Дипломная работа: Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов

Целью работы является выявление зависимости теплопроводности от относительной влажности минеральной ваты. Как показывают исследования других авторов, изучающих теплопроводность строительных материалов, влажность значительно влияет на теплопроводность. Причиной этого является то, что в процессе увлажнения материала воздух в поровом пространстве замещается водой, теплопроводность которой значительно больше теплопроводности воздуха. Так, при температуре +25 ⁰С теплопроводность воздуха равна 0,0261 Вт/(м*°С), воды -- 0,608 Вт/(м*°С).

2.2 Методика испытаний

Для определения теплопроводности воспользуемся измерителем теплопроводности ИТС-1 “150”. Принцип действия прибора основан на определении теплопроводности и термического сопротивления широкого спектра строительных и теплоизоляционных материалов методом стационарного теплового потока по ГОСТ 7076-99 “Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме” [13] и по ГОСТ 30256 “Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом” [14].

Для определения теплопроводности необходимо заготовить образцы, которые представляют собой параллелепипеды с линейными размерами 150х150 мм и толщиной 5-25 мм. Для определения геометрических размеров и толщины в ГОСТ 17177-94 “Материалы и изделия строительные. Метод испытаний” [15] указаны следующие методики.

Для определения линейных размеров образца применяют линейку металлическую по ГОСТ 427-75 “Линейки измерительные металлические. Технические условия” [16]. Длину и ширину плиты, блока, мата измеряют в трех местах: на расстоянии мм от каждого края и посередине изделия.

Для определения толщины в ГОСТ 17177-94 указан метод с применением толщинометра (рисунок 2.2). Масса основания 6 с корпусом 5 толщиномера должна создавать удельную нагрузку Па, если в нормативных документах на продукцию конкретного вида не указана другая нагрузка.

Рисунок 2.2 - Толщинометр: 1 - ручка; 2 - втулка; 3 - зажимной винт; 4 - вставка; 5 - корпус; 6 - основание; 7 - крепежный винт; 8 - игла; 9 - табличка; 10 - крепежный винт; 11 - шкала; 12 - стекло

Для проведения измерения толщиномер устанавливают на поверхности изделия, помещенного на столе. Затем винтом 3 освобождают вставку 4 толщиномера, левой рукой придерживают корпус 5, а правой - ручку 1. Нажимая правой рукой на ручку 1, опускают вниз вставку 4 с иглой 8, при этом игла 8 вертикально прокалывает изделие до упора о поверхность стола. После этого левой рукой плавно опускают корпус толщиномера с основанием на изделие. Через 5 мин (если в нормативных документах на продукцию конкретного вида не указано другое время) по шкале 11 при помощи указателя на стекле 12 отсчитывают толщину изделия.

В матах измеряют толщину в четырех углах на расстоянии мм от смежных краев, затем через каждый метр длины мата в трех местах по ширине: в двух местах на расстоянии мм от краев и один раз по средней линии.

При отсутствии толщинометра и небольших геометрических размерах образца воспользуемся методом, основанным на конструктивных особенностях прибора ИТС-1 “150”. Суть метода в определении разности высоты положения прижимной плиты прибора без образца и с образцом схема опыта приведена на рисунок 2.3.

Рисунок 2.3. Определение толщины образца из минеральной ваты: 1 - корпус прибора ИТС-1 “150”; 2 - прижимная плита прибора ИТС-1 “150”; 3-образец из минеральной ваты

Определяем высоту h₁ от вершней кромки прибора до прижимной плиты при помощи штангенциркуля без образца, затем высоту h₂ c размещенным под прижимной плитой образцом. Разница высот h₁- h₂ и будет толщиной образца h.

Для определения влажности в ГОСТ 17177-94 указана следующая методика.

Средства контроля:

- электрошкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева до и автоматическое регулирование температуры с пределом допускаемой погрешности ;

- весы, имеющие предел допускаемой погрешности взвешивания г;

- стаканчики стеклянные типа СВ или СН по ГОСТ 25336-82 “Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры” [17] или тигли по ГОСТ 9147-80 “Посуда и оборудование лабораторные фарфоровые. Технические условия” [18];

- эксикатор по ГОСТ 25336-82;

- кальций хлористый плавленый.

