Двумерный нестационарный теплоперенос в неоднородной керамзитобетонной стене Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

7. Залкинд И.Я., Троянкин Ю.В. Огнеупоры и шлаки в металлургии. - М.: Металлургиздат, 1964. - 288 с.

8. Залкинд И.Я., Вдовченко В.С. Вязкость и структура шлаковых расплавов при жидком шлакоудалении // Минеральная часть топлива и ее роль в работе энергетических устройств: Матер. Всесоюзн. научно-техн. совещ. - Алма-Ата, 1971. - С. 97-105.

9. Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов. - Т 1. - М.: Госгеолтехиздат, 1957. - 868 с.

10. Миркин Л.И. Справочник Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: Физматгиз, 1961. - 863 с.

11. Винчелл А.Н., Винчелл Г. Оптические свойства искусственных минералов. - М.: Мир, 1967. - 526 с.

12. Михеев В.И., Сальдау Э.П. Рентгенометрический определитель минералов. - Т. 2. - Л.: Недра, 1965. - 363 с.

13. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. - Л.: Наука, 1975. - 599 с.

УДК 536.24:666.973.2:666.64.492.3:692.2

ДВУМЕРНЫЙ НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОПЕРЕНОС В НЕОДНОРОДНОЙ КЕРАМЗИТОБЕТОННОЙ СТЕНЕ

А.Н. Хуторной, А.Я. Кузин, А.В. Колесникова, Н.А. Цветков

Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: kaftgs@tsuab.ru

Разработана конструкция монолитно возводимой керамзитобетонной наружной стены с упорядоченным расположением в толще вертикальных паронепроницаемых составных опалубок с эффективным утеплителем. На основе физико-математической модели численно выполнен параметрический анализ влияния различных факторов на тепловые режимы керамзитобетонной стены. В климатической камере объемом 58 м проведено экспериментальное исследование полей температуры и теплозащитных свойств фрагмента стены размером 2х2х 0,3 м. Получено удовлетворительное согласие результатов расчета и эксперимента по температурным полям и плотностям тепловых потоков, что позволяет рекомендовать к практическому использованию разработанную численную методику.

В работе [1] показано преимущество использования монолитно возводимых керамзитобетонных наружных стен зданий с вертикальными пустотами, заполненными утеплителем [2]. Предложенный способ утепления позволяет повысить теплозащитные свойства стены на 30...50 % и уменьшить ее массу на 20 %. Для исключения возможности образования зоны конденсации в слое утеплителя внутреннюю опалубку можно выполнять из паронепроницаемых, например, полимерных материалов, а стыки ее составных элементов герметизировать высокоадгезионным материалом.

Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей процессов теплопереноса в таких неоднородных конструкциях чрезвычайно важны для обоснования предложенного способа повышения их теплозащитных свойств, особенно при строительстве в Сибири.

Рассмотрим теплоперенос через плоскую неоднородную систему, состоящую из керамзитобето-на 1 с осевым отверстием, заполненным утеплителем 2 (рис. 1). Форма керамзитобетона и утеплителя - прямые параллелепипеды, поперечные сечения которых - квадраты со сторонами й1 и 4 соответственно. Известны теплофизические характеристики (ТФХ) (А;,р;,С;,/=1,2) материалов системы, ее геометрические размеры, температуры наружной (^е) и внутренней (у„~) сред, коэффициенты теплоотдачи на наружной (а,) и внутренней (а0) поверхностях ограждения.

Необходимо рассчитать поля температур и плотностей тепловых потоков в поперечном сечении неоднородной керамзитобетонной стены.

Теплоперенос в поперечном сечении неоднородного керамзитобетонного фрагмента стены в областях 1 и 2 описывается двумерными нелинейными нестационарными уравнениями теплопроводности

д1‘ д (п Щ1+ 5 ^

1+#1М I• i-и- (1)

с начальными и граничными условиями t1-с- tn'X У)• i -1,2;

о dt, I

—3 dx I x=0 —ac (tg ,ins — tC)’

3 dtii

i dx lx—X‘

3t,

— a(t — t );

w V g e w ‘ >

— = o

5у1у-с ;

^Ll - с-

5yly-Y* ;

-12

dtL dx I

dt2

x-X, 4 \x-Xi • 3 dx |x-X 1 3 dx \x-X i

dt2

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Y < У < Y2; (7) Г, < y < Y2;(8)

