Способ определения теплофизических свойств объектов

Введение. Одной из существующих проблем настоящего времени в повышении энергоэффективности является применение простых и надёжных способов (методов) определения потерь теплоты через ограждающие конструкции объекта в окружающую среду и анализ теплофизических свойств (ТФС) – коэффициент теплопередачи, сопротивление теплопередаче и удельной тепловой характеристики, которые влияют существенным образом на тепловой режим. В настоящее время существуют различные методы и устройства по определению ТФС (коэффициента теплопередачи и сопротивления теплопередаче) исследуемого объекта [1–16, 24–31].

Методы, используемые для определения ТФС объектов, делят на три основных вида: нестационарные, стационарные и комплексные [32, 33]. Нестационарные методы по определению ТФС объекта являются наиболее перспективными, за счёт простоты, небольшого времени проведения исследования и т. п. При определении ТФС, в отличие от стационарных, они требуют меньших затрат времени и тепловой энергии. Из вышеперечисленных ведущее место занимают ТМНК (температурные методы неразрушающего контроля). ТМНК имеют широкий функционал возможностей, высокую результативность, достоверность. Комплексные методы позволяют определять ТФС объекта в широком интервале температур. При проведении экспериментов комплексные методы позволяют получить более полную информацию о теплофизических свойствах исследуемого объекта.

В то же время, существующие методы имеют ограничения, к которым можно отнести: сложные уравнения для расчёта теплофизических свойств; сложность определения реальных граничных условий в процессе исследования; большую длительность процедуры определения ТФС (не менее двух суток); возможное начало экспериментов только после достижения стационарного режима и другие.

Основная часть. Существующие способы определения сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи устанавливают данные коэффициенты только определённого участка исследуемой конструкции, для того чтобы определить данные теплофизические свойства всего объекта в целом, потребуется большое количество времени. Затраты времени существенным образом влияют на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования также необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования, что как следствие, определяет высокую энергоёмкость проводимого исследования.

Анализ существующих методов определения ТФС исследуемого объекта показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК с использованием современных средств управления и обработки информации за более короткий промежуток времени – нестационарным способом. В литературе [17–31] отмечается, что нестационарные способы определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты и сокращения времени проведения исследования. Основываясь на проведённом анализе, был разработан алгоритм для энергоэффективного исследования ТФС объекта МНК представленный на рис. 1.

Блок-схема алгоритма содержит 16 блоков. В 1 определяются значения, требующиеся для даль- нейшего проведения исследования по определению ТФС, а именно, мощность источника теплоснабжения, общая площадь исследуемого объекта по внешнему обмеру, объём исследуемого объекта по внешнему обмеру, поддерживаемая температура внутри исследуемого объекта во время проведения исследования, диапазон изменения темпера-

Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения ТФС объекта

туры внутри исследуемого объекта, время проведения исследования, время задержки до момента включения установки. В 2 происходит запуск таймера отсчёта времени проведения исследования. В 3 происходит проверка условия «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования», при выполнении условия управление передаётся блоку 4, в котором производится включение подачи теплоснабжения на разогрев исследуемого объекта; далее в 5 производится регистрация окружающей температуры вне исследуемого объекта. Затем в 6 производится запуск подсчёта времени работы установки в активном режиме. Блок 7 осуществляет анализ условия «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования»; при выполнении условия в 8 осуществляется проверка условия «текущая температура внутри объекта больше или равна заданной температуре с заданным диапазоном поддержания температуры»; если условие не выполняется, происходит возврат в 6, при выполнении условия в 9 производится остановка подачи теплоснабжения; в 10 производится запись значения окружающей температуры вне исследуемого объекта, далее в 11 производится подсчёт работы установки в активном режиме в течение заданного времени. В 12 производится проверка условия «время проведения исследования больше или равно заданному времени проведения исследования»; если условие выполняется, в 13 проверяется условие «текущая температура внутри исследуемого объекта меньше или равна заданной температуре»; при выполнении возврат в 4, иначе переход в блок 14, где производится завершение подсчёта време- ни работы установки в активном режиме. В 15 регистрируется температура вне исследуемого объекта, в 16 расчёт значений ТФС (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередаче и удельной тепловой характеристики) исследуемого объекта в целом.

На рис. 2 представлена блок-схема разработанной авторами [23] переносной автоматизированной установки для определения ТФС исследуемого объекта.