Порядок проведения испытания: пробу массой г помещают в предварительно высушенный и взвешенный стаканчик или тигель и высушивают в сушильном электрошкафу до постоянной массы.

После высушивания перед каждым повторным взвешиванием стаканчик или тигель с пробой охлаждают в эксикаторе над хлористым кальцием.

Влажность органических ячеистых изделий определяют на образцах. Образцы высушивают и охлаждают в эксикаторе над хлористым кальцием.

Обработка результатов: влажность W в процентах вычисляют по формуле:

где - масса стаканчика или тигля с пробой до высушивания, г;

- масса стаканчика или тигля с пробой, высушенной до постоянной массы, г;

- масса стаканчика или тигля, г.

Влажность органических ячеистых изделий вычисляют по формуле

где - масса образца до сушки, г

- масса образца после сушки, г.

Результат вычисления округляют до 0,1 %.

Для определения относительной влажности образца данный метод будет модернизирован, его описание указано в разделе планирование эксперимента.

2.3 Планирование эксперимента

2.3.1 Цель эксперимента

Основной целью эксперимента является выявление зависимости теплопроводности образцов, изготовленных из каменной ваты на основе базальтовых пород фирмы ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® от их относительной влажности, определение зависимости на основе ряда опытов с различной влажностью.

2.3.2 Задачи эксперимента

Основные задачи эксперимента:

- подготовка образцов из теплоизоляционных плит, изготовленных из каменной ваты на основе базальтовых пород;

- определение массы полностью сухих образцов;

- определение теплопроводности сухих образцов;

- увлажнение образцов до заданной влажности;

- определение массы влажных образцов с последующим определением их относительной влажности;

- определение теплопроводности увлажненных до определенной влажности образцов;

- установление зависимости теплопроводности образцов от их относительной влажности.

2.3.3 Нормативная база

Нормативной базой проводимых экспериментов является ГОСТ 17177-94, в котором указаны методики подготовки экспериментальных образцов, определение их геометрических размеров, массы, влажности. Кроме того, методики определения теплопроводности и термического сопротивления широкого спектра строительных и теплоизоляционных материалов методом стационарного теплового потока указан в ГОСТ 7076-99 и ГОСТ 30256. На основе этих методик работает прибор для определения теплопроводности ИТС-1 “150”.

2.3.4 Экспериментальное оборудование

Основное экспериментальное оборудование:

1. Линейка металлическая ГОСТ 427-75;

2. Штангенциркуль ГОСТ 166-89 [19];

3. Весы ГОСТ Р 53228-2008 [20];

4. Железные ножницы;

5. Нож с длинным лезвием;

6. Распылитель;

7. Пакеты зиплок с контролем вскрытия;

8. Измеритель теплопроводности ИТС-1 “150”.

2.3.5 Описание экспериментальных образцов

Все экспериментальные образцы представляют собой параллелепипеды размерами 150х150 мм и толщиной 5-25 мм, вырезанные из мата каменной ваты на основе базальтовых пород ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® ТУ 5762-004-45757203-99 “Минераловатные плиты Лайт Баттс” (рисунок 2.4). Образцы имеют правильную геометрическую форму, однородную структуру, на них отсутствуют загрязнения и посторонние включения. Образцы хорошо просушены.

Рисунок 2.4. Этикетка матов их минеральной ваты

2.3.6 Последовательность действий

Подготовка экспериментального образца: Из мата минеральной ваты на основе базальтовых пород ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® ТУ 5762-004-45757203-99 при помощи железных ножниц и металлической линейки вырезаются образцы с размерами 150х150 мм. Так как толщина мата 50 мм, а толщина образца не должна превышать 25 мм, получившийся образец при помощи ножа с длинным лезвием разрезается вдоль на две равные половины. После получившиеся образцы просушиваются (в нашем случае, на радиаторе системы отопления) не менее 24 часов.