к\ у=y = t2\,=г,, Л |^| у=г, = Л д-У\у =Y,, X, < х < X 2; (9)

ду

I I д/ \ д/ I

/, У = /2 у , Я,^1 у =К^\ У , ^ ^ -^2, (10)

1 I У=У2 2 ¡У=У2 ’ 1 ду |у =У2 2 ду 'У 2 1 2

где tn - температура в начальный момент времени, °С; г^, ^ - температуры наружного и внутреннего воздуха, °С; г0, - температуры на внутренней и

наружной поверхностях стены, °С; а0, а„ - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях стены, Вт/(м2-К); т - время, с; х, у -координаты, м; с - коэффициент удельной теплоемкости, Дж/(кгК); Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); р- плотность, кг/м3; X ( /=1,2), ^ ( /=1,2) - координаты внутренних границ расчетных подобластей по х и у, м; Хк, Ук - координаты верхних границ расчетной области по х и у, м.

На границах области х=0 и х=Хк задаются условия конвективного теплообмена (3, 4); у=0 и у=Ук -адиабатные условия (5, 6); на внутренних границах системы - условия четвертого рода (7-10).

Адиабатные

£

а0

Yi-

Конвективный теплообмен Yi -

условия

©

2

tg,e,

Конвективный

теплообмен

Рис. 1.

Адиабатные/ х, Х2 Хк

условия

Расчетная схема неоднородного фрагмента керамзитобетонной стены

ны проводились в климатической камере объемом 58 м3. Испытываемым фрагментом стены камера разделялась на теплый и холодный объемы по 29 м3 каждый. Для возведения стены была изготовлена деревянная опалубка, на стенках которой для предотвращения вытекания керамзитобетонной смеси была закреплена полиэтиленовая пленка. Опалубка заливалась керамзитобетонной смесью марки М100. Размеры возведенного фрагмента стены составляли 2х2х0,3 м (рис. 2). Для выполнения стены неоднородной внутрь опалубки перед заливкой были помещены семь полиэтиленовых труб диаметром 0,105 м, заполненные утеплителем (пенопласт).

В математической модели (1) - (10) нижние индексы 1, 2 характеризуют керамзитобетон и утеплитель.

Для численного решения задачи использовался метод расщепления Н.Н. Яненко [3]. Полученные в результате расщепления одномерные уравнения теплопроводности в однослойных и трехслойных областях в направлениях x и у рассчитывались итерационно-интерполяционным методом [4] с итерациями по коэффициентам с заданной точностью. Решение задачи по изложенному выше алгоритму осуществлялось с помощью программы, разработанной по модульному принципу на языке программирования ФОРТРАН для ПЭВМ.

Для тестирования численного алгоритма и программы вначале была решена двумерная задача теплообмена в однородной керамзитобетонной стене. В результате численных расчетов было установлено, что независимо от задания начального условия, которое варьировалось от -40 до +20 °С, численное решение двумерной задачи прит-^да стремится к единственному стационарному решению, совпадающему с известным аналитическим решением [5], что является одним из подтверждений достоверности результатов расчетов.

Экспериментальные исследования теплозащитных свойств неоднородной керамзитобетонной сте-

Рис. 2. Экспериментальная схема фрагмента керамзитобетонной неоднородной стены (размеры даны в мм)

Для производства экспериментальных работ использовался измерительный комплекс «Терем - 4.0» производства НПП «Интерприбор» (г. Челябинск). Измерение температур в эксперименте проводилось с помощью 22 хромель-копелевых термопар. Для измерения плотностей тепловых потоков использовались преобразователи теплового потока производства НПП «Интерприбор». На каждую термопару и преобразователь теплового потока в ГП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» получен сертификат соответствия о калибровке средств измерения. Схема расположения термопар в неоднородном фрагменте керамзитобетонной стены и значения температур в местах их установки показаны на рис. 3. Преобразователи тепловых потоков устанавливались на внутренней поверхности стенки: один в плоскости размещения утеплителя, а другой в плоскости, расположенной между теплоизоляционными вставками.

