Пятницкое шоссе, 55А
стоимость работ
Работаем с Пн-Вс круглосуточно
Одной изнаиболее острых проблем развития топливно-энергетического комплекса Россииявляется проблема энергосбережения. От ее успешного решения во многом зависитжизнеспособность экономики страны.
Целевыеустановки программ энергосбережения России предусматривают экономию топлива иэнергии в размере 500 — 600 млн т у.т. в 2010 г., что позволит также на 30 — 40 % сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, которыедостигают в настоящее время около 20 млн т в год, и стабилизировать выбросыпарниковых газов.
Существеннуюроль в выполнении программы энергосбережения России призвана сыгратьвысокоэффективная тепловая изоляция, применяемая во всех областях промышленногопроизводства и строительства. По приближенным оценкам повышение теплозащитныхсвойств теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования итрубопроводов, систем централизованного теплоснабжения и ограждений зданий всостоянии обеспечить в 2010 г. экономию энергоресурсов в объеме 40 млн т у.т.
Анализ состоянияпроблемы энергосбережения в строительстве и роли тепловой изоляции в ее решениипоказал, что в настоящее время потери теплоты объектами строительного комплексаРоссии составляют:
черезизолированные поверхности существующих промышленных сооружений, оборудования итрубопроводов — 356 млн Гкал/год, или 65 млн т у.т/год;
через изоляциютеплопроводов тепловых сетей — 324 млн Гкал/год, или 59,5 млн т у.т/год.
Затраты теплотына отопление жилых, общественных и промышленных зданий, для восполнения потерьчерез изоляцию ограждающих конструкций достигают 1340 млн Гкал/год,или 240 млн т у.т/год. Таким образом, общие потери тепловой энергии объектамистроительного комплекса составляют в настоящее время около 2 млрд Гкал/год, или364,5 млн т у.т/год, т.е. около 20 % годового производства первичныхтопливно-энергетических ресурсов России.
Повышениепроизводительности технологических установок, использующих теплоту, все более широкоеприменение в промышленности высоких температур и глубокого холода создаютвесьма сложные условия эксплуатации теплоизоляционных конструкций, промышленныхсооружений и оборудования. Интенсивные процессы тепло- и влагообмена,возникающие при этом в теплоизоляции, оказывают существенное влияние на еетеплозащитные свойства и долговечность.
Влага,проникающая из окружающей среды в теплоизоляционные конструкции в процессе ихэксплуатации, существенно изменяет условия теплообмена. Процессы совместноготепло- и влагообмена, возникающие при этом в изоляции, включая фазовыепревращения влаги в пористой структуре теплоизоляционного слоя, приводят кзначительному увеличению потерь теплоты по сравнению с расчетными,определенными без учета влагообмена. Известно, например, что потери теплотытеплоизолированными трубопроводами подземных тепловых сетей, работающих вусловиях интенсивного воздействия грунтовой влаги, зачастую превышают расчетныев 1,5 — 2 раза. Накопление влаги в теплоизоляционных конструкцияхнизкотемпературного оборудования нередко приводит к столь значительномуувеличению потерь холода, что необходима их полная замена.
Перенос влаги втеплоизоляции, работающей в условиях контакта с агрессивной средой (например, втеплоизоляции оборудования наружных установок и хранилищ промышленныхпредприятий, подземных трубопроводов бесканальных тепловых сетей,эксплуатируемых в условиях интенсивного воздействия влаги), во многомопределяет интенсивность коррозионных процессов в конструкциях изолируемогооборудования и деструкцию теплоизоляции. Тем самым тепло- и влагообменныепроцессы в них являются одним из основных факторов, определяющих долговечностьне только теплоизоляционных конструкций, но и изолируемого оборудования.
В связи с этимследует отметить, что в отличие от строительной теплофизики, где для оценкивлияния тепло- и влагообменных воздействий окружающей среды наограждающие конструкции зданий, вызывающих снижение их теплозащитных свойств,широко используются расчетные методы, разработанные в трудах О.Е. Власова, В.И. Богословского, В.М. Ильинского, В.Д.Мачинского, Ф.В. Ушкова, К.Ф. Фокина, А.У. Франчукаи др., в отечественных (Н.М. Зеликсон, М.Г.Каганер, С.В. Хижняков, Е.П. Шубин) и зарубежных (И.С.Каммерер, Д.Ф. Меллой, Р. Каскет) монографиях и периодическихпубликациях, посвященных промышленнойизоляции, вопросы совместного тепло- и влагопереноса и их влияние натеплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций не рассматриваются.
К сожалению,методы строительной теплофизики в большинстве случаев не удается использоватьдля этих целей, поскольку температурно-влажностные условия, в которыхэксплуатируется промышленная изоляция, существенно отличаются от условийэксплуатации теплоизоляции в ограждениях зданий. Достаточно отметить, чтодиапазон температур, в котором работают конструкции промышленной изоляциисоставляет от -180 до 600 °С, а теплоизоляцияограждений зданий — от -20 до 30 °С.
Вследствиеинтенсивных тепло- и влажностных воздействий окружающей среды,недостаточного учета влияния совместных тепло- и влагообменных процессов натеплозащитные свойства изоляции при проектировании и монтажеэнергоэффективность теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений впроцессе эксплуатации снижается, что приводит к значительным сверхнормативнымпотерям тепловой энергии.
