автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Определение теплофизических свойств материалов, применяемых в системах теплоснабжения и строительстве

РГ6 од

На правах рукописи

- 8 ОКТ 1996

БОЙКОВ АЛЕКСЕЙ ГЕРАЛЬДОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ

05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

05.14.05 - теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дсяу, 1995

Работа выполнена б Ростовской-на-Дону государствекой академии строительства

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки, доктор технических наук, профессор Иванов Владлен Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.Е. Новгородский кандидат технических наук, профессор В.Г. Ушаков

Ведущая организация: Волгоградский государственный технический университет

на заседании диссертационного совета К063.64.02 при Ростовской-на -Дону государственной академии строительства по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовской-на-Дону государственной академии строительства

Защита состоится

Автореферат разослан

тт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Энергосберегающая политика, проводимая в нашей стране заставляет вести поиск новых эффективных и экономичных конструкций, имеющих минимальный уровень теллопотерь. , В настоящее время в системах теплоснабжения все больше появляется новых теплоизоляционных материалов, свойства которых надо знать. Создаются и новые огнеупорные материалы, к которым ежегодно добавляется множество других. Табулировать такое количество теплофизических характеристик ( ТФХ ) не представляется возможным. Обычно они определяются ка?вдый раз по мере необходимости. Существующие методы большей частью предусматривают измерение постоянных значений ТФХ. Однако в ряде случаев требуется учитывать и их температурные изменения. Успешнее решается вопрос с теплопроводностью. Есть целый ряд способов ее определения. В том числе и через посредство уже известной температуропроводности. Сложнее обстоит дело с определением зависимости самой температуропроводности от температуры.

Таким образом, необходим метод, который позволил бы в короткие сроки и с небольшими затратами определять теплофизические свойства материалов, применяемых в теплоснабжении и строительстве.

Целыоработы является создание метода определения ТФХ на основе полученной закономерности упорядоченного режима, для материалов, применяемых в теплоснабжении и строительстве.

Программа исследования была выполнена в три этапа.

На первом этапе решена серия нестационарных задач теплопроводности, проведен параметрический анализ полученных решений для завершающей стадии процесса нагрева. На этой основе разработаны теоретические основы экспериментального определения температуропроводности при ее функциональной зависимости от температуры.

Второй этап состоял в создании экспериментальных установок, обеспечивающих симметричный и односторонний нагрев исследуемых образцов. При проведении опытов не было необходимости измерения таких тепловых величин как коэффициента теплоотдачи, степени черноты и температуры окружающей среды.

Третий этап заключался в апробации предложенной методики определения ТФХ физическими опытами и математическим экспериментом.

Научная новизна. На основе проведенных исследований, в диссертации получены некоторые новые результаты. На защиту выносятся следующие основные положения:

- анализ потерь тепла подземной канальной теплотрассой при меняющихся коэффициентах теплопроводности грунта и изоляционных слоев конструкции;

- закономерность упорядоченного теплового периода, связывающая между собой переменные ТФХ и температуры материала;

- методика определения температуропроводности, изменяющейся в процессе нагревания;

- алгоритм итерационного метода для расчета температурного поля в телах по заданным температурным зависимостям ТФХ;

- таблицы данных ЭВМ при нагревании тел конвективным и лучистым потоками тепла при переменных ТФХ.

Практическая ценность работы. В лабораторных условиях созданы экспериментальные установки для определения температуропроводности изоляционных и огнеупорных материалов путем симметричного и одностороннего нагревания плос^дагобразцов. По заказу Волгоградской фирмы "ПТ" исследован новый огнеупорный материал на предмет определения ТФХ. Фирма сочла возможным использовать предложенную методику в будущем. Результаты работы внедрены так.же в строительной организации Ростова ( Росспецпромстрой ). Предложенный способ определения температуропроводности при переменных ТФХ материала принят для использования в учебном процессе Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

Апробирование и публикации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены:

- на ежегодных научно-технических конференциях, ВолгГАСА, Волгоград, 1993-1994;

- на ежегодных региональных научно-технических конференциях, РГАС, Ростов-на-Дону, 1995-1996;

-на семинаре по вопросам строительной теплофизики при ВолгГАСА, Волгоград,. 1995.

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных статьях.

I. Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов, списка цитируемой литературы, включающего наименование 22 источников. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста и включает 26 рисунков и 12 таблиц.

II. Основное содержание работы.

Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту. Изложено состояние вопроса, дается анализ основных работ, связанных с теоретическим 'и экспериментальным исследованием теплофизических характеристик, выполненных к настоящему времени. Рассмотрены различные подходы применения квазистационарного и регулярного тепловых режимов, а также . ступенчатых способов нагревания. Обсуждение материала литературного обзора позволило сделать выводы и конкретизировать цели и задачи исследования.

