Эффективные ограждающие элементы зданий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 536.212.2

ЭФФЕКТИВНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗДАНИЙ © 2007 г. В.А. Перфилов, В.И. Лепилов

Авторы ставили перед собой задачу найти способ снижения теплопроводности элементов ограждающих конструкций, выполненных из традиционных материалов (керамических, силикатных, бетонных и т.п.), без применения дополнительных реагентов и изменения химического состава.

Поставленная задача решается тем, что в ограждающем элементе выполняют систему параллельных непрерывных воздушных прослоек, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока. Толщина воздушной прослойки подбирается таким образом, чтобы в ней была полностью подавлена свободная конвекция, а передача теплоты осуществлялась только за счёт теплопроводности воздуха.

На рисунке изображен вариант ограждающего элемента на основе преобразования стандартного силикатного кирпича в кирпич с повышенными

1-1

теплозащитными свойствами, в котором стенки 1 выполнены из стандартного известково-песчаного материала, а воздушные прослойки 2 толщиной 4 мм в количестве 8 штук расположены равномерно по всему сечению кирпича. Воздушные прослойки 2 выполняются замкнутыми со всех сторон, за исключением одной стороны, и в кладке направлены перпендикулярно тепловому потоку q (Вт/м), а силикатные перегородки 3 отделяют воздушные прослойки друг от друга. В процессе монтажа кирпичной кладки каждый последующий слой предлагаемого кирпича укладывают открытой поверхностью вниз на свежеуложенный цементно-песчаный раствор. Такой способ повышает сцепление отдельных элементов кладки, снижает расход це-ментно-песчаного раствора, а также образует замкнутые воздушные полости.

Ограждающий элемент с системой параллельных непрерывных воздушных прослоек

Толщину воздушной прослойки определяли по известным критериальным уравнениям [1]: Сгж Ргж < 100;

Сгж Ргж > 1000;

Ек = 0,18 (Огж Ргж)0,25;

X э

77 _ экв Ек -

Х воз

где Огж - число Грасгоффа, характеризует относительную эффективность подъёмных сил, вызывающих свободно-конвективное движение среды и сил вязкости; Ргж - число Прандтля, характеризует соотношение между молекулярным переносом количества движения и теплоты; Ек - коэффициент конвекции; X экв - эквивалентный коэффициент теплопроводности; X воз - коэффициент теплопроводности воздуха.

Проведен предварительный расчёт толщин воздушных прослоек для температуры наружного воздуха -50 °С и перепадов температур А равных 10, 20, 40, 80 и 100 °С. Для дальнейших расчетов принимали воздушную прослойку толщиной 4 мм, как самую надежную даже при перепаде температур в 100 °С (от -50 °С до +50 °С ), в которой полностью подавлена конвективная составляющая теплопередачи.

Устройство одной воздушной прослойки в кирпиче явно недостаточно для значительного снижения теплопроводности. Поэтому усиление теплозащитных свойств изолируемой части кирпича осуществляется постановкой максимально возможного числа воздушных прослоек. Значение эффективного коэффициента теплопроводности изолируемого воздушными прослойками объёма, без учета торцевых стенок кирпича, определяется по формуле [1]:

х = Е8С +Е8в0з

эф Е8с . Е8во,

(1)

где Е§с - сумма толщин силикатных перегородок в изолируемой зоне кирпича; Х§воз - сумма толщин воздушных прослоек в изолируемой зоне кирпича; X с - коэффициент теплопроводности силикатных перегородок, 0,7 (Вт/м-К); X воз - коэффициент теплопроводности воздуха, 0,023 (Вт/м-К).

В качестве примера расчета эффективного коэффициента теплопроводности изолированной зоны приняли силикатный кирпич, имеющий 8 воздушных прослоек толщиной 4 мм. В соответствии с формулой (1) получим X эф , Вт/м-К:

х -_0,12_

эф 0,088 0,032 —-+ —-

0,7 0,023

= 0,08.

X с

- + -

X в

Аналогичные расчеты эффективного коэффициента теплопроводности изолированной зоны силикатного кирпича были проведены для числа воздушных прослоек от 1 до 10 штук. Полученные результаты приведены в таблице.

Для дальнейшего решения поставленной задачи определяли суммарный эквивалентный коэффициент теплопроводности предлагаемого кирпича.

