Содержание к диссертации
Введение
Глава I Краткий обзор работ. цели и задачи исследования
Глава II Постановка задачи теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях и методы решения
2.1. Математическое описание процесса теплообмена в составных телах
2.2. Приближенный аналитический метод расчета нестационарных температур в многослойных конструкциях
2.3. Разностная схема расчета нестационарных температур в многослойных конструкциях
Глава III Влияние утеплителя на динамику тепловых режимов строительных конструкций
3.1. Кирпичная стена с утеплителем
3.2. Конструкция из керамзитобетона с утеплителем
Глава IV Экспериментальное исследование динамики теплопереноса в ограждающих конструкциях
4.1. Описание установки
4.2. Аппаратура и оборудование
4.3. Теплоперенос в керамзитовых блоках с термовкладышами в фрагменте кладки
4.4. Теплоперенос в полнотелом керамическом кирпиче пластического формования 79
Глава V. Влияние термического контактного сопротивления на процесс теплопереноса в многослойных конструкциях 85
5.1. Методика проведения испытания 87
5.2. Подготовка фрагмента 89
5.3. Проведение измерений и обработка результатов 93
Выводы 107
Литература юр
Приложения. 120
- Приближенный аналитический метод расчета нестационарных температур в многослойных конструкциях
- Конструкция из керамзитобетона с утеплителем
- Теплоперенос в керамзитовых блоках с термовкладышами в фрагменте кладки
- Подготовка фрагмента
Введение к работе
ГЛАВА I КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА II ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В
МНОГОСЛОЙНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЯХ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ
2.1. Математическое описание процесса теплообмена в
составных телах
2.2. Приближенный аналитический метод расчета
нестационарных температур в многослойных
конструкциях
2.3. Разностная схема расчета нестационарных
температур в многослойных конструкциях
Приближенный аналитический метод расчета нестационарных температур в многослойных конструкциях
Нахождение строгого аналитического решения систем уравнений (2.1) — (2.5) или (2.6) - (2.11) не вызывает принципиальных математических затруднений, однако применение точных способов решения подобной сопряженной задачи не всегда целесообразно. Во-первых, процедура нахождения аналитической расчетной формулы, как правило, для таких задач весьма громоздка. Во-вторых, полученное решение в виду своей сложности и трудностей, связанных с отысканием корней многострочных трансцендентных, характеристических уравнений имеет незначительную практическую ценность. Существующие строгие соотношения при числе слоев больше двух фактически не используются в инженерных расчетах. С ростом количества тел, образующих систему, громоздкость окончательных формул резко возрастает. Таким образом, становится понятной тенденция к упрощению зависимостей для температурного поля многослойных тел путем применения приближенных способов математического анализа.
Ниже представлена процедура получения приближенного общего решения задачи нестационарной теплопроводности многослойных тел.
Постановка такой общей задачи учитывает наличие контактных термических сопротивлений между слоями, изменяемость температур греющих сред со временем, а также несимметричность процесса конвективного нагрева. Получение приближенного аналитического решения подобной задачи имеет важное прикладное значение, так как из него могут быть найдены многие частные случаи.
Если законы изменения температур греющих сред известны. То, подставляя их в (2.17), удается получить окончательное решение системы уравнений (2.12) - (2.16).
Соотношение (2.38), будучи приближенным для случая, когда температуры сред и С2 описываются произвольными зависимостями, становится точным, если 0ci и 0С2 выражаются функциями времени, являющимися полиномами не выше второй степени.
Приближенные решения задач конвективного теплообмена (охлаждения) многослойных тел заметно упрощаются в случае процесса нестационарной теплопроводности, когда теплофизические характеристики материалов слоев различаются не слишком существенно. Рассмотрим конвективное охлаждение в среде нулевой температуры составного тела, между элементами которого существует идеальный контакт.
Кроме этого, с но оказывается строгим для однородного тела и в случае прогрева термически «тонкой» составной системы. Рекомендуемая методика обеспечивает весьма высокую точность результатов расчета, если комплексы л л/ не выходят за пределы 0.5 ,т{ 2.0. В табл. 2.1 сравниваются температуры на поверхности, стыке и в центре двухслойной пластины, вычисленные изложенным способом и аналитически точным. В заключение отметим, что описанный подход может быть применен к составным телам цилиндрической и сферической конфигурации и при более общих граничных условиях.
