određivanje toplinskih svojstava građevnih materijala neven ukrainczyk

Zavod za anorg. kem. tehn. i nemetaleZavod za anorg. kem. tehn. i nemetaleFakultet kemijskog inženjerstva i tehnologijeFakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije

Sveučilište u ZagrebuSveučilište u Zagrebu

Određivanje toplinskih Određivanje toplinskih svojstava građevnih svojstava građevnih

materijalamaterijala

NevenNeven UkrainczykUkrainczyk

ZAGREBAČKI ENERGETSKI TJEDAN 2010ZAGREBAČKI ENERGETSKI TJEDAN 2010

Toplinska svojstvaToplinska svojstva primjena materijalaprimjena materijala

prijenos topline prijenos topline (proračuni)(proračuni)

ušteda energijeušteda energije Kontrola kvaliteteKontrola kvalitete

QQ

p

ac

2W/mK , m /sa

heterogeni i višefazni materijali (heterogeni i višefazni materijali ( ll, , ss, , vv):): Mehanizmi prijenosa toplineMehanizmi prijenosa topline

KondukcijaKondukcija KonvekcijaKonvekcija RadiacijaRadiacija Prijenos latentne topline Prijenos latentne topline

Praktično - Praktično - model kondukcijemodel kondukcije

• PrividniPrividni (efektivni) parametri (efektivni) parametri λλ, a, a

Prijenos toplinePrijenos topline

METODEMETODE

Metode u ustaljenom stanju (statičke)Metode u ustaljenom stanju (statičke) Prednost: jednostavni modelPrednost: jednostavni model NedostatakNedostatak

• dugo vrijeme mjerenja, transport vode dugo vrijeme mjerenja, transport vode

Dinamičke metode Dinamičke metode

Radijalni ili aksijalni 1D tok toplineRadijalni ili aksijalni 1D tok topline Metoda vruće žice, ploče, sonde...Metoda vruće žice, ploče, sonde...

TT(x,y,z,) = Konst.(x,y,z,) = Konst.

TT(x,y,z,) = (x,y,z,) = ff((tt))

1. Metoda vruće žice1. Metoda vruće žice

Tri osnovne izvedbe metode vruće žice: Tri osnovne izvedbe metode vruće žice: paralelna (mjerna nesigurnost>4%)paralelna (mjerna nesigurnost>4%) poprečna žicapoprečna žica otpornička žica (mjerna nesigurnost~2%)otpornička žica (mjerna nesigurnost~2%)

1. Izvedba s paralelnom žicom1. Izvedba s paralelnom žicom

1. Izvedba s poprečnom žicom1. Izvedba s poprečnom žicom

1. Izvedba s otporničkom žicom1. Izvedba s otporničkom žicom

1. Model vruće žice1. Model vruće žice Idealni linearni izvor topline: Idealni linearni izvor topline:

l l →→ ∞∞ mm →→ 0 0

Porast temperature:Porast temperature:

2

4 4i

P rT t E

at

2 3 4

( ) ln .....2! 3! 4!i

z z zE z z z

1. Eksperimentalni postav1. Eksperimentalni postav

2r2r = 76 = 76 μμmml l = 176.0 mm= 176.0 mm22RR = 51 mm = 51 mm

1. Reprezentativni odziv1. Reprezentativni odziv

t<0.5s Realna žica - konačne duljine, mase i cp

t<120 s Konačne dimenzije ispitivanog uzorka-Rubni uvjet plašta uzorka utječe na temp. žice

1. Procjene toplinske vodljivosti1. Procjene toplinske vodljivosti

1. Linearna metoda1. Linearna metoda

2

4, ln ln

4

q aT r t t

e r

2 3 4

( ) ln .....2! 3! 4!i

z z zE z z z

2. Metoda sonde2. Metoda sonde Dva tipa:Dva tipa:

prodiru u materijal (npr. praškasti ili kapljeviti prodiru u materijal (npr. praškasti ili kapljeviti materijali)materijali)

na površini (kruti materijali)na površini (kruti materijali)

PrednostiPrednosti Terenska ispitivanja (realni uvjeti)Terenska ispitivanja (realni uvjeti)

