Test zur Messung der thermischen Eigenschaften - TRION
Werbung
Test zur Messung der thermischen Eigenschaften von Beton Jean-David GRANDGEORGE, Sandrine BRAYMAND, Christophe FOND, Violaine TINARD IUT Robert Schuman, Université de Strasbourg « Nachhaltiges Bauen am Oberrhein » 15.11.2012 Warum die thermischen Eigenschaften von Beton mit recycelten Zuschlägen bestimmen ? Beton mit recycelten Zuschlägen : Verschiedenartige und nicht homogene Inhaltstoffe (Zusammensetzung, Zustand, Porosität, ...) Hauptsächlich keine Informationen vorhanden Verwendung bei der Konstruktion von Niedrigenergiehäuser n Möglichkeiten für Speicherung / Rückgabe von thermischer Energie Wärmeleitfähigkeit λ Spezifische Wärme Cm Dichte ρ Wie kann man diese Eigenschaften messen ? • • • • Einen Versuchskörper herstellen Ihn einer thermischen Belastung aussetzen Das Phänomen analytisch oder numerisch beschreiben Eine Vorgehensweise zur Bestimmung der Eigenschaften definieren – Wärmeleitfähigkeit – Spezifische Wärme – Dichte • Den Versuch verbessern – Versuchsaufbau – Geometrie und Herstellung des Versuchskörpers – Auswertung von einfachen experimentellen Daten durch ein geprüftes numerisches Modell neuartiger Versuch Der Versuchskörper • Betonring hergestellt mit einer zylindrischen Form (16x32cm) • Inneres Rohr aus Karton und mit einem dichten Boden aus Metall • Temperaturfühler zwischen Karton und Beton – Wärmeleitfähigkeit – Spezifische Wärme – Dichte Geometrie geprüft seit 2009 Thermische Beanspruchung • • Thermische Beanspruchung des sich im Rohr befindenden Wassers Inneres Rohr aus Karton mit einem dichten Boden aus Metall Beanspruchung durch Erhitzung des Wasser mit einem thermischen Widerstand : 1. Messkampagne Beanspruchung durch eine sich abkühlende Menge Wasser von 70°C: 2. Messkampagne 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Der thermische Widerstand erzeugt einen stationären Zustand •Wasser erhitzt mit einem Widerstand von 24W • oben ein isolierender Deckel •Magnetrührer •Erzwungene Luftströmung mit einem Lüfter •Messung der Innen- und Außentemparatur 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Der thermische Widerstand erzeugt einen stationären Zustand R R i e Versuchsbedingungen l Annahmen für die Anwendung der Beziehung die λ ergibt: − Gleichmäßige Temperatur auf der Oberfläche des Rohres − Konstanten Dicke des Rings − Warten auf einen stationären Zustand, vor der Temperaturmessung − Randeffekte vernachlässigbar − Homogenes Material − Vorgeschriebene und kontrollierte Temperatur an der Innenwand − Zwangskonvektion an der Außenwand des Zylinders − Weiterleitung im Beton (von innen nach außen) 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit 1. Homogenität der Oberflächentemperatur 2. Kontrolle der Dicke 3. Experimentelle Überprüfung der Randbedingungen 4. Numerische Bestätigung der Randbedingungen Als konstant angesehene Dicke für die drei geprüfte Betone: 2,25 +/- 0,40 cm. Stichprobe Klassicher Beton Gemischter Beton Recycelter Beton λ mit an einem Ende isolierten Versuchskörper W/( m.K) 1,17 2,60 1,09 λ mit an beiden Enden isolierten Versuchskörper W/( m.K) 1,19 2,48 0,98 Relativer Abstand (%) 1,7 4,6 10 1. Messkampagne : Ergebnisse Länge des Versuchskörpers (cm) Dichte (Kg/m3) Klassicher Beton Gemischter Beton Recycelter Beton 21.3 19.3 21.5 2360 2342 2255 λ : Wärmeleitfähigkeit (W/m.K) 1.19 2.48 0.98 Cp : Spezifische Wärmekapazität (J.kg-1.K-1) 883 1203 1295 Messungen bezogen auf einen Beton von 12 Monaten Spezifische Wärme : zerstörende Prüfung, gebrochener Beton wird in einem Ofen erhitzt und dann in ein Kalorimeter mit kaltem Wasser getaucht Dichte: durch Wiegen der Veruchskörper 2. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Eine Wassermenge von 70 °C wird in das zentrale Rohr gegossen, dann wird die Abkühlung des umgebenden Materials beobachtet. 2. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Kühlung muss numerisch analysiert werden 55 Température eau Température intérieure béton Température extérieure béton 50 Ecart de Température (K) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Temps(s) « Construction durable dans le Rhin Supérieur » 15/11/2012 2. Messkampagne : Parameteridentifizierung Die Identifizierung ist im Gange : Vergleich der numerischen Ergebnisse für verschiedene Werte der Leitfähigkeit mit den experimentell ermittelten Werten. Die Werte ρ und Cm wurden der 1. Messkampagne entnommen. 50 k=0,6 k=1,3 k=2 Expérimental 45 Ecart de température (K) 40 35 30 25 Das beobachtete Verhalten bestätigt die Möglichkeit der Prüfung mit dem Rings, die 3. Kampagne wird geplant: - mit einer neuen Geometrie - Wärmeaustausch reproduzierbar - Mit einem sukzessiven Verfahren zur Bestimmung von ρ, C und λ 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 Temps (s) 5000 6000 7000 8000 3. Messkampagne : Verfahren in der Entwicklung • • Metallisches Innenrohr mit dichtem Deckel Die Temperatur des Wassers sei identisch mit der Innenfläche des Betons Versuch in drei Phasen : 3. Phase : Stationärer Zustand mit Widerstand 1. Phase : isolierter Ring, 70°C warmes Wasser wird in das Rohr gefüllt 2. Phase : Abkühlung 3. Messkampagne : Verfahren in der Entwicklung 1. Phase : isolierter Ring, 70°C warmes Wasser wird ins Rohr gefüllt Temperatur Wasser Gleichgewichtstemperatur Temperatur Beton SPEZIFISCHE WÄRME des Betons 3. Messkampagne : Verfahren in Entwicklung 2. Phase : Abkühlung Parameteridentifikation auf Grund des numerischen Modells (2. Kampagne) WÄRMELEITFÄHIGKEIT des Betons 3. Phase : Stationärer Zustand mit Widerstand Bestimmung von λ mit einer analytischen Berechnung (1. Kampagne) Bestätigung der Ergebnisse der 2. Phase 3. Messkampagne : Extern erzwungene Konvektion Lüfter Das Auflager erlaubt einen Austausch durch reproduzierbare Luftkonvektion : Isolierung im oberen Teil, Rührer und elektrischer Widerstand Versuchskörper • Stabile Luftströmungszone um den Betonring Isolierung im unteren Teil •Einstellung einer Lufttemperatur Auflager noch in Entwicklung Kältebatterie Lufteintritt Zusammenfassung : Messverfahren Die Messungen der Leitfähigkeit und der spezifische Wärme aus der 1. und 2. Messkampagne zeigen die thermische Abhängigkeit eines Betons mit recycleten Zuschlägen Die neue Geometrie mit dem Metall-Innenrohr ermöglicht Untersuchungen von Beton mit einem Größtkorndurchmesser < 8 mm. So kann die Temperatur ohne Einsatz einer Sonde während der Herstellung der Ringe gemessen werden. Die 3. Messkampagne wird die Eichung von Modellen und die Bestimmung von eine "charakteristische" Kühlzeit ermöglichen. Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärme Dichte λ Cm ρ Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
