CC BY
50
УДК 699.86 Рубашкина Татьяна Ивановна,
к. т. н., доцент кафедры «Научно-инженерные дисциплины», Забайкальский институт железнодорожного транспорта, Чита, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89144682493, e-mail: rubashkina_tatyana@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ
T. I. Rubashkina
STUDYING CERAMIC MATERIALS' THERMAL PROPERTIES BY SIMULATION METHOD OF OPERATING CONDITIONS
Аннотация. Предлагаются результаты исследования теплотехнических свойств керамических строительных материалов (пустотелых керамоблоков) и стационарного расчета тепловой защиты фрагмента многослойной ограждающей конструкции (наружной стены) здания, выполненного для конкретных эксплуатационных и климатических условий (г. Чита). Расчет выполнен с целью установления соответствия ограждающей конструкции нормативным требованиям по приведенному сопротивлению теплопередаче, недопущению конденсации влаги на внутренней поверхности (точки росы) и защите от переувлажнения. Теплофизические свойства материалов слоев конструкции, используемые в качестве исходных данных для расчета, определены по методикам соответствующих государственных стандартов. Расчет параметров тепловой защиты исследуемой ограждающей конструкции выполнен в стационарном режиме в программе РОК-05. На основе полученных результатов сделаны выводы, что исследуемая ограждающая конструкция при рассматриваемых условиях эксплуатации удовлетворяет нормативным требованиям по тепловой защите зданий.
Ключевые слова: керамические материалы, коэффициент теплопроводности, сопротивление теплопередаче, коэффициент паропроницаемости, сопротивление паропроницанию, конденсат, эксплуатационные условия.
Abstract. The results of research of thermal properties of ceramic building materials and stationary calculation of thermal protection offragment of multilayer enclosing construction (the outer wall) of the building, made for certain operating and climatic conditions (Chita) are offered. Calculation was carried for the purpose of compliance of the building envelope with regulatory requirements for resulted resistance to heat, preventing moisture condensation on the inner surface (dew point) and protection from waterlogging. The calculation of standardized parameters of thermal protection of the building envelope is performed at steady state, the temperature field calculation in section and on the surface of the building envelope, as well as areas of possible waterlogging in the design section. Based on the results we concluded that the investigated building envelope under considered operating conditions meets regulatory requirements for thermal protection of buildings.
Keywords: ceramic materials, coefficient of thermal conductivity, heat transfer resistance, water vapor permeability coefficient, water vapor resistance permeability, condensation, operating conditions.
Введение
Оптимизация конструктивных решений наружных ограждающих конструкций, отвечающих нормативным требованиям тепловой защиты здания и санитарно-гигиеническим условиям внутри него, является одной из главных задач на всех стадиях проектирования. Не менее важны предпроектные исследования теплофизических свойств вновь поставленных на производство строительных материалов в неоднородных, многослойных ограждающих конструкциях. Требуемые теплозащитные и другие эксплуатационные качества ограждений достигаются на основе данных теплофизических расчетов путем целесообразного выбора строительных материалов с учетом их физико-технических свойств, подбора оптимальной толщины и количества слоев конструкции, рационального решения конструкций. Основные требования нормирования теплозащиты зданий сформулированы в нормативных документах [3-6], согласно которым приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций следует принимать не менее требуемых значений Roтр, определяемых исходя из условий энергосбережения, а также санитарно-гигиенических и комфорт-