NedostaciNedostaci Utjecaj sonde (složeni model)Utjecaj sonde (složeni model) Prijelazni otporPrijelazni otpor KalibracijaKalibracija Točnost > 5 %Točnost > 5 %

d

ls

ds

ws

d

ls

ds

ws

2. Metoda sonde2. Metoda sonde

wsws – mjerna zona – mjerna zonalsls – aktivna duljina sonde – aktivna duljina sondeФd Фd – promjer sonde – promjer sonde ФsФs – promjer uzorka – promjer uzorka

d

ls

ds

ws

d

ls

ds

ws

Uvjeti modela Uvjeti modela 1D:1D: ls > 100ls > 100 dd

ws > 1.5ws > 1.5 lslsOkolina:Okolina: ds > 20 dds > 20 d

3. Metoda vruće ploče:3. Metoda vruće ploče:ustaljeno stanjeustaljeno stanje

Zaštićena vruća ploča Zaštićena vruća ploča (eng. (eng. guarded hot plateguarded hot plate)) Točnost 2-3 %Točnost 2-3 % suhi homogeni uzorcisuhi homogeni uzorci

~ 0,5 x 0,5 m~ 0,5 x 0,5 m ustaljeno stanje!ustaljeno stanje!

Dugotrajno, transport vlageDugotrajno, transport vlage

3. Metoda vruće ploče: 3. Metoda vruće ploče: ustaljeno stanjeustaljeno stanje

Q x

A T

4. Impulsna pobuda4. Impulsna pobuda

mt

ha

2

2

2 2 e m m

Q h

T t

4. Temperaturno polje u uzorku4. Temperaturno polje u uzorku

Specimen

Heat source

q =H(T0 – Ts)

H = 0

H 0

Specimen

Heat source

q =H(T0 – Ts)

H = 0

H 0

Uzorak

GRIJAČ

0( )Sq T T

4. Temperaturni odziv4. Temperaturni odziv

4. Reprezentativni temperaturni 4. Reprezentativni temperaturni odzivodziv

Reprezentativni temperaturni odzivReprezentativni temperaturni odziv Početni dio odziva: kontaktni otpor, cp, masa Početni dio odziva: kontaktni otpor, cp, masa

grijaćagrijaća Realna pobuda (kašnjenje u isporučivanju Realna pobuda (kašnjenje u isporučivanju

snage grijanja)snage grijanja) Gubitak topline kroz izvode za napajanje Gubitak topline kroz izvode za napajanje

grijačagrijača Konačne dimenzije uzorka (gubici u okolinu)Konačne dimenzije uzorka (gubici u okolinu)

4. Impulsna pobuda4. Impulsna pobudaw

l

h

w

l

w

l

h

Heterogeni materijali:Heterogeni materijali:h h > 10 dim. karakter. Heterogenosti> 10 dim. karakter. Heterogenosti

Uklanjanje utjecaja okoline:Uklanjanje utjecaja okoline: ww > 5 > 5 hh h alfa h alfa // λ < 0.1λ < 0.1

Beskonačni uzorak u smjeru Beskonačni uzorak u smjeru Q:Q:l > 1.4l > 1.4 hh

Dirac toplinski impuls:Dirac toplinski impuls:ttmm > 10 > 10 tt00

5. Skokovita pobuda: Gusstafson5. Skokovita pobuda: Gusstafson

PrednostiPrednosti mali i tanki uzorci (filmovi)mali i tanki uzorci (filmovi) aa[m[m22/s]/s] i i λλ[W/mK][W/mK] mj. nesig. mj. nesig. λλ 2-5%, a 2-5%, a 5-10%5-10%

• bez nesigurnosti bez nesigurnosti h h (grijač – temp. osjetilo)(grijač – temp. osjetilo)

NedostaciNedostaci Složena analiza (model)Složena analiza (model)

5. Gusstafson5. Gusstafson

R

Rs

w

R

Rs

w

RsRs – – promjer grijačapromjer grijačaR R – – promjer uzorkapromjer uzorkaww – – debljina uzorkadebljina uzorka

ttmaxmax- trajanje grijanja- trajanje grijanja

Uvjet beskonačnosti uzorka:Uvjet beskonačnosti uzorka:

max5R Rs at

max5.2 atw

5. Gusstafson5. Gusstafson bifilarno motani grijačbifilarno motani grijač Model: aproksimacija s Model: aproksimacija s mm koncentričnih grijača, koncentričnih grijača,

m m > 10> 10

6. Mjerenje toplinske difuzivnosti, 6. Mjerenje toplinske difuzivnosti, a a [m[m22/s]/s]

pri nagloj promjeni temperature stijenke materijalapri nagloj promjeni temperature stijenke materijalapraćen temperaturni odziv u osi valjkastog uzorka praćen temperaturni odziv u osi valjkastog uzorka