В настоящеевремя сверхнормативные тепловые потери через изолированную поверхностьпромышленных сооружений, оборудования, трубопроводов и тепловых сетей достигают244 млн Гкал, или 44 млн т у.т. в год. Эксплуатационные тепловые потеричерез существующие теплоизоляционные конструкции значительно превышаютрасчетные, так в промышленной изоляции оборудования и трубопроводов они в 1,25- 1,3 раза больше нормативных, а в тепловых сетях — в два раза.
Приведенные данныеубедительно свидетельствуют о том, что для успешного решения проблемыэнергосбережения в строительстве необходимо повышение энергоэффективностипромышленной тепловой изоляции путем широкого внедрения в практикупроектирования и строительства высокоэффективных теплоизоляционныхматериалов и конструкций на основе новых методов расчета, учитывающих влияниетепло- и влагообменаи обеспечивающих выбор оптимальных технологических, теплофизических и массообменныххарактеристик изоляции и проектных решений,гарантирующих стабильность теплозащитных свойствтеплоизоляционных конструкций в процессе эксплуатации.
Исходя изизложенного в процессе выполнения настоящей работы предложены расчетные методыоценки влияния влажности на теплозащитные свойстватеплоизоляции и предложения по нормированию расчетных значений еетеплопроводности в конструкциях.
2 Монтаж ВЛАЖНОСТНОГОСОСТОЯНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Вкапиллярно-пористой структуре теплоизоляционных материалов всегда содержитсявлага, количество которой определяется условиями эксплуатации и состояниемокружающей среды. Содержание влаги в материале определяют обычно высушиваниемнавески влажного материала Рвл при 105 °С (при этой температуре теплоизоляционные материалыпрактически не содержат влаги) до достижения постоянной массы Р0. Величина
U = (Рвл — Р0)/Р0 (1)
называется влагосодержаниемматериала и имеет единицу измерения — кг влаги/кг сухого материала.Влагосодержание, выраженное в процентах, называется относительной влажностьюматериала по массе или просто массовой влажностью W. Умножив влагосодержаниеU на плотность материала в сухомсостоянии ρм, найдем влагосодержание материала по объему, кг/м3:
Uv = Uρм. (2)
В практикеиспользуют также понятие относительной влажности по объему, или объемной влажности
W = (Uρм)/ρж, (3)
где ρж — плотностьводы.
Максимальноевлагосодержание, которое достигается длительным выдерживанием материала в воде,называется влагосодержанием полного намокания Uт. Для зернистых и волокнистыхматериалов
Uт = т(ρж/ρм), (4)
для большинства ячеистых материалов
Uт < т(ρж/ρм), (5)
где т — пористость.
Свойства воды,содержащейся в теплоизоляционных материалах, ее подвижность при взаимодействиис окружающей средой характеризуются энергией связи влаги с поверхностьютвердого вещества, образующего капиллярно-пористую структуру тела. По значениюэнергии этой связи различают физико-химически (сильная связь) ифизико-механически (слабая связь) связанную воду.
Физико-химическаясвязь. Влага, связанная физико-химически, представляет собой пленку измолекул воды, адсорбированных на поверхности капиллярно-пористой структурыматериала и удерживаемых на ней за счет силового поля на поверхности разделатвердое тело-газ, образующегося вследствие некомпенсированности молекулярныхсил в поверхностном слое.
Толщина пленокжидкости, адсорбированных на поверхности пор и капилляров, колеблется от (3 -5)·10-10 (мономолекулярный слой) до 1·10-7 м (полимолекулярныйслой). Свойства адсорбционно-связанной водыиз-за воздействия на нее мощного силового поля поверхностных молекулярных силзначительно отличаются от свойств свободной воды. Например, связанная вода нерастворяет электролиты других растворимых веществ, обладает свойствами упругоготела, имеет повышенную плотность и пониженную теплоемкость (меньше единицы).
Физико-механическаясвязь. Влагой, физико-механически связанной соструктурой, является жидкость, находящаяся в капиллярах, и жидкость смачивания.Капиллярная связь жидкости характеризуется коэффициентом поверхностногонатяжения, равным силе, действующей вдоль поверхности жидкости и приложенной кединице длины линии, ограничивающей межфазную поверхность и капиллярноедавление. Явления смачивания наблюдаются на границе раздела трех фаз, одна изкоторых обычно является твердым телом (фаза 3), а две другие — жидкостью (фаза1) и газом (фаза 2).
При неполномсмачивании жидкая поверхность раздела пересекает твердую поверхность понекоторой линии, называемой периметром смачивания, и образует с ней краевойугол θ, измеряемый в одной фазе. Косинус краевого угла является меройсмачивания В, связаннойс коэффициентами поверхностного натяжения — межфазных границ s12; s31; s32 уравнением
B = соs θ = (s32 — s31)s12, (6)
которое показывает, что θ зависиттолько от молекулярной природы поверхностей раздела и не зависит от размеровкапли или пузырька.
Возможны дваслучая смачивания: при 0 -1 (s32 > s31), когда капляводы на твердой поверхности образует угол θ > 90°.
При наличииискривленной границы между жидкой и газообразной фазами по обе стороныповерхности раздела имеется разность гидростатических давлений, обусловленнаяповерхностным натяжением и называемая лапласовым или капиллярнымдавлением. Капиллярное давление рs пропорционально средней кривизне С в рассматриваемой точке границы поверхности раздела двух фаз:
С = 1/r = 1/2 (1/r1 + 1/r2), (7)
где r — средний радиус кривизны;
r1 и r2 — радиусыкривизны двух главных сечений, т.е. сечений поверхности двумя взаимноперпендикулярными плоскостями, проходящими через нормаль к данной точке. Для шара
r = r1 = r2 и ps = 2s12С = 2s12/r. (8)
Из (8) видно,что капиллярное давление для плоской поверхности равно нулю, для выпуклой — оноположительно, для вогнутой — отрицательно (радиус кривизны считаютположительным, когда он направлен в глубь жидкости).
