Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Материалы и конструкции промышленной изоляции 12
1.2. Эффективность конструкций промышленной тепловой изоляции и теплозащиты ограждающих конструкций зданий 26
Глава 2. Влагоперенос в материалах и конструкциях промышленной теплоизоляции 38
2.1. Механизм увлажнения теплоизоляции во влажном воздухе 41
2.2. Влагообмен при взаимодействии теплоизоляции с капельной влагой 46
2.3. Влагообмен теплоизоляции с влажным грунтом 55
2.4. Исследование влагообменных характеристик теплоизоляционных материалов 60
2.5. Численное моделирование влагообмена в теплоизоляционных конструкциях 75
Глава 3. Процессы взаимосвязанного тепло- и влагообмена в теплоизоляционных конструкциях 80
3.1. Аналитические зависимости и методы расчета совместного тепло- и влагообмена 80
3.2. Термовлагопроводность 90
3.3. Влияние влажности на теплопроводность теплоизоляции конструкций 97
Глава 4. Разработка конструктивных решений и рекомендации по повышению теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений 125
4.1. Оптимизация технологических и физико-механических свойств волокнистых материалов 125
4.2. Разработка конструктивных решений теплоизолированных сооружений и рекомендации по защите теплоизоляционных конструкций от воздействий капельной влаги 129
4.3. Предложения по нормированию расчетных значений теплопроводности изоляции в конструкциях 140
Основные результаты и общие выводы 146
Литература 150
- Эффективность конструкций промышленной тепловой изоляции и теплозащиты ограждающих конструкций зданий
- Влагообмен при взаимодействии теплоизоляции с капельной влагой
- Термовлагопроводность
- Разработка конструктивных решений теплоизолированных сооружений и рекомендации по защите теплоизоляционных конструкций от воздействий капельной влаги
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Экономия энергетических ресурсов рассматривается в настоящее время развитыми странами как важнейшая национальная экологическая и экономическая проблема. Так, например, Европейское сообщество рассчитывает сократить удельное энергопотребление к 2005 г. на 16%. Программа энергосбережения России также предусматривает в 2010 г. экономию топлива и энергии в размере 500-600 млн. т.у.т. При этом значительное внимание уделяется высокоэффективной тепловой изоляции промышленных сооружений. По приближенным оценкам только повышение теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования, трубопроводов, теплопроводов систем централизованного теплоснабжения и ограждений зданий в состоянии обеспечить в 2010 г. экономию энергоресурсов в объеме 40 млн. т.у.т.
Применение в промышленности высоких температур и глубокого холода создают весьма сложные условия эксплуатации теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений. Влага, проникающая в теплоизоляционные конструкции в процессе их эксплуатации, существенно изменяет условия теплообмена. Процессы совместного тепло-и влагообмена, возникающие в изоляции, включая фазовые превращения влаги в пористой структуре теплоизоляционного слоя, приводят к значительному в 1,5-2 раза увеличению потерь теплоты по сравнению с расчетными, определенными без учета влагообмена.
В связи с изложенным повышение эксплуатационной надежности теплоизоляционных конструкций благодаря учету тепло- и влагообмена при проектировании промышленных сооружений, обеспечивающему стабильность их теплозащитных свойств в процессе эксплуатации, безусловно является актуальной задачей для решения проблемы энергосбережения в строительстве.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы явилось исследование влияния влагообменных характеристик газонаполненных материалов на теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций и разработка рекомендаций по учету этого влияния, включая адекватные конструктивные решения, для обеспечения требуемых теплотехнических характеристик промышленных сооружений и повышения их эксплуатационной надежности.
