粉煤灰加气混凝土墙体表面传热传质系数实验研究(上)

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粉煤灰加气混凝土墙体表面传热传质系数实验研究

翁文兵，田琼洁 (上海理工大学)

0 引言

在建筑行业中，绿色环保建筑材料正得到大力推广。粉煤灰加气混凝土作为一种集高强、质轻、保温、适应性强等诸多优点于一体的新型围护结构材料，受到了建筑界的青睐，由于粉煤灰的原材料大多来自火电厂和炼煤厂的废弃物，废弃物的经济循环可得到大幅提高。但是，有研究显示，室内表面材料可以吸收室内含湿量的1/3，建筑材料本身的吸湿、传湿特性会带来很多问题:建筑围护结构含湿量的增加会影响围护结构的使用性能和使用寿命，造成空气环境的恶化和建筑能耗的增加。对于粉煤灰加气混凝土等多孔介质而言，内部结构的不均匀性及各传递过程的相互影响构成了其热湿传递现象的错综复杂和随机多变性，进行相应的实验研究十分必要。国外学者对墙体的热湿特性做了相应的理论研究，但国内学者对粉煤灰加气混凝土热湿特性方面的研究还比较少，主要有贾兴文对粉煤灰加气混凝土和粘土砖的吸水速度和吸水量进行了分析;吴国强，等通过实验研究分析了B05和B07砌块的含水率、容重及热流方向对导热系数的影响。鉴于此方面的欠缺，本文对粉煤灰加气混凝土新型建筑墙体试样的表面平均温度、总重变化和内部含湿量分布进行了实验研究，得到了粉煤灰加气混凝土的热湿传递特性，并通过实验数据计算，得出了试样表面的传热系数和传质系数的近似值。

1 实验设计

1.1实验原理

含湿量的计算公式如下:

u=ml/md         (1)

式中，ml为多孔材料中水的质量，kg;md为多孔材料中绝干固相骨架的质量，kg;u为多孔材料的绝对含湿量，kg/kg。

称出干燥前后试样的重量，即可得到试样的含湿量(为了表示方便，下文图表中含湿率以百分比表示)。

水蒸汽蒸发率的计算公式为:

ms=Δm/（ΔτAs）       (2)

qs=hs(ta－ts)=md/γt     (3)

水蒸气密度的计算公式为:

Ρv,s=pvmv/（RT）        (4)

传质系数的计算公式为:

Hm,s=ms/(ρv,a－ρv,s)      (5)

将式(5)代入式(3)中，得到传热系数的计算公式为:

hs=γthm,s(ρv,a－ρv,s)/(ta－ts)   (6)

式中，qs为固体表面的热流密度，W/㎡;ta为环境温度，℃;

ts为试样表面温度，℃;

hs为试样表面传热系数，W/(㎡·K);

ms为试样表面水蒸汽蒸发率，kg/(㎡·s);

pv为试样表面水蒸气分压力，Pa;

mv为水蒸汽的摩尔质量，取值为18.02×10^－3kg/mol;

T为试样表面热力学温度，K;R为摩尔气体常数，取值为8.315J/(mol·K);

ρv,a为环境空气水蒸气密度，kg/m³;

ρv,s为试样表面水蒸气密度，kg/m³;

hm，s为试样表面传质系数，m/s;

Δm为试样总重的变化，kg;

Δτ为时间间隔，s;

As为试样表面面积，㎡;

γt为水的相变潜热，J/kg。

假设试样表面的空气相对湿度与环境相对湿度一致，由试样表面的温度在焓湿图上可以得到该点的水蒸汽分压力，进而由式(4)可计算得出试样表面的水蒸汽密度ρv,s。

1.2实验内容

实验中需要测试的内容有3个:试样表面平均温度、试样内部不同截面的含湿量、试样总重量。

1.3实验室环境控制

实验稳定状态下的实验室温度控制在(25±0.5)℃，相对湿度控制在50%±1%。

实验中搭建了一套完整的温湿度控制系统来保证环境温、湿度的要求。实验室内放置铂电阻和温湿度传感器测量室内环境温、湿度的实际值，通过实际值和设定值的比较，由PID计算输出脉冲信号，控制固态继电器的通断，从而控制加热器和加湿器的启停，维持实验室内环境温、湿度要求。

1.4试样制备

准备3块尺寸为600mm×240mm×200mm的粉煤灰加气混凝土砌块，在内外侧涂抹厚度为15mm的水泥砂浆涂层，砌筑成尺寸为630mm×270mm×650mm的试样，具体结构如图1所示。为了保证测试结果的精确性，准备相同的2个试样。

1.5实验测试参数及仪器

实验测试参数包括:试样1和试样2的表面温度、试样各截面处取样的干燥前和干燥后的重量、试样的总重。实验测试仪器见表1，电子称和电子天平在实验前已经过校正，完全符合精度要求，其它测试仪器和设备的误差均在可接受的范围内。

1.6干燥温度

本实验的干燥温度依据《建筑材料及制品的湿热性能含湿率的测定烘干法》(GB/T20313-2006/ISO12570:2000)的测定要求，选择105℃的干燥温度。

1.7测点布置

为了测试的准确性，试样表面温度的采集共有4个布点，分别为试样1的2个表面和试样2的2个表面;内部截面含湿量的测试共取14个测点，横截面每隔2cm取1个测点，分8次取样，具体分布见图2;试样的称重与温度测点的布置见图3。

1.8 实验步骤

1)试样表面温度的测量

为了探索在间歇运行空调环境下试样达到稳定热质交换的平衡状态，实验分2个阶段:第1阶段是试样制作完毕，待抹面层的水泥砂浆固化、表面基本干燥后，四周侧面刷上防水胶，防水胶固化后开始采集数据，且以上过程均是在环境温度25℃、相对湿度50%时进行;第2阶段是在第1阶段结束后，使环境温度降到6.6℃，再通过加热和加湿设备将环境温度稳定在25℃、相对湿度稳定在50%之后，开始采集试样表面的温度与环境温度。

2)试样内部含湿量的测量

实验测试中用电钻(见图4)对14个测点分别进行8次取样，分别为初始取样、1d后取样、4d后取样、7d后取样、10d后取样、14d后取样、16d后取样和19d后取样。

3)试样总重量的测量在试样表面温度测量的进行过程中，用电子台秤同时记录试样总重量的变化。

——待续。摘自《建筑科学》2013年——