ных условий, определяемых средней температурой наружного воздуха и продолжительностью отопительного периода. Целесообразность применения исследуемой конструкции в конкретных климатических условиях устанавливается при условии соответствия ограждающей конструкции нормативным требованиям [4] по приведенному сопротивлению теплопередаче, недопущению конденсации влаги на внутренней поверхности (точки росы) и защите от переувлажнения. В настоящей статье приводятся результаты экспериментальных исследований параметров тепловой защиты многослойной ограждающей конструкции, выполненной из крупногабаритных керамических камней 12,3 НФ (керамоблоков) производства ООО «Мир» с облицовкой из керамического пустотелого кирпича с целью определения точки росы и области возможной конденсации (влагонакопления) в сечении конструкции. Исследования выполнены по заказу ООО «Мир» (г. Чита) с целью установления соответствия многослойной ограждающей конструкции, выполненной на основе пустотелых керамо-блоков, нормативным требованиям по приведенному сопротивлению теплопередаче, недопущению конденсации влаги на внутренней поверхно-
Т а б л и ц а 1
Характеристика и теплофизические свойства материала слоев конструкции_
№ Наименование слоев ограждающей Толщина Коэффициент теп- Коэффициент паро-
слоя конструкции слоя, мм лопроводности, Вт/(моС) проницаемости, мг/(мчПа)
1. Раствор известково-цементно-песчаный 15 0,69 0,098
2. Керамоблок 510 0,15 0,08
3. Раствор цементно-песчаный 12 0,70 0,09
4. Керамический кирпич пустотелый 120 0,238 0,16
сти (точки росы) и защите от переувлажнения в климатических условия г. Читы. Расчет нормируемых параметров тепловой защиты исследуемой ограждающей конструкции выполнен в стационарном режиме по рекомендациям [3-6], расчет температурного поля в сечении и на поверхности ограждающей конструкции, а также зоны возможного влагонакопления в сечении конструкции выполнен в программе РОК-05 (сертификат Госстандарта России № РОСС Яи.СП1Ш00175). Исходные данные и краткая характеристика объекта исследования Объект исследования - многослойная ограждающая конструкция (наружная стена) толщиной 0,642 м следующей конструкции: слой 1 (внутренний) - внутренняя штукатурка - сложный известково-цементно-песчаный раствор плотностью 1800 кг/м3 толщиной 15 мм; слой 2 (средний) - керамический камень пустотелый (керамоблок) 12,3 НФ производства ООО «Мир» плотностью 845 кг/м3 толщиной 510 мм; слой 3 - раствор це-ментно-песчаный плотностью 1800 кг/м3 толщиной 12 мм; слой 4 (наружный) - керамический кирпич пустотелый модульный (88 мм) плотностью 1360 кг/м3 толщиной 120 мм. Схема сечения исследуемой ограждающей конструкции показана на рис. 1.
120 12 ilCI 1J
Рис. 1. Схема сечения многослойной ограждающей конструкции
Теплофизические свойства материалов слоев исследуемой ограждающей конструкции, используемые в качестве исходных данных для расчета, определены в аттестованной лаборатории «Строительные материалы» Забайкальского института железнодорожного транспорта по методикам соответствующих государственных стандартов [1-2] и приводятся в табл. 1.
Расчет температурного поля
и приведенного сопротивления
теплопередаче исследуемой конструкции
Для расчета температурного поля в сечении исследуемой многослойной ограждающей конструкции в программу РОК 05 введены следующие исходные данные для климатических условий г. Читы (зона влажности Б):
1) расчетная температура воздуха внутри помещения tint = 21 °С [6, табл. 4.2];
2)влажность внутреннего воздуха фп = 55 % [6, табл. 4.2];
3) расчетная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки) text = -38 °С [6, табл. 4.1];
4) средняя температура отопительного периода tht = -13,8 оС [6, табл. 4.1];
5) продолжительность отопительного периода zht = 242 суток [6, табл. 4.3];
6) градусо-сутки отопительного периода Dd = 7841 град.-сут [6, табл. 4.3];
7) нормативный температурный перепад Atn =4 °С [4, табл. 5];
8) коэффициент положения наружной поверхности п = 1 [4, табл. 6];
9) коэффициент теплопроводности материалов слоев ограждающей конструкции по табл. 1.
В результате расчета получено расчетное температурное поле в сечении и на поверхности исследуемой ограждающей конструкции (рис. 2), где утолщенная линия - изотерма температуры точки росы.
Рис. 2. Расчетное температурное поле в сечении и на поверхности ограждающей
конструкции
Анализируя данные, показанные на рис. 2, можно сделать следующие выводы:
- минимальное значение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 19,1 °С, что выше нормативной температуры точки росы (11,6 °С);
- температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения в зимние месяцы составляет 1,9 °С, что не превышает предельно допустимое нормативное значение 4 °С. Следовательно, выполняются требования [4] по обеспечению условий не выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающих конструкций.