Кривизна жидкойповерхности в капилляре определяется условиями смачивания. Для капиллярнойтрубки достаточно малого радиуса r0 мениск можносчитать сферической поверхностью радиусом r0, определяемымпо величине и по знаку.
r = r0/соs θ. (9)
Капиллярноедавление, соответствующее такому мениску, равно
(10)
Если рассмотретьравновесное состояние жидкости в U-образнойтрубке, одно колено которой достаточно большого диаметра (чтобы средняя частьмениска была плоской), а другое — капилляр, то при положительной смачиваемостистенок капилляра жидкостью (1 ³ соs θ > 0) она поднимается по отношению к уровню вшироком колене, а при несмачиваемости (1 > cos θ ³ 0) опустится навеличину
(11)
где ρн — плотностьнасыщенного пара;
g — ускорение свободного падения.
Капиллярноедавление обусловливает весьма важное для Монтаж влажностного состояния капиллярно-пористых тел явление — капиллярнуюконденсацию. Благодаря капиллярному эффекту давление насыщенного пара надвыпуклой поверхностью жидкости выше, а над вогнутой ниже, чем над плоской(закон Кельвина)
(12)
где М — относительная молекулярная масса;
R — универсальнаягазовая постоянная;
Т — абсолютная температура;
рr — давление насыщенного пара надвогнутой поверхностью;
Р0 — давление насыщенного пара над плоской поверхностью.
Таким образом,при контакте с насыщенным влажным воздухом сухое пористое тело, имеющеев своей структуре капилляры достаточно малых размеров, увлажняется за счеткапиллярной конденсации в соответствии с (12).Например, при влажности воздуха j =0,35 благодаря конденсации заполнятся все капиллярыразмером до 10-9 м, при j = 0,9 — всекапилляры размером менее 10-8 м. При радиусе капилляра 10-7 м давлениенасыщения над мениском находящейся в нем жидкости практически равно давлениюнасыщения над плоской поверхностью. Это обстоятельство послужило одной изглавных причин классификации пор размером больше 10-7 м какмакрокапилляры, а пор меньше 10-7 м — как микрокапилляры.
В состоянии гигротермическогоравновесия с влажным воздухом температура тела равна температуре воздуха,давление пара во влажном воздухе, заключенном в капиллярно-пористой структуре,равно парциальному давлению пара в окружающемвоздухе, а влагосодержание материала приобретает некоторое постоянное значение,называемое равновесным. Равновесное влагосодержание зависит от температуры ивлажности окружающего воздуха и определяется формой связи влаги с материалом,которая, как отмечалось выше, может быть представлена в зависимости отпарциального давления пара либо физико-химически, либо физико-механическисвязанной. Если материал при достижении равновесия поглощает влагу, этот процессназывается сорбцией, если отдает — десорбцией. Кривая, характеризующаязависимость между равновесным влагосодержанием материала и относительнымпарциальным давлением или влажностью j, %, при постоянной температуре, называется изотермой сорбции илидесорбции. Влагосодержание материала при равновесии с насыщенным влажнымвоздухом (j = 100 %)называется максимальным гигроскопическим Uм.г.
Обычно изотермасорбции изображается кривой в координатах: влагосодержание материала U, кг/кг (ось ординат), и парциальное давление пара во влажном воpдухе рп, Па (осьабсцисс).
Для большинстваэффективных теплоизоляционных материалов изотермы сорбции указывают на две,достаточно четко выраженные области: 0 £ j £ 80 % — областьадсорбционно-связанной влаги; 80 £ j £ 100 % — областькапиллярно-связанной влаги. Причем для этих материалов в первой и во второйобластях зависимость равновесного влагосодержания от влажности воздуха с достаточной для техническихприближений точностью можно считать линейной. Это позволяет для построенияприближенной изотермы сорбции экспериментально определять равновесноевлагосодержание материала всего лишь при двух значениях влажности воздуха: при80 и 100 %.
На основанииэкспериментальных данных о равновесном влагосодержании исследуемого материала притемпературе воздуха 20 °С и влажности воздуха 80 и 100 % [u (j = 80 %);и = иmr] егосорбционная массоемкость (влагоемкость), кг/м·Па, определяется из выражений:
в областьадсорбционно-связанной влаги:
(13)
в областькапиллярно-связанной:
(14)
где — парциальное давление насыщенного пара во влажном воздухе (j = 100 %),Па;
ρм — плотность изоляционного материала, кг/м3.
Промежуточныезначения равновесного влагосодержания следует определять по формулам:
при 0 £ j < 80 %;(15)
при 80 % £ j £ 100 %,
(16)
При примененииформул (13) — (16) следует использовать данные таблицы 1.
