CC BY
16
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИНТЕТИЧЕСКОГО УТЕПЛИТЕЛЯ ИЗ _МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ_
УДК 666.9.043.2 + 691.175
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИНТЕТИЧЕСКОГО УТЕПЛИТЕЛЯ ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДРУЖАКИНА О.П.
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия, druzhakina@udm. ги
АННОТАЦИЯ. Теоретически обоснована модель теплоизоляционных свойств нового синтетического утеплителя из полимерных многокомпонентных волокнистых материалов производства линолеума ПВХ. Полученные результаты позволяют решать вопросы рационального природопользования, повышения экологической безопасности производств и создания безотходных производств.
Большинство моделей волокнистых ТИМ базируется на идеализированных модельных структурах этих материалов, где не принимаются в расчет реальные особенности дисперсных структур, такие структурно механические свойства как тип структуры в целом (скелет), размеры частиц и пор и форма тех и других, характер контактирования частиц между собой, степень их упаковки, общая пористость системы.
Структура и природа системы. Используемые расчетные формулы можно свести к двум видам: в одном — дисперсное тело трактуется как зернистый материал, в другом — как ячеистый. В первом случае основа (скелет) тела представляет собой твердые частицы — зерна, которые разделены промежуточной средой (влагой, паром, воздухом). Характер контакта частиц может быть различным в зависимости от способа укладки [1]. Во втором случае материалы состоят из основной связанной массы твердого тела, куда включены (равномерно или неравномерно) замкнутые в объеме поры различной структуры и величины.
Важнейшим фактором, определяющим тепловые свойства дисперсной системы, является природа тех частиц, из которых составлена твердая фаза системы - скелет (каркас) [1]. Если величины удельной теплоемкости различных слагаемых скелета дисперсных систем отличаются друг от друга лишь в пределах 25%, то для коэффициента теплопроводности эти различия достигают 200%. Для волокнистых материалов существенно влияние на теплофизические характеристики оказывает содержания включений [1, 2].
Размер зерен и пор. Частицы дисперсной системы и ее поры различны по величине и составляют набор, определяющий механический состав вещества. Чем меньше средне арифметический размер частиц, составляющих систему, тем меньше средне арифметический размер пор между ними, при постоянных внешних факторах, действующих на систему. Во влиянии размера пор и частиц, слагающих скелет, в случае определения насыпной плотности, можно выделить следующие закономерности [1]:
1. Чем меньше размер пор, тем меньше доля теплопроводности содержащегося в них воздуха, а, следовательно, меньше и эффективный коэффициент теплопроводности дисперсной системы. При большем размере пор и той же общей пористости
коэффициент теплопроводности материала будет выше. Причиной этого является увеличенная роль конвекции и излучения в общей теплопередаче в связи с изменением размера пор.
2. Чем меньше частицы, составляющие скелет зернистого материала, тем меньше его теплопроводность при прочих равных условиях.
3. Контактная доля теплопередачи уменьшается при дроблении материала в связи с возрастанием общей пористости системы:
х = ед
где г - радиус, частиц или пор, мм.
X = 2е2 аТ3 г.
Из этой формулы следует - при постоянной температуре и плотности скелета материала теплопроводность меняется пропорционально средне арифметическому размеру пор.
Известны многочисленные расчеты коэффициента теплопроводности двухфазных (сухих) систем. Идеализированной является структура, предложенная в модели Кришера [4], предполагающая частицы в виде пластинок, расположенных параллельно друг другу с такими же плоскими слоями воздуха между ними (рис. 1).
и I я
Рис. 1. Модель Кришера
Кришер рассматривал два варианта структур:
а) Структура с наибольшим изолирующим эффектом. В этом случае тепловой поток ц перпендикулярен к наслоению, отсутствует твердая теплоизоляционная связь между отдельными элементами тела. Для расчета X Кришер предлагает следующую формулу:
х = Х2 / [ (Х2(1 - р) / XI )+ р];
б) Структура с наименьшим изолирующим эффектом. В этом случае тепловой поток направлен параллельно слоям, то есть условия для прохождения теплового потока идеальны. Для расчета X предлагается следующая формула:
X = Хх(1 - р) + Х2 р,
где р — насыпная пористость тела (системы); Х] — коэффициент теплопроводности твердого остова системы, Вт/(м-К); Х2 — коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м-К).
Также условной является структура, предполагающая частицы в виде пластинок, расположенных в шахматном порядке (Р. С. Бернштейн [1, 2]) с такими же плоскими слоями воздуха между ними (рис. 2).
