Ważną dziedziną zastosowań chłodnictwa jest budowa i eksploatacja komór do symulacji warunków środowiskowych – wilgotności i temperatury powietrza, obecności innych gazów oraz zanieczyszczeń i czynników sprzyjających korozji. Szczególnym badaniom z racji odpowiedzialności poddaje się materiały budowlane takie jak np. kruszywa, beton i wyroby z betonu, gdyż muszą one spełniać określone parametry wytrzymałościowe i eksploatacyjne w zmieniających się warunkach klimatycznych przez wiele lat.

Wśród wielu rodzajów prób jakie trzeba wykonać przed użyciem tego typu materiałów eksponowane miejsce zajmuje badanie mrozoodporności [1]. Ogólnie badanie to polega na poddaniu materiału wielokrotnym naprzemiennym cyklom obniżania i podwyższania temperatury, często w obecności środków odladzających, i okresowemu sprawdzaniu stanu materiału pod kątem odporności mechanicznej.

Na rysunku 1 przedstawiono przekrój próbki do badań (betonowa kostka brukowa) z zastosowaniem mieszaniny zamrażającej wg normy [7]. Rysunek 2 ilustruje charakterystyczny przebieg temperatury w określonym miejscu próbki w ciągu doby, który musi być uzyskany w zamrażarce, aby spełnić wymagania normatywne. Czas trwania badań zależy od stosowanej normy i zazwyczaj obejmuje od 28 do 56 takich cykli (4 do 8 tygodni). W trakcie badań sukcesywnie uzupełnia się mieszaninę zamrażającą na powierzchni próbki oraz mierzy ilość złuszczonego materiału.

Rys. 1. Przekrój próbki betonu do badań wg PN-EN 1338:2005

Rys. 2. Przebieg wartości granicznych i średnich temperatury w mieszaninie zamrażającej (3% roztwór NaCl w wodzie pitnej) na środku powierzchni próbki betonu w ciągu doby wg wymagań PN-EN 1338:2005

W niniejszym artykule podjęto próbę sformułowania w miarę prostego modelu dynamiki normatywnej próbki, który pozwoliłby na analizę procesów przekazywania ciepła i był pomocny w projektowaniu energooszczędnych urządzeń do prowadzenia badań mrozoodporności – zamrażarek z funkcją grzania. Model dynamiki obiektu, będącego przedmiotem obróbki cieplnej, w połączeniu z modelem urządzenia może także ułatwić analizę działania i projektowanie systemu regulacji wydajności chłodniczej i grzewczej urządzenia.

Model obliczeniowy badanej próbki dla stanu nieustalonego (...)

Obliczenia symulacyjne pola temperatury w próbce badawczej (...)

Podsumowanie

„„ - Zaproponowany model umożliwia przeprowadzenie obliczeń dla różnych próbek i innych przebiegów temperatury w czasie, a także analizy wpływu różnych parametrów na wyniki obliczeń. n Istotny wpływ na przebieg temperatury w mieszaninie zamrażającej ma fakt, że w przekazywaniu ciepła do powietrza owiewającego próbkę pośredniczy pozioma warstwa powietrza zamknięta pomiędzy folią a lustrem mieszaniny, stanowiąc duży opór cieplny.

- Znając przebiegi temperatury w czasie łatwo wyznaczyć chwilowe strumienie ciepła przekazywane od próbek do powietrza w komorze badawczej, co może być pomocne przy określaniu niezbędnych wydajności chłodniczych i grzewczych projektowanych urządzeń.

„„ - Analizując wyniki obliczeń stwierdzono, że po jednym cyklu dobowym temperatury, w próbce nie powtarzają się choć wartości temperaturY roztworu mieszczą się w normatywnych granicach. Dopiero po drugim cyklu można uznać pole za ustalone w sensie powtarzalności przebiegów.

„„ - Model obliczeniowy jest nieliniowy i łatwo wprowadzić dalsze nieliniowości zwiększające jego dokładność (np. zmienny współczynnik przejmowania ciepła). Porównanie wyników obliczeń z wynikami pomiarów z rzeczywistego badania może dać odpowiedź, na ile złożony powinien być model uwzględniając cel obliczeń.

„„ - Zaproponowany model może być bez trudu zaadaptowany jako część większej struktury obliczeniowej dotyczącej np. komory badawczej wraz z urządzeniami chłodząco-grzejnymi i systemem sterowania.

LITERATURA

[1] JÓŹWIAK-NIEDŹWIEDZKA D.: Metody badania mrozoodporności betonu. II Sympozjum Naukowo- Techniczne „Trwałość betonu”. Kraków 2008.
[2] Praca zbiorowa pod red. S. J. Gduli: Przewodzenie ciepła. PWN Warszawa 1984.
[3] BANASZEK J., KOWALEWSKI T.A., FURMAŃSKI P., REBOW M., CYBULSKI A., WIŚNIEWSKI T.S.: Konwekcja naturalna z przemianą fazową w układach jednoskładnikowych i binarnych. Prace IPPT 3/2000, s. 1-130, 2000.
[4] BONCA Z. i in.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Własności cieplne, chemiczne i eksploatacyjne. IPPU MASTA, 1997.
[5] WIŚNIEWSKI S.: Wymiana ciepła. PWN Warszawa 1979.
[6] Praca zbiorowa: Izolacje styropianowe w budownictwie. Poradnik dla projektantów 2005.
Stowarzyszenie Producentów Styropianu www.styropiany.pl
[7] PN-EN 1338:2005 Betonowe kostki brukowe. Wymagania i metody badań.
[8] PN-EN 12524:2003 Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe.
[9] PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.