Достижение указанной цели определило постановку следующих задач:
используя современные представления о механизме массообмена в капиллярно-пористых материалах разработать метод численного
моделирования влагопереноса в теплоизоляционных конструкциях промышленной изоляции в процессе эксплуатации, позволяющий определять динамику сорбционного влагообмена теплоизоляции с влажным воздухом, а также ее равновесное влагосодержание при различных значениях влажности воздуха и температуры;
провести теоретические и экспериментальные исследования вла-гообменных характеристик теплоизоляционных материалов, нашедших преимущественное применение в теплоизоляционных конструкциях промышленных сооружений и определить характер зависимости влагопроводности для гидрофильных (волокнистые) и гидрофобных (пенопласты и пенокаучуки) материалов;
на основе анализа методов решения задач взаимосвязанного тепло- и влагопереноса при нагревании влажных материалов уточнить метод расчета эффективной теплопроводности увлажненной теплоизоляции промышленных сооружений;
по результатам исследований разработать конструктивные решения теплоизолированных резервуаров, а также рекомендации по снижению негативных воздействий влагообмена на теплозащитные свойства промышленной изоляции и повышению эксплуатационной надежности теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработан метод численного моделирования влагопереноса в теп
лоизоляционных конструкциях промышленных сооружений, позво
ляющий определять динамику увлажнения изоляции при различных
условиях влагообмена с окружающей средой:
в режиме сорбционного увлажнения конструкций, при контакте с влажным воздухом;
при воздействии капельной влаги;
при контакте теплоизоляционных конструкций с массивом влажного грунта;
для оценки влагообменных характеристик промышленной тепло
изоляции, впервые, наряду с использованием методов стационарного
режима массопереноса, разработаны и применены нестационарные
методы: метод регулярного режима диффузии и нестационарного вла-
гонасыщения парообразной и капельной влагой, позволившие опре
делить характер зависимости коэффициента диффузии влаги от влаго-
содержания, в диапазоне его изменения от нуля до полного намокания
для гидрофильных и гидрофобных материалов и предложить аналити
ческое описание этой зависимости;
развит расчетный метод определения эффективной теплопроводности тепловой изоляции промышленных сооружений, включающий наряду с учетом кондуктивной теплопроводности каркаса пористой структуры и заполняющих ее капельной влаги и воздуха, радиационную теплопроводность за счет лучистого теплообмена в поглощающей, отражающей и рассеивающей среде пористой структуры, конвективную теплопроводность за счет конвективных потоков газа, заполняющего поро-вое пространство структуры, а также перенос теплоты за счет фазовых превращений термоградиентного потока парообразной влаги;
уточнен механизм термовлагопроводности в промышленной теплоизоляции, возникающий в среде влажных капиллярно-пористых материалов при нагревании, с учетом особенностей их структуры: в отличие от тонкопористых плотных материалов, в которых перенос влаги осуществляется по направлению теплового потока за счет термокапиллярного эффекта, в волокнистой изоляции и пенопластах — материалах с малой плотностью и высоким газонаполнением (90-97%) в основном определяется диффузией насыщенного пара под воздействием градиента его парциального давления, с интенсивностью, превышающей термокапиллярный перенос на один - два порядка.
Объект исследования. Объектом исследования являются теплоизоляционные конструкции промышленных сооружений.
Предмет исследования. Предметом исследования является оценка влияния тепло- и влагообменных характеристик газонаполненных материалов на эксплуатационную надежность теплоизоляционных конструкций.
Теоретические и методологические основы исследований. Теоретическими и методологическими основами исследований являются достижения отечественной и зарубежной науки в области теплоизолированных конструкций зданий и сооружений.
Практическое значение работы и ее реализация. Для учета влияния влажности при проектировании теплоизолированных промышленных сооружений разработан метод численного моделирования влагопереноса в тепловой изоляции конструкций и его программное обеспечение.
Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационной надежности промышленных сооружений, принятые за основу при формировании соответствующих предложений по разработке и корректировке нормативной документации по проектированию, изі отовлению и монтажу теплоизоляционных конструкций, в том числе:
«Методика оценки влияния влажности на эффективность теплоизоляции оборудования и трубопроводов» МДС 41-7.2004.
