一种制造技术

本发明专利技术公开一种

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印混凝土表面换热特性定温测试系统、方法及应用


[0001]本专利技术属于应用热方法测试
，具体涉及一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统
、
方法及应用
。

技术介绍

[0002]随着建筑领域“双碳”战略的逐渐开展，对
3D
打印混凝土热工性能的关注也在逐渐上升；部分研究提出
3D
打印混凝土围护结构极具特色的表面层叠条纹结构与内部构造，具有减少空调系统能源消耗和改善室内热舒适水平的潜力；但目前而言，对
3D
打印混凝范土热物性的相关研究仍处在初期探索阶段，其条纹表面换热（对流
/
辐射）特征的不明确导致工程上难以有效界定
3D
打印构件
/
构造的内外表面热阻，其所形成围护结构的传热系数
、
热惰性等热工性能难以准确计算，相应的热工设计难以开展
。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种表面换热特性测试系统
、
方法及应用， 通过上述的换热特性测试系统，能够匹配不同的构件，并且精确测得需要的热工性能数据，从而自动直观得出不同的构件的平均传热系数
K;
由于相较于平整的混凝土表面，
3D
打印条纹混凝土表面的等效换热面积大，对流流动运动阻力也更大，因此要维持其表面温度的相对均匀所采取具体措施与平整混凝土表面的有较大差异；因此本专利技术基于
3D
打印混凝土的特性所得出的构件
/
构造平均传热系数
K
等热工性能，工程分析中一方面可准确预测预测
3D
打印建筑室内的冷
/
热负荷，为空调
、
供暖等环控设备与系统的设计和运行提供相应的依据；另一方面，准确表征构件表面的换热强度，也有助于结构专业正确分析
3D
打印混凝土构件
/
构造在各类环境影响下的热应力水平，进而保证其稳定性与耐久度
。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：一种表面换热特性测试系统，包括待测试件
、
控温单元
、
参数采集单元以及数据处理单元；所述控温单元便于控制待测试件的温度；所述参数采集单元设置于控温单元上且与数据处理单元电连接
。
[0005]优选的，所述控温单元包括定型支撑外框
、
侧边隔热层
、
加热单元以及后隔热层，所述待测试件嵌设于所述侧边隔热层的内部，所述侧边隔热层嵌设于所述定型支撑外框的内部，所述定型支撑外框嵌设于所述后隔热层的内部，所述加热单元设置于待测试件与后隔热层之间
。
[0006]采用上述技术方案，侧边隔热层以及后隔热层能减少装置向后侧和后边散发的热量，使热量尽量从表面发出，从而能够使测试的环境达到精确
。
[0007]优选的，所述加热单元上设置有数个横向加热片以及数个纵向加热片，数个所述
横向加热片沿高度方向设置，数个所述横向加热片的两侧分别设置有纵向加热片
。
[0008]采用上述技术方案，通过横向加热片以及纵向加热片的布置，能够最大限度的模拟各个不同的对流工况，从而为表面换热特性的测试提供最佳的条件
。
[0009]优选的，所述参数采集单元包括数个热流密度计以及热电偶，数个所述热电偶贴附于待测试件的外表面，数个热流密度计配合设置于控温单元的内部
。
[0010]采用上述技术方案，采用多处布点的热电偶，便于测试出不同的区域待测试件的温度，从而有针对性的对待测试件的温度进行针对性的调整
。
[0011]优选的，数个所述热流密度计
、
数个所述热电偶以及控温单元分别与所述数据处理单元电连接
。
[0012]采用上述技术方案，加热单元对待测试件进行加热，热电偶监测不同区域的局部温度以及平均温度，当试件与环境件的换热条件稳定时，某局部监测点的局部温度高于所需表面平均温度，热电偶将电信号传输至数据处理单元，数据处理单元发出指令，则调高加热单元加热功率；如某局部监测点的局部温度高于所需表面平均温度，热电偶将电信号传输至数据处理单元，数据处理单元发出指令，则调底加热单元加热功率；与此同时热流密度计将测得数据反馈至数据处理单元，从而数据处理单元输出测得的整体平均传热系数
K。
[0013]一种采用表面换热特性测试系统的表面换热测试方法，采用上述的一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，包括以下步骤：步骤1：将待测试件安装在控温单元上，将参数采集单元安装于待测试件的表面；步骤2：将
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统置于稳定受控的室内环境中；步骤3：分别测出待测试件表面向周边环境散发的热量
Q、
待测试件的表面积
A、
待测试件表面平均温度
、
周边环境的空气温度
、
