CC BY
58
3/2011_МГСу ТНИК
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ЭФФЕКТИВНУЮ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
REARCH OF INFLUENCE OF A DIRECTION OF A THERMAL STREAM ON EFFECTEVE HEAT CONDUCTIVITY OF COARSEGRAINED LOOSE MATERIFLS
A.^. ^aSe^OB A.Z. Zhabelov
Кабардино-Балкарский государственный университет
Перенос тепла в твёрдых пористых и сыпучих материалах может быть охарактеризован, "эффективным коэффициентом теплопроводности", определению которого, в зависимости от направления теплового потока (вверх - вниз) посвящена работа.
Carrying over of heat to firm, porous and loose materials can be characterised so-called in "effective factor of heat conductivity" to which definition, depending on a direction of a thermal stream work (upwards-downwards) is devoted.
Изучению теплофизических характеристик сыпучих материалов посвящен ряд обобщающих работ [1, 2].
Крупнозернистые сыпучие строительные материалы вулканического происхождения (крупный песок, мелкий щебень, перлит, пепел, пемза и др.) могут быть использованы в качестве теплоизоляционных засыпок ограждающих конструкций отапливаемых помещений. Для теплотехнического расчёта таких ограждений необходимо знать их теплофизические характеристики, в частности, так называемый «эффективный» коэффициент теплопроводности Хэф .
Теплофизические характеристики этих материалов, зависящие от плотности - истинной и насыпной, структуры пор, крупности и формы зёрен, размеров и формы межзерновых пустот, влажности и др., мало изучены. В работе Р.Л. Маиляна и М.А. Ахматова «Железобетон на пористых каменных отходах», опубликованной в 1987 г., приведены, в основном, физико-механические характеристики некоторых видов заполнителей лёгких бетонов вулканического происхождения Кабардино-Балкарии [3]. Исследование конвективного переноса тепла в межзерновых пустотах проведено в работе И.Я. Неусихина и В.В. Покотилова [4]. В работе [5], приводятся значения коэффициентов теплопроводности засыпок из туфовых отходов Каменского карьера для трёх фракций, где не отражена зависимость эффективного коэффициента теплопроводности засыпок от направления теплового потока. В данной работе предпринята попытка восполнить этот пробел в некоторой её части.
Перенос тепла в крупнозернистых сыпучих материалах является сложным процессом, включающим в себя все виды теплообмена - теплопроводность, конвекцию и излучение в их совокупности. На кондуктивную составляющую общего процесса переноса тепла в слоях крупнозернистых материалов будет оказывать влияние теплопро-
водность самого скелета материала X м и воздуха Xе, его плотность р , пористость П, площади контакта зёрен друг с другом Е /1, влажность Ж и другие факторы. Направление теплового потока д на величину кондуктивной составляющей не будет оказывать существенного влияния.
Лучистая составляющая теплообмена зависит от температуры поверхности зерен Тп , степени черноты поверхности е, размеров межзерновых пустот , но не зависит от направления теплового потока.
Существенный вклад в общий процесс теплопереноса будет оказывать перенос тепла через заполнения межзерновых пустот и поры самих зёрен.
В общем случае, эти пустоты и поры заполняются атмосферным воздухом, теп-лофизические характеристики которого зависят, в свою очередь, от температуры и влажности и>в. Влага воздуха, адсорбируясь поверхностью зёрен, существенно влияет на теплопроводность самих зёрен.
Перенос тепла через поры зёрен, подчиняясь законам капиллярного переноса влаги, будет зависеть от парциального давления паров влаги в воздухе и материале зёрен, и мало будет зависеть от направления теплового потока. Перенос же тепла через межзерновые пустоты будет существенно зависеть от размеров и формы этих пустот, а также от направления теплового потока в поле сил тяжести.
При направлении теплового потока снизу-вверх (в случае засыпок чердачных перекрытий), теплота через эти пустоты будет переноситься как теплопроводностью и излучением, так и конвекцией воздуха, интенсивность которой зависит от температурного напора, размеров и формы межзерновых пустот. При обратном направлении теплового потока, то есть сверху - вниз (в случае засыпок полов первого этажа) в межзерновых пустотах конвекция не возникает и перенос тепла через них, осуществляется теплопроводностью через воздух, заполняющий эти пустоты и излучением.
Так как теплопроводность неподвижного воздуха при заданных температурах весьма низка (Хе = 0,024 + 0,026Вт / мК), то и эффективный коэффициент теплопроводности засыпки Xэф сверху - вниз по нашим предположениям должен быть ниже,
чем при тепловом потоке снизу-вверх, что подтверждается результатами экспериментов. Эффективный коэффициент теплопроводности определялся на установке, позволяющей за один опыт в стадии монотонного разогрева определять все теплофизиче-ские характеристики сухих и влажных, твёрдых пористых и сыпучих материалов с учётом направления теплового потока (вверх - вниз).