«Тепловая изоляция трубопроводов различного назначения» МГСН 6.02-03.
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность полученных результатов, основных положений и выводов диссертации подтверждается согласованностью результатов проведенных комплексных исследований (теоретических и экспериментальных) с данными, полученными в работах отечественных и зарубежных исследователей, а также опытом эксплуатации теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов.
На защиту выносятся:
предложения по расчету тепло- и влагообмена в теплоизоляционных конструкциях промышленных сооружений и учету влияния влажности на теплопроводность промышленной изоляции;
результаты испытаний паропроницаемости, коэффициентов диффузии парообразной и капельной влаги волокнистых материалов и газонаполненных пластмасс, выполненных методами стационарного и нестационарного режимов влагопереноса;
рекомендации по повышению эксплуатационной надежности промышленных сооружений, включающие совокупность предложений по оптимизации физико-механических свойств теплоизоляционных материалов, технических решений и методов монтажа теплоизоляционных конструкций, а также по нормированию расчетных теплотехнических значений конструкций.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на IV Международной конференции «Перспективы и задачи инженерной науки» (Черногория, Игало, 2003); на Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов — настоящее и будущее» (Москва, 2003) и на V Международной конференции «Перспективные задачи инженерной науки» (Париж, 2004).
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 7 работ, кроме того, получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы из 123 наименований. Объем диссертации составляет 168 страниц, из которых 159 страниц основного текста и 9 страниц приложений. Диссертация содержит 29 рисунков и 20 таблиц.
Эффективность конструкций промышленной тепловой изоляции и теплозащиты ограждающих конструкций зданий
Влагосодержание сухого теплоизоляционного материала при контакте с капельной влагой в общем случае может изменяться от нуля до влагосодержания полного намокания Um.
Результаты многочисленных исследований влагопроводности капиллярно-пористых тел, выполненных при изучении процессов сушки. Шервуд Г.К. [94], Лыков А.В. [45], Кришер К. [40], движения влаги в почвах и грунтах Роде А.А. [74], Лебедев А.Ф. [41], Нерпин СВ., Чудновский А.Ф. [57], Глобус A.M. [20], увлажнения строительных конструкций при эксплуатации зданий и сооружений Власов О.Е. [17], Фокин К.Ф. [86] Франчук А.У. [87] Ушков В.В. [85], Богословский В.И. [7] позволяют заключить, что она осуществляется путем молярного и молярно-молекулярного переноса влаги в виде жидкости и молекулярного в виде пара. Используя единый линейный закон переноса в термодинамических системах: интенсивность переноса субстанции (плотность потока энергии или вещества) пропорциональна градиенту потенциала: j = -KgradII где у - плотность потока субстанции, (ед. количества субстанции) / (ед. площади ед. времени); К - коэффициент проводимости, (ед. количества субстанции) / (ед. времени - ед. длины ед. потенциала); grad П — градиент потенциала переноса, (ед. потенциала / ед. длины); по аналогии с законом Фурье закон изотермической влагопроводности обычно представляют так: qm = amgrad Uv (2.18) где: qm — плотность потока влаги кг/м2 час; ат_ коэффициент диффузии влаги м /час; Uv -объемное содержание влаги, кг/м . Используя (2.18) и полагая в нем коэффициент диффузии капельной влаги величиной, не зависящей от влагосодержания получим уравнение, описывающее увлажнение теплоизоляционной конструкции при контакте с капельной влагой: dU_ дт v- = aV2U (2.19) гдеУ2 - дифференциальный оператор Лапласа. Для определения динамики увлажнения теплоизоляционного слоя толщиной 5, м, нанесенного на непроницаемую для влаги поверхность изолируемого оборудования, используется решение уравнения (2.19) [46] с краевыми условиями: Uv (т=0;0 х 5) = Uv (т =0) (2.20) Uv(0 T oo;x=5) = Um 8Uy{0 T oo;x = 0) дх ПриРот 0,1 Т-у-у- .2 = Fo. exp к (2.21) (2.22) где Fom — массообменный критерий Фурье, равный: (2.23) Используя (2.21) или (2.22) среднее влагосодержание по толщине теплоизоляционного слоя, за время т, час, Uv(z) кг/м3 определяется из выражения UV(T)=6[UV(X = S)-UV(T = 0)]+UV(T = 0) (2.24) Важно отметить, что уравнение (2.18) справедливо лишь в условиях непрерывного влагосодержания. В системах из нескольких тел с различными удельными массоемкостями на границе их соприкосновения имеет место разрыв функции Uv=f(x), так что перенос влаги через границу, вопреки (2.18) может происходить и от меньшего массосодержания к большему. С целью устранения разрыва функции влагосодержания на границе материалов с различной влагоемкостью Лыковым А.В. в теории сушки [45], а Богословским В.Н. применительно к задачам строительной теплофизики [8;9] введено понятие потенциала массопереноса или потенциала влажности 9ВЛ, который обладает всеми свойствами потенциала и обеспечивает равенство потенциалов на стыке двух различных материалов. По аналогии между процессами переноса теплоты и массы потенциал влажности би (аналог температуры по А.В.Лыкову) связан с влагосодержанием (аналог теплосодержания) выражением и = Ь + Ст,ж0вл (2.25) где Ст ж - удельная влагоемкость введенная по аналогии с удельной теплоемкостью, Ст,ж=(ди/дв)т. (2.26) Значение постоянной "Ь" в области малых влагосодержаний принимают равным нулю, поскольку полагают, что потенциал массопереноса абсолютно сухого тела равен нулю.
Для построения шкалы потенциала влажности используют метод определения влагосодержания двух тел (исследуемого и эталонного), находящихся в состоянии термодинамического равновесия. В качестве эталонного тела применяют обычно целлюлозу (листы фильтровальной бумаги), в которой представлены все основные формы связи влаги с материалом. К тому же она имеет большое максимальное гигроскопическое влагосодержание - Um.r. (около 0,28 кг/кг) и влагосодержание полного намокания - Um (2,8 кг/кг).
В отличие от эталонной калориметрической жидкости (вода), используемой при построении экспериментальной шкалы потенциала переноса теплоты, удельную массоемкость эталонного тела принимают равной не единице, а 1/100 максимального гигроскопического влагосодержания. Таким образом, максимальному влагосодержанию эталонного тела соответствует потенциал в 100 массообменных градусов (М). Важно подчеркнуть, что экспериментальный потенциал массопереноса в гигроскопической области является функцией относительного влагосодержания воздуха и практически не зависит от температуры. Максимальному сорбционному влагосодержанию любого тела, как и эталонного, соответствует потенциал — 100 М, т.е. потенциал влажности в диапазоне 0 8ВЛ 100 М определяется по относительной влажности воздуха, с которым тело в контакте. Таким образом, исходным эталоном для экспериментальной шкалы потенциала массопереноса в гигроскопической области является влажный воздух.
Используя понятие потенциала влажности, А.В.Лыков выражает закон изотермической влагопроводности уравнением qm=-XgradeM (2.27) где qra — плотность потока влаги; 6M - экспериментальный потенциал массопереноса; X - влагопроводность.
С аналогичных позиций рассмотрены процессы влагопереноса при решении прогноза влажностного состояния неоднородных ограждающих конструкций зданий [65].
Для анализа физических закономерностей, управляющих процессом влагопроводности капиллярно-пористых тел использована модель предполагающая, что общий поток влаги в капиллярно-пористых телах является суммой трех формально независимых потоков: капиллярного и пленочного потоков жидкой влаги и диффузионного парообразной [36]. Капиллярно-пористое тело представляется в виде плоского пучка капилляров различного радиуса, изменяющегося от гтіп до г, . Интегральная кривая распределения пор по радиусу, с помощью которой можно определить, сколько капилляров на единицу площади сечения имеют радиус, меньший любого наперед заданного радиуса "г", известна. Найдем уравнения, описывающие формально независимые потоки влаги в рассматриваемой модели: капиллярный, пленочный и диффузионный.
