CC BY
18
УДК 674.816.2
Ю. А. Горинов, А. Н. Чемоданов, С. Я. Алибеков, А. В. Маряшев, Р. С. Сальманов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-БАЛЛАСТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: композитный теплоизоляционно-балластный материал, физико-механические свойства, подводный
теплопровод.
Прогнозирование физико-механических свойств композитных теплоизоляционно-балластных материалов на основе древесных отходов для подводной прокладки теплопроводов.
Keywords: heat-insulation ballast composite, physical and mechanical properties, submarine heat pipelines.
The weather physical and mechanical properties of the heat-insulation ballast composite for submarine heat pipeline.
Введение
Древесина получает все большее распространение в составе различных современных композитных материалов. Применяемые в настоящее время композитные материалы на основе древесины и ее отходов имеют разнообразное назначение: для теплоизоляции [1], для звукоизоляции [2], для строительства [3], для отделочных работ [4], для защиты от рентгеновских излучений [5] и т.д. Среди всего разнообразия древесно-композитных материалов с различными требуемыми свойствами не рассмотрен материал, имеющий теплоизоляционно-балластные свойства. Такой материал необходим для тепловой изоляции и балластировки подводных теплопроводов. К подводной трубопроводной конструкции предъявляется ряд требований. Она должна обладать отрицательной плавучестью, необходимой прочностью и иметь тепловую изоляцию для минимизации потерь транспортируемой тепловой энергии. Цель исследования заключается в комплексном решении этих задач путем получения композитного материала, оптимально
удовлетворяющего указанным требованиям. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты делятся на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). Для изготовления материала, который соответствовал бы указанным требованиям, были использованы портландцемент марки М400, баритовая руда с размером частиц от 0,01 до 160 мкм, древесная стружка с размером частиц от 0,5 до 20 мм и вода. В получаемом материале портландцемент выполняет роль связующего между наполнителями №1 и №2. Баритовая руда имеет высокую плотность р =4700 кг/м3, поэтому применена для повышения удельного веса получаемого материала. Древесная стружка, имея коэффициент теплопроводности X =0,09 Вт/(м*К), придает получаемому материалу высокие теплоизоляционные свойства. Примененные компоненты, следовательно, и весь композитный материал являются экологически чистыми материалами, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации и утилизации.
Определение плотности композитного материала
В общем случае плотность композитного материала рассчитывается по формуле [6]:
и
Р = Е р— (1)
комп ~ г 100
где р - плотность композитного материала; комп
р - плотность элемента композита; г
и - объемная доля 1-го элемента композита; г
Для трехкомпонентного материала (связующее, наполнитель №1 и наполнитель №2)формула (1) имеет вид:
и и и
р =р — + р — + р — (2)
гкомп М 100 2 100 3 100
где р12 з - плотность соответственно 1,2,3 компонента; и 2 3 - объемная доля соответственно 1,2,3
компонента.
При равных долях первого и второго компонентов уравнение (2) относительно объемной доли 3-го компонента имеет вид:
р +р - 2р
1 2 комп
и =-~--(3)
3 р +р - 2р
1 2 3
Определение теплопроводности композитного материала
К классическим решениям теории обобщенной проводимости относится уравнение Максвелла, рассчитавшего поле системы, состоящей из изотропной среды, в которую вкраплены посторонние частицы. В полученном композите непрерывная фаза включает в себя вещества порошкообразной фракции: связущее -портландцемент М-400 и наполнитель №1 -концентрат баритовый гравитационный (сульфат бария Ба804) с размером частиц от 0,01 до 160 мкм. Древесная стружка с размером частиц от 0,5 до 20 мм является наполнителем №2, образует
диспергированную фазу. С учетом этого расчетная формула имеет вид:
(Я + 2Я - 2и(я - Я Ь
2 1 ) 1 2 (
ЛЯ -я )
у 1 2 ,
я = я
(4)
я + 2Я + 2ЫЯ -я
V 2 1 v 1 2' J где Я - коэффициент теплопроводности гетерогенной системы;
я
1
коэффициент теплопроводности
непрерывной фазы (портландцемент, барит);
я
коэффициент теплопроводности
диспергированной фазы (древесина);
и - объемная концентрация диспергированной фазы (древесины).