Таблица 1 — Монтажпористости и равновесного влагосодержания теплоизоляционных материалов
Вид материала
Пористостьобщая т
Равновесноевлагосодержание, кг/кг, при t= 20 °С и влажности воздуха
открытая
закрытая
j = 80%
j = 100%
Волокнистые
тo = 0,74m
m3 = 0,26т
0,01
0,05
Пенопласты
mo = 0,98m
m3 = 0,015m
0,01
0,04
Пенокаучук
тo = 0,985m
т3 = 0,015m
0,025
0,02
Приведенные вышесоотношения позволяют определять равновесное влагосодержание теплоизоляционныхматериалов в зависимости от влажности окружающего воздуха при температуре 20°С. Для определения по этим данным равновесного влагосодержания прилюбой другой температуре в диапазоне -60 £ t £ 60 °С следуетприменять приближенную формулу
U(t) = U(t = 20 °С; j) ´ [1 — 0,002(t — 20) ехр2,8 (1 — j)], (17)
где j — влажность воздуха в долях единицы.
Для оценки влажностного режима теплоизоляционных конструкций подземныхсооружений, работающих в условиях контакта с массивом влажного грунта, напримертеплоизоляция подземных теплопроводов и др., введено понятие равновесноговлагосодержания теплоизоляции Uгр, кг/кг, в системе теплоизоляция -влажный грунт, находящейся в условиях термодинамического равновесия. Значенияэтой величины для различных грунтов представлены в таблице 2.
Таблица 2 — Равновесное влагосодержаниетеплоизоляции V, кг/кг, в контакте с влажным грунтом
Изоляция
Грунт
песчаный
супесь
суглинок
глина
Влагосодержаниегрунта, кг/кг
Пенопласты
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,14
0,17
0,18
0,20
0,24
0,28
0,32
0,07
0,12
0,15
0,18
0,20
0,24
0,30
0,035
0,06
0,08
0,12
0,15
0,18
0,24
0,01
0,03
0,04
0,06
0,10
Пенокаучуки
0,10
0,12
0,13
0,14
0,17
0,2
0,23
0,05
0,90
0,11
0,13
0,14
0,17
0,21
0,025
0,042
0,56
0,09
0,10
0,12
0,18
0,008
0,02
0,03
0,04
0,07
Волокнистая
0,40
0,60
0,07
1,0
1,25
1,40
1,50
0,1
0,21
0,40
0,60
1,00
1,25
1,30
0,01
0,03
0,05
0,20
0,40
0,80
1,1
0,01
0,02
0,05
0,10
0,15
3 УВЛАЖНЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В предыдущемразделе приведены методы определения влажностных характеристик теплоизоляционных материалов втеплоизоляционных конструкциях, находящихся в условиях термодинамическогоравновесного состояния с окружающей средой. Ниже рассмотрены методы расчетадинамики увлажнения теплоизоляционных конструкций за счет диффузии парообразнойвлаги в пористую структуру изоляции при контакте с влажным воздухом, а такжепроцессов увлажнения капельной влагой при атмосферных осадках или контактах смассивом влажного грунта на основе закона изотермической диффузии влаги:
qm = -Dgraduv, (18)
где qт — плотность потока влагипарообразной или капельной , кг/(м2·ч),обусловленная градиентом концентрации влаги uv, кг/м3,в материале. В качестве расчетной схемы рассматривается изотермический влагоперенос в неограниченной пластине толщиной δ, м,описываемый уравнением
(19)
с краевыми усилиями:
uv(τ = 0;0 £ х £ δ) = ; (20)
uv(0 £ τ £ ∞; х = δ) = ; (21)
(22)
Решениеуравнения (19) с краевымиусилиями (20) — (22) длясреднего влагосодержания по толщине пластины (τ) известно:
(23)
где Fот — массообменныйкритерий Фурье, равный:
(24)
Используя (23), среднее влагосодержание по толщине изоляции завремя τувл можно определить из выражения:
(τ) = θ·[uv(x = δ) — uv(τ= 0)] + uv(τ = 0). (25)
При расчете увлажненияизоляции, эксплуатируемой во влажном воздухе, определение безразмерноговлагосодержания по (23) и среднего влагосодержания потолщине по (25) производится при значенияхмассообменного критерия Фурье, найденных по (25) сиспользованием коэффициента диффузии парообразной влаги Dп,м2/ч (таблица 3).
Таблица 3 — Характеристикадиффузионного переноса парообразной влаги в теплоизоляционных материалах
Материал
Плотность,кг/м3
Пористость
Диффузионнаямассопроводность (паропроницаемость) λм, мг/(м·ч·Па)
Коэффициентдиффузии пара Dп, м2/ч
Коэффициентсопротивления диффузии μ
Перлитобетон
800
0,69
0,26
—
3,04
600
0,77
0,30
—
2,64
Пенобетон
800
0,7
0,14
3,4·10-6
5,65
600
0,77
0,17
4,6·10-6
4,65
400
0,85
0,23
1,1·10-5
3,44
Минеральная вата
150
0,93
0,47
—
1,68
150
0,93
0,43
—
1,84
150
0,93
0,41
—
1,93
Минераловатная плита
400
0,81
0,32
—
2,47
на битумном связующем
240
0,88
0,16
—
4,94
Пенопласт:
полистирольный ПСБ-С
23
0,98
0,018
2,7·10-5
43,9
27
0,97
0,002
1,9·10
поливинилхлоридный
59
0,96
0,002
2·10-7
395
75
0,95
0,001
0,8·10-7
791
фенолформальдегидный ФП-1
31
0,98
0,29
1,15·10-6
2,72
40
0,97
0,22
6·10-7
3,59
50
0,96
0,35
8,62·10-7
2,26
то же, ФП-5
52
0,96
0,13
1·10-6
6,1
69
0,95
0,094
8·10-7
8,4
полиуретановый ППУ-3С
50
0,95
0,029
7·10-7
27,2
55
0,95
0,025
3·10-5
31,6
60
0,94
0,025
2,8·10-5
31,6
Пеностекло
230
0,89
0,13
4,0 · 10-6
240
0,88
0,125
4,2 · 10-6
250
0,88
0,115
3,4 · 10-6
Вспученный перлит
69
0,97
0,3
2·10-4
2,63
12
0,97
0,23
1,5·10-4
3,59
Стекловата на фенольномсвязующем
50
0,98
0,54
5·10-4
1,5
Пенокаучук ВК
89
0,92
1,26·10-4
6·10-9
6280
Пенокаучук ЕПДМ
75
0,95
3,04·10-4
4·10-9
2600
Пенополиэтилен
30
0,97
2,9·10-4
9·10-8
2728
Влагосодержаниеизоляции на наружной поверхности иv(х = δ) при заданной влажности воздуха j, %, определяется спомощью формул (15), (16).