Влагообмен при взаимодействии теплоизоляции с капельной влагой
В зависимости от вида материала и размеров образца время наступления стационарного режима диффузии пара в образце колеблется от 50 до 100 сут.
На основе аналогии дифференциального уравнения теплопроводности и дифференциального уравнения диффузии пара в капиллярно-пористой среде (2.16) было высказано соображение об использовании нестационарных методов определения теплофизических характеристик для экспериментального исследования диффузионной проницаемости теплоизоляционных материалов. Для этой цели использован метод а- калориметра. Применительно к процессу диффузии этот способ заключается в следующем. Термогигростатированный в диапазоне относительных парциальных давлений пара во влажном воздухе от 0-1, образец-пластина с установленным в нем датчиком для определения влажности воздуха, заключенного в порах -гигрометром, переносят в паровоздушную среду с той же температурой, но с другим парциальным давлением пара. По датчику фиксируют изменение парциального давления во времени. По прямолинейному участку кривой в координатах логарифм избыточного парциального давления - время, характеризующему регулярный режим диффузии, определяют темп сорбционного увлажнения или осушки т т Рп( і)-ЬРпЬг) (2.63) и по его значению находят коэффициент диффузии материала: D = {2S)2m (2.64) где 5 - половина толщины пластины. Экспериментальное оформление способа несложно и включает два эксикатора, в одном из которых находятся концентрированная серная кислота -относительное парциальное давление пара над ее поверхностью равно 0, в другом — раствор серной кислоты с концентрацией, соответствующей заданному относительному парциальному давлению пара (обычно 0,8), или чистая вода. Оба эксикатора помещены в термостат. Над эксикатором с концентрированной серной кислотой вместо крышки установлен цилиндрический сосуд с образцом испытываемого материала в виде плоского диска. В образце у дна сосуда находится гигрометр, состоящий из полой металлической трубки с перфорированной боковой поверхностью; в которой натянут волос. Деформация волоса фиксируется чувствительным индикатором. Предварительно гигрометр тарируют по стандартным концентрациям раствора серной кислоты и над водой в диапазоне относительных парциальных давлений О-1 при принятых в опытах температурах.
После того как значение относительного парциального давления над образцом становится равным нулю, сосуд с образцом переставляют на другой эксикатор и гигрометр фиксирует изменение относительного парциального давления во времени. Перемещая образец последовательно с одного эксикатора на другой, можно определить коэффициент диффузии пара в материале в процессе сорбционного увлажнения и осушки.
Для определения по полученным данным коэффициента диффузионной массопроводности Хщ используется формула (2.17) и значения удельной массоемкости (пароемкости) материала (табл.2.1).
В регулярном режиме диффузии по методике, описанной выше, были определены коэффициенты диффузии стекловолокна на фенольной связке при 20; 10; 0; -10С. Анализируя эти данные (табл.2.2), прежде всего следует отметить, что величина коэффициента диффузии пара в материале при комнатной температуре почти на порядок меньше, чем коэффициент диффузии пара в влажном воздухе. Величины коэффициентов диффузионной массопроводности стекловолокна, определенные в стационарном режиме и найденные по величине коэффициента диффузии, определенного в регулярном режиме сорбционного увлажнения (табл.2.3) при 20С, практически совпадает. Это обстоятельство является подтверждением пригодности предложенной методики определения коэффициента диффузии в нестационарном режиме. Таблица 2.3
Полученные данные позволили установить весьма интересный факт. Оказалось, что интенсивность процесса сорбционного увлажнения при движении потока пара в материале снизу вверх значительно выше, чем в режиме осушки образца, когда пар движется сверху вниз. При всех температурах (20; 0; -10С) коэффициент диффузии и диффузионная массопроводность при движении пара снизу вверх примерно в 4 раза выше, чем при направлении потока пара сверху вниз. Этот факт, впервые установленный экспериментально, по-видимому, можно объяснить влиянием конвективного переноса пара во влажном воздухе, вызванного гравитацией, поскольку пар почти в два раза легче сухого воздуха. Важно также отметить более значительное, чем во влажном воздухе, снижение коэффициента диффузии пара в материале с уменьшением температуры. Установленные закономерности убедительно подтверждаются также характером экспериментальных кривых нестационарной диффузии. На графике (рис.2.5), построенным в полулогарифмических координатах отчетливо фиксируются участки регулярного режима, как в процессе увлажнения (участок а-в), так и в процессе осушки (участок а -в ). Причем величина темпа увлажнения, определяемого выражением (2.70) значительно выше темпа осушки.