Из уравнения (4) можно вывести зависимость теплопроводности композитного материала от плотности компонентов и объемной доли наполнителя:
(
Я =Я
комп 1
Я + 2Я - 2(Я -Я
2 1 M 2 '
р + р -2р
1 2_комп
ч Р1 + Р2 - 2р3
Я + 2Я + 2яЯ -Я ) —1 2 11 2 \ Рх +Р2 - 2р
р + р - 2р
2 комп
(5)
2 ' комп у у Введем обозначения параметров:
2(^0 - р ) Я- Я 1
. , , у 3 комп' п 1 2 1 ^ Л = 1 +- и В =-« — (6)
Р1 + Р3 Я2 + 2Я1 2
С учетом (6) формула (5) будет иметь вид:
Я,
Яув
-2 А
(7)
Физико-механические характеристики
компонентов приняты согласно [6,7,8] и сведены в табл.1.
Таблица 1 - Физико-механические характеристики компонентов
№ Компонент Плотность Коэффициент
п/п насыпная, кг/м3 теплопроводности, Вт/(м*К)
1 Связующее -портландцемент 400 1300 0,7
Наполнитель
2 №1 - 4700 0,7
барит
Наполнитель
3 №2 -древесная стружка 200 0,09
С помощью программы Microsoft Office Excel, используя формулу (3) и данные табл.1 получим зависимость плотности композиционного материала от объемной доли наполнителя №2 -древесной стружки, используя формулу (5) и данные табл.1 получим зависимость коэффициента теплопроводности композиционного материала от объемной доли наполнителя №2 - древесных частиц. Результаты расчетов представим в графическом виде рис.1.
Используя формулу (7) и данные табл.1 выведем зависимость коэффициента
теплопроводности от плотности композитного материала (рис.2).
s? I
:е Ь
ï "
10 СГ
t 8
S* if
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Объемная доля наполнителя №2 - древесная стружка
—А— Плотность композита —и— Коэффициент теплопроводности
Рис. 1 - Результаты расчетов зависимости плотности и теплопроводности композитного материала от объемной доли наполнителя №2 -древесной стружки
0.7
к 0.6
" 0.5 ¡3
§ 0.4
I 03 " 0.2
0.2 0.48 0.76 1.04 1.32 1.6 1.88 2.16 2.44 2.72 3 Плотность композита кг/куб.м
Рис. 2 - Зависимость коэффициента теплопроводности от плотности композитного материала
Из анализа полученных зависимостей в контексте вышеуказанных требований
теплопроводности и балластировки следует, что величина оптимальной объемной концентрации наполнителя №2 - древесной стружки в исследуемом композитном теплоизоляционно-балластном материале равна 0,714. При этом расчетный коэффициент теплопроводности композитного материала равен 0,161 Вт/(м*К), а его плотность 1000 кг/м3.
Используя полученные расчетные данные плотности и теплопроводности композитного материала, выполним расчет передачи теплоты и проверку на устойчивость трубопроводной конструкции, состоящей из стальной рабочей трубы, помещенной в защитную полиэтиленовую оболочку с межтрубным пространством, заполненным разработанным композитным материалом.
Передача теплоты при прокладке теплопровода в подводной траншее
Исследуемая трубопроводная конструкция представляет собой стальную трубу, помещенную в полиэтиленовую оболочку. Межтрубное пространство заполнено разработанным теплоизоляционно-балластным материалом [10]. Таким образом, данную конструкцию можно рассматривать как цилиндрическую многослойную трубу. Особенность теплопроводности через цилиндрическую стенку, как и через другие криволинейные ограждения, заключается в том, что
2
0.1
0
при прохождении через нее тепла поверхности входа и выхода теплового потока не равны. При распространении тепла изнутри трубы, поверхность входа теплового потока меньше, чем поверхность его выхода [6,7,8]. Расчеты передачи тепла выполним используя схему рис.3.
Рис. 3 - Схема передачи тепла через многослойную цилиндрическую стенку и массив грунта
При условии установившегося
(стационарного) теплового состояния плотность теплового потока через конструкцию равна [6,7,9]:
ч =
ж1 * ж2 ^
(8)
1
1 1 , °2 1 , °3 1 , °4 -+-1п — +-1п — +-1п — +-
Я1°1 2Я1 В 2Л2 °2 2Я3 °3 а2°4
Согласно уравнению (8) внутри каждого слоя трубопроводной конструкции температура изменяется по логарифмическому закону. Для многослойной стенки температурная кривая представляет собой ломаную кривую.
Определение коэффициента теплоотдачи со стороны теплоносителя к стенке трубы а1 и коэффициента теплоотдачи со стороны грунтовой засыпки траншеи а2 является задачей, решение которой возможно только экспериментальным способом. Распространять результаты
экспериментов можно только на подобные между собой явления. Теория подобия устанавливает, при каких условиях явления подобны, на какие явления можно распространять выводы данного опыта и пр. Теория подобия положена в основу метода моделирования, позволяющего производить исследование работы каких-либо устройств и аппаратов не на их самих, а на подобных им моделях. Закон теплового подобия определяет условия, при которых геометрически и гидромеханически подобные системы подобны и в тепловом отношении. Тепловое подобие определяется критериями: Рейнольдса, Пекле, Нуссельта, Прандтля [7].
