автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Нестационарный тепломассоперенос в строительных материалах, изделиях и конструкциях при фазовом превращении влаги

На правах рукописи

ИБРАГИМОВ АЛЕКСАНДР МАЙОРОВИЧ

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИЗДЕЛИЯХ И КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ФАЗОВОМ ПРЕВРАЩЕНИИ ВЛАГИ

Специальности: 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия» 05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново - 2005

Работа выполнена в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии на кафедрах «Строительное материаловедение и специальные технологии» и «Строительные конструкции».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор

Федосов Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Соков Виктор Николаевич

Доктор технический наук, профессор Михайлов Борис Кузьмич

Доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт строительной физики(Москва)

Защита состоится "49" мая 2005г. в 13ооч. на заседании диссертационного совета Д 212.060.01 в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 153037, Иваново, ул. 8 Марта, д.20, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной архитектурно-строительной академии. Автореферат разослан "15" апреля 2005 г.

Совет направляет Вам для ознакомления данный автореферат и просит Ваши отзывы и замечания направить по адресу: 153037, Иваново, ул. 8 Марта, д.20, Ивановская государственная архитектурно-строительная академия.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.М. Ладаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена изучению процессов тепло- и массопереноса в слоистых средах применительно к ограждающим конструкциям зданий и сооружений, дорожным покрытиям, основаниям и фундаментам при нестационарных режимах их эксплуатации, а также разработке и развитию инженерных методов расчета и проектирования этих конструкций.

Актуальность работы. Энергосбережение возведено в ранг государственной политики практически всех развитых стран, в том числе и России. Строительная отрасль не составляет исключение. Одним из направлений по энергосбережению является совершенствование и ужесточение норм проектирования. Новая редакция СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», СП 23-101-2000 «Проектирование тепловой защиты зданий», ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме», изменения №№ 3 и 4 к СНиП Н-3-79** «Строительная теплотехника» предъявляют повышенные требования к теплозащите зданий. Нормы с изменениями базируются на двух принципах: энергосбережения и санитарно-гигиеническая пригодность к эксплуатации. Смысл проектирования ограждающих конструкций заключается в назначении необходимого сопротивления теплопередаче конструкции (Я). Конструктивное расположение слоев должно обеспечивать нормальный режим эксплуатации, при котором влажность материалов конструкции не должна превышать определенного уровня, и обеспечивался бы отвод конденсационной влаги, которая образуется в результате диффузии водяного пара через толщу конструкции из помещения наружу. Однако, нормами практически не учитывается процесс диффузии капиллярной влаги в толщу конструкции в следствие атмосферных воздействий, грунтовых вод, субъективных факторов, возникающих при эксплуатации зданий (аварии тепло- и водоснабжающих сетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли, неисправности вентиляции, снижение, против нормативной, температуры теплоносителя в отопительных приборах, старение и деструктивное разложение вертикальной и горизонтальной гидроизоляции стен, нестационарность процессов тепломассопереноса и т.д.). Таким образом, проектирование ограждающих конструкций по существующим нормам не является безусловной гарантией их эксплуатационной надежности. Нашим предкам хорошо были известны «узкие» места конструкции сруба - верхние и нижние (закладные) венцы, именно эти венцы работают в худших термо-влажностных условиях, именно для них при рубке сруба брались бревна большего диаметра. Такие же «узкие» места имеют ограждающие конструкции стен. Повышенное содержание влаги в стенах можно с полной уверенностью отнести к дефектному состоянию, так как влага существенно снижает физико-механические и теплофизические характеристики материалов. Отсутствие на стадии проектирования моделирования процессов, протекающих в конструкциях и прогнозирования поведения конструкций при работе их в

реальных условиях, приводит к увеличению теплопотерь и к преждевременному старению конструкций. Отсутствие стандарта в области теплозащиты зданий, который включал бы в себя в качестве составных частей - СНиП «Строительная теплотехника», стандарт по параметрам внутреннего воздуха, стандарт по освещенности помещения и т.п., а также отсутствие единой политики в области стандартизации и сертификации строительной индустрии будет и дальше приводить к большим экономическим потерям.

По мнению автора, настало время, использовав наработки в других областях теплофизической науки, вернуться к разработкам академика А.В.Лыкова на новой качественной ступени и как бы «вернуть долг> строительной теплофизике в части расчета и последующей разработки рациональных ограждающих конструкций, отвечающих требованиям нормативных документов с учетом реально протекающих нестационарных физических процессов в толще многослойной конструкции (теплоперенос, паро-, воздухо-, влагопроницание, промерзание, оттаивание, сушка, конденсация). Анализ современных публикаций позволяет сделать вывод о разобщенности исследований в области математического моделирования и расчета термовлажност-ных процессов, протекающих в реальных многослойных ограждающих конструкциях.

В связи с изложенным, в работе были поставлены две взаимосвязанные цели: исходя из паспорта специальности 05.23.05, п.10 - исследование совместной работы строительных материалов с разными свойствами в слоистых и сложных строительных конструкциях, а из паспорта специальности 05.23.01., п.З - создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействия на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности. Эти цели были объединены посредством теоретических разработок математических моделей процессов, происходящих в различных строительных материалах, которые составляют тело многослойных конструкций и оснований на основе существующих и новых решений задач внутреннего тепломассопереноса при краевых условиях максимально приближенных к реальным; на базе полученных решений созданием инженерных методов расчета для оптимального проектирования многослойных ограждающих конструкций, оснований и фундаментов, а также разработки новых методик натурных испытаний строительных материалов и конструкций на тепло- и влагопроводность.

Научная новизна диссертации:

1. Впервые для процессов теплопереноса, теплопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепло- и массопереноса разработано их обобщенное математическое описание в приложении к строительным материалам, конструкциям и основаниям.

2. На основе математического описания предложен комбинированный

метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Метод базируется на решении восьми основных краевых задач:

- теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями;

- теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями;

- теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями;

- теплоперенос в пластине с фиксированными границами и условиями I рода на этих границах;

- теплоперенос в пластине с неравномерным начальным распределением температур и источника теплоты с комбинированными граничными условиями I и II рода;

- тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями;

- тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями;

- тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями.

3. Разработанный метод реализован в широком классе прикладных задач и позволяет смоделировать и рассчитать любую ситуацию, возникающую в многослойных ограждающих конструкциях, основаниях, грунтах, дорожных полотнах, связанную с промерзанием, оттаиванием, сушкой и охлаждением до точки росы любого слоя строительного материала, из которого состоят эти конструкции.

4. Впервые получены новые данные о кинетике процессов, протекающих в теле многослойной конструкции и слоистых основаниях и грунтах, в зависимости от исходных условий.

5. Осуществлена разработка пяти новых методик, применение которых позволяет определить нестационарные характеристики строительных материалов и строительных конструкций в любой момент "цикла жизни" и рассчитать их сопротивление теплопередаче без использования климатической камеры, а также на натурных конструкциях.

Практическое значение работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на ОАО «Ивановская домостроительная компания» при проектировании и производстве трехслойных железобетонных панелей, при строительстве комбината детского питания, жилого дома по Педагогическому переулку, обследовании: перекрытия клиники "Миленарис", фасадов здания ОАО "Текстиль-Профи-Иваново", чердачного перекрытия главного корпуса ИГАСА в г. Иванове, и трех корпусов Тейков-ского ХБК, а так же могут быть использованы при составлении проектов, до-

полнений и новых редакций разделов нормативных документов, касающихся прочностных и теплотехнических характеристик ограждающих строительных конструкций. Результаты исследований переданы в ведущие проектные институты города Иваново: ОАО «Промстройпроект», ОАО институт «Ива-новопроект», ЗАО «Ивановский ГПИ-6», ОАО институт «Гидроагротех-пром», проектный институт ОАО «Ивановская домостроительная компания»; ОГУ «Ивгосэкспертиза; в НИИ строительной физики (г. Москва), а также внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по строительным специальностям в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии. Вместе с тем, полученные результаты носят общий характер и, кроме строительства, могут быть использованы в различных отраслях промышленности. Благодаря предложенным математическим моделям и методам расчета у проектировщиков и исследователей появилась возможность отказаться от длительных по времени, достаточно громоздких (в отношении приборного обеспечения) испытаний строительных материалов, отдельных конструкций, оснований и грунтов и аппроксимировать данные нестационарного процесса на состояние конструкции при стационарном процессе.

Автор защищает:

- обобщенное математическое описание процессов теплопереноса, теп-лопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепло- и массопереноса в приложении к строительным материалам, конструкциям и грунтам;

- аналитические решения краевых задач теплопереноса при различных начальных условиях;

- аналитические решения краевых задач тепло- и массопереноса при произвольных начальных распределениях потенциалов переноса и при наличии источников теплоты и массы на поверхности (или в объеме) строительной конструкции или грунта;

- аналитические решения краевых задач взаимосвязанного тепло- и мас-сопереноса при задании плотности теплового и массового потока в виде постоянной величины или функции;

- математические модели и инженерные методы расчета многослойных ограждающих конструкций, грунтов и оснований, конструкций, фунтов и оснований и фундаментов конструкций дорожного полотна;

- результаты экспериментальных исследований по определению температурных и влажностных характеристик строительных материалов;

- предложения по проектированию ограждающих конструкций, грунтов и оснований, конструкций дорожного полотна.

Работа выполнялась по тематике программы «Жилище», а также программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограммы 211.02 - «Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные технологии их производства» и 211.03 - «Строительные конструкции и совершенствование методов их

расчета»).

Апробация работы.