При расчетеувлажнения изоляции, работающей в контакте с капельной влагой, в качествеграничных условий (21) следуетпринимать значение влагосодержания полного намокания, а при контакте с массивомвлажного грунта — равновесное влагосодержание Uгр по таблице 2. В этом случае определениемассообменного критерия Фурье, используемого в (23) и(24), производится с использованием коэффициента D — коэффициента диффузии капельной влаги по таблице 4.
Таблица 4 — Коэффициент диффузии капельнойвлаги, м2/ч
Вид теплоизоляции
Волокнистая
Пенопласт
Пенокаучук
1,5·10-3
2·10-6
1,5·10-7
Для рассмотренияпроцессов влагопереноса в теплоизоляционных материалах во всем возможномдиапазоне изменения влагосодержания, от нуля до максимального (область,включающая диффузионный и капиллярный перенос), когда влагосодержаниетеплоизоляции в конструкции изменяется от равновесного ир, соответствующего сорбционному,при заданной влажности воздуха до влагосодержания полного намокания, аобобщенный коэффициент диффузии влаги aтf(иv) в зависимости отвлагосодержания может измениться на один-два порядка, вводится безразмернаявеличина относительного влагосодержания:
(26)
котораяизменяется от 0 до 1.
Дляописания поля влагосодержаний используется нелинейное уравнение влагопроводности
(27)
Анализэкспериментальных данных показал, что зависимость коэффициента диффузии влагиот влагосодержания гидрофильных материалов описывается уравнением
(28)
где — относительный коэффициент диффузии влаги, равный аm(Uv)/; — коэффициентдиффузии влаги при Uотн = 0.
Введениембезразмерных переменных:
массообменногочисла Фурье
(29)
иотносительной координаты
(30)
уравнение (27) приводится к безразмерному виду:
(31)
Для стационарныхусловий:
(32)
Решение (32) приграничных условиях: = 0,Uотн = 1, = 1, Uотн = 0 получено ввиде:
(33)
где
(34)
Для гидрофобныхтеплоизоляционных материалов зависимость коэффициента диффузии влаги отвлагосодержания имеет качественно иной характер. Для ее описания предложеноуравнение
(35)
где относительный коэффициент диффузиивлаги в отличие от (28)определяется как отношение коэффициента диффузии влаги при Uотн = 0к коэффициенту диффузии влаги при Uотн = 1:
(36)
Решениеуравнения (28) в этом случае, притех же граничных условиях: Uотн( = 0) = 1; Uотн( = 1) = 0 выражается формулой
(37)
4 РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИВЛИЯНИЯ УВЛАЖНЕНИЯ НА ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Передача теплотыв неувлажненных теплоизоляционных материалах является сложным процессом,включающим перенос теплоты кондуктивной теплопроводностью,излучением и конвекцией и осуществляется посредством:
теплопроводноститвердого скелета, образующего пористую структуру материала;
теплопроводностигаза, находящегося в порах и капиллярах;
излучения междустенками пор и капилляров;
конвективногопереноса теплоты за счет конвективных токов газа в пористой структуретеплоизоляции.
Однако в целяхупрощения тепловых расчетов для определения теплозащитных свойствтеплоизоляционных конструкций используются расчетные зависимости, основанные назаконе Фурье, справедливом, строго говоря, лишь для твердых тел, в которыхперенос теплоты при наличии градиента температур происходит только за счет кондуктивнойтеплопроводности. Очевидно, что используемый при таком подходе коэффициенттеплопроводности является обобщенной характеристикой проводимости теплоты вматериале — эффективной теплопроводностью:
λэф= λq + λр+ λк, (38)
где λq — коэффициент кондуктивной теплопроводности;
λр — коэффициентрадиационной теплопроводности;
λк — коэффициент конвективной теплопроводности.
Наличие стольсложного характера составляющих в общем потоке теплоты в теплоизоляционныхматериалах и выражение этого процесса линейным уравнением переноса приводят ктому, что эффективная теплопроводность является сложной функцией не толькотемпературы, но и давления, газа, заполняющего поры, степени чернотыповерхности пор и капилляров, а также многих других факторов.
При разработкерасчетного метода определения эффективной теплопроводности теплоизоляционныхматериалов для определения ее кондуктивной составляющей была использованамодель О. Кришера. Как показали экспериментальные данные, она даетвполне удовлетворительные результаты при расчете теплопроводности легких высокоэффективныхтеплоизоляционных материалов, нашедших широкое применение в конструкцияхпромышленной изоляции (волокнистая изоляция, пенопласта, пенокаучуки и др.).