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИНТЕТИЧЕСКОГО УТЕПЛИТЕЛЯ ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 2. Модель Бернштейна
Бернштейн Р. С. предлагает две формулы для следующих вариантов неоднородного материала: а) прир< 50%
X = Х2 / [ (4р / (1 +^2 / Х1) + (1-2р) / Х2)];
б) при р> 50%
X = Х2 / [ (4(1 - р)/ (1 + Х2 / Х1) + 2(р-1)].
Проведенные расчеты коэффициента теплопроводности в зависимости от формы и положения частиц материала по рассмотренным выше моделям показали (Хв = Х2 = 0,0257 Вт / м-К, Ял = = 0,016 Вт / мК ):
1.
Модель Кришера
А. При максимальном изолирующем эффекте Х-Б. При минимальном изолирующем эффекте Х
-ут
шх = 0,026. п=0,024.
2. Модель Бернштейна
По результатам проведенных исследований пористость материала составила рут = 86 %, для расчета модели Бернштейна рассмотрен случай с пористостью материалов более 50 %. Значение коэффициента теплопроводности составило 0,0062 Вт / мК.
Модель теплоизоляционного материала на основе техногенного сырья производства линолеума ПВХ. Исследуемый многокомпонентный полимерный утеплитель (рис. 3) можно представить как материал, состоящий из каркаса (волокнистая подоснова и пленка ПВХ) и пор воздуха. Расположение частиц материала хаотично, способы контактирования их также различны, наличествуют включения в виде пленки ПВХ, что обуславливает его высокую пористость, наряду с высоко развитой поверхностью.
Рис. 3. Материал с развитой активной поверхностью, получаемый при механической переработке
техногенного сырья производства линолеума ПВХ
Взяв за основу модель Кришера, в рассматриваемом материале «твердую» фазу представляют частицы пленки ПВХ и промазной слой, а «газовую» - двухфазная система «волокно - газ». Следовательно, Х} = Хтв, Х2 = Хв-г.. При таком рассмотрении структуры материала формулы для расчета коэффициента теплопроводности будут иметь вид:
Для случая с максимально изолирующим эффектом:
Хут = Х1 / [(X™ -(1 - р) / Х1 ) + р],
где Х-в = Хв / [(Хг -(1 - р1) / Хв ) + р1],
р1 - пористость газово-волокнистой части, Хв - коэффициент теплопроводности волокна, Хг - коэффициент теплопроводности газа, заполняющего поры.
Для случая с минимально изолирующим эффектом:
Хут = Х1(1 - р) + Хг-в р,
где Х г_в = Хв(1 - р1) + Хг р1 .
Таким образом, согласно этом модели можно определить теплопроводность негомогенного волокнистого материала с особенностей его структуры. Комбинируя положение частиц в объеме можно рассмотреть не два, а четыре варианта структуры материала:
1. горизонтальное расположение всех элементов структуры (что характерно для модели Кришера);
2. горизонтальное расположение твердой фазы, при вертикальном размещении газово-волокнистой;
3. вертикальное размещение всех элементов структуры (что соответствует минимальному изолирующему эффекту в модели Кришера);
4. вертикальное расположение твердой фазе и горизонтальное газово-волокнистой.
Анализ результатов расчетов показал, что максимальное значение теплопроводности материала 0,056, полученное экспериментально, достигается только при комбинировании частиц разных размеров, что может быть объяснено изменением показаний насыпной плотности и пористости массы.
Влияние формы частиц на теплофизические свойства материала. Форма частиц обуславливает характер контакта между частицами, а следовательно и плотность (рыхлость) материала. Зависимости теплопроводности от формы частиц были определены в работах Кауфмана Б.Н. [1, 3]:
Х = Х1 -[1- (1- Х2 / Х1) •ЦУ] / [1 + (L - 1)У
где Х1 и Х2 — коэффициент теплопроводности твердой и газообразной фаз соответственно; Ц - коэффициент, зависящий от формы частиц, материала; V - объем газовой фазы.
Для частиц:
• шарообразной формы: Цш = 3Х1 / (2Х1 + Х2);
• цилиндрической формы: Цц = (5Х1 + Х2 ) / 3(Х1 + Х2);
• в форме пластинок: Цп = (Х1 + 2Х2 ) / 3Х2 ,
где X1 - теплопроводность твердой части материала, Х2 - теплопроводность воздушной части материала.
АНАЛИЗ моделей теплофизических свойств синтетического утеплителя из
_МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ_
Проведенные расчеты показали, что наибольшая теплопроводность характерна для исследуемого материала при шарообразной форме частиц, она составила 0,0433 Вт/м-К. Это можно объяснить тем, что при шарообразной укладке возникает разрыв точечных контактов и пористость материала выше. Достижение формы измельчаемых частиц к шарообразной достигается за счет максимальной распушке волокнистой подосновы материала. При этом основное влияние на структуру скелета материала будет оказывать положение частиц полимерной основы.