Результаты работы доложены на:

- на 1-ой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажност-ная обработка материалов)». - Москва, 2002 (пленарный доклад);

- на четырех Российско-Польских семинарах «Теоретические основы строительства» (Россия - 2001 г. /Москва/, Польша - 2002 г/Варшава/, Россия - 2003 г. /Н.Новгород/, Польша-2004 г. /Варшава/;

- на Соломатовских чтениях «Проблемы строительного материаловедения» г. Саранск, 2002 (пленарный доклад) и 2004г;

- на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» - Волгоград, 2003 г. (пленарный доклад);

- на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященный 150-летию В.Г.Шухова- Белгород, 2003 г. (пленарный доклад);

- на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» X Бенардосовские чтения (ИГЭУ, 2001 г.);

- На\Г академических чтениях РААСН "Современные проблемы материаловедения". - Иваново (2000г.)

- на восьмых академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения". - Самара (2004г.)

- на трех апрельских конференциях (академических чтениях), состоявшихся в НИИСФ "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях". - Москва (1999, 2000, 2003гг.)

- восьми Международных научно-технических конференциях, состоявшихся в ИГАСА «Информационная среда ВУЗа»

(1996, 1997, 1999...2004 гг.);

- четырех технических совещаниях в администрации г. Иванова с приглашением директоров и главных инженеров кирпичных заводов и проектных институтов г. Иванова;

- на заседании архитектурно-строительной секции Ивановского отделения Петровской академии наук и искусств (1999, 2003 гг.);

- опубликованы в 21 статье и одной монографии.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения с основными выводами. Она содержит 325 страниц машинописного текста, включая: 19 таблиц и 98 рисунков и 3 блок-схемы, список литературы из 236 наименований и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Часть I «Теоретические исследования и разработки».

Введение и первая глава предваряют работу, здесь рассматриваются теоретические аспекты проблемы нестационарного тепломассопереноса в ограждающих изделиях и конструкциях, анализируется современное состояние проблемы моделирования и расчета процессов тепломассопереноса в таких конструкциях, проводится анализ достоинств и недостатков существующих методов расчета, а также осуществляется физико-математическая постановка задачи о нестационарной тепломассопередаче через многослойную ограждающую конструкцию.

Строительная теплофизика как наука начала формироваться в 20-е годы прошлого столетия. Необходимо отдать дань уважения и привести имена ученых, которые стояли у ее истоков. Основы строительной теплофизики заложили инженеры-строители и строители-теплотехники В.Д. Мачинский, К.Ф. Фокин, Г.А. Селиверстов, Э.Х. Одельский, А.С. Эпштейн,О.Е. Власов, Р.Е. Брилинг, Л.А. Семенов, С.Н. Шорин, A.M. Шкловер, Б.Ф. Васильев, Ф.В. Ушков, А.У. Франчук, В.М. Ильинский и другие ученые. Уже тогда было проведено условное разделение строительной теплофизики на две области: область создания микроклимата в помещении за счет систем кондиционирования и область разработки ограждающих конструкций. Эти две области хотя и разделены между собой, но имеют достаточно тесные взаимосвязи и оказывают влияние друг на друга.

В 40...50-х годах строительная теплофизика вышла на качественно новый уровень. Фундаментальные исследования А.В. Лыкова, его учеников и последователей позволили математически смоделировать процессы протекающие в ограждении при различных режимах эксплуатации здания. Эстафету А.В. Лыкова подхватили ученые НИИСФ, МИСИ, МНИИТЭП, ЦНИИПС. В 70-х годах накопленные знания были сведены в первой редакции СНиП «Строительная теплотехника».

Приведем более подробно гносеологию в области развития методов расчета ограждающих конструкций с учетом их влажностного состояния. В 1927 и 1928 годах выходят работы В.Д. Мачинского, в которых впервые обращено внимание на диффузию водяного пара в ограждающей конструкции за счет разности давлений на внутренней и внешней поверхности ограждения. К.Ф. Фокин, взяв за основу стационарный влажностный режим определил зону конденсации водяных паров в толще ограждения, тем самым был впервые создан метод влажностного расчета. Относительная простота и ясность физической модели и математического ее описания обусловили широкое распространение этого метода и породили множество его модификаций, которые используются и в настоящее время, вплоть до СНиП «Строительная теплотехника», а также для ориентировочной оценки влажностного состояния ограждающих конструкций. Началом развития методов расчета неста-

ционарного влажностного режима можно считать работу А.С. Эпштейна, в которой для решения дифференциального уравнения второго порядка, описывающего перенос влаги, предложено использовать метод конечно-разностной аппроксимации. В 1941 году К.Ф. Фокин предложил метод «последовательного увлажнения», О.Е. Власов и Ф.В. Ушков довели этот метод до графической реализации. Решающее влияние на развитие методов расчета оказали исследования влагопереносных свойств строительных материалов проведенные О.Е. Власовым и Р.Е. Брилингом. Это позволило К.Ф. Фокину уточнить метод «последовательного увлажнения», а В.Г. Гагарину еще более усовершенствовать его, вплоть до реализации в нормативных документах. Впервые в 1951 году в работе А.У. Франчука был предложен универсальный метод расчета, который совместно рассматривал нестационарные температурный и влажностный режимы с учетом влияния на них множества факторов. Метод совершенствовался самим Ф.У. Франчуком, и его учениками В.И. Лукьяновым, Ю.Д. Ясиным, О.В. Дегтяревым, подспорьем в реализации метода служат «Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов» Ф.У. Франчука и таблицы Л.М. Никитиной. Однако, многофакторность задачи, формализация параметров влагопереноса, обусловленная экспериментальным их получением, отсутствие данных по некоторым изменяемым характеристикам влагопереноса, на изменение которых влияет изменение температуры и влагосодержания материала, сложность самого метода затрудняют широкое его использование, хотя В.И. Лукьяновым метод реализован на ЭВМ.

Особую группу методов температурно-влажностного расчета ограждающих конструкций составляют методы, базирующиеся на разработках «апологетов» строительной теплофизики А.В. Лыкова и В.Н. Богословского, которые для упрощения физико-математической модели влагопереноса ввели термин-понятие «потенциал влажности» (©). У А.В. Лыкова «потенциал влажности» - это экспериментальный потенциал, применение которого обусловливает разделения уравнения тепломассопереноса на два, одно из уравнений описывает влагоперенос за счет действия градиента изотермического потенциала, второе за счет действия градиента температур. Введение экспериментального потенциала влажности позволяет рассматривать многослойные ограждающие конструкции, так как упрощаются условия сопряжения влажностного состояния на стыке слоев и фронтов, а также сокращается количество коэффициентов влагопереноса, которые необходимо определить экспериментально для решения конкретной задачи. У В.Н. Богословского «потенциал влажности» - это изотермический потенциал, градиент которого одновременно учитывает влагопроводность и термовлагопроводность. Применение «потенциала В.Н. Богословского» позволяет свести дифференциальные уравнения, описывающие систему к форме записи классического уравнения Фурье для нестационарной теплопроводности, а, как известно, это уравнение хорошо изучено, но возникает необходимость экспериментально

определять свои коэффициенты влагопроводности, которые зависят и от вла-госодержания и от температуры.

Процессы тепло- и массообмена, происходящие при формировании микроклимата помещения, благодаря разработкам В.Н. Богословского, учеников его школы Е.И. Тертичника, Б.В. Абрамова, А.Г. Перехоженцева, В.Г. Гагарина и других ученых в настоящее время изучены и рассмотрены достаточно полно, а методика теплотехнического проектирования ограждения вот уже на протяжении более двадцати лет остается практически неизменной. В основу методики теплотехнического расчета ограждения по СНиП положена стационарность процессов тепло- и массопереноса, что не в полной мере соответствует истинной физической картине процессов, реально протекающих в ограждающей конструкции.

В практике широко распространены инженерные методы решения задач нестационарной теплопередачи, такие как, методы конечных разностей, методы экспериментальных аналогий и др.

Для решения задач переноса теплоты и массы в твердом теле используют следующие методы:

- вариационные: Ритца, Канторовича, Треффтца, Био, Лейбензона;

- линеаризации: методы алгебраических или интегральных подстановок, метод последовательных приближений, метод малого параметра (метод возмущений);

- проекционные: метод коллокаций, метод Бубнова-Галеркина, метод моментов, метод интегрального теплового баланса и осреднения функциональных поправок;

- сведение краевой задачи к уравнениям и задачам других типов: метод приведения краевой задачи с нелинейными граничными условиями к эквивалентному нелинейному функциональному уравнению, метод приведения краевой задачи с коэффициентами переноса, зависящими от температуры, к нелинейному интегральному уравнению, метод сведения краевой задачи в частных производных к задаче, описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Существуют условия, при которых коэффициенты внутреннего и внешнего переноса теплоты и влаги существенно не меняются в течение временных рамок процесса, что позволяет говорить о их постоянстве в определенном промежутке времени и вынести их за знаки математических операторов, тогда нелинейная краевая задача тепломассопереноса становится линейной. Для решения линейных краевых задач тепломассопереноса используют следующие методы:

- классические: метод разделения переменных (метод Фурье), метод функций источников (функций Грина) эти методы детально описаны А.Н. Тихоновым и А.А. Самарским;

- интегральных преобразований: в конечных и бесконечных пределах (методы Лапласа, Лапласа-Карсона, Фурье, Ханкеля).

Если в задачах теплопереноса присутствует нелинейность, то применяют вариационные и численные методы. Любая методика решения имеет достоинства и недостатки. Существуют определенные ареалы задач, в которых эффективен тот или иной метод, например: метод разделения переменных с успехом применяется для описания процессов нестационарного переноса в телах с неравномерными начальными распределениями температур и линейными граничными условиями. Однако метод эффективен лишь для достаточно больших значениях Ро, при Ро<0,1 ухудшается сходимость ряда и точность решения падает. В случае, когда тело имеет переменные теплофизиче-ские свойства для решения краевых задач теплопроводности обычно используют вариационные и численные методы, однако с уменьшением числа Фурье точность решения также уменьшается Методом интегральных преобразований Лапласа решают краевые задачи как для больших значений чисел Фурье (решение в виде бесконечного ряда), так и для малых (в виде приближенных решений, точность которых возрастает с уменьшение значений чисел Фурье), однако возникает необходимость определения области применимости этих двух видов решений в зависимости от значения Ро. СП. Рудобашта предложил зональный метод расчета кинетики процессов сушки капиллярно-пористых материалов.