6. Mjerenje 6. Mjerenje aa materijala materijala

6. 1D model 6. 1D model

0( , 0) , pocetni uvjet

( , ) , rubni uvjet

( 0, ) 0, simetrija

R

T r t T

T r R t T

Tr t

r

01

( ) exp ( )n nn

t A B a t t

Idealna skokovita pobuda

Analitičko rješenje:

6. Toplinska difuzivnost6. Toplinska difuzivnost Primjer procjene toplinske difuzivnosti materijalaPrimjer procjene toplinske difuzivnosti materijala

Unaprijeđena metoda određivanja Unaprijeđena metoda određivanja aa poroznih materijalaporoznih materijala utjecaj kalupautjecaj kalupa mjeri se i temp. ruba materijalamjeri se i temp. ruba materijala numerička obrada rezultata numerička obrada rezultata

• Rješavanje PDJ Rješavanje PDJ

• LM algoritam optimiranjaLM algoritam optimiranja

6. Mjerenje 6. Mjerenje aa poroznihporoznih materijala materijala

6. Izrađen rač. program s 6. Izrađen rač. program s GUIGUI

6. Primjer rezultata procjene 6. Primjer rezultata procjene aa

1-6. Vrednovanje metoda1-6. Vrednovanje metoda-> referentni materijali-> referentni materijali

NIST SRMNIST SRM Pyrex 7740Pyrex 7740, , Pyroceram 9606Pyroceram 9606 PMM (plexiglass) =f(ro)~0,190W/mKPMM (plexiglass) =f(ro)~0,190W/mK

Glicerol (higroskopan!)Glicerol (higroskopan!) ~ Stiropor~ Stiropor Gelirana vodaGelirana voda (Agar gel 0.7%) (Agar gel 0.7%)

Spriječena prirodna konvekcijaSpriječena prirodna konvekcija Quartz (Ottawa) sandQuartz (Ottawa) sand

Sferična zrna 600 um – 850 umSferična zrna 600 um – 850 um

Rezultati vrednovanja eksp. Rezultati vrednovanja eksp. metodametoda

7. Ukupni koeficijent prolaza topline7. Ukupni koeficijent prolaza toplineUU-vrijednost [W/m-vrijednost [W/m22K]K]

Serijski vezani otporiSerijski vezani otpori kondukcija, konvekcija i radijacijakondukcija, konvekcija i radijacija

ZAKLJUČAKZAKLJUČAK Metode u ustaljenom stanju (statičke)Metode u ustaljenom stanju (statičke)

Prednost: jednostavni modelPrednost: jednostavni model NedostatakNedostatak

• dugo vrijeme mjerenja, transport vode dugo vrijeme mjerenja, transport vode

Dinamičke metode Dinamičke metode Grijač/temp. osjetilo -> bolja mj. nesig.Grijač/temp. osjetilo -> bolja mj. nesig.

Radijalni ili aksijalni 1D tok toplineRadijalni ili aksijalni 1D tok topline

Metoda vruće žice, ploče, sonde...Metoda vruće žice, ploče, sonde...

ZAKLJUČAKZAKLJUČAK

Uklanjanje sustavnih pogrešaka:Uklanjanje sustavnih pogrešaka: Reprezentativni temperaturni odziv Reprezentativni temperaturni odziv kritični odabir eksperimentalnog postavakritični odabir eksperimentalnog postava

• Dimenzije (uzorka, osjetila,...), Dimenzije (uzorka, osjetila,...), tt, snaga,... , snaga,... približni model vs. realni sustavpribližni model vs. realni sustav

• Neidealnost grijača (Neidealnost grijača (xx, , m, cm, cpp))

• Konačne dimenzije uzorkaKonačne dimenzije uzorka• kontaktni otporkontaktni otpor• stvarna snaga grijača (gubici)stvarna snaga grijača (gubici)

HVALA NA POZORNOSTI!HVALA NA POZORNOSTI!