Испытания проводились при температуре в холодной зоне климатической камеры -15,1±0,2 °С, в теплой зоне 25,5±0,2 °С. После выхода на стационарный режим теплопередачи для двадцати серий испытаний температура на внутренней поверхности стены составляла 15,6...16,2 °С в плоскости размещения утеплителя (плоскость I) и 15,2.15,9 °С - в плоскости между теплоизоляционными вставками (плоскость II). Температура на наружной поверхности составляла -7,6.8,3 °С в плоскости I и -7,4...8,0 °С - в плоскости II. Измеренные плотности тепловых потоков через испытываемую стену составляли 56,1 ±2,7 Вт/м2 в плоскости I и 65,5±2,9 Вт/м2 - в плоскости II.

Для корректного проведения сопоставительного анализа численное исследование закономерностей теплопереноса в неоднородном керамзитобетонном фрагменте стены проводилось при геометрических и теплофизических данных, соответствующих экспериментальным.

1

0

X

25 см

Ъ = - 14,9 -7,6

Таблица. Результаты расчета и эксперимента по температурным полям

4,2

-7,4

5 см 5 см

5 см 5 см

Метод исследования Сечение стены Значение координаты х, м

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Численный расчет плоскость I 16,4 13,5 11,7 4,2 -3,0 -4,9 -7,7

плоскость II 16,0 12,6 8,7 4,5 -0,0 -4,0 -7,3

Эксперимент плоскость I 16,2 13,7 11,9 4,7 -2,3 -4,2 -7,6

плоскость II 15,9 12,5 8,5 5,1 1,0 -3,1 -7,4

Данные таблицы показывают хорошее согласование расчетных и экспериментальных значений температуры.

На рис. 4-7 представлены результаты численных расчетов.

и = 25,3

Рис. 3. Схема расположения термопар и значения температур (С) в местах их установки

Значения плотностей и коэффициентов теплопроводности керамзитобетона и утеплителя определялись опытным путем. Для измерения теплопроводности керамзитобетона были изготовлены специальные рамки, в которые заливалась керамзитобетонная смесь. Таким образом, из керамзитобетона и утеплителя было изготовлено по три пары идентичных образцов размерами 100x100x15 мм. Теплопроводность измерялась на установке, реализующей стационарный метод неограниченного плоского слоя. Исследование теплопроводности образцов проводилось в лаборатории «Испытаний теплофизических свойств материалов», аттестат аккредитации № РОСС RU. 9001. 21.СЛ31, лицензия Госстроя России № 21 СЛ31. Результаты измерений показали, что значения теплопроводности образцов из керамзито-бетона составляли 0,87±0,04 Вт/(м.К), а из утеплителя - 0,05±0,002 Вт/(м.К). Плотность керамзитобетона составляла 1746 кг/м3, плотность утеплителя -42 кг/м3. Теплоемкость материалов в численных расчетах бралась из справочных данных: 840 Дж/(кгК) для керамзитобетона и 1260 Дж/(кгК) для утеплителя.

Поскольку в эксперименте использовались трубы круглого сечения, а в физико-математической модели теплопереноса - параллелепипеды с квадратными поперечными сечениями, то при выполнении численных расчетов круглое поперечное сечение утепляющей вставки заменялось равновеликим квадратным. Коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях стены, используемые в расчетах, определялись на основании измеренных плотностей тепловых потоков по формуле [5]

Ч

а =—-—,

*1 - *2

где q - измеренная плотность теплового потока, Вт/м2; /1, - температура воздуха и поверхности

стены, соответственно, °С.

В таблице представлены результаты расчета и эксперимента по температурам в °С, в различных сечениях неоднородной керамзитобетонной стены.

Рис. 4. Изотермы в поперечном сечении неоднородного керамзитобетонного фрагмента при тп=168 ч

Поведение изотерм в поперечном сечении неоднородного керамзитобетонного фрагмента на рис. 4 показывает, что максимальное возмущение температурного поля происходит на границе утеплителя с керамзитобетоном. Наличие утеплителя приводит к повышению температуры на оси неоднородного керамзитобетонного фрагмента для всех х из диапазона [0, Х/2] и понижению температуры - из диапазона [Х/2, Хк].

Рис. 5. Распределение перепадов температур на периферии у = Ук и оси у = У/2 в зависимости от х в различные моменты времени т, ч: 1) 0,5; 2) 1; 3) 168

Из анализа рис. 5 следует, что максимальные перепады температур наблюдаются в плоскостях контакта утеплителя с керамзитобетоном. После выхода системы на стационарный режим теплопередачи

(кривая 3) абсолютные значения перепадов температур в этих плоскостях выравниваются и составляют примерно 3,2 °С. Абсолютные значения экспериментальных перепадов температур в рассматриваемых сечениях (рис. 3) составляют около 3,4 °С.