Анализ существующих подходов и методов расчета температурновлаж-ностного состояния строительных материалов и конструкций позволил сделать следующие выводы:

1. В основе математического моделирования температурновлажностных процессов протекающих в строительных материалах, изделиях и конструкциях лежит система дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, а также математическая запись начальных и граничных условий, таким образом, наблюдается некоторое единство исходных предпосылок расчета и общность математической трактовки казалось бы разных, по своей сути, процессов.

2. Совместное решение уравнений, описывающих процесс, (решение задачи «в лоб») вызывает существенные математические трудности, для преодоления которых вводятся различного рода допущения и упрощения. Эти допущения и упрощения вносят определенную погрешность в количественные результаты расчета, хотя качественная картина процесса сохраняется.

3. Усложнение условий задачи, например, многослойность строительных материалов, несимметричность граничных условий, неравномерность начальных условий, дополнительный учет различных факторов, на порядок повышают математические трудности, что приводит к громоздкости решений. Из-за громоздкости за буквами теряется физический смысл, и решения получаются сложными в физическом понимании и инженерном обращении, поэтому требуется специальная подготовка проектировщика, что ограничивает широкое применение полученных решений.

В связи с этим, одной из главных задач диссертации было получение аналитических решений ряда краевых задач тепломассопереноса и разработка на базе этих решений простого в физическом понимании и удобоприемле-мого в инженерном обращении именно инженерного метода расчета, который бы описывал нестационарные процессы тепло- и массопереноса с высокой степенью достоверности и позволял адекватно запроектировать конструкцию.

Вторая, третья, четвертая и пятая главы посвящены решению краевых задач для неограниченных пластин при несимметричных граничных и неравномерных начальных условиях в случае теплопереноса; теплопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале; взаимосвязанного тепломассопереноса. Предложен комбинированный метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками.

Рассмотрим на примере нестационарного процесса теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции предлагаемую математическую модель и идею комбинированного метода расчета (глава 2).

Уравнение теплопроводности в общем случае имеет нелинейный вид:

чЭ1(х,х)'

д[фс,т)с(х,т)р(х,т)] = д Эт Эх

Эх

(1)

1

Физическая картина процесса может быть представлена следующим образом (Рис. 1а): многослойная (для простоты рассматривается трехслойная) стенка находится в стационарном положении, так, что распределения температур имеют вид:

1,(х,0) = 1о; 12(х,0) = 1о; 13(х,0) = 1о;

В момент времени с левой стороны стенки подается тепловой поток д, под влиянием которого первый слой начинает прогреваться (Рис. 16). Изменение полей температур

характеризуется кривыми 1 и 2. При этом второй и третий слои имеют температуру ^

В момент времени Т| (кривая 3) тепловая волна достигает границы первого и второго слоев, и в этом месте появляется градиент температу

«о

ляется градиент температур:

(2)

1о

I

П

ш

После этого момента поле температур будет проникать глубже в стенку, как показывают кривые 4 и 5.

IV 6з

Рис. 1а

—> —» —> —> —> —>

ч

Температура третьего слоя остается равной ^ до момента времени Тг , когда

температурный градиент достигнет стыка второго и третьего слоя. И так

»

далее. В момент времени Тз , когда температурный градиент достигнет внешней границы последнего слоя ограждения, в процессе теплопереноса оказываются задействованы все слои ограждения. При достаточно большом значении времени процесса, (теоретически при т—Но) в конструкции сформируется стационарное поле температур (ломаная линия 7 Рис. 1в), значения которого используется для расчета ^

Предлагаемая методика позволяет методом решения обратной задачи непосредственно рассчитывать значение R из нестационарного температурного поля.

В математической постановке используем комбинированный метод решения краевых задач теплопереноса, идею которого впервые разработал СВ. Федосов более 20 лет назад. Метод базируются на основе сочетания элементов аналитического и численного решения. Суть метода состоит в том, что весь процесс теплопереноса делится на ряд малых временных интервалов. В пределах каждого интервала предполагаем, что температура одинакова на границе II и III, и постоянна плотность теплового потока через соприкасающиеся поверхности, т.е. идеальный тепловой контакт.

Общая задача разбивается на три автономные, но взаимосвязанные между собой.

Задача 1. Теплоперенос в слое 1 с граничными условиями третьего рода, которые учитывают конвективный обмен на границе I, и первого рода, которые характеризуют постоянство температуры на границе II слоев 1 и 2.

Задача 2. Теплоперенос в слое 2 с граничными условиями второго рода, которые характеризуют постоянство плотности теплового потока через границу II, и первого рода, характеризующие постоянство температуры на границе III.

Задача 3. Теплоперенос в слое 3 с граничными условиями второго рода

на границе III и граничными условиями третьего рода, которые характеризуют теплообмен между поверхностью слоя 3 на границе IV с окружающей средой по закону Ньютона

Каждая из этих задач решается аналитически. Решение общей задачи нестационарной теплопроводности можно получить в результате сопряжения этих аналитических решений на каждом временном интервале Это позволяет перейти от граничных условий четвертого рода к граничным условиям первого и второго рода на поверхностях раздела слоев 1 и 2, 2 и 3, что облегчает решение задачи.

Общее решение для задачи 1 получено С В Федосовым и имеет вид

Общее решение для задачи 2 получено в виде

Величина температурных градиентов для каждого слоя имеет вид - для задачи 1:

dT(x,Fo) т ( Bi V Bl соз[цп(1-х)] 5lßi + lJ t\ Bi + cos2nn

Зх

-exp

о M-n

- для задачи 2:

ЭТ(х,Ро)_ Ki|Kig8fasm(fax) Йс n=i л2п2

exp

.2 2 7t П

Fo

(3)

(4)

(5)

(6)

(8)

Расчет температурных полей в многослойной конструкции с помощью аналитических решений {3), (4) и (5) и их сопряжений на каждом временном интервале осуществляем следующим образом: в начальный момент времени температура материалов ограждающей конструкции имеет равномерное распределение и равна tj (Рис. 2а). По уравнению (3) рассчитывают поле температуры в первом слое конструкции для первого малого интервала времени (Рис. 26). Далее определяют величину температурного градиента на границе II слоев 1 и 2 по выражению (6). В том случае, если градиент температуры равен нулю, то по выражению (3) рассчитывают температурное поле в первом слое для следующего временного интервала. Если температурный градиент отличен от нуля (Рис. 2в), то его величина закладывается в качестве граничного условия второго рода в задаче 2. В этом случае величина теплового потока (q2) и критерий Кирпичева (Ki) определяются путем умножения величины температурного градиента (Г|) на коэффициент теплопроводности первого слоя По выражению (4) рассчитывают поле температур во втором слое (Рис. 2д). Полученное новое значение температуры второго слоя в месте контакта слоев 1 и 2 задается в качестве граничного условия первого рода в задаче 1. С новым значением граничного условия задачи 1 рассчитывают поле температур в первом слое для следующего интервала времени (Рис. 2д) и так далее, до момента, когда градиент (Гг), определяемый выражением (7) не станет отличен от нуля (Рис. 2е). Величина отличного от нуля градиента (Г2) закладывается в качестве граничного условия второго рода в задаче 3. В этом случае величина теплового потока и критерий определяются путем умножения величины температурного градиента (Г2) на коэффициент теплопроводности второго слоя (Х2). По выражению (5) рассчитывают поле температур в третьем слое (Рис. 2ж). Полученное новое значение температуры третьего слоя на границе III в месте контакта слоев 2 и 3 задается в качестве граничного условия первого рода в задаче 2. С новым значением граничного условия первого рода в задаче 2 рассчитывается поле температур во втором слое (Рис. 2и). Полученное новое значение температуры второго слоя в месте контакта слоев 1 и 2 задается в качестве граничного условия первого рода в задаче 1. С новым значением граничного условия за-

дачи 1 рассчитывают поле температур в первом слое для следующего интер вала времени (Рис 2к) и так далее, до момента, когда градиент (П), определяемый выражением (8) не станет отличен от нуля (Рис 2л) Тогда методом последовательных приближений рассчитывается момент, когда именно для этого момента, в зависимости от поставленной задачи, окончательно рассчитывают все параметры многослойной ограждающей конструкции

Не составляет особого труда распространить этот алгоритм на п слойную конструкцию

Теоретически весь процесс теплообмена можно разделить на три стадии Стадия 1 Нерегулярный режим Тепловой режим неупорядочен и существенно зависит от начального распределения температуры При стадии 1 необходимо исследовать ряды (3), (4) и (5) при малых значениях Fo, но именно эта стадия наиболее близко описывает реальные условия теплопередачи че рез ограждение, например колебания внешних температур, включение и выключение отопительных приборов, режимы сезонной эксплуатации и т д

Стадия 2 Регулярный режим Изменение температуры описывается первым членом рядов выражений (3), (4) и (5) и не зависит от начального распределения температуры Методы стадии 2 называют методами регулярного теплового режима, они заложены в методику теплотехнического расчета по СНиП П-3-79"

Стадия 3 Температура всех точек тела одинакова и равна температуре окружающей среды

С теоретической точки зрения одной из сторон анализа решений вида (3), (4) и (5) является определение времени и последовательности наступления регулярного теплового режима, именно временной фактор является существенным при решении многих задач теплопередачи

Предлагаемая математическая модель позволяет решить следующие задачи оценить тепло-физическое состояние проектируемых конструкций при различных режимах эксплуатации и, как следствие, рационально их запроектировать под конкретный режим или диапазон режимов, подобрать соответствующие материалы слоев, рассчитать поле температур в сложных в конструктивном отношении многослойных конструкциях, например, когда расположение слоев дискретно, при замере температуры в характерных точках (на стыках слоев и поверхностях конструкции) определить тепло физические характеристики материалов, составляющих обследуемую конструкцию, при лабораторных испытаниях существенно сократить время испытания, у исследователей появляется возможность не дожидаться установления регулярного режима, а также отказаться от климатической камеры и дорогостоящего приборного обеспечения экспериментов и исследований; при решении обратной задачи непосредственно определить сопротивление теплопередаче всей слоистой конструкции и отдельных ее слоев из неустановившегося температурного поля.