Коэффициент теплоотдачи от
теплоносителя к стенке трубы а1 определяется по формуле:
а = 0,023 А ке°,8рг°,4 1 В1
Для расчета теплоотдачи а2
внешнего коэффициента подводного трубопровода применяем формулу Форхгеймера-Власова при Н / Э4>1 [6,7]:
2Я
а
4
, 4 Н В „ 1п-
4 В4
(10)
Авторами [8] опытным путем при
оценочных расчетах установлено, что а1 >>а2, и
а2 для влажной глины можно принять - 1,5; для
мокрого песка - 3,5.
Термическое сопротивление массива грунта при совместной прокладке подающего и обратного трубопроводов с учетом их взаимовлияния определяется по формуле:
1ПлИ + 1 2Н
Я
2 Н
s
влиян
2жЯ
(11)
4
Среднегодовые часовые удельные тепловые потери подающего и обратного трубопроводов определяются по формулам:
под
обр
[ * ср.год ^ под * ср.год 1 гр ) ■ (я í изол + Я ) гр ) - [,ср/од -,ср-год }Я 1 í обр гр ) влиян
í Я ^ изол + Я I ■ гр ) í я í изол + Я I-Я2 гр ) влиян
[ * ср.год ^ обр * ср.год 1 гр ) I■í Я í изол + Я ) гр ) 1- [сср-год - сср-год |я 1 í под гр ) влиян
í Я í изол + Я | ■ гр ) í я í изол + Я I - Я2 гр) влиян
Расчет выполним для разных типоразмеров стальной трубы при следующих исходных данных: • Физические свойства воды при максимальной температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 1500С составляют
Х = 68,4 40Вт /(м ■ К),
у = 2,03■Ю-7м2/сек,
а = 6,22 ■Ю-4м2/ч [11].
• Среднегодовая температура в подающем трубопроводе - 90 0С, в обратном трубопроводе - 50 0С [13];
• Температура грунта - ^ = 3 0С [14];
• Глубина заложения до верха трубопроводов -Н=1,0 м [8].
• Расстояние между теплоизоляциями подающего и обратного трубопроводов - 8= 0,5 м [8].
• Коэффициент теплопроводности композитного теплоизоляционно-балластного материала согласно Хизол =0,161 Вт/(м*К).
• Коэффициент теплопроводности грунта Хгр =1,1 Вт/(м*К), коэффициент теплопроводности стали Хст=54,52Вт/(м*К),коэффициент теплопроводности полиэтилена Хполиэт=0,35 Вт/(м*К) [12].
Результаты расчетов сведем в табл.2.
Таблица 2 - Среднегодовые часовые удельные тепловые потери тепловой энергии
Условный Среднегодовые Нормы
диаметр часовые плотности
трубопровода удельные теплового
Ду , мм потери потока
тепловой Вт/м [13]
энергии
Я ПОД + Я-ОБР ,
Вт/м
50 68,99 41
70 80,83 49
80 89,24 52
100 95,14 58
125 111,44 66
150 90,75 73
200 92,73 93
250 102,25 106
300 117,74 121
400 139,11 148
500 159,45 176
600 175,88 205
700 184,56 229
800 193,38 257
900 179,94 284
1000 187,79 312
1200 197,46 368
1400 214,61 425
Таким образом, проведенный расчет показывает, что теплоизоляционные характеристики разработанного композитного теплоизоляционно-балластного материала на основе древесных отходов соответствуют предъявляемым требованиям по теплозащите трубопроводов с условным диаметром Ду200 включительно и более. Применение данной теплоизоляции трубопроводов для трубопроводов диметром менее Ду200 возможно путем увеличения толщины изоляции.
Определение критического диаметра тепловой изоляции трубопровода
Из анализа формулы (8) следует, что при постоянных значениях а1, А1, А2, А3,а2 полное
термическое сопротивление теплопередачи многослойной цилиндрической стенки будет зависеть от внешнего диаметра ,4 , количество передаваемого тепла Q при увеличении внешнего диаметра тепловой изоляции ,3 сначала будет
возрастать и при , = , будет иметь максимум. 3 кр
При дальнейшем увеличении внешнего диаметра изоляции Q будет снижаться.