Приведенные в этом параграфе расчетные формулы для определения динамики процесса теплообмена в составных телах позволяет сделать
Получение обширных числовых данных, охватывающих большинство практических случаев, возможно только при помощи быстродействующих электронно-вычислительных машин.
Используя общеизвестный метод «элементарных балансов», предложенный АЛ. Ваничевым [6], и прием «расщепления» составного тела на однородные элементы, удалось получить разностные зависимости, аппроксимирующие систему дифференциальных уравнений (2.6) - (2.11).
Далее была разработана вычислительная программа, в основу которой положена разностная схема аппроксимации дифференциальных уравнений теплопроводности и краевых условий.
Схема деления составного тела на расчетные слои Погрешность расчетов на ЭВМ, как известно, определяется основными допущениями численного метода. Для использования данных численного интегрирования в качестве «эталона» необходимо знать, насколько они точны. Оценка величины ошибки численных расчетов обычно выполняется двумя способами. В первом случае производятся машинные расчеты контрольных вариантов, результаты которых сопоставляются с данными вычислений по строгим аналитическим решениям. При численном исследовании задач, для которых точных аналитических решений не существует, применяется принцип Рунге.
Величины АХ и AFo были выбраны в процессе предварительных расчетов, исходя из обычного положения, что дальнейшее изменение сетки не приводит к заметному изменению температур в узловых точках.
Численные значения АХ и AFo последовательно уменьшали до таких пределов, пока разность конечных результатов вплоть до четвертого знака после запятой не становилась равной нулю. В этом случае погрешность вычислений нигде не выходила за пределы 0,1 %.
Конструкция из керамзитобетона с утеплителем
При проведении численных экспериментов коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции принимался равным Ctew=8,7 Вт/(м2 К), коэффициент теплоотдачи наружной поверхности составлял С нар =23 Вт/(м2К), расчетная температура внутреннего воздуха te„=l% С. контакт в месте соприкосновения слоев выбран идеальным ( =0). В качестве утеплителя использовался слой из пенополистирола толщиной 5 =0,12 м (hy =0,041 Вт/(м К), =3,06-10-7 м2/с). Несущая стеновая конструкция выполнена из керамзитобетона ( =0,44 Вт/(м К), =4,37-10 7 м2/с). ПІ . 4 %10 10) + Ь (Ж % (0 (0 IV (0 0 0У Рис. 3.3. Распределение стационарных температур в составных структурах. 1 - слой кирпича, 2 - слой утеплителя На рис. 3.4 приведены величины плотностей тепловых потоков на наружной поверхности ограждения ЧНар»ВтЛґ для следующих вариантов. I - однослойная керамзитобетонная стенка толщиной ок =0,4 м. Двухслойная конструкция (8t=03 м) характеризовалась условиями, когда теплоизоляционный слой был расположен с наружной стороны ограждения (П), а затем с внутренней (III). В трехслойной стенке (IV) толщина наружного и внутреннего слоев керамзитобетона равна Оц =0,15 м.
Кривые рис. 3.4 построены для зимних условий города Иркутска, которые характеризуются повышенными амплитудами суточных колебаний температуры наружного воздуха. На этом же рисунке приведен суточный ход температуры ІС=К\}) в феврале месяце по данным Справочника по климату СССР. 4.2. Температура воздуха и почвы. - Л.:Гидрометеоиздат, 1966.
Значения величин нестационарных температур и плотностей тепловых потоков получены для квазистационарного состояния.
При X = 0 начальная температура многослойной стенки описывалась ломаной кривой, характерной для стационарного состояния. Затем производился расчет температурного поля последовательно в течение 19 суток при периодическом изменении с [у). Распределения нестационарных температур ограждения в период двадцатых суток принимались в качестве искомых.
Представленные на рис. 3.4 данные позволяют судить о том, какие явления возникают в составной стенке при наличии теплоизоляционного слоя. Наиболее интересный для приложений вариант представлен зависимостью II, которая соответствует случаю расположения теплоизоляционного слоя снаружи. В этих условиях величина Знар минимальна и практически постоянна.
При других значениях режимных параметров справедливы аналогичные картины развития процессов теплопереноса. Результаты различаются лишь численными величинами плотностей тепловых потоков.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что месторасположение слоя утеплителя существенным образом отражается на величине тепловых потерь составных ограждающих конструкций. Практика строительства показывает, что эффективный способ увеличения теплозащиты зданий - наружное утепление, состоящее из материалов, изготавливаемых на основе минеральной ваты, стекловолокна и пенопластов.