Критериями достоверности разработанной методики расчета явились:

- тождественность решений, полученных по методике СНиП и предлагаемой методике при т=оо;

- отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает

14%;

-апробация методики при натурных исследованиях многослойной конструкции (ограждающей панели жилого дома) с последующим вскрытием тех мест конструкции, в которых методика показала отсутствие утеплителя.

Предлагаемая методика расчета реализована на персональной ЭВМ типа IBM и позволяет моделировать во времени распределение температурного поля в толще ограждающей конструкции. Некоторые примеры результатов расчета нестационарных температурных полей в теле в многослойных конструкциях приведены в ЧАСТИ II настоящей работы, а блок-схема программы и руководство пользователя приведены в приложении.

Представление результатов счета в цифровом и графическом виде, а также возможность варьирования различных параметров задачи позволяют смоделировать практически любую ситуацию и провести ее всесторонний анализ. Достоверность полученных результатов зависит от адекватности математического моделирования кинетики процессов.

Все вышеизложенное позволяет рекомендовать разработанную математическую модель нестационарного теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции к практическому применению.

Влажность материалов реальных строительных конструкций в различные периоды эксплуатации изменяется в широких пределах и в прямую влияет на процесс теплопереноса. Поэтому в главе 3 предложена математическая модель комбинированного метода расчета нестационарного процесса теплопереноса во влажных слоистых средах.

Физико-математическую постановку задачи проследим на примере промерзания многослойной кирпичной кладки. Три остальных случая (оттаивание, испарение, конденсация) аналогичны по физической картине рассматриваемому примеру.

Физическая картина процесса может быть представлена следующим образом (Рис. За): многослойная (для простоты рассматривается трехслойная) стенка находится в стационарном (талом) состоянии, вся влага в конструкции находится в виде пара и жидкости, распределение температур по слоям имеет вид:

Слева от конструкции располагается по-

to

to

I

II

5,

III IV x

5з

-3 е-

Рис. За

мещение, поверхность I омывается воздухом внутренней (в) среды, справа от конструкции располагается наружная (н) среда. Теплообмен на поверхности I и IV происходит по закону Ньютона. В момент времени температура наружной среды внезапно понижается ниже температуры замерзания влаги в материале. В слое 3 начинает образовываться зона

промерзания, правая граница которой совпадает с плоскостью IV, а левой является изотермическая плоскость фронт промер-зания с температурой Ц =0°С, т.е. равной температуре замерзания влаги на откры-том воздухе. При этом, второй и первый слои остаются с температурой (см. Рис. 3б). С течением времени фронт начинает продвигаться в глубь слоя 3. Температура справа начинает понижаться и в определенный момент времени достигает темпе-ратуры - равной температуре полного замерзания влаги в материале, которая определяется опытным путем для каждого конкретного материала. Согласно учению П.А. Ребиндера влага в материале может находиться в пяти видах: химически связанная вода, адсорбционно связанная вода, капиллярно связанная вода, осмо-тически связанная вода и свободная вода, удерживаемая в дисперсной структуре, захваченная телом механически. Темпе-ратура соответствует температуре замерзания свободной воды, а температура может быть принята равной темпе-ратуре замерзания осмотически связанной или капиллярно связанной воды, так как для большинства строительных материа-лов именно эти два вида влаги - адсорбционная и капиллярная являются основными. Таким образом, в слое 3 образуется три зоны (см. Рис. Зв):

(а) - талая зона, левая плоскость ее ограничена плоскостью III (плоскость физического контакта слоев 2 и 3), а правая фронтом промерзания -изотермической плоскостью с температурой равной

(б) - зона промерзания, левая, ограничивающая ее плоскость, совпадает с изотермической плоскостью фронта промерзания 1ф, а правая плоскость зоны ограничена изотермической плоскостью с температурой равной

(в) - мерзлая зона, левая плоскость зоны имеет температуру 1тв, а правая совпадает с плоскостью IV, разграничивающую физическую поверхность

Рис. 3б

Рис. Зв

конструкции (слой 3) с наружной средой.

В каждой зоне (а), (б) и (в) будет свой коэффициент теплопроводности: ^■аЗ> ^-63> ^вЗ соответственно. Индекс (3) номер слоя.

При достижении фронтом промерзания физической границы III сопряжения слоев в процесс промерзания начнет вовлекаться слой 2 и в расчете необходимо будет учитывать И так далее. Всего возможны двадцать

четыре характерных случая взаимного расположения физических границ 1...1У и изотермических плоскостей с температурами 1ф и 1гав.

В зоне промерзания происходят фазовые превращения влаги, не вся влага одновременно превращается в лед при температуре 0°С, а происходит постепенное ее замерзание по мере снижения температуры. Температура на левой границе этой зоны равна температуре фронта промерзания 1ф==0°С, а на правой границе некоторой температуре полного замораживания влаги в материале. Температура различна для различных материалов и, согласно современным исследованиям может достигать минус 7О...9О°С для адсорбционной влаги, которая наиболее связана с материалом. Современные представления насчитывают до девяти видов льда. В мерзлой зоне вся влага или большая ее часть находится в виде льда. Ее правая граница определяется наружной поверхностью слоя 3 и соответствующей температурой среды 1н, а левая температурой

Для решения задачи в зоне промерзания и определения скорости продвижения фронта промерзания в тело слоя, первоначально получим решение краевой задачи теплопроводности с фиксированными границами и условиями первого рода на этих границах. Поместим начало координат на стыке мерзлой зоны и зоны промерзания. Математически запись этой краевой задачи может быть представлена следующей системой уравнений:

здесь: д(х) - мощность объемного источника тепла, возникающего в зоне промерзания при превращении жидкости в лед (теплота льдообразования), при условии пренебрежения облимацией. Значение д(х) максимально у изотермической плоскости и минимально у фронта промерзания Функция, в первом приближении, может быть линейна или иметь гиперболический характер распределения.

Решение краевой задачи (9)...(12) имеет вид:

4пзв-1ф лп=1п

+ 2 £ 5т(ттх)ехр(- т12п2Ро)|Т0(^)зт(тсп^)с1^ + (1 - +

п=1 О О

+ х |Ро(^Х1 - -4 I 4зтМ)ехр(- ^с2п2Ро)|Ро(^)зт(1шО^.

2^2

х Я п=1П О

Если для упрощения принять, что в зоне промерзания лед образуется по всей толщине зоны с одинаковой интенсивностью, т.е. источник льдообразования имеет равномерное распределение, то получаем частный, но очень важный случай. Этот случай можно принять в качестве первого приближения для оценки скорости промерзания. Решение (13) упрощается и принимает вид:

Т(х,Ро)= -— £ ^(япх)- ехр(- я 2п2Ро)+ (1 - х)+ —х(1 - х)+

-2 £ 8т(кпх)-ехр(-л2п2Ро)|Т0(^)5т(от£,)с1(;-

(14)

п—1 4Ро

£ -^'"(япх)- ехр(~ я2п2Ро).

3^2 Я п=1,3,5,...п

Решение для малых временных интервалов (Ро<0,1) имеет вид: Т(х, Ро) = егЛ—- ег&

2-х

I

|Т0(^)ехр

.[1

4Ро

^+|Т0(4)ехр О

.(4^1

4Ро

± -УРо | |Ро(^) • ¡егй;

.Ы'

2,[ро

1

(15)

о

В мерзлой зоне к ее внешней (правой) поверхности подается холодный воздух, левая граница определяется температурой и с течением времени продвигается в тело ограждения вслед за зоной замораживания (б). Анализ кинетики процесса приводит к необходимости постановки и решению краевой задачи теплопереноса с неравномерным начальным распределением температур и источника теплоты.

Граничные условия для рассматриваемой задачи сформулируются следующим образом:

- на границе мерзлой и зоны промерзания температура равна ^„3, т.е. условие первого рода;

- на внешней поверхности мерзлой зоны постоянство теплового потока от атмосферного воздуха к поверхности слоя, т.е. условие второго рода. Постановка такого условия возможна только при расчете комбинированным методом, идея которого представлена выше, т.е., когда в условиях !-ГО микропроцесса можно считать, что не изменяются теплофизические свойства материала и границы зон. Тогда для 1-го микропроцесса теплопереноса в мерзлой зоне математическая запись краевой задачи примет вид:

(16)

(17)

(18) (19)

Т(х,Ро)>дНпзв, Ро = М; р0*(х) = ЯМ^.; к^, (20)

В (16)...(19) приняты обозначения:

г2

А.1,,

здесь 6М - толщина мерзлой зоны, qп - плотность потока теплоты от газа к поверхности ограждения

Решение рассматриваемой краевой задачи для мерзлой зоны имеет вид:

Для равномерно распределенного по толщине зоны источника выражение (21) принимает вид:

(22)

Приближенное решение для малых чисел Фурье, полученное по аналогии с предыдущей задачей, будет иметь вид:

Если в выражениях (13), (14), (15), (21), (22) и (23) положить х=1 и решить их относительно X, то можно определить время промерзания слоя (в зоне промерзания и мерзлой зоне).

Особый интерес инженеров проектировщиков и эксплуатационщиков вызывает необходимость определения скорости промерзания, т.е. скорости продвижения фронтов в тело конструкции. Для определения этих скоростей воспользуемся подходом П.Г. Романкова и В.Ф. Фролова. Эффект переноса массы (в нашем случае промерзания) вследствие неоднородности температурного поля несомненно носит градиентный характер, поэтому возможно использование уравнения Фика:

j=-D gradC, (24)

где феноменологический коэффициент D имеет смысл суммарной массопро-водности реального капиллярно-пористого материала, С - массосодержание рассматриваемого компонента (вода, лед) в порах материала. Дифференциальное уравнение для определения координаты фронта фазового превращения внутри слоя имеет вид:

где Cf = const - концентрация льда в порах материала при отрицательной температуре воздуха на поверхности слоя, - концентрация льда в порах на фронте фазового превращения воды в лед, - концентрация влаги в порах материала слоя в талой зоне.