Расчетныеформулы этой Монтаж отопления для определения кондуктивной теплопроводности материалов всухом состоянии имеют вид:
(39)
(40)
(41)
где а — экспериментальноопределяемый коэффициент, характеризующий структуру материала;
т — пористость материала в доляхединицы;
λск — теплопроводность твердого скелета материала;
λг — теплопроводность газа, заполняющего пористую структуруматериала.
Расчетныеформулы для определения конвективной составляющей получены с помощьюрезультатов численных решений систем линейных дифференциальных уравнений вчастных производных, описывающих стационарный теплоперенос в пористых средах вусловиях естественной конвекции в плоских и цилиндрических слоях. Порезультатам этих расчетов найдены критериальные уравнения, отражающиезависимость относительного коэффициента конвективной теплопроводности
(42)
от фильтрационного числа Релея — , которые для плоских и цилиндрических теплоизоляционныхслоев имеют вид:
для плоскогогоризонтального слоя при 40 < £ 100:
Ек = ()0,05. (43)
При £ 40, Ек =1, конвективныйтеплоперенос отсутствует, λк=0.
Для плоскоговертикального слоя при 0 £ £ 100:
Ек = ()0,035. (44)
Дляцилиндрического слоя при 0 £ £ 100:
Eкц = 1 + 5,9·10-3[η(1 — η)]3/4exp(-4,29η) ´ ()2. (45)
В уравнениях (42) — (44)
(46)
где 2,78·10-4 — коэффициентперевода размерности теплопроводности из ккал/(м·ч·°С), в ккал/(м·ч·°С);
μ -коэффициент динамической вязкости, кг/м·с;
g — ускорение силы тяжести, м/с2;
ρ -плотность, кг/м3;
b — коэффициенттемпературного расширения, 1/°С;
r — толщина слоя изоляции, м, для цилиндрического слоя L = r2 — r1;
r1 — радиус поверхностиизолируемого трубопровода;
r2 — то же, поверхности изоляции;
К — коэффициент фильтрационной проницаемости изоляции, м2.
Предлагаемаярасчетная методика определения эффективной теплопроводности волокнистыхматериалов реализуется следующим образом:
— расчет кондуктивнойтеплопроводности волокнистой изоляции выполняется по соотношениям (39) — (41), в которых в качестве теплопроводности скелетаиспользуется теплопроводность волокна (таблица 5), а газа — молекулярная теплопроводность воздуха (таблица6).
Таблица 5 — Теплопроводность, Вт/(м·°С), и плотность волокна, кг/м3, структурныеМонтаж а волокнистыхматериалов
Волокно
минеральное
муллито-кремнеземистое
базальтовое
стекловолокно
λв= 1,2 + 8,5·10-5(tт + 100)
λв= 1,2 + 8,5·10-5(tт + 100)
а = 0,69
а = 0,70
а = 0,70
а = 0,76
ρв = 1000
ρв = 1700
ρв = 1700
ρв = 1000
Таблица 6 — Теплопроводность полимернойматрицы пенопластов
Пенопласт
Плотностьматрицы, кг/м3
Теплопроводность,Вт/(м·°С), при нормальной температуре
Полистирольный
1050
0,20
Полиуретановый
1250
0,25
Фенолформальдегидный
1400
0,19
Конвективнаясоставляющая эффективной теплопроводности волокнистых материалов определяется сиспользованием выражений (42) — (47), причем коэффициент фильтрационнойпроницаемости К, м2, входящий в (45),определяется по формуле
(47)
в которой п — содержаниеневолокнистых включений, %;
dв — диаметрволокна, м;
т — пористость волокнистой изоляции.
Радиационнаятеплопроводность волокнистых материалов определяется с помощью следующейзависимости:
(48)
где σ — константа Больцмана, равная4,965·10-8 ккал/(м2·ч·град);
Тm — средняя температура изоляции, К;
т — пористость;
dв — диаметрволокна, м;
Kосл — коэффициент ослабления, константа,определяемая для различных видов волокон по эмпирическим формулам:
муллитокремнеземистоеволокно
Kосл = 25mdвTm + 5·10(1 — m)2/Tm; (49)
базальтовоеволокно
Kосл = 70mdвTm + 5·103(1- m)/Tm; (50)
минераловатноеволокно
Kосл = 20mdвTm + 7·103(1- m)3/Tm; (51)
стекловолокно
Kосл = 11,2·106mdвTm + 800(1 — m)2/Tm. (52)
В отличие отволокнистых материалов передача теплоты в пенопластахосуществляется в основном за счет кондуктивного переноса через газовую среду — 65 % и черезполимерную матрицу — 25 — 27 %. На долюрадиационной составляющей приходится не более 5 — 7 %. Конвективного переноса в них не наблюдается вообще,поскольку пенопласты практически не содержатсквозных пор, в отличие от волокнистой изоляции, где сквозная пористостьявляется преобладающей. Коэффициентфильтрационной проницаемости пенопластов на 3 — 4 порядка меньше, чем уволокнистой изоляции.
Исходя из этихсоображений для расчета эффективной теплопроводности пенопластов могут бытьприменены соотношения (39) — (41) с использованием в качествеструктурных характеристик для фенолформальдегидных, поливинилхлоридных и пенополиуретановыхпенопластов — 0,420, а для полистирольных -0,20. Температурный коэффициент теплопроводности для всех пенопластовпрактически одинаков: b = 0,00015Вт/м(°С)2, а коэффициенты теплопроводности полимерной матрицыприведены в таблице 6.