Коэффициент радиационной 1р и 1 эффективной теплопроводности, в зависимости от размера частиц полимерной основы и температуры среды определяется согласно формуле [91]:
1р = 0,184x10-6 dT3 ,
где d - размер частиц материала, мм; Т - температура эксплуатации материала, 0С.
1 = 0,043 + 0,06 (у - 0,15) + 0,00025 ^ - 3), где у - плотность рыхлого волокнистого материала по фракциям, кг/м3.
Результаты расчетов показаны на рис. 4 и 5. Отмечено, что теплопроводность возрастает с увеличением размера частиц материала, т.е. чем меньше размер частиц, тем выше теплоизоляционные показатели материала, что может быть объяснено снижением доли радиационной теплопроводности.
К
н т
л" н о о X
ч о
(Я
о а с о ч с <и н
<я X X о к я <я к
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0,3105
0,092 0,1242
0,0115 ^ 0,0368 0,0184 0,0621
0,0023 50
0,0046
■ для частиц 0,5 мм
для частиц 0,1м м
100
для частиц 0,2 мм
150
температура, С
Рис. 4. Зависимость радиационной теплопроводности от размера частиц и температуры
0,047
0,0465
0,046
.¡г 0,0455 1-со
л" 0,045 1- ' о О
ц 0,0445
О
ш
0,044
О
с;
Ф 0,0435
I-
0,043 0,0425 0,042
¿0,0448
/ 0,04307
0,0423 ./Т
0,04207 л
0 5 10 15 20
средневзвешенный размер чсатиц, мм
Рис. 5. Зависимость теплопроводности от размера частиц и плотности материала
25
Проведенный теоретический анализ моделей многокомпонентных полимерных волокнистых материалов (ПВМ) с позиции обоснования механико-технологических схем переработки, позволяющих решать вопросы рационального природопользования и повышения экологической безопасности производств, определил:
1. В основе переработки ПВМ лежит процесс механического разрушения связей полимерных цепей, который происходит под действием прилагаемых внешних нагрузок. Поиск путей и способов разрушения полимерных цепей с позиции снижения энергозатрат определяет эффективность переработки негомогенных полимерных отходов по конечным результатам.
2. Известные теоретические модели строения волокнистых теплоизоляционных материалов (ТИМ) базируются на идеализированных структурах и не отражают влияния отдельных составляющих (размер и фирма частиц, вид контактирования и др.) в совокупности определяющих теплофизические и механические показатели.
3. Модель ТИМ на основе техногенного сырья производства линолеума ПВХ содержит составляющие пористости частиц материала и степень развитости их поверхности, которые определяют, как основные показатели, теплофизические и механические свойства утеплителя.
4. Развитую поверхность частиц волокнистых ТИМ, определяющую их теплофизические и механические свойства, возможно получать в устройствах, реализующих технологию последовательного многоступенчатого измельчения сырья.
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИНТЕТИЧЕСКОГО УТЕПЛИТЕЛЯ ИЗ _МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ_
5. Результаты экспериментальных исследований по определению теплофизических и механических показателей ТИМ на основе отходов линолеума ПВХ, выполненные с позиции обоснования механико-технологической схемы их получения позволяют решать вопрос переработки сырья путем его последовательного многоступенчатого измельчения.
6. В результате экспериментальных исследований определена основная характеристика зависимости теплофизических параметров ТИМ - размер частиц материала после его переработки, - который необходимо контролировать с целью обеспечения конечного продукта с заданными эксплуатационными (теплофизическими) свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
1. Чудновский, А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов / А.Ф. Чудновский. - М.: Изд. Физико-математической литературы, 1962. - 456 с.
2. Лыков, А.В. Теоретические основы строительной теплофизики / А.В. Лыков. - Минск: Изд. АН БССР, 1961. - 520 с.
3. Кауфман, Б.Н. Теплопроводность строительных материалов / Б.Н. Кауфман. - М.: Госстройиздат, 1955. - 358 с.
4. Кришер, О. Научные основы техники сушки / О. Кришер. - М.: ИЛ, 1961. - 539 с.
SUMMARY. The theoretic analysis of the data received allows to draw a model of the multicomponent material based on linoleum waste can replace widely used nowadays more expensive heat-insulators. At the same time, the problems of the utilization of the linoleum production waste are solved which provides energy - and resources - saving at the plants.