Анализ выражения (25) позволяет сделать вывод о замедлении с течением времени скорости процесса промерзания конструкции, что соответствует реальной физике процесса.

Задача еще более усложняется, если в многослойной конструкции присутствует утеплитель, практически не содержащий в своем объеме влагу (например, пенополистирол) или слой пароизоляции. Решение для такого слоя получено в главе 2 настоящей работы, его необходимо состыковать с полученными.

Выражения (13), (14), (15), (21), (22) и (23) пригодны для решения широ-

кого класса задач, так как процесс промерзания конструкции может быть с успехом заменен на процесс оттаивания промерзшей конструкции. В этом случае зона промерзания заменяется на зону конденсации, а место мерзлой зоны займет зона сушки. Однако необходимо иметь ввиду, что процесс оттаивания мерзлой ограждающей конструкции должен протекать за более короткое время, чем процесс промерзания, так как оттаивание в реальных условиях происходит с обеих сторон мерзлой зоны. Особенностью постановки задач промораживания талой конструкции и оттаивания мерзлой конструкции является то, что эти два процесса рассматриваются в отдельности и в течение процесса температура среды (внутренней для промерзания и наружной для оттаивания) остаются фиксированными. На самом деле эти процессы происходят одновременно: внутри включаются отопительные приборы, снаружи температура падает ниже нуля. Процессы движутся навстречу друг другу и стыкуются между собой через определенный промежуток времени, который определяется условиями на поверхностях ограждения. Особенность решения такой задачи состоит в выборе первоначальной температуры ограждающей конструкции и температуры стыковки решений задач промерзания и оттаивания. Решение такой задачи совершенно четко позволяет ответить на вопросы, тесно связанные с рациональным проектированием ограждения: где зона конденсации влаги в теле многослойного ограждения; какой применить утеплитель и где рационально его разместить; какие конструктивные мероприятия необходимо предусмотреть для удаления влаги из конструкции; каким должен быть температурно-влажностный режим помещения для нормальной эксплуатации ограждающей конструкции; какова долговечность конструкции с точки зрения морозостойкости материалов ее составляющих, и так далее. С помощью полученных решений вполне адекватно можно смоделировать и описать процесс аварии теплоцентрали или водовода и условие проникновения влаги в ограждающую конструкцию или грунт.

В главе 4 на основе решений глав 2 и 3 рассматривается математическая модель промерзания (оттаивания) влажных грунтов. Вступает в силу предложенная методика расчета по слоям. Отличие состоит в том, что решение задачи 3 в этом случае необязательно, а для малых временных интервалов вообще (в первом приближении) можно обойтись решениями задачи 2 для любого слоя грунта. Особенностью рассматриваемой задачи на промерзание влажного грунта является учет степени его увлажнения. Влажность грунта с глубиной естественно меняется и зависит от природно-климатических и грунтовых условий, соответственно меняется и коэффициент теплопроводности (см. приложение 1 СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечно-мерзлых грунтах»). Зачастую не удается провести четкой границы между слоями грунта разной влажности. Чтобы использовать предлагаемую методику необходимо ввести (назначить) условные границы влажностных зон, например с градацией через 1%. В этом случае незначительно увеличивается время машинного счета, но математическая модель становится более при-

ближенной к натуре.

В главе 5 приведена предлагаемая методология расчета нестационарных полей взаимосвязанного тепло- и массопереноса в слоистых средах.

Создание точной математической модели описания процессов переноса тепла и влаги в ограждающей конструкции представляет сложную задачу, поэтому в настоящее время при решении используют различного рода упрощения и допущения. Например, нормы П-3-79** рекомендуют рассчитывать сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции исходя из того, что процесс теплопередачи стационарный, а влажностные условия определены значениями таблиц приложений 2 и 3 норм.

В данном исследовании была поставлена задача выработки идеологии методики расчета многослойных ограждающих конструкций, работающих в нестационарных условиях эксплуатации. За основу математического моделирования взяты уравнения взаимосвязанного тепломассопереноса в слое, имеющие вид:

(26)

(27)

(28)

Для решения системы (26)...(28) должны быть поставлены краевые условия, которые в общем виде можно записать следующим образом:

- начальные условия: обычно задаются на начальный момент времени (т=0) распределение потенциалов тепло- и массопереноса в виде функции координаты для одномерной задачи 1(х, 0) и 0(х, 0). (29)

- граничные условия:

-М?0)п +1т8'(Ч +М?Р)п+Чт(т) = 0; (31)

где qq и qm - плотность потоков тепла и вещества, индекс (п) означает поверхность тела.

Первый член равенства (30) - в физическом смысле представляет

количество тепла, ушедшего от поверхности внутрь ограждения; второй - количество тепла, подведенное к поверхности ограждения; третий -(1-£)щт(т) - количество тепла, затраченного на испарение жидкости. Если £=1, то испарение происходит внутри тела конструкции, если Б=0, то поток влаги состоит из потока жидкости и испарение происходит только на поверхности. Равенство (31) носит название балансового уравнения массы вещества. К поверхности тела влага подводится под действием градиентов по-

тенциала Xm(V0)n - массопереноса, Xm5'(Vt)n -теплопереноса и X.p(VP)n - градиента общего давления. С поверхности тела в окружающую среду отводится поток массы влаги qm(x). Равенство (32) отображает равенство давлений парогазовой смеси у поверхности ограждения Рт и барометрического давления окружающей среды р.

Для многослойной конструкции должны быть поставлены условия сопряжения слоев, а при учете фазовых превращений наложены дополнительное условие внутри каждого слоя на подвижной границе раздела фаз. Использовав идею метода зонального расчета, который разработал С.П. Рудобашта, для решения задачи применяем комбинированный метод, который базируются на основе сочетания элементов аналитического и численного решения. Предлагаемая методика расчета позволяет упростить решение задачи без существенного ущерба для точности решения. Суть метода состоит в том, что весь процесс тепловлагопереноса делится на ряд малых временных интервалов. В пределах каждого интервала предполагаем, что температура одинакова на границе II и III, и постоянна плотность теплового потока через соприкасающиеся поверхности, т.е. идеальный тепловой контакт, а также массовый контакт.

Общая задача разбивается на три автономные, но взаимосвязанные между собой.

Задача I. Тепловлагоперенос в слое 1 с граничными условиями третьего рода, которые учитывают конвективный теплообмен на границе I по закону Ньютона, влагообмен поверхности с окружающей средой по закону Дальтона и первого рода, которые характеризуют постоянство температуры на границе II слоев 1 и 2 и постоянство влагосодержания.

Задача 2. Тепловлагоперенос в слое 2 с граничными условиями второго рода, которые характеризуют постоянство плотности теплового и массового потока через границу И, и первого рода, характеризующие постоянство температуры и постоянство влагосодержания на границе III.

Задача 3. Тепловлагоперенос в слое 3 с граничными условиями второго рода, которые характеризуют постоянство плотности теплового и массового потока через границу III и граничными условиями третьего рода, которые характеризуют теплообмен между поверхностью слоя 3 на границе IV с окружающей средой по закону Ньютона и массообмена по закону Дальтона.

Каждая из этих задач решается аналитически. Решение общей задачи нестационарного тепловлагопереноса можно получить в результате сопряжения этих аналитических решений на каждом временном интервале.

При решении краевых задач учитывались три вида зависимости: a)Kim = const; 6)Kim = Bim[l-0(O,Fo)]; в) Kim = Kira (Fo).

В диссертации получены решения для всех трех задач и зависимостей но в автореферате они не приводятся ввиду громоздкости записи Полученные решения для задачи 1, 2, 3 с успехом реализуются в алгоритме расчета многослойной конструкции, идея которого и детальная разра-

ботка представлены в главе 2 настоящей работы. Некоторая громоздкость записи выражений практически не влияют на качество расчета, так как возможности современной вычислительной техники позволяют получить итоговое решение за 643 секунды машинного счета. Трудоемкость заключается в аккуратной подготовке и задании исходных данных, а также получении (выявлении) недостающих для расчета теплофизических характеристик материалов, которые можно получить только опытным путем (методика их получения приведена в части II диссертации). Блок-схема программы расчета и руководство пользователя приведены в приложении к диссертационной работе.

Часть II «Расчетно-экспериментальные исследования и разработки».

В главе 6 представлены разработки методик определения различных параметров, необходимых для расчета и проектирования различного рода конструкций, материалов, грунтов и оснований, а также описание установок для проведения экспериментов и описания самих экспериментов.

- Методика определения сопротивления теплопередаче многослойных кирпичных кладок;

- Методика определения сопротивления теплопередаче утеплителей;

- Методика определения температурных полей во влажных образцах при их промерзании;

- Методика проведения натурных исследований температурновлажно-стного состояния грунтов.

Особенностью разработанных методик является то, что у исследователей появилась возможность отказаться от климатической камеры и проводить как модельные, так и натурные исследования и испытания строительных материалов, конструкций, изделий, оснований и грунтов.

В главе 7 для иллюстрации эффективности теоретических и экспериментальных исследований с помощью предлагаемых математических моделей и методов расчета рассмотрены некоторые прикладные задачи, приведен анализ решений и рекомендации по проектированию конструкций.