Теплозащитные свойства слоя ограждающей конструкции определяются сопротивлением теплопередаче (Я), определяемым отношением толщины слоя (?) к его коэффициенту теплопроводности - ^ = ^. Сопротивление теплопередаче
многослойной ограждающей конструкции определяется по формуле:
постоянно находящегося в движении воздуха (вследствие конвекции внутри помещения и ветровых воздействий снаружи) тормозятся перед поверхностью конструкций. Малоподвижный воздух имеет более высокую теплоизолирующую способность, чем быстродвижущийся, поэтому зоны более медленного движения воздуха непосредственно перед поверхностью конструкции действуют как дополнительные теплозащитные слои [8], для характеристики которых введено понятие сопротивления теплообмену, определяемое
как 1 около внутренней поверхности огражде-а .
int
ния, и сопротивление восприятию, определяемое как--снаружи. Тогда приведенное сопротив-
aout
ление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции Rn с учетом теплообмена и тепловос-приятия на поверхностях можно определить по формуле:
* " ' * (2)
R - d + ^ + ••• + ^ = R + R +••• + R
(1)
Л Л2 К
где , , ^ - толщина слоев ограждающей конструкции, м; Л ,Л„ - коэффициент теплопроводности материала слоев ограждающей конструкции; , К2, Кп - сопротивление теплопередаче слоев ограждающей конструкции. Потоки
1 fd 1
R -— + Y— +-•
n / j *
а 77 а а ,
in 1-1 l out
Подставляя в формулу (2) численные значения толщины и коэффициентов теплопередаче (по табл. 1), значения aint = 8,7, принятого по табл. 4 в [3] и août = 23, принятого по табл. 6 в [3], получим фактическое приведенное сопротивление теплопередаче исследуемой ограждающей конструкции Rn = 4,25 (м2 оС)/Вт.
Нормируемое значение сопротивления теп-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
лопередаче для наружных стен в зависимости от градусо-суток отопительного периода для климатических условий Читы, определенное по табл. 4 в [4] составляет Я^ = 4,14 (м2 оС)/Вт.
Минимально допустимое сопротивление теплопередаче кш.а для наружных стен, соответствующее санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, определяется по формуле (4.4) в [6]:
R^ =
"(tint - text )
AtAt
(3)
где tmt - расчетная температура воздуха внутри помещения, принимается по табл. 4.2 в [6]; text -расчетная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки), принимается по табл. 4.1 в [6]; Atn - нормативный температурный перепад, определяется по табл. 5 в [4]; п - коэффициент положения наружной поверхности, принимается по табл. 6 в [4]; amt - коэффициент теплообмена внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по табл. 4 в [3].
В результате численных расчетов по формуле (3) при значениях параметров: tmt = 21 °С, text = -38 °С, Atn = 4 °С, п = 1, aint = 8,7 получено значение Rmm = 1,7 (м2 °С)/Вт для климатических условий Читы.
Анализируя полученные расчетные данные, можно сделать следующие выводы:
- значение фактического приведенного сопротивления теплопередаче исследуемой ограждающей конструкции выше нормируемого: Rn > Rreq, следовательно, при рассматриваемых условиях эксплуатации конструкция удовлетворяет требованиям [4] по обязательному показателю «а» нормирования тепловой защиты зданий;
- значение приведенного сопротивления теплопередаче выше минимально допустимого
Яп > Щт1П, а средняя температура внутренней поверхности ограждающей конструкции выше температуры точки росы (изотерма температуры точки росы на рис. 2 расположена в сечении конструкции на расстоянии 0,12 м от внутренней поверхности), следовательно, при рассматриваемых условиях эксплуатации конструкция удовлетворяет требованиям [4] по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям (показатель «б»).