После выбора теплоизоляционного материала трубопровода рассчитывают критический
диаметр для известных Я2, а2. Если в результате вычислений Акр из)А3, то применение данного
материала
кр.из '
в качестве тепловой
нецелесообразно. В области А2 (А3 (Акриз при
увеличении толщины изоляции будет наблюдаться увеличение тепловых потерь. Только при 03 = ,3эф тепловые потери вновь станут такими
же, как для первоначального неизолированного трубопровода. Следовательно, некоторый слой тепловой изоляции не будет оправдывать своего назначения.
Толщина теплоизоляционного слоя ( ,4 - ,3 ) определяет размер трубопроводной
конструкции и принимается из условия максимального значения термического
сопротивления.
Значения толщин стальной трубы и защитной полиэтиленовой оболочки стандартизированы, следовательно, А2,А3,А4 являются постоянными для трубопровода, имеющего внутренний диаметр стальной трубы ,1 . Исследуя на максимум
термическое сопротивление Я как функцию А4, для чего возьмем производную и приравниваем ее к нулю:
1 (я) 1 1
1 (,4) 2Я0
4
а2 А4
= 0
Отсюда:
2Я
а ,4
(12)
(13)
Таким образом, критический диаметр тепловой изоляции равен:
_2Я,
А,
кр.из
а
(14)
2
Следовательно, для эффективной работы тепловой изоляции необходимо, чтобы
,4 > Акрмз.
Подставив соответствующие формулу (14) имеем:
2 • 0,161
значения в
А....... =
3,5
= 0,092м
(15)
изоляции
Из сравнения полученного значения критического диаметра изоляции трубопровода с величиной наружного диаметра тепловой изоляции следует, что условие эффективной работы тепловой изоляции с применением композитного теплоизоляционно-балластного материала на основе древесных отходов соблюдается для всего ряда типоразмеров труб.
Вывод
Выполненные расчеты показали, что физико-механические свойства композитного теплоизоляционно-балластного материала на основе древесных отходов удовлетворяют заданным условиям (плотность более 1000 кг/м3 и коэффициент теплопроводности не более 0,25 Вт/(м-°С)) его использования для подводных конструкций трубопроводов централизованного теплоснабжения.
1
Литература
1. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности (образование и использование): Справочник. - М.: Экономика, 1983. -224 с.
2. Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение, изд. Логос, 2006. - 398 с.
3. Худяков В.А. Современные композиционные строительные материалы, изд. Феникс, 2007. 224 с.
4. Коротаев Э.И., Симонов В.И. Производство строительных материалов из древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1972. - 144 с.
5. Ветошкин Ю. И., Яцун И. В., Мялицин А.В.
О возможности применения композиционных материалов «фанотрен» и «плитотрен» на основе древесины в качестве защитных для медицинских рентгенкабинетов. Вестник Московского государственного университета леса. Лесной вестник, ISSN 1727-3749, 2008. № 3 (60). С. 145- 147.
6. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учебное пособие /А.Г.Коротких; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 97 с.
7. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М., «Энергия», 1977. - 344 с.
8. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. М., Недра, 1979. 415 с.
9. И.Т.Швец и др. Общая теплотехника. - М., Машгиз, 1961. - 463 с.
10. Патент на ПМ 122746 (2012)
11. Справочная книжка энергетика/Сост. А.Д.Смирнов. -М.:Энергия, 1978. - 3-е изд.перераб. и доп. - 336 с., ил.
12. Основания, фундаменты и подземные сооружения /М.И.Горбунов-Посадов, В.А.Ильичев, В.И.Крутов и др.; Под общ.ред Е.А.Сорчана и Ю.Г.Трофименкова. -М.: Стройиздат, 1985. - 480с.: ил. - (Справочник проектировщика).
13. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. М. 2004 - 28 с.
14. СНиП 11-3-79 Строительная теплотехника Минстрой России М.1995 - 50 с.
15 Мухаметзянов Ш.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. Сушка и термовлажностная обработка крупномерной древесины Вестник КГТУ №22 2013г. с.72-73.
16. Хасаншин Р.Р., Зиатдинов Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик клееных материалов, созданных на основе термообработанного шпона. Вестник КГТУ. №13 2013г. с. 87-89.
© Ю. А. Горинов - асп. каф. ДОП ПГТУ г. Йошкар-Ола; А. Н. Чемоданов - к.т.н., проф., зав. каф. ДОП ПГТУ; С. Я. Алибеков - д.т.н., проф., зав. каф. МиМ ПГТУ А. В. Маряшев - к.т.н., доц. каф. энергообеспечение предприятий ПГТУ Р. С. Сальманов - к.т.н., доц. каф. физики КНИТУ, romanova_rg@mai1.ru.