Оптимальное проектирование многослойных ограждающих конструкций с точки зрения теплопереноса. Анализ теоретических и экспериментальных разработок позволил сделать следующие выводы:

- плитный утеплитель в многослойных ограждающих конструкциях следует устраивать в местах, как можно ближе расположенных к наружной поверхности конструкции, либо вообще вынести утеплитель на наружную поверхность, т.к. только в этом случае исключается пагубное влияние влаги на несущую способность стен и обеспечивается надлежащий микроклимат в помещении;

- применение утеплителей с X < 0,04 Вт/(м°С) и толщиной 120... 140 мм позволяет сохранить модульные размеры (толщины) кладок 380, 510, 640 и 770 мм, что облегчает перевязку швов;

- при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций из полнотелого силикатного кирпича на 29% и из силикатного один-надцатипустотного кирпича на 26% по сравнению с существующими и запроектированными конструкциями без учета изменений №3 к СНиП в климатических условиях Ивановского региона в зимний период конденсат не образуется;

- при реконструкции существующих зданий несомненным достоинством обладает решение по размещению утепляющего слоя внутри помещения, а зачастую оно является единственным, например, в случае реконструкции памятника архитектуры или наличия сложного, архитектурно-выразительного фасада. Конструктивным решением для исключения образования конденсата является устройство вентилируемой воздушной прослойки толщиной >40 мм между стеной и слоем утеплителя

Расчет многослойного ограждения на промерзание

В качестве примера смоделирована ситуация. Рассмотрена трехслойная стенка: 1 слой - кладка из силикатного кирпича 5=380 мм; 2 слой- утеплитель (пенополистирол) 5=140 мм; 3 слой - кладка из силикатного кирпича 5=120 мм. Внутренняя температура воздуха +20°С. Начальная наружная температура + 10°С - случай (а); -10°С - случай (б); -20°С - случай (в). Наружная температура воздуха понижается (похолодание) с интенсивностью 1°С в час.

Расчет показывает, что на границе III (стык второго и третьего слоя) температура при похолодании уменьшится на 1°С: для случая (а) через 6 ч 20 мин; для случая (б) через 5 ч 40 мин; для случая (в) через 5 ч 10 мин. Таким образом, чем ниже начальная температура наружного воздуха, тем за более короткий срок промерзает конструкция при дальнейшем понижении этой температуры (похолодание в ночные часы).

Если скорость понижения температуры наружного воздуха увеличивается вдвое, т.е. 1°С за 30 минут, то разница между температурой наружной поверхности ограждения (граница IV) и температурой наружного воздуха возрастает, например, при -25°С (случай а) с 2,4°С до 2,68°С.

По классической теории суточные колебания температуры носят затухающий маятниковый (гармонический) характер, что приводит к установлению стационарного распределения температуры в толще ограждения (это положено в основу современных нормативных теплотехнических расчетов), однако полученные результаты убедительно показывают, что игнорирование нестационарности процессов, особенно в наружном слое ограждения, который работает в худших термовлажностных условиях, приводит к ошибке при подсчете циклов замораживания и оттаивания в зимний период эксплуатации зданий, а именно к занижению их числа. На самом деле число циклов значительно выше нормативных, что приводит к преждевременному старению материала и, как следствие, снижению несущей способности и надежности конструкции.

Расчет температурных полей влажных грунтов

На рисунке 4 графически представлены некоторые результаты расчетов, произведенных по формулам (13) и (14). При малоинтенсивном источнике теплоты (Рис. 4а) внешний перенос оказывает определяющее воздействие на процесс, поэтому температура внутренних слоев непрерывно уменьшается и стремиться к стационарному распределению при значении числа Фурье, равным 0,5. Если источник тепла более мощный (Рис. 46), то характер процесса изменяется. В этом случае стационарное распределение температур также достигается при Fo=0,5, однако, в начальный период развития процесса количество выделившейся теплоты льдообразования превышает количество теплоты отводимой от поверхности грунта, т.е. наблюдается непрерывный рост потенциала переноса. С течением времени устанавливается баланс между выделившимся и отводимым количеством теплоты и распределение температур остается неизменным.

0 0,4 0,8 1,2

Т(х,Ро) 1,6 2,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 (/2 /з, ч 5

б) То(х)=1-х; Ро=10; Ро: (1)-0; (2)-0,01; (3)-0,05; (4)-0,1; (5)-0,5.

Рис. 4 Динамика полей безразмерных температур по толщине зоны промерзания

Некоторые результаты расчетов по формуле (22), для источника равномерно распределенного по толщине зоны, приведены на рисунке 5.

Рис. 5 Динамика полей безразмерных температур по толщине мерзлой зоны в зависимости от чисел Померанцева (а) и Кирпичева (б) при Т0(х)= 1-х2; (1)Ро=1,0.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. При увеличении мощности внутренних источников теплоты (другими словами - «чем интенсивнее образуется лед»), а также плотности теплового потока к поверхности грунта приводит к быстрому повышению температуры во внутренних слоях материала.

2. При замораживании влажных талых грунтов и оттаивании мерзлых грунтов можно говорить о гистерезисной петле процессов. Однако, на вид гистерезисных петель очень сильно влияет реальная ситуация, например:

- замораживание грунта после процесса оттаивания в условиях вечно-мерзлых грунтов идет быстрее, чем процесс оттаивания, так как промерзание происходит с обеих сторон талой зоны (аналогично процесс оттаивания промерзшей ограждающей конструкции менее продолжителен по времени, чем процесс промерзания, так как оттаивание происходит с обеих сторон замороженной зоны);

- при наличии чередующихся в теле конструкции или фунта мерзлых и талых зон, возникающих при нестационарных процессах, общие векторы замораживания и оттаивания в количественном отношении совпасть по гистерезису практически не имеют возможности.

- нестационарность процессов, при детальном их рассмотрении, вообще не позволяют построить гистерезисную петлю в общепринятом понимании, так как петли имеют ступени - разрывы перехода фазового состояния влаги,

временные характеристики действия внутренних и внешних факторов, массивность (тепловая инерция) материалов также накладывают свои поправки на график гистерезиса и пели зачастую имеют очень причудливое начертание.

Пример решения комплексной задачи проектирования ограждающих конструкций жилого помещения, фундамента и основания.

В качестве примера рассмотрено распределение полей температур в наиболее характерных местах ограждения первого этажа, подвала и прилегающей к подвальной части толще грунта.

Схема конструкций приведена на Рис. 6. За исходные данные приняты следующие параметры: здание расположено в третьей климатической зоне (г. Иваново); температура внутренней среды (жилое помещение) 1„= +20°С; температура воздушной среды подвального помещения 1„=+10°С; температура наружного воздуха 1„=-29°С.

Рассмотрим узел 1 Рис. 6. толщина оконных стекол равна 0,002 м; толщина воздушной прослойки 5=0,1 Ом. Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы: при нестационарном процессе уже через час в конструкции устанавливается распределение температурных полей экви-Рис. 6 К комплексной задаче проектирования валентное стационарному ограждения здания процессу; уменьшение тол-

щины воздушной прослойки до 90 мм ведет к промерзанию конструкции, на поверхности внутреннего оконного стекла температура равна - 0,7°С, что приводит к конденсата и последующему намораживанию слоя льда.

Рассмотрим узел 2 Рис. 6. толщина несущей части стены из силикатного кирпича 51=0,380 м; толщина ограждающей части стены из силикатного кирпича 5з=0,120 м; толщина утеплителя из пенополистирола 52=0,140 м.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы:

1. Если принять температуру фронта промерзания Ц==0°С, то уже через час нестационарного процесса в ограждающий слой кладки фронт промерзания проникает на глубину 3,2 см, через 2 часа - на 6,6 см, через 2 часа 32 минуты слой 3 промерзает полностью, и в процесс охлаждения начинает вовлекаться слой 2. Через три часа процесса фронт промерзания продвинется в тело конструкции на 13 см, через 4 часа - на 15 см, через 5 часа - на 16,7 см, через 6 часов - на 18,1 см, через 12 часов на 21,4 см, через 1 сутки - на 22,1 см, через 1 сутки и 10 минут отмечена максимальная глубина промерзания конструкции - 22,17 см, далее фронт промерзания начинает отступать и двигаться к внешней поверхности ограждения, и через 5 суток значение температуры практически выходит на уровень стационарного режима, а глубина промерзания составляет 21,6 см.

2. Глубина промерзания при регулярном режиме составляет 21,55 см, а фактическая глубина промерзания превышает ее на 0,62 см.

3. Чем ниже начальная температура слоев и больше их влажность, тем быстрее и глубже в тело конструкции продвигается фронт промерзания (Рис. 7 и 8).

Рассмотрим узел 3. Цокольная часть ограждения подвала.

- толщина железобетонного блока 5:=0,600 м.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующий вывод: если температура внутреннего воздуха в подвале будет ниже, чем в рассматриваемом примере всего на 1 °С и составит 9°С, то через пять суток (самая холодная пятидневка) фундаментный блок промерзнет насквозь, и на его внутренней поверхности выступит конденсат.

Рассмотрим узел 4.

В модели в качестве грунта принят песок, как имеющий худшие теплотехнические характеристики по сравнению с остальными грунтами. Начальная температура грунта +3°С; температура наружного воздуха -29°С. Толщина железобетонного блока =0,600 м.

Если принять параметры талого (т) фунта, то анализ результатов расчета позволяет сделать следующие вывод:

При постоянной температуре грунта (изотермы на разной глубине узла 5) возможно выявление взаимного влияния наружной среды при температуре -29°С, среды подвала +10°С и построение температурных полей в фундаментном блоке и области грунта, прилегающей к фундаменту с помощью метода суперпозиции.

Рассмотрим узел 5.

Грунтовое основание может состоять из разных слоев грунта как по составу, так и по мощности слоев. Грунты могут быть талыми и мерзлыми. Ре-

шаемые проектные задачи так же могут быть различны, например, сохранение грунта в мерзлом состоянии или расчет глубины промерзания талых грунтов и т.п. Внешние природно-климатические условия то же вносят с вою лепту, увеличивая количество вариантов возможных ситуаций.

В качестве примера смоделируем две ситуации:

Ситуация 1. Снежный покров отсутствует;

Грунт - суглинок в природном состоянии:

- влажность грунта 25%;

- начальная температура грунта +10°С;

- температура наружного воздуха -29°С.