С целью изучения влияния ТФХ вещества изоляции, строительного материала канала и расположенного над ним грунта на тепловые потери теплотрассы, были выполнены расчеты на основе итерационного метода сеток ( рис. 1 - 5 ). Здесь, при прочих одинаковых условиях двухтрубной теплоизоляционной конструкции, показано влияние увлажнения теплоизоляции трубопроводов и грунта на величину теплопотерь. Наибольшее влияние наблюдается в зоне малых значений объемной влажности.

Влияние объемной влажности грунта и изоляции на избыточную температуру поверхности.

Рис. 2

Влияние объемной влашости грунта на избыточную температуру поверхности.

Рис. 3

Влияние объемной влажности изоляции на избыточную температуру повеюхности.

Зависимость линейных тепловых потерь от объемной влажности грунта.

Зависимость линейных тепловых потерь от объемной влажности изоляции.

Приведенные на рисунках 1-5 данные позволяют судить о том, как меняется избыточная поверхностная температура грунта над прокладкой и величина тепловых потерь при различных коэффициентах теплопроводности грунта и изоляционного слоя. Связь между коэффициентами теплопроводности и влажностью выбиралась по данным А.Ф.Чудновского.

Используя математическую модель, описывающую явление теплопе-реноса в системе теплотрасса - грунт - атмосфера, была составлена вычислительная программа для нахождения поверхностных температур и тепловых потоков в зависимости от изменения влажности грунта Уг и изоляционного сдоя ми. Представленные результаты относятся к следую-

щим условиям:

диаметры теплопроводов, м 0,5

глубина заложения, м 1,3

размеры канала в свету, м . 2,0 х 1,0

толщина стенок канала, м 0,1

толщина сдоя изоляции, м 0,05

толщина покровного слоя, м 0,001 коэффициент теплоотдачи от поверхностного покровного

слоя к воздуху и от воздуха к стенке канала, Вт/м2К 7 коэффициент теплоотдачи от поверхности

грунта к наружи.му воздуху, Вт/м2К 10

В настоящее время в системах теплоснабжения появляется все больше новых материалов, свойства которых надо знать. Много создается так же и новых огнеупоров, где изменения ТФХ в процессе нагрева особо заметны.

Установить связь между температурами, в особых точках' тела и ТФХ, изменяющимися в процессе нагрева, удобнее всего на примере неограниченной пластины.

При заданном изменении температуры на ее поверхности явление распространения тепла соответствует математическому описанию в безразмерной форме:

/30) =0 (2);^=еа(То)(Ш?е„(4)

\ дХ/х-о

Дифференциальное уравнение (1) частично линеаризуется подстановкой Кирхгофа, после чего решение конструируется в форме ряда Фурье с характеристическими числами, удовлетворяющими граничным условиям. При подстановке в дифференциальное

уравнение использован принцип ортогональных функций. В итоге закономерность упорядоченного теплового режима удалось получить с точностью до неизвестной постоянной величины:

1а (<Рп.-Фа?) -0.6? =-2.4?|МоПяпЯ|»

Выражение (5) является общей закономерностью упорядоченного теплового периода в неограниченной пластине при любых способах симметричного нагревания (конвективным, лучистым, суммарным, контактным потоками тепла; вместе с печью). В его 'структуру не входят внешние условия такие как коэффициент теплоотдачи, степень черноты," температура окружающей среды. Для огнеупорных и теплоизоляционных материалов оно записывается следующим образом

о^Ж (г)

ж У=[т +

2

М = (т-8п + Т'

"л" и "к" - корреляционные коэффициенты прямолинейной зависимости теплопроводности в безразмерном виде

Закономерность, аналогичная (7) для одностороннего (несимметричного) нагрева плоских образцов, была получена в форме

1л/' 121= -2^7 , (в)

где Мт- (вь+впт*®*^^-*®],

Лабораторные опыты выполнялись по схеме симметричного и схеме дностороннего нагревания образцов, имитирующих неограниченную плас-ину путем охранных торцевых нагревателей или специальной теплоизо-:яции (рис.6,рис.7). Установка для симметричного нагревания включает сследуемый образец из шлакобетона "1", рабочие нагреватели "3", ;ентральный плоский нагреватель "2", охранные торцевые диэлектричес-ш прокладки "4", охранные торцевые нагреватели "5". Спаи хро-:ель-копелиевых термопар заложены в точках 6,7,8,9 вдоль изотерми-еских поверхностей. Вся система сжата специальным устройством. При акой сборке можно проводить опыты в небольших интервалах температур при разных начальных условиях).