Таким образом, на основе численного и экспериментального исследования установлено, что в центре неоднородного фрагмента располагается сечение с максимальным значением трансмиссионной теплоты, до которого теплота от оси фрагмента отводится на его периферию, а после которого, наоборот, подводится с периферии к оси фрагмента.

Рис. 6. Распределение плотностей тепловых потоков по х для утепленного (—4) и однородного (5) керамзитобетонных фрагментов в конечный момент времени т=168 ч в различных сечениях по у: 1, 5) у=У; 2) у=7У/8; 3) у=3У/5; 4) у=У/2

Как видно из рис. 6 кривые распределения плотностей тепловых потоков в однородном и в утепленном керамзитобетонных фрагментах стены при установившемся режиме теплопередачи существенно отличаются друг от друга. При этом величина плотности теплового потока # для однородной керамзитобетонной стены толщиной 0,3 м составляет примерно 62,6 Вт/м2. Плотности тепловых потоков в сечениях у, проходящих через утеплитель имеют минимумы, а в сечениях, проходящих через керамзитобетон - максимумы, находящиеся в центре керамзитобетонного фрагмента. Это объясняется большим термическим сопротивлением утеплителя, чем керамзитобетона. Тепловой поток, проходящий через неоднородный фрагмент стены при «столкновении» с утеплителем вынужден огибать его по пути наименьшего сопротивления. Поэтому через утеплитель в центре неоднородного фрагмента будет проходить меньший тепловой поток (кривые 3, 4), чем через керамзитобетон (1, 2), причем величина плотности теплового потока в сечении у=7/8 Ук немного больше, чем в сечении у=Ук. Это можно объяснить большей концентрацией изотерм вблизи теплоизоляционной вставки и их рассеиванием по мере удаления от оси фрагмента к периферии. Разница в величинах плотностей тепловых потоков на наружной и внутренней поверхностях стены в сечениях, проходящих через утеплитель и керамзитобетон составляет около 5 %.

Рис. 7. Тепловые потери через внутреннюю (1) и наружную (2) поверхности утепленного керамзитобетонного фрагмента стены при %„=20 "С

Исследование теплозащитных свойств неоднородного керамзитобетонного фрагмента показывает (рис. 7), что при задании начального условия 4=25,5 °С тепловые потери через наружную поверхность утепленного керамзитобетонного фрагмента (кривая 2) вначале резко растут, достигая при т»1 ч максимального значения 50,5 Вт, а затем уменьшаются, стремясь к стационарному значению. Тепловые потери через внутреннюю поверхность фрагмента стены (кривая 1) с самого начала постоянно медленно растут, также асимптотически стремясь к своему стационарному значению только снизу. После выхода процесса теплопереноса на стационарный режим тепловые потери через внутреннюю и наружную поверхности фрагмента уравниваются, что служит одним из подтверждений достоверности расчетов. При этом тепловые потери через утепленный керамзитобетонный фрагмент при установлении стационарного режима составляют примерно 13,7 Вт. Для сравнения тепловые потери через однородный фрагмент равны 18,8 Вт.

Анализ полученных результатов показывает, что применение монолитно возводимых стен с пустотами, заполненными утеплителем, с теплотехнической точки зрения выгодно. Вместе с тем расчет термического сопротивления рассматриваемых в работе керамзитобетонных наружных стен указывает на необходимость их дополнительного утепления в районах с холодными климатическими условиями. Это возможно путем устройства различных фасадных систем утепления с декоративной отделкой [6].

Таким образом, проведенное численное и экспериментальное исследование тепловых режимов неоднородной керамзитобетонной стены выявило в ней закономерности распределения перепадов температур и тепловых потоков. Разработанная численная технология позволяет прогнозировать тепловое состояние наружных неоднородных керамзитобетонных стен в холодных климатических условиях с различными теплофизическими и геометрическими характеристиками керамзитобетона и утеплителя и более рационально подходить к выбору систем их дополнительного наружного утепления.