Если принять параметры талого (т) фунта, то анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы:

1. В случае отсутствии снежного покрова за 5 дней самой холодной пятидневки при температуре фронта промерзания =0°С грунт промерзнет на глубину 104,8 см, т.е. на 42,2 см меньше, чем нормативная глубина промерзания, при Ц=-1,5°С, которая принята в задаче, такой грунт промерзает на глубину 91,8 см.

2. За счет тепловой инерции грунта скорость продвижения фронта с течением времени замедляется с 6 см/час за первый час процесса, до 2 см/час к шестому часу процесса промерзания.

3. Если начальная температура грунта составляет +3°С, то грунт к исходу пяти суток промерзает на глубину 138,1 см, что на 46,3 см больше, чем при начальной температуре равной +10°С. Таким образом, чем ниже начальная температура грунта, тем на большую глубину он промерзает.

Если принять параметры мерзлого(м) фунта, то:

1. К исходу пятых суток глубина промерзания фунта составляет 117 см, что на 25,2 см больше по сравнению с предыдущим случаем.

2. Качественная картина изменения скорости промерзания идентична предыдущему случаю - скорость промерзания уменьшается с течением времени за счет тепловой инерции грунта.

3. Если начальная температура фунта составляет +3°С, то грунт к исходу пяти суток промерзает на глубину 163 см, что на 13 см больше, чем нормативная глубина промерзания и на 46 см больше, чем при начальной температуре равной +10°С.

Грунт - песок в природном состоянии:

- начальная температура фунта +3°С;

- температура наружного воздуха -29°С.

Если принять параметры талого (т) фунта, то глубина промерзания к исходу пятых суток процесса составляет 178,4 см, что на 28 см больше, чем нормативная.

Если принять параметры мерзлого(м) фунта, то к исходу пятых суток глубина промерзания фунта составляет 203,6 см, что на 25,2 см больше по

сравнению с предыдущим случаем, на 53,6 см больше нормативной глубины промерзания и на 23,6 см больше глубины заложения.

Грунт - супесь в природном состоянии:

- начальная температура грунта +3°С;

- температура наружного воздуха -29°С.

Если принять параметры талого (т) грунта, то глубина промерзания к исходу пятых суток процесса составляет 150,7 см, что практически совпадает с нормативной.

Если принять параметры мерзлого(м) грунта, то к исходу пятых суток глубина промерзания грунта составляет 171,1 см, что на 20,4 см больше по сравнению с предыдущим случаем, на 21,1 см больше нормативной глубины промерзания.

На Рис. 9 представлены графики изменения скорости промерзания для суглинка, песка и супеси.

Рис. 9 Скорость проникновения фронта промерзания в тело грунта

Ситуация 2. Песчаный грунт покрыт снежным покровом:

Для третьей климатической зоны средняя (нормативная) толщина снеж-

ного покрова составляет 33 см.

Грунт песок в природном состоянии со следующими характеристиками:

- начальная температура грунта -4°С;

- температура наружного воздуха -29°С.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующий вывод: при нестационарном процессе температура на границе раздела сред снег-грунт к исходу пятых суток понижается на 15,7°С и составляет -19,7°С, однако она на 7,7°С выше по сравнению со случаем, когда внешняя среда непосредственно воздействует на грунт (снежный покров отсутствует). Таким образом расчет полностью подтверждает опытные данные и вывод о том, что снежный покров имеет термическое сопротивление и является неплохим тепло-изолятором.

Если моделировать различные реальные погодные условия: заморозки, чередующиеся с оттепелями, различная толщина снежного покрова, образование прослоек льда в снежном покрове и чередование мерзлых и талых зон в толще грунта, а также изменение влажности грунта, то при нестационарных процессах температурные поля имеют сложный вид, присутствуют замкнутые и разомкнутые изотермы, напоминающие горизонтали на картографической съемке. Однако, разработанный метод расчета позволяет моделировать такие ситуации и получать распределение температур в любой, интересующий момент времени.

Рассмотрим узел 6.

Смоделируем ситуацию - момент включения отопления в жилом доме.

Исходные данные: пол (половая доска 6=33 мм); утепляющий слой (керамзитовая засыпка 5=100 мм); несущая конструкция (железобетонная пустотная панель =220 мм). Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы: при стационарном процессе разница между температурой внутреннего помещения комнаты и температурой поверхности пола (нормативный перепад) составляет 1,2°С; в начале процесса эта разница составляет 10°С; через час после включения отопления эта разница сокращается до 4°С; через два часа после начала процесса температура практически равняется нормативному перепаду.

Расчет промерзания дорожного полотна.

Анализ результатов расчета позволил сделать следующие выводы:

1. Наличие «мерзлого панциря» благоприятно сказывается на прочностных качествах дороги в зимний период, при условии, что грунтовое основание не имеет морозного пучения.

2. При расчете оттаивания дорожного полотна в условиях вечномерзлых грунтов температурная устойчивость такой конструкции обеспечена при минимальной ширине проезжей части вместе с обочинами равной 7 м.

Моделирование нестационарных процессов в железобетонной трехслойной панели при термовлажностной обработке.

Одним из способов увеличения скорости твердения является пропарива-ние бетона. Согласно современным представлениям полный цикл термовлажностной обработки подразделяют на 4 основных этапа (см. Рис. 10):

1 этап - предварительное выдерживание до пропаривания;

2 этап - повышение температуры в камере пропаривания;

3 этап - непосредственно изотермическое прогревание;

4 этап - охлаждение.

При рассмотрении конкретного примера - производство трехслойных железобетонных панелей, для жилых зданий, на Ивановской домостроительной компании анализ полученных результатов исследований позволил сделать следующие выводы: - для этапа 2: с течением времени скорость процесса прогрева конструкции уменьшается, более массивные слои прогреваются медленнее, что соответствует реальной физике процесса; по прошествии регламентных 3 часов постепенного повышения температуры в камере

Рис. 10 Технологическая схема автоклавной обработки 1 - типовая технологическая карта, 2 - предлагаемый режим, 3 и 4 - реальные циклы термообработки на Ивановской ДСК.

пропаривания температура внутри утеплителя не превышает +37,7°С; - для этапа 3: при существующих конструктивных решениях панелей максимально возможная температура пропаривания составляет +80°С, а время пропаривания не должно превышать 6 часов; предлагаемая температура пропаривания +72°С позволяет осуществить технологический процесс в более продолжительном режиме без опасения деструктивного разложения утеплителя; - для этапа 4: с течением времени скорости процесса остывания конструкции

уменьшаются, более массивные слои остывают медленнее, что соответствует реальной физике процесса; по прошествии регламентированных 2 часов остывания внутри утеплителя сохраняется температура +58,6°С, а на поверхности панели +45,5°С, таким образом при соприкосновении с поверхностями панели человека возможен термальный ожог, поэтому продолжительность 4 этапа необходимо увеличить до 3 часов.

Оптимальное проектирование многослойных ограждающих конструкций с точки зрения тепломассопереноса.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы: устройство воздушной прослойки улучшает теплоизоляцию, но не решает проблему конденсата. Единственным приемлемым решением остается устройство пароизолирующего слоя с сопротивлением паропроницанию 10...25 мчПа/мг. Согласно приложению 11* СНиП II-3-79** таким сопротивлением обладает полиэтиленовая пленка, которая имеет объективный срок службы 5...35 лет, поэтому целесообразно создать эффективный напыляющийся пароизоляционный слой с высокими эксплуатационными характеристиками.

В заключении приведены основные выводы по диссертации:

1. Разработано обобщенное математическое описание для нестационарных процессов теплопереноса; теплопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепломассопере-носа, в приложении к строительным материалам, изделиям, конструкциям основаниям и фундаментам, которое включает в себя: математическую модель процесса, систему уравнений, описывающих процесс, аналитическое решение этих уравнений, составление блок-схемы и на ее основе разработку программы реализации математической модели на ПЭВМ типа IBM.

2. На основе математического описания предложен и реализован комбинированный метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками, который базируется на решении краевых задач для отдельных слоев с несимметричными граничными и неравномерными начальными условиями. Компиляция этих решений в инженерном методе расчета позволяет моделировать практически любую реальную ситуацию, возникающую в плоских ограждающих конструкциях, грунтах, дорожных покрытиях и т.д.

3. Общность математического описания позволяет распространить предложенный подход к решению задач тепло- и массопереноса не только в области строительства, но и в других отраслях промышленности - например, в нефтехимии, сталелитейном производстве, энергетике, деревообрабатывающей промышленности, т.е. там, где присутствуют процессы сушки, кристаллизации, замерзания - оттаивания, нагревания - охлаждения, конденсации -испарения, причем в слоистых средах с разными теплофизическими характе-

ристиками слоев и изменяющимися во времени внешними и внутренними условиями.

4. При теоретических и экспериментальных исследованиях получены новые данные о кинетике процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из различных строительных материалов. Это позволяет впрямую выйти на рекомендации по проектировании таких конструкций в части расположения (чередования) слоев, устройства воздушных прослоек для отвода конденсационной влаги и т.п. с целью увеличения долговечности материалов, составляющих конструкцию.

5. При создании базы теплофизических характеристик материалов конструкций, особенно получении коэффициентов тепломассопереноса, которые изменяются в зависимости от температуры и влажности, на основе предложенного комбинированного метода расчета можно получить уточненные данные о динамике процессов, протекающих в теле конструкции. Для этого конструкцию следует условно разделить на гораздо большее количество слоев, руководствуясь при разделении не только номинальной однородностью материала, составляющего слой, но и постоянством коэффициентов тепло-массопереноса в каждом из полученных при разбиении слое. При этом процессы, происходящие в средних слоях, будут описываться уравнениями, выведенными для второго слоя трехслойной конструкции. При программной реализации данной модели в целях экономии времени расчета вполне возможно использовать распараллеливание вычислений.