Результаты экспериментов занесены для сыпучих материалов (отходов Каменского туфового карьера Кабардино-Балкарии) в таблицу 1 и представлены в графической форме (рис. 1 и 2).
Задачей данного исследования являлось экспериментальное подтверждение зависимости Xэф от направления теплового потока и его количественное описание.
В результате исследований было установлено:
1. Эффективный коэффициент теплопроводности зависит от насыпной плотности и направления теплового потока.
2. При направлении теплового потока снизу вверх с увеличением насыпной плотности (уменьшением межзерновых пустот) эффективный коэффициент теплопроводности уменьшается, что объясняется переходом турбулентного потока воздуха в межзерновых пустотах в ламинарный.
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
3. При направлении теплового потока сверху вниз, как при малых размерах пустот так и при относительно больших, конвективная составляющая практически отсутствует, и теплоперенос осуществляется, в основном, теплопроводностью. При увеличении насыпной плотности увеличивается площадь межзерновых контактов, за счёт чего возрастает теплопроводность.
Вт/мК X ,
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
а /
Т— J_
♦ ^ б
600 800 1000 1200 1400 кг/м Рис.1. Зависимость эффективных коэффициентов теплопроводности засыпок: а) тепловой поток снизу - вверх; б) тепловой поток сверху - вниз;
ЧфТ^эф!
6 5 4 3 2 1
600 800 1000 12 00 14 00 кг/м3 Рис.2. Отношение эффективных коэффициентов теплопроводности
Таблица 1
Результаты экспериментов_
Фракции, мм №№ образцов Насыпная плотность, рк, кг/м Направление теплового ^ эф , ^эф t
потока Вт/м2 ^эф 1
1 1240 т 0,264 1,09
1 0,241
0-1 2 1180 т 0,275 1,13
i 0,242
3 1020 т 0,283 1,22
i 0,232
1 960 т 0,306 1,38
1 0,221
1-5 2 920 т 0,323 1,45
1 0,222
3 890 т 0,336 1,65
i 0,204
1 860 т 0,343 1,88
i 0,182
5-10 2 780 т 0,347 2,08
1 0,172
3 710 т 0,362 2,15
1 0,168
1 670 т 0,380 2,50
i 0,152
10-20 2 650 т 0,372 2,62
i 0,142
3 630 т 0,387 3,37
1 0,115
Выявленные закономерности необходимо учитывать при выборе крупнозернистых засыпок в качестве теплоизоляции полов первого этажа и перекрытий последнего, т.е., для теплоизоляции полов первых этажей целесообразно использовать крупнозернистые фракции, а для теплоизоляции перекрытий последних этажей - мелкозернистые фракции.
Литература
1. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М., Физмат изд., 1962.
2. Васильев Л.Л., Танаева С.А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск, «Наука и техника», 1971.
3. Маилян Р.Л., Ахматов М.А. Железобетон на пористых каменных отходах. М., "Стройиздат", 1987.
4. Неусихин И.Я., Покотилов В.В. Экспериментальные исследования свободной конвекции в слоях сыпучих строительных материалов. - ИФЖ, 1979, т.36, №6, с. 1108-1109. Деп. ВИНИТИ, per. №708-79 ден.
5. Жабелов А.Ж. Тепловые свойства многослойной ограждающей конструкции из отходов туфопиления. Вестник Кабардино-Балкарского государственного университета. Серия технические науки. Выпуск 5, 2003г, с. 22-24.
Literature.
1. Chudnovsky A.F. Thermalphysical characteristics of disperse materials. USSR, Moscow, 1962.
2. Vasiljev L.L., Tanaeva S.A. Thermalphysical properties of disperse materials.. USSR, Minsk,
1971.
3. Mailan R.L., Akhmatov M.A. Steelconcrete on porous stone waste. USSR, Moscow, 1987.
4. Neusikhin I.J., Pokotilov V.V. Experimental researches free convection in layers of loose building materials. - IPJ (USSR), 1979, v.36, №6, p. 1108-1109.
5. Zhabelov A.Z. Thermal properties of a multilayered protecting design from waste of tufe. The bulletin of the Kabardino-Balkarian state university. A series engineering science. Release 5, 2003, pp. 22-24.
Ключевые слова: сыпучие материалы, сложный теплообмен, тепловой поток, направление теплового потока, эффективный коэффициент теплопроводности, плотность, влажность.
Keywords: loose materials. difficult heat exchange, a thermal stream, a direction of a thermal stream, effective factor of heat conductivity, density, humidity.
Кабардино-Балкарский госуниверситет. Г. Нальчик
akozhabelov@live.ru
Рецензент: В.Г.Гагарин д.т.н., проф., НИИСФРААСН