Для определения массы образца воспользуемся автоматическими весами по ГОСТ Р 53228-2008. Готовый и полностью просушенный образец размещается на одной из чаш весов, после чего при помощи разновесов достигается положение равновесия чаш. Сумма разновесов будет соответствовать массе образца.

Теплопроводность образцов определяется при помощи прибора ИТС-1 “150”. Для каждого образца измерение провести не менее трех раз для определения погрешности измерения.

Принцип действия прибора основан на создании проходящего через исследуемый плоский образец стационарного теплового потока. По величине этого теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность образца л по формуле:

где d - толщина образца, мм;

q - плотность теплового потока, проходящего через образец, Вт/мІ;

ДT- разность температур между противоположными гранями образца, К.

Тепловое сопротивление R образца вычисляется по формуле:

Исследуемый образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда, лицевые грани которого - квадрат с размерами 150Ч150 мм. Толщина образца должна находиться в пределах 10…25 мм.

Планируемым результатом эксперимента является выявление некой зависимости теплопроводности образцов с одинаковой плотностью от размеров ячеек этих образцов, а также выявление зависимости теплопроводности от истинной плотности. В ходе эксперимента будет определена марка каждого образца, исходя из его плотности.

Увлажнение и определение относительной влажности образцов. После определения теплопроводности сухих образцов необходимо их увлажнить до определенной влажности. При помощи распылителя равномерно смачиваются водой все поверхности образцов, после чего они упаковываются в полиэтиленовые пакеты типа “зиплок” с контролем вскрытия и укладываются на источник тепловой энергии (радиатор системы отопления) на 24 часа. Вследствие герметично закрытого контура пакета и теплового потока вода, испаряясь, пропитывает равномерно весь образец.

Непосредственно перед началом определения теплопроводности увлажненного образца он извлекается из пакета типа “зиплок”, взвешивается на весах и определяется его относительная влажность по формуле 2.5:

где т_вл - масса влажного образца, г,

т_сух - масса сухого образца, г.

После определения теплопроводности влажного образца он снова увлажняется до требуемого значения и укладывается в пакет типа “зиплок” для повторного определения теплопроводности. Теплопроводность определяется не менее трех раз для каждого образца с измерением влажности перед каждым опытом.

Планируемым результатом экспериментов является выявление некой зависимости теплопроводности образцов из минеральной ваты от их относительной влажности.

2.4 Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд (рисунок 2.5) состоит из прибора для определения теплопроводности ИТС-1 “150”, металлической линейки и штангенциркуля для определения геометрических размеров образцов, электронных весов для определения массы сухого и увлажненного образцов, распылителя воды и полиэтиленовых пакетов типа “зиплок” с контролем вскрытия для увлажнения образцов до заданной температуры.

Рисунок 2.5 - Экспериментальный стенд

Схемы и порядок выполнения экспериментов по выявлению зависимости теплопроводности от относительной влажности образцов из минеральной ваты:

1. На рисунке 2.6 показан метод определения линейных размеров при помощи металлической линейки ГОСТ 427-75.

Рисунок 2.6 - Определение линейных размеров образцов

2. Определение толщины образца при помощи конструктивной особенности прибора ИТС-1 и штангенциркуля ГОСТ 166-89 показано на рисунке. Сначала определяется высота от верхнего края прибора до прижимной плиты без образца, а затем с образцом. Разница высот и будет толщиной образца. Определение толщины образца (рисунок 2. 7) необходимо для определения теплопроводности образца.

Рисунок2.7 - Определение толщины образца

3. На рисунке показан способ определения массы образца из каменной ваты при помощи электронных весов ГОСТ Р 53228-2008.

Рисунок 2.8 - Определение массы образца из минеральной ваты

4. На рисунке 2.9 изображен способ увлажнения образцов из каменной ваты до определенной влажности. Сначала образец при помощи распылителя воды увлажняют равномерно со всех сторон, после чего убирают в герметичный пакет типа “зиплок” с контролем вскрытия. Влага благодаря герметичности пакета равномерно распределяется по образцу, для улучшения процесса образец необходимо разместить на радиаторе.