В процессеизготовления пористая структура пенопластов заполняется газами степлопроводностью, значительно меньшей, чем у воздуха. В зависимости отпринятой технологии этими газами могут быть углекислый, фреон, циклопентани др. Поэтому теплопроводность свежеизготовленного пенопласта следуетрассчитывать по (39) — (41), используя в качестветеплопроводности газа данные таблицы 7.
Таблица 7 — Теплопроводность газов впористой структуре пенопластов
Газ
Теплопроводность,Вт/(м·°С)
Воздух
0,0257 [1 + 0,003(tm- 20)]
Углекислый газ
0,016 [1 + 0,0045(tm — 20)]
Циклопентан
0,013 [1 + 0,0051(tm — 20)]
Фреон
0,0081 [1 + 0,0054(tm — 20)]
Послеизготовления теплоизоляционных конструкций в них происходит постепенноедиффузионное замещение образовавшегося в порах пенопласта газа воздухом. Приэтом теплопроводность пенопластов увеличивается от начальных значений,определенных по (39) — (41) с учетом теплопроводностигаза, до конечных, также определенных по (39) — (41),где в качестве теплопроводности газа принимается теплопроводность воздуха.
Известно, чтопри увлажнении изоляции теплопроводность ее увеличивается. В диапазонеизменения средних температур влажной изоляции 0 £ tср £ 25 °С увеличение эффективной теплопроводности происходит за счетповышения ее кондуктивной составляющей вследствие замещения воздуха в пористойструктуре изоляции более теплопроводным компонентом — водой.
В этом случаепри определении эффективной теплопроводности влажной изоляции(волокнистой и пенопластов) для расчета Монтаж кондуктивного переносатеплоты вместо выражений (39) — (41) используются зависимости:
(53)
(54)
(55)
где λж — теплопроводностьводы;
W — относительная влажность по объему (3),остальные обозначения те же, что в (39)- (41).
Результатыэкспериментальных исследований показали, что предложенная модель эффективнойтеплопроводности влажной изоляции удовлетворительно описывает теплоперенос принормальных средних температурах. При повышенных средних температурахтеплопроводность влажной изоляции превышает расчетные значения, определенные спомощью (53) — (55), внесколько раз. Объясняется этот факт явлением термовлагопроводности -возникновением потока влаги во влажном материале при его нагревании,направленного по потоку теплоты. В зависимости от характера пористой структуры,влагосодержания, градиента и уровня температур термовлагопроводность можетбыть вызвана различными физическими процессами:
под действиемградиента поверхностного натяжения воды в менисках, в местах сужения пор икапилляров, вызванных градиентом температур, происходит термокапиллярноедвижение воды в сторону большего поверхностного натяжения, т.е. в сторонупонижающихся температур;
в полностьюувлажненных материалах перемещение жидкости против теплового потока можетпроисходить за счет термоосмоса, обусловленного различием удельноготеплосодержания жидкости в тонком слое у поверхности пор и капилляров в объеме;
парциальноедавление пара в паровоздушной смеси, находящейся в пористой структуретеплоизоляционного материала, имеющего влагосодержание вышемаксимального гигроскопического, равно давлению насыщения при температуре тела;
при появленииградиента температур в нем возникает также градиент парциального давлениянасыщенного пара, который вызывает диффузионный перенос пара из мест с болеевысокой температурой в места с более низкой, сопровождающийся его конденсациейи повышением влагосодержания в холодной зоне.
Результатыпроведенной численной оценки термоградиентных потоков влаги различнойфизической природы (термокапиллярный перенос, диффузия насыщенного пара споследующей конденсацией и др.) позволили заключить, что термовлагопроводностьв конструкциях на основе эффективных теплоизоляционных материалов, обладающихвысокой пористостью (волокнистые и пенопласты), преимущественнообусловлена диффузионным переносом.
Эффектувеличения теплопроводности влажного материала при его нагревании,обусловленный появлением при этом в его пористой структуре диффузионногопотока пара, сопровождающегося испарением влаги в горячей зоне и конденсацией вхолодной, предлагается учитывать введением дополнительного коэффициента теплопереноса, возникающего за счет термовлагопроводности λt, определяемого выражением
(56)
где W — относительное влагосодержание изоляции по объему (3);
λм — коэффициент паропроницаемости изоляции, кг/(м·ч·Па)(таблица 3);
r — теплотафазового перехода влаги, ккал/кг;
tср — средняятемпература материала, °С;
a = 2666 Па;
b = 0,046 1/°С.
В заключениеследует отметить, что эффект резкого увеличения теплопроводности за счеттермовлагопроводности при нагревании влажного материала проявляется только вначальный период прогрева влажной изоляции (в течение 5 — 10ч) до установления стационарного температурногои влажностного режимов в теплоизоляционной конструкции, методика и алгоритмрасчета которых для различных условий эксплуатации подробно рассмотрены вмонографии В.Г. Петрова-Денисова, Л.А.Масленникова «Тепло- и влагообмен в промышленной изоляции» (М.: Энергоатомиздат, 1983).