Через изолированную зону кирпича 2 (см. рисунок, сечение 1-1) проходит количество тепла 0эф, а через неизолированную зону 1 - Qс. Зона 2 характеризуется плотностью теплового потока, направленного через изолированную зону кирпича дэф, эффективным коэффициентом теплопроводности изолированной зоны кирпича X эф, разницей температур между холодной и теплой стенками изолированной зоны кирпича А /эф, площадью изолированной зоны кирпича ^эф.к. Зона 1 - соответственно характеризуется аналогичными параметрами неизолированной зоны кирпича: дс, X с, А Гс,

Значения коэффициентов теплопроводности предлагаемого силикатного кирпича

Количество воздушных прослоек толщиной 4 мм Эффективный коэффициент теплопроводности изолированной зоны, Xэф, Вт/м-К Эквивалентный коэффициент теплопроводности кирпича, Xэкв.к, Вт/м-К Эквивалентный коэффициент теплопроводности кирпича в кладке Xэкв.кл, Вт/м-К

1 0,35 0,40 0,47

2 0,24 0,30 0,39

3 0,18 0,25 0,35

4 0,14 0,22 0,32

5 0,12 0,20 0,31

6 0,10 0,19 0,30

7 0,09 0,18 0,29

8 0,08 0,17 0,28

9 0,07 0,16 0,27

10 0,06 0,16 0,27

Толщина всех зон одинаковая и равна ширине кирпича 5к = 0,12 м, а общая площадь сечения = = ^эфк + Общее эквивалентное количество тепла, прошедшее через сечение кирпича бэкв.к, составит

бэкв.к Qэф + ^ф ^эф.к + qс ^с.к

= А-эфХ эф „ + А- сХ с „

8 к эфк 8 к ск'

При стационарном тепловом режиме в реальных условиях эксплуатации температуры на теплой и холодной поверхностях изолированной и неизолированной зоны кирпича выравниваются и принимают усредненное значение, поэтому разница температур между теплой и холодной поверхностями во всех частях будет одинакова: А -эф = А -с = А t. Тогда

бэкв.к = — (эф.кХ эф + ^.кХ с ) . (2)

8 к

Разделив обе части уравнения (2) на площадь сечения = ^Эф.к + Fcж, получим:

<?э,

_ At (эф.кX эф + Fc.kX с )

8 к Fk

(3) =

X э

5к

I экв.к ~ к

At

Тогда получим

At (F ф X ф + F X )5,

\ эф.к эф с.к с к

5 к F, At

или после сокращения имеем:

X э

Fэф.кX эф + Fc.kx с

fk

(4)

Аналогичные расчеты эквивалентного коэффициента теплопроводности силикатного кирпича были проведены для числа воздушных прослоек от 1 до 10 штук. Полученные результаты приведены в таблице.

Для расчета коэффициента теплопроводности кирпичной кладки Хэкв кл преобразуем формулу (4) и получим

7—' ^ 7—' ^ 7—' ^

X _ эф.кл эф с.кл с р.кл р

эквкл _ F '

к.кл

где Fэф.кл - площадь изолированного сечения кирпича в условиях кладки; Fс.кл - площадь неизолированных участков (внешние стороны) силикатного кирпича в условиях кладки; Fр.кл - площадь швов цементно-песчаного раствора в условиях кладки; Ар - коэффициент теплопроводности цементно-песчаного раствора, 0,76 Вт/м-К.

Произведем расчет коэффициента эквивалентной теплопроводности Аэкв.кл в кладке для предлагаемого силикатного кирпича с 8 воздушными прослойками толщиной 4 мм, у которого Fэф.кл = 0,0176 м2, Fс.кл =

= 0,0045 м2, Fр = 0,00348 м2 и, соответственно, общая площадь Fк.кл = 0,02558 м2. Тогда, Аэквкл, Вт/м-К:

где qЭкв.к - плотность теплового потока через всю боковую площадь кирпича, Вт/м2.

Полученную формулу (3) подставим в известное уравнение для определения эквивалентной теплопроводности кирпича [1]:

0,0176 • 0,08 + 0,0045 • 0,7 + 0,00348 • 0,76 0,02558

= 0,28.

Произведем расчет эквивалентной теплопроводности X экв.к для предлагаемого силикатного кирпича с 8 воздушными прослойками толщиной 4 мм, у которого Fэф.к = 0,0188 м2, Fс.к = 0,003242 м2 и, соответственно, общая площадь Fк = 0,022 м2. Тогда, X экв к, Вт/м-К

Аналогичные расчеты эквивалентного коэффициента теплопроводности силикатного кирпича в кладке были проведены для числа воздушных прослоек от 1 до 10 штук. Полученные результаты приведены в таблице.

Таким образом, для снижения теплопроводности и подавления свободной конвекции в ограждающем элементе предлагается выполнять систему параллельных непрерывных воздушных прослоек, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока. В результате проведенных расчетов оптимальная толщина воздушных прослоек при перепаде температур до 100 °С составила 4 - 5 мм.

Литература

X э

0,0188 • 0,08 + 0,003242 • 0,7 0,022

_ 0 17 1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.,

' ' 1973.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

26 апреля 2007 г.