Расчет сопротивления паропроницанию и области возможной конденсации в сечении ограждающей конструкции Сопротивление паропроницанию Яур, (м2чПа)/мг, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих нормируемых сопротивлений паропроницанию:
а) нормируемого сопротивления паропроницанию , (м2чПа)/мг (из условия
недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации);
б) номируемого сопротивления паропроницанию ЯГЦ, (м2чПа)/мг (из условия
ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха).
Для расчета поля упругости пара в зависимости от распределения температуры в сечении исследуемой многослойной ограждающей конструкции в программу РОК 05 введены следующие исходные данные для климатических условий г. Читы (зона влажности Б):
Рис. 3. Расчетная область возможной конденсации в сечении исследуемой ограждающей конструкции
Машиностроение и машиноведение
1) парциальное давление насыщенного водяного пара при расчетной температуре воздуха внутри помещения tint = 21 °С принимается равным EM = 2488 Па [5, прил. С];
2) парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха (при расчетной температуре воздуха внутри помещения tint = 21 °С и относительной влажности внутреннего воздуха 9mt = 55 %) eint = 1368,4 Па [4, формула 18];
3) среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период eext = 500 Па [3, табл. 5];
4) продолжительность периода влагонакоп-ления, принимаемая равной периоду с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха, Z0 = 189 сут [3, табл. 1];
5) парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации, определяемое при средней температуре наружного воздуха зимнего, весеннее-осеннего и летнего периодов, E = 759,25 Па [4, формула 19];
6) парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации, определяемое при средней температуре наружного воздуха периодов месяцев с отрицательными средними температурами, E0 = 179 Па [4];
7) парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации E = 759,25 Па [4, формула 19].
В результате расчета получена расчетная область возможной конденсации в сечении исследуемой ограждающей конструкции с указанием относительной влажности (в %) в порах материальных слоев конструкции (рис. 3).
Стопроцентная относительная влажность в порах материала (см. рис. 3) свидетельствует о возможности появления капельной влаги (конденсата) и определяет зону возможного влагонакоп-ления в конструкции. В исследуемой ограждающей конструкции зона возможного влагонакопле-ния располагается на расстоянии 120 мм от внутренней поверхности, следовательно, есть основания предполагать, что в процессе эксплуатации капельная влага на внутренней поверхности ограждения появляться не будет.
Нормируемое значение сопротивления па-ропроницанию ограждающей конструкции (из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период
эксплуатации) R^pi определяется по формуле (16)
в [4] и для рассматриваемых климатических условий равно 5,38 (м2чПа)/мг.
Сопротивление паропроницанию многослойной ограждающей конструкции определяется
по формуле:
d d9 d„ R =-L + -L + ... + _£.,
(4)
М М М где , , ^ - толщина слоев ограждающей конструкции, м; м , М, Мп - коэффициент паропро-
ницаемости материала слоев ограждающей конструкции.
Подставляя в формулу (4) численные значения толщины и коэффициентов паропроницаемо-сти (по табл. 1), получим фактическое сопротивление паропроницанию исследуемой ограждающей конструкции Rvp = 7,41(м2чПа)/мг.
Сопротивление паропроницанию исследуемой ограждающей конструкции в плоскости возможной конденсации, определенное по формуле (4) без учета толщины конструкции с относительной влажностью менее 100 % (120 мм) равно RVpl = 5,79 (м2чПа)/мг.
Так как значение сопротивления паропрони-цанию исследуемой многослойной ограждающей конструкции RVp = 7,41(м2чПа)/мг и сопротивление паропроницанию конструкции в плоскости возможной конденсации RVpl = 5,79 (м2чПа)/мг
выше требуемого = 5,38 (м2чПа)/мг, можно
сделать вывод, что при рассматриваемых условиях эксплуатации ограждающая конструкция соответствует требованиям [4] по защите от переувлажнения.