Опытное изучение процессов теплообмена в ограждающих конструкциях при меняющейся во времени температуре наружного воздуха проводилось на установке, описание которой дано ниже.
Исследование нестационарных режимов ограждений сводилось к измерениям температур на противоположных рабочих поверхностях изделия, «наружного» и «внутреннего» воздуха помещения, а также плотностей тепловых потоков.
После выхода установки на стационарный режим определялись коэффициенты теплопроводности изделия, а также тепловые потери ограждающих конструкций.
Установка состоит из двух камер - «холодной» и «теплой», разделенных фрагментом (рис.4Л). Морозильное устройство «Фейтрон» с двумя компрессорными установками и испарителями обеспечивало внутри «холодной» камеры автоматическое поддержание заданной температуры.
Начальная температура камер и ограждающей конструкции составляла 20-30 С. Затем температура в «холодной» камере начала снижаться, копируя изменение температуры наружного воздуха.
Это достигается за счет автоматического регулирования работы холодильного агрегата и плоского нагревательного элемента, вмонтированного в «теплую» камеру. Для обеспечения равномерных температурных полей на рабочих поверхностях фрагмента по его периметральным граням создана охранная зона из пенополистирола марки ПСБ-С-25, имеющего (по паспорту) теплопроводность 0,021 Вт/мК. Толщина охранной зоны не менее 0,2 м. По этому показателю охранная зона многократно превышает требования ГОСТ 530-95.
Эффективный теплообмен между рабочими гранями фрагмента и воздухом в «холодной» и «теплой» камерах обеспечивается с помощью вмонтированных в них вентиляторов.
Плотность примыкания деталей охранной зоны к проему морозильной камеры, «теплой» камеры к охранной зоне, задней утепленной стенки к «теплой» камере, а также стыков между пенополистирольными элементами утепления обеспечена плотным их стягиванием через поролоновые прокладки. Измерение плотности теплового потока, проходящего через фрагмент, осуществляется измерителем теплового потока (тепломером). Измерение температуры воздуха в «холодной» камере производится с помощью термометра сопротивления и потенциометра-самописца, являющихся неотъемлемой частью морозильной установки «Фейтрон», а также ртутным термометром, установленным на середине высоты камеры. Измерение температуры воздуха в «теплой» камере производится с помощью двух ртутных термометров, установленных по бокам камеры на середине ее высоты. Измерение температуры на рабочих поверхностях фрагмента производится с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар) типа ХК и потенциометра ПЛ-бЭ -"
Теплоперенос в керамзитовых блоках с термовкладышами в фрагменте кладки
Ниже представлены результаты исследования нестационарного теплообмена в керамзитобетонных прессованных блоках М35 с термовкладышами из пенобетона, производимых ООО ПКФ «Стройкомфорт» (г. Волгодонск) по ТУ 5741-028-02069111-99 «Блоки прессованные с термовкладышами». Испытанные керамзитобетонные прессованные стеновые блоки с пенобетонными термовкладышами имеют среднюю плотность (брутто) 880 кг/м3 и среднюю прочность при сжатии 43 кГс/см2. Определение нестационарной теплопроводности выполнено на фрагменте кладки толщиной в 1 Л блока с однорядной цепной перевязкой. Схема кладки фрагмента приведена на рис. 4.2. Кладка фрагмента выполнена на цементно-песчаном растворе состава 1:4 на портландцементе марки 400 с осадкой конуса Пк=9 см.
Фрагмент кладки после парафинирования был установлен на нижний пенополистирольный блок толщиной 200 мм рабочей секции установки, после чего такими же блоками были утеплены его остальные грани. После уплотнения стыков поролоновыми прокладками собранная рабочая секция была обжата металлическими рамками.
На гранях фрагмента, обращенных к «теплой» и «холодной» камерам установки, были закреплены по 9 термопар.
Термопары устанавливались на торцах керамзитобетонних ребер, ложках, тычках, вертикальных и горизонтальных растворных швах. Схемы размещения термопар на «холодной» и «теплой» гранях фрагмента показаны на рис. 4.2. Спаи термопар закреплялись в фрагменте в углублениях диаметром 2 мм и глубиной 3 мм с помощью быстрозатвердевающей смеси супер-клея (super glue) и тонкоизмельченногс кирпича.