Термовлагопроводность
Следует отметить, что основной упрощающей предпосылкой, позволяющей получить приближенные аналитические решения задачи с подвижной границей раздела сухой и влажной зон, является допущение о заранее известном законе перемещения границы раздела. Это, естественно, позволяет рассматривать не систему сопряженных уравнений температурного и влажностного полей с движущейся границей, а решать их раздельно. Но получаемые при этом решения можно использовать только тогда, когда для каждого конкретного случая известна величина критерия фазового de превращения и из опыта определена зависимость: — = ./"( ,г). Таким образом, результаты аналитических решений в этом случае могут быть использованы лишь для анализа и обобщения экспериментальных данных. Применить эти решения к расчету процессов тепло- и влагообмена, условия которых отличаются от условий проведения опытов (размеры образцов, интенсивность теплоподвода и т.д.) не представляется возможным. Рассмотрев основные закономерности тепло- и влагообмена и существующие методы их описания можно прийти к выводу, что модели совместного переноса тепла и влаги общей теории тепло- и массообмена в капиллярно-пористых телах, разработанные школой А.В.Лыкова не могут быть непосредственно использованы для оценки теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций в процессе эксплуатации. Для этих целей необходимо, основываясь на общих методологических принципах этой теории, разрабатывать модели, отражающие специфику тепло- и влагопереноса конкретных условий тепло- влажностного взаимодействия теплоизоляционных конструкций с окружающей средой.
В этой связи следует отметить также и то обстоятельство, что стремление к созданию математических моделей тепло- и массообмена, допускающих получение аналитических решений, привели к существенному упрощению описания механизма физических явлений переноса и их излишней формализации. Вместе с тем, широкое применение в настоящее время методов численного моделирования представляет возможность использования математических моделей весьма высокой сложности и с успехом применять их для решения практических задач. Исходя из этих соображений, для этих целей используется разработанная на основе рассмотрения сопряженной задачи с подвижной границей модель тепло- и влагообмена с углублением фронта фазового превращения свободной влаги [63], позволяющая, с применением экспериментально найденных характеристик влагопереноса (раздел 2.4) осуществить численное моделирование процессов совместного тепло- и влагообмена в теплоизоляционных конструкциях.
Модель тепло- и влагообмена с углублением фронта фазового превращения свободной влаги рассмотрим на примере конвективного нагрева влажной пластины толщиной 2R (одномерная задача) R — ось симметрии (рис.3.1). В начальный период (начальная температура пластины равна температуре мокрого термометра окружающего воздуха tM) удаление влаги происходит при постоянной температуре тела равной tM путем испарения ее с поверхности пластины с постоянной интенсивностью (период постоянной скорости сушки). Для описания поля влагосодержания в этих условиях может быть использовано уравнение 3.2 и модель процесса в этот период будет выглядеть так:
По мере высыхания пластины интенсивность подвода влаги к поверхности уменьшается и наступает такой момент, когда поток влаги, подводимой к поверхности за счет влагопроводности, становится меньше того количества, которое может быть испарено с поверхности за счет теплового потока, определяемого разностью температур среды «tc» и поверхности «tM» и коэффициентом теплоотдачи «а». Нарушается условие (3.5).