6. Предложенные математические модели позволяют решать широкий класс задач по рациональному проектированию ограждающих конструкций зданий и сооружений, оснований и фундаментов, дорожных покрытий и т.п., например:

- оценить теплофизическое состояние проектируемых и уже существующих конструкций при различных режимах их эксплуатации;

- рассчитать поле температур и потенциалы массопереноса в сложных многослойных конструкциях;

- при лабораторных исследованиях существенно сократить время испытания, у исследователей появилась возможность не дожидаться установления регулярного режима;

- при замере температуры в характерных точках конструкции (стык слоев, поверхности конструкции) при обследовательских работах можно определить теплофизические характеристики материалов, составляющих обследуемую конструкцию;

- программы реализации предложенных методик расчета может быть использована в качестве составляющего элемента новой электронной версии СНиП, которая позволит инженерам - проектировщикам производить оптимальное проектирование ограждающих конструкций;

- оптимизировать процессы тепловлажностной обработки и пропарива ния бетонных и железобетонных конструкций,

- оптимизировать технологию процесса монолитного бетонирования с использованием термоактивной опалубки и т д

7 Разработаны пять новых методик теплотехнических испьпаний строительных материалов без использования климатической камеры и на натурных конструкциях Использование этих методик совместно с разработанным комбинированным методом расчета позволяет при решении обратной задачи определить сопротивление теплопередаче любого строительного материала или конструкции в реальных условиях

8 Для прогрессивных технологий строительного производства проанализировано влияние температурно-влажностных факторов и установлена необходимость комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса с целью определения рациональных технологических параметров ведения процесса, поиска оптимальных режимов, обеспечивающих получения продукции с минимальным технологическим браком, определения режимов обеспечивающих минимальные энергозатраты Показано, что проведенные в диссертации исследования позволяют достигнуть решения поставленных задач

9 Расчетами и экспериментально установлено, что при нерегулярных (нестационарных) режимах точка росы и фронт промерзания проникают конструкции гораздо глубже, чем при регулярном (стационарном) Это обстоятельство необходимо учитывать при конструктивном расположении слоев и материала конструкции во избежание проектных ошибок

10 При решении комплексных задач, когда ортогонально сопрягаются две слоистые конструкции, разработанный метод расчета позволяет получить температурные и массовые поля на основе принципа суперпозиции и, таким образом выявить взаимное влияние этих конструкций друг на друга

11 Внедрение теоретических и экспериментальных разработок на ОАО "Ивановская домостроительная компания" позволило оптимизировать процесс термовлажностной обработки трехслойных железобетонных панелей ограждения, содержащих в качестве утеплителя плитный пенополистирол и, как следствие, повысить качество конструкции и снизить себестоимость в среднем на 8 %

12 Передача программного продукта (программы расчета "Wall", "Heat") в ведущие проектные институты города Иванова и НИИСФ позволяет решать задачи рационального проектирования ограждающих конструкций зданий и сооружений со значительной экономией времени расчета

Основные положения диссертационной работы опубликованы:

1. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю. Взаимосвязанный теп-ломассоперенос в многослойных ограждающих конструкциях при несимметричных граничных и начальных условиях // Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях: Сб. докл. пятой научно-практической конференции 26-28 апреля 2000 г. - М: НИИСФ, 2000, С. 331...335.

2. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю. Методология расчета нестационарных полей тепло и массопереноса в многослойной ограждающей конструкции. / В кн. Современные проблемы строительного материаловедения. Шестые академические чтения РААСН - Иваново, 2000.

3. Ибрагимов A.M. Анализ уравнений тепло- и массопереноса, описывающих процессы, протекающие в ограждающих строительных конструкциях. / В кн. Ученые записки инженерно- технологического факультета Ивановской государственной архитектурно-строительной академии, Вып. 3 / Иваново, 2000.-С. 187...188.

4. Федосов С.В., Ибрагимов AM., Гнедина Л.Ю. Расчет нестационарных температурно-влажностных полей в многослойной ограждающей конструкции. / В кн. Актуальные проблемы современного строительства. Ч. 2. Архитектура, градостроительство, строительные конструкции. Экономика и менеджмент. Материалы всероссийской XXXI научно-технической конференции. - Пенза, 25...27 апреля, 2001.

5. Федосов С.В., Ибрагимов AM., Аксаковская Л.Н. Решение краевых задач взаимосвязанного тепломассопереноса в неограниченной пластине с несимметричными граничными условиями. /В кн. Актуальные проблемы современного строительства. Ч. 2. Архитектура, градостроительство, строительные конструкции. Экономика и менеджмент. Материалы всероссийской XXXI научно-технической конференции. - Пенза, 25...27 апреля, 2001.

6. Федосов С.В., Ибрагимов AM., Гнедина Л.Ю. Анализ современных конструктивных решений ограждающих конструкций с точки зрения взаимосвязанного тепломассопереноса. Известия Ивановского отделения Петровской Академии наук и искусств. Архитектурно-строительная секция отделения при Ивановской государственной архитектурно-строительной академии/ Иванов, гос. архит.-строит. акад.. - Иваново, 2001. - С. 44...47.

7. Федосов С.В., Ибрагимов AM., Гнедина Л.Ю. Нестационарный теп-ломассоперенос при промерзании многослойной конструкции. / В кн. Проблемы экогеоинформационных систем: Сборник трудов, вып. 2 / Иванов, гос. архит.-строит. акад.. - Иваново, 2001. -С. 3...20.

8. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю. Промерзание влажных грунтов. / В кн. Проблемы экогеоинформационных систем: Сборник трудов. Вып.З / Иванов, гос. архит.-строит. акад. - Иваново, 2002. - С. 13...21.

9. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Аксаковская Л.Н. Решение задач взаимосвязанного тепломассопереноса для многослойной ограждающей конструкции при несимметричных граничных условиях. / В кн. Проблемы эко-

геоинформационных систем Сборник трудов Вып 3 / Иванов гос архит строит акад - Иваново, 2002 -С 21 30

10 Федосов С В, Ибрагимов AM, Гнедина Л Ю Моделирование нестационарных процессов промерзания влажных грунтов ( Проблемный доклад) 1-я международная научно-практическая конференция " Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)" В 4 томах Т 2 Секция 4 Теория и практика сушки древесины, материалов легкой и текстильной промышленности, строительных материалов -М МГАУ.2002 -С 139 148

11 Федосов С В , Ибрагимов А М Гнедина Л Ю , Гущин А В Нестационарный процесс теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции с учетом фазовых превращений влаги в материале В кн «Проблемы строительного материаловедения» 1-е Соломатовские чтения Материалы Всерос науч -техн конф / Ред кол В Д Черкасов (отв ред) и др - Саранск изд-во Мордов ун-та, 2002 С -411 425

12 Федосов С В , Ибрагимов А М, Гнедина Л Ю , Гущин А В Математическое моделирование нестационарного процесса твердения железобетонной трехслойной панели Российско-Польский семинар «Теоретические основы строительства» Россия 2003

13 Федосов С В , Ибрагимов А М , Гнедина Л Ю , Гущин А В Расчет температурных полей влажных грунтов / В кн Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций Материалы III Международной научно-технической конференции, 27 29 марта 2003 г, Волгоград В 4-х ч / ВолгГАСА Волгоград,2003 Ч ^ 173 183

14 Федосов С В , Алоян Р М , Ибрагимов А М, Гнедина Л Ю , Гущин А В Термическая устойчивость основания дорожного полотна и плотин при их промерзании / Вестник БГТУ им В Г Шухова №5 Часть 1 Материалы Международного конгресса «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященного 150-летию В Г Шухова Белгород, 2003 - С 387 397

15 Федосов С В , Ибрагимов А М , Гнедина Л Ю , Аксаковская Л Н , Гущин А В Взаимосвязанный тепломассоперенос при граничных условиях третьего рода / Материалы X Международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа» / ИГАСА - Иваново 2003 - С 229 234

16 Федосов С В , Ибрагимов А М , Гнедина Л Ю , Гущин А В Математическая модель нестационарного теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции / Доклады XII российско-польского семинара «Теоретические основы строительства» -Варшава 2004 -С 253 261

17 Федосов С В , Ибрагимов А М , Гнедина Л Ю , Гущин А В Неста ционарный тепло- и массоперенос в строительных материалах и конструкци ях при несимметричных граничных условиях Вестник отделения строительных наук Выпуск 8 РААСН Москва, 2004г -стр 410-416-460с

18 Федосов С В , Ибрагимов А М , Гнедина Л Ю , Аксаковская Л Н ,

Гущин А.В. Взаимосвязанный тепломассоперенос в многослойной ограждающей конструкции при несимметричных граничных условиях. Вестник отделения строительных наук. Выпуск 8. РААСН Москва, 2004г. - стр. 417 -425 - 460с.

19. С.В. Федосов, P.M. Алоян, A.M. Ибрагимов, Л.Ю. Гнедина, А.В. Гущин Температурная устойчивость грунтов, составляющих тело дорожных полотен и плотин. VI Международная научно-практическая конференция "Дни современного бетона". Сборник докладов. Изд-во ООО "Будиндустрия ЛТД" - Запорожье: 2004г. - стр. 129-143. - 248с.

20. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю., Аксаковская Л.Н., Гущин А.В. Тепло- и массоперенос в строительных технологиях. / Международная научная конференция «Энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства». Сб. трудов. Том 1. Доклады. Иваново: 2004. - С 79...95.

21. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю., Гущин А.В. Воздушная прослойка в многослойных ограждающих конструкциях при нестационарном тепло- массопереносе. Материалы XI Международной научно-технической конференции "Информационная среда ВУЗа". /ИГАСА - Иваново, 2004 - стр.180 -186 - 676с.

22. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гнедина Л.Ю., Л.Н. Аксаковская, Промерзание влажных грунтов, оснований и фундаментов. - М.: Изд-во АСВ 2005.-277с.

Подписано в печать 1.04.2005. Усл.п.л. 2,56. Уч.изд.л.2,84 Формат 60x84 1/16. Бумага белая. Тираж 100 экз. Заказ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановская государственная архитектурно-строительная академия» 153037 г.Иваново,ул.8 Марта,20 Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»

05.2.3