待测试件表面所接收的平均辐射热强度以及待测试件表面的辐射发射率，从而计算出综合换热系数
、
表面辐射换热系数以及表面对流换热系数；其中，综合换热系数的计算公式为；其中，表面辐射换热系数的计算公式为；其中，表面对流换热系数的计算公式为；步骤5：计算出整体平均传热系数，；式中为第层构件组成材料的厚度，；为第层构件组成材料的导热系数，与则分别为构件内
/
外表面的综合换热系数，为黑体辐射常数，为单位面积传热热阻，进而用于工程设计中计算不同
3D
打印混凝土构件使用条件下的热工性能
。
[0014]优选的，步骤1中，测试迎风冲击型强迫对流工况时，以位于加热单元中心的加热片的加热功率设置为基准每横排的加热片功率由上到下先减少后增加， 每竖列的加热片
功率设置为由左到右先减少后增加；测试自然对流工况和外掠平板型强迫对流工况时，以位于最下排的加热片的加热功率为基准， 每横排的加热功率由上到下逐渐增加，每竖列的加热片功率设置为相同数值
。
[0015]优选的，其中，周边环境散发的热量
Q
的测量方法为热流密度计直接测量法，具体步骤为：步骤
301
：在待测试件与加热单元之间增加热流测量段，热流测量段由底板与数个热流密度计组成，并对角线均匀等距布置；底板与热流密度计的总厚度控制在
2~4mm
；底板为材质与热流密度计相同的填充敷料；步骤
302
：测试系统组装完成并进行测试，读取稳定条件下各热流密度计的读数，并将其平均值乘以待测试件传热表面面积
A
，即可获得待测试件表面的散热强度
Q
值
。
[0016]优选的，所述待测试件表面平均温度的测试方法包括以下步骤，步骤
303
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，其特征在于：包括待测试件（1）
、
控温单元
、
参数采集单元以及数据处理单元；所述控温单元便于控制待测试件（1）的温度；所述参数采集单元设置于控温单元上且与数据处理单元电连接
。2.
根据权利要求1所述的一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，其特征在于：所述控温单元包括定型支撑外框（3）
、
侧边隔热层（2）
、
加热单元（4）以及后隔热层（5），所述待测试件（1）嵌设于所述侧边隔热层（2）的内部，所述侧边隔热层（2）嵌设于所述定型支撑外框（3）的内部，所述定型支撑外框（3）嵌设于所述后隔热层（5）的内部，所述加热单元（4）设置于待测试件（1）与后隔热层（5）之间
。3.
根据权利要求2所述的一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，其特征在于：所述加热单元（4）上设置有
n*n
个加热片，每个所述加热片的功率均可以独立控制
。4.
根据权利要求
1~3
任一所述的一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，其特征在于：所述参数采集单元包括数个热流密度计（
602
）以及热电偶（7），数个所述热电偶（7）贴附于待测试件（1）的外表面，数个热流密度计（
602
）配合设置于控温单元的内部
。5.
根据权利要求4所述的一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，其特征在于：数个所述热流密度计（
602
）
、
数个所述热电偶（7）以及控温单元分别与所述数据处理单元电连接
。6.
一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试方法，其特征在于，采用权利要求
1~5
所述的任一种
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统，包括以下步骤：步骤1：将待测试件（1）安装在控温单元上，将参数采集单元安装于待测试件（1）的表面；步骤2：将
3D
打印混凝土表面换热特性定温测试系统置于稳定受控的室内环境中；步骤3：分别测出待测试件（1）表面向周边环境散发的热量
Q、
待测试件（1）的表面积
A、
待测试件（1）表面平均温度
、
周边环境的空气温度
、
待测试件（1）表面所接收的平均辐射热强度以及待测试件（1）表面的辐射发射率，从而计算出综合换热系数
、
表面辐射换热系数以及表面对流换热系数；其中，综合换热系数的计算公式为；其中，表面辐射换热系数的计算公式为；其中，表面对流换热系数的计算公式为；步骤5：计算出整体平均传热系数，；式中为第层构件组成材料的厚度，；为第层构件组成材料的导热系数，与则分别为构件内
/
外...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁艳平，郑凯杰，张海军，曹晓玲，蒋福建，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：