В развитие гипотезы Т.Шервуда об углублении при этом зоны испарения предполагается, что в этот момент в материал с поверхности, (х=0; x=2R) начинает перемещаться фронт фазового превращения свободной влаги ( -координата фронта). На фронте в пар превращается влага, энергия связки которой равна нулю. Введением этого положения однозначно определяется парциальное давление на фронте фазового превращения, оно равно давлению насыщения при t(, т). Определяется также диапазон изменения влагосодержания материала на фронте в процессе испарения: от U(,T) ДО им.г.(,т).
Фронт фазового превращения разделяет влажный материал на две области. Область 1 (рис.3.1) - сорбционного влагосодержания где и(0 х ,т) им.г. [t()], а энергия связи влаги с материалом больше нуля и область 2 - влажного состояния, где U( x R,T) UM.r.[t(4)], а энергия связи влаги с материалом равна нулю.
В сорбционной области влагоперенос осуществляется за счет диффузии пара от фронта фазового превращения в окружающую среду, парциальное давление пара в которой Ра , т.к PH[t(Q] Pcn. В области влажного состояния материала, где его влагосодержание больше максимального гигроскопического, парциальное давление пара в паровоздушной смеси, заполняющей пористую структуру материала равно давлению насыщения и, поскольку в этой области, в процессе нагрева существуют градиент температур, а, следовательно и градиент давления насыщенного пара, во влажной зоне, по направлению потока тепла движется поток парообразной влаги. Таким образом, пар образующийся за счет испарения на фронте фазового превращения движется, как в сторону нагреваемой поверхности, так и к центру пластины.
Благодаря наличию во влажной области градиента влагосодержания, обусловленного процессом испарения влаги на фронте фазового превращения, в ней происходит перемещение жидкой влаги против потока тепла. Для описания поля влагосодержания во влажной зоне используется уравнение (3.2), в которое включен также источник влаги, образующийся за счет конденсации пара, движущегося от фронта фазового превращения в холодную сторону.
Разработка конструктивных решений теплоизолированных сооружений и рекомендации по защите теплоизоляционных конструкций от воздействий капельной влаги
Используя выражение (3.19), определяющее плотность термоградиентного потока и экспериментальные данные о влиянии влагосодержания изоляции на его интенсивность [84] получена формула для определения диффузионной составляющей теплопроводности влажного материала ХДИф, ккал/м-часС. Ль T\-Am-r-a-b-exp(bt) (3.66) где я=2666 Па; b=0,046 —; "кщ - паропроницаемость материала, кг/м.Па час; г - теплота фазового перехода ккал/кг; t - средняя температура, С. Результаты сравнительной оценки экспериментальных данных [84] и расчетных значений теплопроводности, полученных по (3.63- -3.65) для фенолформальдегидного пенопласта плотностью 67 кг/м3 с коэффициентом паропроницаемостью Хт=3,7-10" кг/м.час.Па приведены в таблице 3.3. Как можно заметить, предложенная численная модель кондуктивной теплопроводности влажных теплоизоляционных материалов (3.63- 3.66) позволяет с достаточной для практики точностью оценить влияние влагообменных процессов на теплозащитные свойства теплоизоляции.
Следует отметить, что конвективная и лучистая составляющие переноса теплоты во влажных волокнистых материалах и газонаполненных пластмассах, в рассматриваемом диапазоне температур (10+70С) и плотности (50+70 кг/м3) незначительно влияют на эффективную теплопроводность этих материалов, которая практически полностью определяется кондуктивным переносом теплоты через скелет пористой структуры и содержащихся в ней воздух и воду. В заключение следует отметить, что эффект резкого увеличения теплопроводности за счет появления термоградиентного потока влаги при нагревании влажного материала проявляется в основном в начальный период прогрева влажной изоляции (в течение первых 3+5 часов).