Заключение
Приведенные в настоящей статье результаты экспериментальных исследований не дают полной картины процессов тепло, и влагообмена, происходящих в ограждающих конструкциях на основе карамоблоков в эксплуатационных (нестационарных) условиях, так как не учитывают суточных и сезонных колебаний температуры и относительной влажности воздуха. Но на этапе, предшествующем проектированию, они имеют определенную ценность, так как позволяют очень быстро, за несколько часов, рассмотреть несколько вариантов конструктивных решений ограждающих конструкций с вариацией количества и толщины материальных слоев и использовать данные для технико-экономического обоснования проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. М. : ГУП ЦПП, 1995.
2. ГОСТ 25898-83 Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию. М. : Издательство стандартов, 1983.
3. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. М. : ГУП ЦПП, 2000.
4. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. М. : ФГУП ЦПП, 2004.
5. СП 23-101-2004 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой защиты зданий. Введ. 01.06.2004. М., 2004.
6. ТСН 23-331-2002 Читинской области. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Чита, 2002.
7. Гагарин В.Г. Козлов В.В. Математическая модель и инженерный метод расчета влажностно-го состояния ограждающих конструкций // Архитектура и строительство. 2006. № 2. С. 60-63.
8. Рубашкина Т.И. Нормирование тепловой защиты зданий в Читинской области/ Ресурсосберегающие технологии на транспорте и в промышленности : сб. науч. тр. Чита : ЗабИЖТ, 2007. С. 62-66.
9. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. М. : Строй-издат, 1984. 168 с.
10. Сигачёв Н.П. Исследование теплоустойчивости здания методом имитационного моделирования / Л.И. Елисеева, М.В. Востриков, Я.В. Клочков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. №3 (27). С. 190-193.
11. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М. : Стройиздат, 1973. 287 с.
УДК 621.365.52
Попов Максим Сергеевич,
аспирант кафедры АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: ifpister@gmail.com Лившиц Александр Валерьевич,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395362, e-mail: livnet@list.ru Филиппенко Николай Григорьевич, к. т. н., доцент кафедры АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: ifpi@mail.ru Попов Александр Сергеевич, магистрант, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: ifpister@gmail.com Каргапольцев Сергей Константинович, д. т. н., профессор, проректор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 83952638304, e-mail: kck@irgups.ru
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ВЧ-ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ И АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
M. S. Popov, A V. Livchitc, N. G. Filippenko, A. S. Popov, S. K. Kargapoltsev
THE METHOD OF APPLICATION OF POLYMER POWDER COATINGS WITH HF ELECTROTHERMAL HEATING
Аннотация. В технологии покрытий большое значение имеют полимеры в порошкообразном виде. Они могут применяться для нанесения износостойких, коррозионностойких, антифрикционных и других покрытий. В статье описаны существующие способы нанесения полимерно-порошковых покрытий, рассмотрены их недостатки. Представлен новый ВЧ-электротермический способ нанесения покрытий, как эффективный и обладающий более высокими качественными характеристиками. Описаны преимущества ВЧ-диэлектрического нагрева в процессе формирования покрытия, в отличие от технологий с внешним подводом тепла, которые используются в существующих способах нанесения полимерно-порошковых покрытий. Описана установка для создания полимерных покрытий методом высокочастотной электротермии. Одним из показателей высокого качества полимерных покрытий является их прочность. Проведенные исследования позволили установить влияние температурно-временного фактора при изготовлении покрытий на прочность полимерной матрицы наносимого слоя. При этом прочность растет, достигнув максимальных значений, затем начинает снижаться. Построены зависимости прочности полиамидного покрытия от температуры спекания. Установлено, что при разных температурах спекания достигаются практически одни и те же значения максимальной прочности полимера.
Ключевые слова: полимерно-порошковое покрытие, методы нанесения покрытий, высокочастотная обработка, электротермия, полиамиды, прочность, спекание.
Abstract. In coating technology polymers in powder form are very important. They can be used for applying wear-resistant, corrosion-resistant, antifriction and other coatings. The article describes the existing methods for application of polymer powder coatings, discusses their shortcomings. Presents a new HF electrothermal method of coating, as effective and with higher quality characteristics. Describes the advantages of HF dielectric heating in the process offorming the coating, in contrast to the technology with an external supply of heat used in existing methods of applying polymer powder coatings. Describes the installation supposed to create polymer