«Нулевые» спаи термопар помещены в сосуд Дьюара, в котором находились одновременно пар, вода и лед дистиллированной воды.
Термопары подключены к милливольтметру через промежуточный многоточечный (24 точки) переключатель.
Преобразователь тепломера установлен в центре рабочей грани фрагмента, обращеной к «теплой» камере.
Участок поверхности фрагмента, на котором установлен преобразователь тепломера, до покрытия фрагмента парафином был предварительно зачищен до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей. Перед установкой преобразователя место для его установки очищено от слоя парафина.
До установки преобразователя тепломера на его контактную поверхность нанесен тонкий слой смазки ЦИАТИМ, перекрывающий неровности поверхности. Преобразователь тепломера плотно прижат по всей поверхности к фрагменту и закреплен в этом положении с помощью спиральной пружины.
Собранная таким образом рабочая секция установки с фрагментом была плотно прикреплена к проему морозильной камеры через поролоновое уплотнение.
После закрепления рабочей секции была смонтирована теплая камера установки, внутри которой установлен вентилятор и плоский электронагреватель.
Выведенные концы термопар подсоединены к распределительным колодкам многоточечных переключателей, а «нулевые» спаи помещены в сосуд Дьюара.
Температуру и ллотность теплового потока измеряли в течение всего периода испытаний с интервалом в 3 ч. С целью исключения трудноучитываемого влияния турбулентного движения воздуха, вызванного работой вентиляторов, измерение температур и плотности теплового потока проводилось через 10 и 25 минут после отключения вентиляторов в «холодной» и «теплой» камерах. Предварительными экспериментами было установлено, что этого времени достаточно для установления конвективного режима теплообмена между воздухом в камерах и рабочими поверхностями фрагментов.
Такие зависимости скоростей изменения потенциалов переноса со временем дают возможность определить важнейшие характеристики процесса нестационарного теплообмена: градиенты и перепады температур, а также тепловые потери. Можно отметить, что в области Т 5 час наблюдается постепенный переход нестационарных температур конструкции в стационарное состояние.
После того, как в фрагменте установился стационарный тепловой режим (стабилизировалась температура и плотность теплового потока), измерение температур и плотности теплового потока проводились 10 раз с интервалом 3 часа.
Подготовка фрагмента
Перед сборкой образца оба кирпичных полуфрагмента через 3 недели после изготовления в течение 3 суток высушивались в сушильном шкафу при температуре 105-110С. После завершения сушки и остывания все поверхности полуфрагментов были покрыты расплавленным парафином слоем толщиной 0,8-1,0 мм для предотвращения гигроскопического увлажнения кирпича во время теплотехнических испытаний.
Затем по схеме, приведенной на рис.5.1, в кирпичах были сделаны углубления диаметром и глубиной 2 мм для установки датчиков термопар и по размеру датчика измерителя теплового потока - удален слой парафина.
«Теплые» спаи термопар закреплялись в углублениях с помощью быстротвердеющего клея Super-Glue.
Порядок установки термопар был следующий. Сначала устанавливались термопары, расположенные на внутренних поверхностях полуфрагментов. Для этого сначала положение термопар фиксировали с помощью липкой ленты «скотч», а затем закрепляли шарики сплавов в. углублениях смесью клея с кирпичной пылью. После затвердевания клея проверялась надежность закрепления спаев и липкая лента удалялась. С целью обеспечения плотного примыкания плоскостей пенополистирольной оболочки к поверхностям полуфрагментов с установленными термопарами в пенополистирольных листах были сделаны бороздки для утопления проводов термопар. Пенополистирольные листы закреплялись на полуфрагменте в двух местах с помощью ленты «скотч», которая после окончательной сборки фрагмент а удалялась.
Подготовленные таким образом (рис.5.2 и 5.3) полуфрагменты переносились на пенополистирольный блок толщиной 200 мм, являющийся одновременно нижним основанием для испытываемого фрагмента. После установки вакуумно-порошковой плиты полуфрагменты сближались до плотного обжатия плиты. В этом положении
Перед установкой пластин по боковым стыкам были уложены полоски шириной 30 мм из поролона толщиной 10 мм. Такая же полоска была уложена затем и по верхнему стыку полуфрагментов. Пластинки закреплялись на кирпиче шурупами через полиэтиленовые дюбели (рис.5.4).