В закрытых системах, исключающих массообмен влажного материала с окружающей средой, в процессе длительного нагрева в них устанавливается стационарное распределение температур и влагосодержаний с образованием двух зон - влажной и сухой, с четко выраженной границей между ними, это наглядно подтверждается результатами исследований, проведенных на модели из шамотного песка (рис.3.4), а также данными, полученными в [82] на аналогичной модели закрытой системы из фильтровальной бумаги с начальным влагосодержанием 0,269 кг/кг.
В открытых системах, например, в увлажненной капельной влагой изоляции, граничащей с одной стороны с непроницаемой поверхностью изолируемого оборудования, с температурой tn, с другой - с окружающим воздухом при: tn tB изоляция практически полностью высыхает, тем быстрее, чем выше температура изолируемой поверхности. Результаты численного моделирования (рис.3.4) позволяют заключить, что для исследования тепло- и влагообмена, как в закрытых, так и в открытых системах может быть использована система (3.7- -3.13).
Негативное влияние влаги на теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий в строительной теплотехнике учитывается путем выбора соответствующих расчетных значений теплотехнических показателей, в зависимости от условий эксплуатации, включающих влажностные режимы помещений и климатических зон строительства, характеризуемые обобщенными параметрами «А» и «Б», определяющими расчетные значения массового содержания влаги в используемых материалах и их теплопроводности в [77].
В зарубежной инженерной практике влияние влажности на теплопроводность теплоизоляционных материалов, близких по физическим и структурным характеристикам оценивается с помощью параметра: АХу -показывающего увеличение коэффициента теплопроводности материала в % при увеличении его влажности на 1% по массе и определяемого на основании экспериментальных данных и экспертных оценок.
Теплопроводность влажного материала XM Вт/мС, в конструкции определяется при этом по формуле: Ли сух \+—-ДА] (3.66) L 100 v где U - влагосодержание материала по массе, %, Х — теплопроводность сухого материала, Вт/мС. В Германии, для неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов и пенопластов значение «АХ» принимается равным 2(1/%) [95]. В соответствие с рекомендациями ИСО значение этого параметра для волокнистых материалов составляет 2-К2,5, для пенопластов 1- 2 1/%.
Определенные с помощью (3.66) значения параметра «АХ» для волокнистых и полимерных теплоизоляционных материалов, с использованием значений массового содержания влаги в материалах, их теплопроводности в сухом состоянии и в условиях «А» и «Б»,приведенных в [77], представлены в таблице 3.4. Как можно заметить, полученные данные существенно отличаются от используемых в зарубежной практике, поскольку для материалов с одинаковой структурой они не являются постоянными величинами. Так, для волокнистых материалов, вместо рекомендуемой величины «АХ», равной 2- -2,5 1/% ее значения, рассчитанные по данным СНиП И-3-79 колеблются в интервале 1,5- -7,5, а для полимерных материалов вместо 1-2 от 1,6 до 4,9 1/%. Полученные данные вызывают сомнения в достоверности данных о теплопроводности теплоизоляционных материалов представленных в [77].
Влияние на погрешности в оценке теплопроводности теплоизоляционных материалов в [77] оказывают принятые в них требования к исходным влажностным характеристикам материалов. Расчетная влажность эффективных теплоизоляционных материалов в условиях эксплуатации А и Б по СНиП И-3-79 составляет соответственно 2+5% по массе, что соответствует равновесному влагосодержанию материала во влажном воздухе с температурой 20С и относительным влагосодержанием 80 (р 100%. При плотности теплоизоляционного материала 40 кг/м влагосодержание по объему составляет соответственно 0,8 и 2% по объему. При подготовке образцов материала к испытаниям, путем их искусственного увлажнения до таких величин трудно разрешимой проблемой является обеспечение и контроль равномерного распределения влаги в испытуемом образце. Следует также отметить,
Похожие диссертации на Повышение эксплуатационной надежности теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений с учетом влагообменных характеристик газонаполненных материалов
