Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние российского рынка материалов из древесины характеризуется возросшей потребностью в клееном профилированном брусе. Получаемый склеиванием отдельных ламелей такой брус давно известен и очень популярен за рубежом. В России его применение пока еще не соответствует своим потенциальным возможностям. Поэтому наращивание объемов производства клееного бруса является одной из основных задач, связанных с реализацией Федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины» и «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».
Как показал анализ состояния вопроса, существует ряд особенностей проектирования и производства клееного бруса, без учета которых невозможно обеспечить требуемый уровень показателей его качества. Одним из основных требований, предъявляемым к ограждающим конструкциям, в том числе из клееного бруса, является обеспечение заданного температурного режима в здании.
По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций R<, = 3,49 м2-С/Вт. При его определении обычно используют рекомендации, приведенные в СНиП 23-03-2003, в частности -справочные данные о коэффициенте теплопроводности X. Необходимо отметить, что в нормах для материалов из древесины приведены данные для сосны, дуба, фанеры и плитных материалов, в то время как данные о величине коэффициента теплопроводности и термического сопротивления для клееного профилированного бруса отсутствуют. Отличием клееного бруса от указанных материалов является то, что он получается в результате склеивания ламелей, различающихся по количеству и размерам сучков. Ввиду отличий по плотности и направлению волокон, сучки обладают более высокой теплопроводностью. Следовательно, ошибка при проектировании ограждающих конструкций из клееного бруса может привести к увеличению затрат на отопление. На сколько велико отличие теплопроводности клееного бруса от цельной древесины можно судить по результатам экспериментальных исследований.
На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Одни из них требуют применения довольно сложного лабораторного оборудования, другие предусматривают определение коэффициента теплопроводности только для малого «чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру.
В связи с вышеизложенным, обоснование и разработка методики определения теплопроводности клееного бруса с учетом его внутренней сучковатости имеют важное значение в решении вопросов проектирования^ конструкционных параметров и совершенствовании технологии произвол—
ства клееного бруса для деревянного домостроения, а также обеспечению населения России доступным и комфортным жильем.
Цель работы и задачи исследований - обеспечение требований теплозащиты ограждающих конструкций деревянных домов путем определения коэффициента теплопроводности клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.
Данная цель соответствует паспорту специальности 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки», а именно п. 1 «Исследование свойств и строения древесины»; программным задачам, определенным Правительством РФ в сфере углубленной переработки древесины и жилищного строительства. Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
выполнить теоретическое обоснование влияния сучковатости внутренних и наружных слоев клееного бруса на коэффициент теплопроводности;
разработать математическую модель, отражающую влияние диаметра и количество сучков в ламелях на теплопроводность клееного бруса;
обосновать интервал возможных значений коэффициента теплопроводности для наиболее распространенных вариантов конструктивного исполнения клееного бруса, используемого при строительстве домов в средней климатической зоне РФ;
провести всесторонний анализ существующих и разработать усовершенствованный метод определения коэффициента теплопроводности;
разработать и создать экспериментальную установку для исследования закономерностей теплопроводности клееного бруса, позволяющую определять осредненное значение коэффициента теплопроводности с учетом сучковатости ламелей;
провести комплекс экспериментальных исследований по отработке методики определения коэффициента теплопроводности клееного бруса;
разработать рекомендации по снижению трудоемкости проведения опытов и обеспечению требуемой точности результатов опытов;
экспериментально обосновать значения коэффициента теплопроводности клееного бруса и дать оценку сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований;
разработать рекомендации по совершенствованию существующей технологии производства клееного бруса с учетом требований теплозащиты;
обосновать экономическую эффективность результатов выполненных исследований.
Объектом исследований является деревянный клееный брус как перспективный материал для домостроения.
Предмет исследований - теплопроводность клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.
Научная новизна работы. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты, обладающие определенной научной новизной:
Методика определения теплопроводности клееного бруса, позволяющая учесть его внутреннюю сучковатость;
Математическая модель, отражающая закономерность изменения коэффициента теплопроводности клееного бруса в зависимости от количества и диаметра сучков в наружных и внутренних ламелях;
Лабораторный комплекс и программное обеспечение для автоматизации исследований параметров теплопроводности клееного бруса. В основу программного обеспечения при этом положены выведенные в ходе исследований математические зависимости;
Теоретическое обоснование интервала возможных значений коэффициента теплопроводности клееного бруса, используемого при строительстве домов в средней климатической зоне России.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты работы:
математическая модель, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от внутренней сучковатости клееного бруса;
методика исследования теплопроводности клееного бруса;
результаты экспериментальных исследований теплопроводности клееного бруса;
параметры ограждающих конструкций домов из клееного бруса, отвечающих требованиям теплозащиты;
рекомендации по усовершенствованию технологии производства клееного бруса.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов дисперсионного анализа, использованием фундаментальных положений теории анизотропии и теплопроводности древесины; применением методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем, использованием для обработки результатов исследований пакета прикладных программ Microsoft Excel.
Значимость для теории и практики.
Для теории имеют значение:
методика определения теплопроводности клееного бруса;
теоретические зависимости коэффициента теплопроводности клееного бруса от количества и диаметра сучков в ламелях;
Для практики имеют значения:
- значения поправочного коэффициента для перевода эксперимен
тальных значений коэффициента теплопроводности в расчетные;
рекомендации по автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности, включающие принципиальную схему лабораторного комплекса, алгоритм, программное обеспечение и режимы проведения экспериментов;
параметры ограждающих конструкций домов из клееного бруса, соответствующие современным требованиям теплозащиты;
варианты организации технологического процесса производства клееного бруса.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию БГИТА (Брянск, БГИТА, 2006 г.); научно-технической конференции Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург, УҐЛТУ, 2006 г.), международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, БГИТА, 2007-2008 г.г.)-, IV международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, ВоГТУ, 2007 г.); международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г.г.); семинаре «Продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев» (Москва, МГУЛ, 2008 г.).
Основные результаты отражены в госбюджетной НИР (№ гос. per. 0 120.0.8 00137, 2006 г.), переданы для внедрения в ООО «Стройсервис МД» г. Кострома, ООО «Костромалеспроект» и используются в учебном процессе в Костромском государственном технологическом университете в преподавании дисциплин «Древесиноведение», «Основы строительного дела», «Комплексное использование древесины», а также в ходе научно-исследовательский работ и при дипломном проектировании.
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору кафедры теплотехники МГУЛеса Семенову Ю.П. за ряд практических советов и рекомендаций, полученных в процессе работы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Общий объем статей составляет 2,5 п.л.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 132 страницы, 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы - 103 наименования.