Подготовленный таким образом фрагмент устанавливался точно в нужное положение, после чего была осуществлена установка термопар на наружных его поверхностях. Эти термопары закреплялись с помощью специальных пластмассовых струбцин, закрепленных на рабочих гранях полуфрагментов. Датчик тепломера устанавливался и закреплялся в подготовленном месте с помощью специальной пружины (рис.5,5 и 5.6).
Затем были выполнены операции по обеспечению теплозащиты боковых граней фрагмента. Для этого использованы плиты из пенополистирола толщиной 250-400 мм и листовой поролон толщиной 10 и 20 мм.
Собранная камера с установленным фрагментом плотно, через поролоновую прокладку толщиной 20 мм, прижималась по периметру к проему морозильной камеры (рис.5.7).
Измерения температур и плотности теплового потока производили через 10 мин и 25 мин после остановки агрегатов морозильной камеры с интервалом в 3 часа. Предварительными экспериментами установлено, что ранее 10 мин после остановки агрегатов (компрессора и вентилятора) в «холодной» камере устанавливается ламинарный режим поверхностного теплообмена, что позволило исключить влияние турбулентности на теплообмен фрагмента с холодным воздухом и свести к минимуму разность температур датчиков и холодной поверхности фрагмента.
После установки в фрагменте стационарного теплового режима (что отмечалось по стабилизации температур на всех поверхностях фрагмента) были произведены 10 окончательных измерений температур и плотности теплового потока с интервалом 3 часа через 10 и 25 мин после остановки агрегатов морозильной камеры.
Для тепломера и каждой термопары были определены среднеарифметические значения показателей за период 10 последних измерений (q,) и (т;), где /- номер датчика.
Наряду с нестационарными температурами вычислялись и плотности тепловых потоков на внутренней qBH и наружной qHap поверхностях с использованием формул (3) и (4). Было установлено, что область асимптотического сближения величин qBH и q p, когда расхождения не превышали 10%, начиналась при Т 48 час.
Как видно из приведенных кривых, измерения нестационарных поверхностных температур составной стенки хорошо согласуются с расчетом.
Для сравнения на графике рис 5.9 приведены значения рассчитанных поверхностных температур такой же кирпичной стенки, но без вакуумно-порошковой прослойки (5 - наружная поверхность, 6 - внутренняя)..
Условия теплообмена ( Хв„, teH , tc (т )) принимались одинаковыми, за исключением величины коэффициента теплоотдачи аНар, которая составляла 8,0 Вт/(м2К) на всем протяжении процесса. Наличие термического контактного сопротивления существенно увеличивает разность температур между наружной и внутренней поверхностями конструкции. Так в приведенном примере эта разность составляла при т =5 час для двухслойной стенки 40,8 С, для однослойной 32,2 С; при т =10 час соответственно 47,8 С и 35,5 С и т.д.
В заключение можно отметить,, что общие сопротивления теплопередаче в стационарных условиях составили для двухслойной кирпичной стенки с вакуумно-порошковой прослойкой 1,47 м2К/Вт, для однослойной кирпичной стенки 0,712 м2! а плотности тепловых потоков соответственно равны 38,71 Вт/м2 и 79,92 Вт/м2.
Испытания показали, что вакуумно-порошковая плита является эффективным теплоизоляционным материалом с коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/мС.
Использование вакуумно-порошковых плит в качестве тепло изолирующих элементов ограждающих конструкциях (стенах) жилых домов позволяет добиться требуемых термических сопротивлений при умеренной их толщине (табл.5.3).
Экспериментальные данные позволяют предположить возможность улучшения теплозащитных свойств вакуумно-порошковои плиты, если минеральный перлитовый порошок заменить более легким органическим материалом (например, пенополиуретаном, пенополистиролом и др.). Уменьшения теплопроводности в данном случае следует ожидать, во-первых, за счет того, что молекулярная теплопередача в органических материалах меньше, чем в минеральных, во-вторых, за счет увеличения объема вакуумированного пространства в плите.
Проведенный анализ показал, что контактные термические сопротивления оказывают существенное влияние на динамику температурного поля многослойной ограждающей конструкции. Поэтому при проведении инженерных расчетов этому фактору развития теплового процесса следует уделять особое внимание.
Похожие диссертации на Исследование динамики процессов теплопереноса через ограждающие конструкции
