплового потоку з перетворювачами температури, кювети з отворами для дослідного матеріалу та облаштування термостатованих блоків обертовим пристроєм, в результаті чого є можливість при проведенні одного досліду виміряти теплопровідність та тепловиділення цементів або бетонних сумішей протягом усього процесу їх гідратації без підвищення похибки на другу й третю добу випробування та проведення синхронного порівняння похідної суміші та суміші з домішками. Поставлена задача вирішується тим, що в приладі для визначення теплофізичних характеристик матеріалів та теплових ефектів, який містить термостатовані блоки, на яких змонтовані теплометричні блоки з встановленими в них перетворювачами температури та теплового потоку, згідно з винаходом, у теплометричні блоки вмонтовані додаткові перетворювачі теплового потоку з перетворювачами температури, між ними розміщено теплоізоляційну вкладку з комірками для дослідного матеріалу, а термостатовані блоки облаштовані обертовим пристроєм, що забезпечує їх обертання на 90°. Додаткові перетворювачі теплового потоку з перетворювачами температури забезпечують необхідну точність вимірювання теплового потоку та температури протягом усього процесу гідратації без підвищення похибки на другу й третю добу випробування та проведення синхронного порівняння похідної суміші та суміші з домішками. Обертовий пристрій, який забезпечує обертання на 90° термостатованих блоків разом з теплометричними блоками та з встановленими в них перетворювачами температури та теплового потоку, між якими розміщено теплоізоляційну вкладку з комірками для дослідного матеріалу, дає можливість забезпечити однорідність зразка бетонної суміші у його середній частині за рахунок витискання повітря, розчиненого у бетонній суміші в процесі її підготовки, у верхню частину вимірювальних комірок. На фіг. 1 показано конструктивну схему приладу (вид збоку, робоче положення), який являє собою сукупність функціонально об'єднаних теплового блока 1 (ТБ), електронного блока 2 (ЕБ) з вбудованим пристроєм термостатування опорних спаїв термопар та комп'ютера 3. В ТБ розміщують зразки дослідного матеріалу та забезпечують необхідний температурний та тепловий режим. ЕБ містить також засоби регулювання теплових режимів, прийому та обробки первинної вимірювальної інформації та передачі її з використанням послідовних інтерфейсів до персонального комп'ютера (ПК) для подальшої обробки за відповідною програмою. На фіг. 2 показано тепловий блок приладу. Основними елементами ТБ є верхній та нижній термостатовані блоки 4, які ідентичні за конструкцією та складаються з електричного нагрівника та радіатора, який являє собою набір плит з профільними ребрами. Відведення теплоти виконується конвективно за рахунок 1 UA 99061 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обдування повітрям за допомогою блоків з шести вентиляторів 5, встановлених у загальному корпусі. Термостатовані блоки 4 оснащені теплометричними блоками 6, кожен з яких являє собою пластину розміром 300×300 мм, що містить п'ять первинних перетворювачів теплового потоку (ПТП) Ø100 мм з вмонтованими перетворювачами температури (ПТ). Як ПТП застосовано виконані за стандартом [8] термоелектричні біметалічні перетворювачі теплового потоку виду допоміжної стінки із вбудованими перетворювачами температури, які є нестандартизованими засобами вимірювання поверхневої густини теплового потоку і температури. Як ПТ, призначених для вимірювання і контролю температури різних елементів установки, застосовано термоелектричні перетворювачі температури (термопари). Температура опорних спаїв термопар стабілізується за допомогою спеціального пристрою термостату опорних спаїв, розміщеному в електронному блоці. Між теплометричними блоками 6 встановлено теплоізоляційну вкладку 7, яку призначено для розміщення дослідних зразків та виконано з низькотеплопровідного (теплоізоляційного) матеріалу для виключення впливу зовнішніх факторів на теплове поле зразків. Теплоізоляційна вкладка 7 за формою і розмірами відповідає теплометричним блокам 6 та являє собою пластину розміром не менше 300×300 мм товщиною не менше 20 мм та містить один отвір або чотири отвори Ø100 мм. У зібраному стані між верхнім та нижнім блоками термостатування утворюється одна або чотири вимірювальні комірки, які призначені для розміщення зразків дослідного матеріалу та забезпечення необхідних теплових й температурних режимів. Використання чотирьох вимірювальних комірок дозволяє проведення синхронного порівняння похідної суміші та суміші з трьома домішками. Проведення дослідження кінцевого складу бетону, тобто бетонної суміші з твердими наповнювачами (гравієм та піском), робиться з використанням однієї вимірювальної комірки товщиною 100-120 мм. Збільшення товщини вимірювальної комірки необхідно для одержання репрезентативного зразка бетону. Блоки термостатування 4 зі встановленою між ними вкладкою 7 та дослідними зразками розміщено у притискному пристрої 8, який являє собою рамну конструкцію на напрямних стійках 9 та призначений для фіксації дослідних зразків і мінімізації контактних опорів між ними та теплометричними блоками у вимірювальних комірках. Це дає можливість виміряти при проведенні одного досліду теплопровідності та тепловиділень цементів або бетонних сумішей протягом усього процесу гідратації без підвищення похибки на другу й третю добу випробування. Зусилля задається за допомогою гвинтового механізму з силовою пружиною. Конструкцію обертають на 90° та встановлюють у робоче положення (вертикальне), закріплюючи у ньому фіксатором 10, як це показано на фіг. 1. Нагрівники верхнього і нижнього блоків термостатування ідентичні за конструкцією і мають форму прямокутника розміром не менше 366×366×20 мм. На фіг. 3 показаний один з, теплометричних блоків 