Приведем описание работы установки. Перед началом проведения исследования по определению ТФС объекта устанавливают датчики температуры 3 и 4 по внутреннему и внешнему периметру объекта на равноудаленном расстоянии друг от друга. Определяют значения, необходимые для дальнейшего проведения исследования, а именно: мощность источника теплоснабжения Рист, общую площадь исследуемого объекта Sобщ по внешнему обмеру, объём V исследуемого объекта по внешнему обмеру, время проведения исследования t, заданную температуру Tв и интервал температуры ∆Тв. После достижения температуры Тв программируемым реле 1 фиксируется время активной работы источника теплоснабжения 2 в течение всего времени проведения исследования. С датчиков через установленный интервал времени снимаются показания температуры окружающей среды. По окончанию эксперимента производится расчет искомых коэффициентов исследуемого объекта (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередаче и удельной тепловой характеристики) по следующим формулам [22, 23]:

Определяют среднюю окружающую температуру за время исследования:

Рис. 2. Блок-схема переносной автоматизированной установки для определения ТФС объекта

окр i

T окр =

n

где Токрi – температура окружающей среды в i-й момент исследования; n – количество снятых показаний Токрi во время исследования.

Определяем среднюю расходуемую мощность необходимую для поддержания установленной температуры за время эксперимента:

tраб рас уст ,                                          ( )

tпод где P – номинальная мощность источника теп-уст лоснабжения, tраб – время активной работы источника теплоснабжения, tпод – заданное время поддержания установленной температуры Тв.

Определяют коэффициент теплопередачи объекта в целом Вт/(м2∙ °C):

р к=--------р .(3)

общ ( вокр

Определяют сопротивление теплопередаче всего объекта (м2∙ °C)/Вт):

R = 1.(4)

k

Из литературных источников известно соотношение [21]:

q0 VT - Токр ) = Ррас,(5)

согласно которому определяют удельную тепловую характеристику объекта – q ₀ , Вт/(м³∙ °C)).

Были проведены исследования по апробации данной установки с предустановленным в неё алгоритмом действий [22, 23] на модели объекта.

Используя экспериментальные данные, были определены q _{0 эксп} = 33,45 Вт/(м³∙°С) и k _эксп = 2,48 Вт/(м²∙°С).

Расходуемая мощность, требуемая для поддержания температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха, определяется по формуле (3) и (5). Были проведены исследования по определению ТФС (коэффициента теплопередачи и удельной тепловой характеристики объекта) при изменении окружающей температуры. Эксперимент проводился при различных температурах окружающего воздуха 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 °С. Также проводился расчёт сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи исследуемого объекта [23].

Расчётное сопротивление теплопередаче для исследуемого объекта определялось согласно зависимости:

Rp асч = — +^Г + , (6) а В X i а Н где а В - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, аН - ко- эффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Xi - теплопроводность i-го слоя ограждающей конструкции, 5i - толщина i-го слоя ограждающей конструкции.

а В = 7 , 6 Вт/(м²-°С), а _Н = 6 Вт/(м^х°С), X i = 0 , 12 Вт/(м-°С), X i = 0 , 0 , 0698 Вт/(м-°С), 5 i =0,010 м, 5 i =0,002 м.

-°⁰⁰²- + ¹ = 0 , 4170 (м²^°С)/ Вт. 0 , 0698 6

Расчётный коэффициент теплопередачи вычисляется из формулы (3).

к_тс ч =-----==-------= 2 , 40 . Вт/(м²^°С).

^расч R расч     0 , 4170

В таблице представлены значения коэффициента теплопередачи и удельной тепловой характеристики.

Значения коэффициента теплопередачи и удельной тепловой характеристики, полученные расчётным путём и экспериментально

T окр , °С	k эксп , (м2∙°С)/ Вт	k расч , м2∙°С)/Вт	q 0расч , Вт/(м3∙°С)	q 0эксп , Вт/(м3∙°С)
6	2,492	2,40	32,43	33,442
7	2,466			33,463
8	2,494			33,445
9	2,468			33,458
10	2,491			33,436
11	2,493			33,461
12	2,469			33,447

На рис. 3 приведена графическая иллюстрация соотношения коэффициентов теплопередачи, полученных экспериментальным и расчетным путем.

На рис. 4 приведены аналогичные зависимости для удельных тепловых характеристик.

Анализ результатов проведённых исследований позволяет сделать вывод о применимости предложенной переносной автоматизированной установки для определения ТФС объектов.

Выводы

На основании экспериментальных исследований, разработанная установка для определения ТФС объекта по сравнению с известными прототипами позволяет определить коэффициент теплопередачи, сопротивление теплопередаче и удельную тепловую характеристику всего исследуемого объекта в целом, с учетом всех неоднородностей строительных конструкций. По сравнению с известными аналогами разработанная установка с предустановленным алгоритмом работы даёт возможность уменьшить длительность проведения эксперимента, повысить мобильность при прове-

Рис. 3. Графическая иллюстрация соотношения коэффициентов теплопередачи, полученных экспериментальным и расчетным путем

Рис. 4. Соотношение удельных тепловых характеристик, полученных экспериментальным и расчетным путем

дении исследований различных объектов, а оптимизация оборудования используемого для определения ТФС, способствует упрощению конструкции по сравнению с существующими аналогами.