5 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО НОРМИРОВАНИЮРАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ В КОНСТРУКЦИЯХ
Теплозащитныесвойства теплоизоляционных конструкций промышленныхсооружений и трубопроводов, а также ограждений зданий, как показывает практика,снижаются в процессе эксплуатации. Так, например, за счет периодическихтепловлажностныхвоздействий окружающей среды вследствие механических нагрузок, обусловленныхвибрацией оборудования и ветровым напором переменного направления, волокнистаяизоляция уплотняется, толщина ее уменьшается, а теплопроводность увеличивается.Теплоизоляционная конструкция изменяет свою форму («провисает»), внутри нее образуются полости с усиленной конвекцией в ней,воздуха. Все это приводит к снижению ее термическогосопротивления. Температурно-влажностные деформациисущественно изменяют пористую структуру теплоизоляционного слоя из пенопласта впроцессе эксплуатации, до 80 % повышается содержание в нем открытых пор, чтоприводит к резкому увеличению лучистой составляющей в переносе теплоты, а такжек повышению влагопроводности, что влечет за собой увеличение кондуктивной иобщей теплопроводности теплоизоляционного слоя.
Снижение теплозащитныхсвойств теплоизоляционных конструкций в процессе эксплуатации определяет ихдолговечность. Как известно, долговечность технического объекта характеризуетсясохранением его работоспособности до наступления предельного состояния приустановленной системе технического обслуживания и ремонта. Причем подработоспособностью понимается такое состояние объекта, при котором он способенвыполнять заданные функции, сохраняя значения определяющих их параметров впределах, установленных нормативно-справочной документацией.
Событие,заключающееся в нарушении работоспособности, является отказом объекта, которыйможет быть внезапным — практически мгновенный выход объекта из строя илипостепенным, характеризующимся длительным выходом параметров, определяющих егоработоспособность, за пределы нормативных допусков.
Рассматриваядолговечность теплоизоляционных конструкций, следует считать, что ихработоспособность характеризуется постепенным отказом и может быть представленазависимостью:
(57)
в которой q(τ =0) — тепловые потери в начале эксплуатации;
q(τ) — тепловые потери через τ лет эксплуатации.
Учитывая прямуюпропорциональность между величинами тепловых потерь через теплоизоляционныеконструкции и теплопроводностью используемого в них материала, найдем:
(58)
где λ(τ = 0) — теплопроводностьтеплоизоляционного материала в конструкции вначале;
λ(τ) — то же, через τ лет эксплуатации, Вт/(м·°С).
Выражение (57) с достаточной для практическихцелей точностью можно представить экспоненциальной зависимостью
(59)
где К — константаработоспособности, 1/год.
Используя (58) и (59), получим:
λ(τ) = λ(τ = 0)ехрKτ (60)
соотношение, определяющее динамикуснижения теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций за счет увеличениятеплопроводности изоляции в процессе эксплуатации. Для того чтобы обеспечитьтребуемую нормированную плотность теплового потока через изолированнуюповерхность оборудования трубопроводов систем инженерного оборудования зданий итеплоснабжения за все время эксплуатации τ, лет, в качестверасчетного значения коэффициента теплопроводности при определениитолщины изоляции предлагается использовать среднеинтегральную за τ летэксплуатации величину, значение которой на основании интегрирования (60) с учетом зависимости теплопроводности от температурыопределяется выражением
(61)
где tт — средняя температура изоляции.
Значенияконстанты работоспособности К, характеризующей динамику снижениятеплоизоляционных свойств теплоизоляционных конструкций в процессеэксплуатации, определенные на основе результатов исследований, проведенныхинститутом «Теплопроект» совместно синститутами ВНИПИЭнергопром, АКХ им. Памфилова, НИИМосстрой, ВНИИСТ, а также работ Ю. Боброва, А. Дементьева,А. Дьячкова, Л. Невского, Дж. Барта, К. Холта,Дж. Келлнера,В. Диркса, приведены в таблице 8.
Таблица 8 — Константа работоспособноститеплоизоляционных материалов К,1/год
Типы трубопроводов
Условияпрокладки
Вотапливаемых помещениях
Внеотапливаемых подвалах, чердаках, подпольных каналах
Надземная
Подземнаяв проходных каналах
Подземнаяв непроходных каналах
Подземнаябесканальная
Видизоляции
пенокаучук**
волокнистая
пенопласты*
пенокаучук**
волокнистая
пенопласты*
волокнистая
пенопласты*
волокнистая
армопенобетон
пенополимербетон
пенополиуретан***
Отопления и горячеговодоснабжения
—
1,35·10-2
7·10-3
6,5·10-3
—
—
—
—
—
—
—
—
Холодного водоснабжения
4,2·10-3
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Централизованноготеплоснабжения
—
1,35·10-2
7·10-3
—
1,8·10-2
7·10-3
2,2·10-2
8·10-3
4,6·10-2
2,7·10-2
5·10-3
1,65·10-4
* Пенопласты с преимущественно закрытопористой структурой,пенополиуретан, пенополистирол и др.
** Пенокаучук типа Аэрофлекс, пенополиэтилен Экофлекс и др.
*** Пенополиуретан в жесткой полиэтиленовой оболочке с дистанционным контролем влажности.
Услуги по монтажу отопления водоснабжения
ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ 8(495)744-67-74
Кроме быстрого и качественного ремонта труб отопления, оказываем профессиональный монтаж систем отопления под ключ. На нашей странице по тематике отопления > resant.ru/otoplenie-doma.html < можно посмотреть и ознакомиться с примерами наших работ. Но более точно, по стоимости работ и оборудования лучше уточнить у инженера.
Для связи используйте контактный телефон ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ 8(495) 744-67-74, на который можно звонить круглосуточно.
Отопление от ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ Вид: водяное тут > /otoplenie-dachi.html
Обратите внимание
Наша компания ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ входит в состав некоммерческой организации АНО МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ КОЛЛЕГИЯ СУДЕБНЫХ ЭКСПЕРТОВ. Мы так же оказываем услуги по независимой строительной технической экспертизе.