6, до комплекту засобів вимірювання якого входять: центральний первинний перетворювач теплового потоку 11, кутові первинні перетворювачі теплового потоку 12 (введені додатково) і перетворювачі температури 13 (ПТ). Центральний ПТП 11має свою охоронну зону 14, а кутові ПТП - охоронну зону 15. Всі сигнали надходять через потенціалознімні проводи 16. На фіг. 4 показаний переріз вимірювальної комірки 17 з чотирма зразками для одночасного проведення досліджень чотирьох видів бетонних сумішей. На фіг. 5 показаний переріз вимірювальної комірки 18 з одним зразком у теплоізоляційній вкладці 19 для проведення дослідження бетонної суміші одного виду або кінцевого складу бетону. Прилад працює наступним чином: Для проведення дослідження на приладі спочатку виготовляють бетонну суміш складу, що досліджується, у кількості, яка більша на 10 % за необхідну. При проведенні одного досліду є можливість одночасно провести дослідження чотирьох видів бетонних сумішей, при цьому виготовлення та залиття всіх сумішей повинно займати не більше 10 хвилин. Заливають бетонну суміш(і) у вимірювальні комірки 17 теплоізоляційної вкладки 7, як це показано на фіг. 4. Виконують вібрування почергово всіх зразків бетонних сумішей у вимірювальних комірках у тій же послідовності, як проводилось виготовлення. Накривають теплоізоляційну вкладку з вимірювальними комірками верхнім блоком термостатування та затискають всю конструкцію притискним пристроєм. Відтискають фіксатор та повертають всю конструкцію на 90° у робоче положення (фіг. 1), після чого знову затискають фіксатором. Встановлення приладу у робоче положення обертанням на 90° за допомогою обертового пристрою забезпечує однорідність зразка бетонної суміші у його середній частині за 2 UA 99061 C2 5 10 15 20 рахунок витискання повітря, розчиненого у бетонній суміші в процесі її підготовки, у верхню частину вимірювальних комірок. Це дає змогу зменшити похибку вимірювань густини теплового потоку, що проходить через зразок. Вимірювання, при яких середня температура зразка має бути нижчою за кімнатну, проводять при розміщенні ТБ в кліматичній камері або холодильному ларі. При температурних режимах досліджень, близьких до кімнатних, встановлюють блок вентиляторів на нижній теплометричний блок та під'єднують кабель живлення до відповідного роз'єму на задній панелі ЕБ. При розміщенні ТБ в кліматичній камері укладають з'єднувальні кабелі в камеру та закривають її двері. Камеру вмикають та виводять на температурний режим, при якому температура повітря в камері на 15÷30 К нижча за необхідну середню температуру зразка. При проведенні досліду з гідратації в'яжучих матеріалів задається необхідна температура нагрівника та теплостоку від 10 °C до 60 °C з різницею між ними на рівні ∆t=0-10 °C. При проведенні досліджень лише для визначення потужності об'ємного тепловиділення qv встановлюється ∆t=0. При проведенні досліджень для одночасного визначення потужності об'ємного тепловиділення qv та теплопровідності λ при гідратації в'яжучих матеріалів встановлюється ∆t=5-10 °C. При цьому за температуру віднесення приймається середнє значення температури нагрівника та теплостоку. Потужність об'ємного тепловиділення для кожної комірки фіксується для подальшої обробки. Для розрахунку потужності об'ємного тепловиділення qv після закінчення досліду використовується формула: qv  25 q2  q1 h , (1) де q1 і q2 - поверхнева густина теплового потоку, що проходить, відповідно, крізь верхню та 2 нижню робочі поверхні зразка, Вт/м ; h - товщина зразка (у метрах), яка має бути визначена за допомогою електронного штангенциркуля. 3 Значення інтегрального тепловиділення може бути розраховане (в кДж/м ) після закінчення експерименту за формулою:  Q   qv d 0 30 , (2) де Qτ - інтегральне тепловиділення за час т; τ - поточне значення часу, τ0 - значення часу початку тепловиділення. Розрахункова формула теплопровідності має вигляд:  35 40 45 50 q1  q2 h t . (3) Джерела інформації:: 1. ГОСТ 310.5-88 "Цементы. Методы определения теплоты гидратации". 2. ГОСТ 24316-80 "Бетоны. Метод определения тепловыделения при твердении» 3. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: справочник / Л.И. Анатычук. - К.: Наукова Думка, 1979.-768 с. 4. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. 5. ISO 8301:1991 Thermal insulation-Determination of steady-state thermal resistance and related properties-Heat flow meter apparatus (Теплоизоляция. Определение теплового сопротивления и связанных с ним характеристик. Прилад с преобразователями теплового потока). 6. Декуша Л., Воробйов Л., Мендрул А., Кириченко I. Дослідження теплоти гідратації бетонів теплометричним методом // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка, 2009. - № 1 - С. 12-16. 7. Бурова З., Воробйов Л., Декуша Л., Мендрул Г. Визначення тепловиділення та коефіцієнтів теплопровідності у процесі гідратації в'яжучих матеріалів та бетонів на установці ИТ-7 С / Метрологія та прилади, 2010, № 1. - С. 15-19. 8. ДСТУ 3756-98 (ГОСТ 30619-98) Енергозбереження. Перетворювачі теплового потоку термоелектричні загального призначення. Загальні технічні умови. 3 UA 99061 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Прилад для визначення теплофізичних характеристик матеріалів та теплових ефектів, що містить термостатовані блоки, на яких змонтовані теплометричні блоки з встановленими в них перетворювачами температури та теплового потоку, який відрізняється тим, що у теплометричні блоки вмонтовані додаткові перетворювачі теплового потоку з перетворювачами температури, між ними розміщено теплоізоляційну вкладку з комірками для дослідного матеріалу, а термостатовані блоки облаштовані обертовим пристроєм із забезпеченням їх обертання на 90°. 4 UA 99061 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5