Работа выполнена по программе Федерального агентства по образованию “Развитие научного потенциала высшей школы” (Подпрограмма 2. Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники), код проекта 7756.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хуторной А.Н., Колесникова А.В. Теплозащитные свойства неоднородных керамзитобетонных наружных стен зданий // Известия вузов. Строительство. - 2004. - № 7. - С. 18-20.

2. Пат. на ПМ 47034 РФ. МПК7 E04G 11/08. Монолитная бетонная стена (варианты) / А.В. Колесникова, А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Я. Кузин. Заявлено 14.03.2005. Опубл. 10.08.2005, Бюл. № 22. - 2 с.: 1 ил.

3. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. - Новосибирск: Наука, 1967. - 195 с.

4. Гришин А.М., Берцун В.Н. Итерационно-интерполяционный метод и теория сплайнов // Доклады АН СССР. - 1974. -Т. 214. - № 4. - С. 751-754.

5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1970. - 376 с.

6. Хуторной А.Н., Колесникова А.В. Эффективность теплозащитных свойств керамзитобетонных наружных стен зданий // Известия вузов. Строительство. - 2004. - № 9. - С. 10-15.

УДК 621.791.75.037

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДУГОВОЙ СВАРКИ ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ СТАЛЕЙ В ЩЕЛЕВУЮ РАЗДЕЛКУ

Д.А. Чинахов, В.Т. Федько, О.Г. Брунов, Ю.Н. Сараев*

Юргинский технологический институт ТПУ *Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: zver73@rambler.ru

Рассматривается проблема сварки легированных высокопрочных сталей в щелевую разделку. Изложены результаты сравнительных исследований образцов из стали 30ХГСА, выполненных разными способами импульсной дуговой сварки. Установлено, что способ сварки с импульсной подачей электродной проволоки имеет ряд преимуществ и обеспечивает надежное качество формирования шва и работоспособность соединений с щелевой разделкой.

Легированные высокопрочные стали обладают высоким комплексом эксплуатационных свойств и используются для производства ответственных сварных конструкций [1, 2]. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Однако, при сварке стали данного класса склонны к закалке и образованию холодных трещин. Под воздействием термического цикла сварки в зоне термического влияния (ЗТВ) формируются закалочные структуры, характеризующиеся большим значением твердости и малой вязкостью. Поэтому на зону сплавления и ЗТВ приходится наибольший процент образования холодных трещин [3].

Для предотвращения образования холодных трещин зачастую прибегают к дополнительным операциям, усложняющим технологический процесс и увеличивающим количество затрат на изготовление сварных конструкций. В отечественной и зарубежной практике для этой цели широко применяют предварительный подогрев и последующую термообработку. Такая технология сварки позволяет, в некоторой степени, снизить уровень содержания диффузионного водорода в сварном соединении, скорость охлаждения металла шва и ЗТВ и увеличить время протекания структурных превращений [4-6].

Однако, эта технология сложна и нерациональна, поскольку требует тщательного контроля температуры и режимов сварочного процесса, а неравномерность подогрева и термической обработки крупногабаритных изделий ведет к возрастанию внутренних напряжений и деформаций. Кроме то-

го, применение предварительного подогрева и термообработки связано с дополнительными энергетическими и трудовыми затратами [6-8].

Необходимо также учитывать, что легированные высокопрочные стали (30ХГСА, 25ХГСА, 12Х2НЧА и др.) чувствительны к концентраторам напряжений, особенно после обычной закалки и отпуска, а также подвержены охрупчиванию в результате насыщения водородом [2], что при высоких внутренних напряжениях или циклической нагрузке может служить причиной зарождения холодных трещин и привести к разрушению сварной конструкции.

Насыщение металла шва водородом происходит в результате длительного пребывания сварочной ванны в жидкой фазе. Сократить это время можно при помощи управления переносом электродного металла в сварочную ванну. В настоящее время разработаны и применяются различные способы сварки с управляемым переносом электродного металла. Каждый способ обладает своими достоинствами и недостатками [9]. С другой стороны, увеличенное время пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии способствует лучшему перемешиванию электродного металла с основным, что приводит к снижению уровня структурной и механической неоднородности в зоне сплавления [10].

Цель настоящей работы определить способ дуговой сварки плавлением, обеспечивающий требуемое качество формирования шва и работоспособность сварных соединений легированных высокопрочных сталей с щелевой разделкой.