С целью сравнения вначале был выполнен целый ряд "ступенчатых" пытов. Каждый раз определялась температуропроводность. В итоге поучилось соотношение:

а •ю^ы-о.оя-Ь №

Затем по схеме симметричного нагревания на этой же установке ыл выполнен одноступенчатый опыт. Обработка полученных результатов а основании (7) представлена формулой (9)

а'Ю?=5^9-омг&-ь} (9)

По схеме одностороннего нагревания были выполнены опыты с об-азцами из оконного стекла. Обработка полученных результатов на ос-ове (8) выражена зависимостью:

сио7= зда+цойЭ'-^т. («>)

В этом опыте, с учетом малой толщины образца, торцевые изоля-оры были выполнены из шлаковаты. Формулы представлены в пределах та градусов.

Систематическая ошибка опытов рассчитывалась теоретически, пособ определения вероятной ошибки был заимствован из известной те-рии регулярного теплового режима. Надежность поьторяемости опита аходилась методом Стьюдента-Фишера.

1 1 1 1

6 ? • » в 9 • «

в

/

</ ВВ

Рис. 6

Схема экспериментальной установки симметричного нагрева образца.

10000000000000000000 I

2Я

J "<з 9

J гир V ....в... аоз.1п

0,3 м

Рис. 7

Схема экспериментальной установки одностороннего нагрева образца.

Следует заметить, что для определения пределов применимости метода физических опытов явно недостаточно, так как диапазон всевозможных вариантов при изменяющихся ТФХ крайне велик. Поэтому возникает необходимость математического эксперимента, обобщающего явление в безразмерных числах:

Здесь угловой коэффициент "К" был принят равным 1,73. Нагрев тела осуществлялся либо конвективным тепловым потоком в пределах числа Био от двух до бесконечности, либо лучистым тепловым потоком в пределах радиационного числа Кирпичева от 0,3 до бесконечности. Исходные уравнения были представлены в явной разностной форме, приспособленной для численного расчета на ЭВМ:

х=о

= 0 ; 9м=в0

Половина толщины пластины была разбита вначале на 10, а затем на 20 участков. Интервал по числу Фурье выбирался каждый раз из условий устойчивости. В соответствии с формулой Рунге:

& - -у • (9«-0M) ^0.01

11а рисунке 8 показаны результаты обработки численных данных (таблицы III, IV, V) в соответствии с закономерностью (7). Сплошными линиями показаны истинные значения безразмерной темпоратуропровод ности в функции от безразмерной температуры. Точками - расчет при конвективном теплообмене (число Био равно бесконечности); звездочками - расчет при конвективном теплообмене (число Био равно двум); кружками - расчет при лучистом нагревании (радиационное число Кирпи-чева равно единице). Результаты обработки полученных численных данных одностороннего прогрева тела при прочих одинаковых условиях оказались адекватными. Численные значения температур в безразмерной форме имеются также для значений Bi' = 1;5, значений Ki = 0,3; 0,5. Ход расчета при С = 1; А = 1 был проверен путем сравнения с данными для постоянных теплофизических характеристик, имеющимися в литературе.

Полученные данные позволили проанализировать кинетику температурного поля при нагреве неограниченной пластины. Стало очевидным, что температурное поле при изменяющихся теплофизических характеристиках является функцией большого числа аргументов даже в безразмерном представлении. Способ расчета такого поля теоретически изучен еще недостаточно, а численный расчет с помощью ЭВМ приходится делать каждый раз, когда возникает потребность. Причем заблаговременно, с помощью таблиц и графиков, невозможно предусмотреть какие результаты потребуются для инженерных расчетов из-за их бесчисленного множества. Анализ безразмерных чисел подобия, описывающих температурное поле при переменных ТФХ, позволил убедиться в возможности приближенного использования итерационного метода (когда их температурные характеристики заведомо известны). За нулевую итерацию принимается готовое аналитическое решение при постоянных теплофизических характерно-

тиках тела. Так, например, для центра неограниченной пластины б области регулярного режима при интенсивном,симметричном нагревании распределение температуры по числу Фурье имеет вид (нулевая итерация):

9ц = 1-(*-9о)-{,2Г- ехр-[-2,47-%]

с учетом

Л^бц) ; №) ; кг А-

распределение записывается так (первая итерация): Затем находятся значения

Кг (0ц,); Сг(е«);'Аг-%;

8Ч2= 1-(1~во)- вхр-Ш?- У о'Кг] а щ

Итерация достаточно быстро сходится. На рисунке 9 показаны результаты третьей итерации рассмотренного примера. Такой способ может быть распространен на любые числа Био и начальную область процесса, описываемую рядами Фурье.

Данные ЭВМ по нагреву пластины при интенсивном, симметричном потоке тепла В5. «= 80 = 0,2; 8П = 1.

Таблица III

Г X 0 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8

С = 0,6536 + 1,732 в; Л = 1

0,2 0,3288 0,3542 0,4324 0,4928 0,5682 0,7626

0,3 0,4245 0,4488 0,5219 0,5766 0,6431 0,8075

0,5 0,5694 0,5889 0,6465 0,6888 0,7394 0,8611

0,7 0,6701 0,6854 0,7304 0,7633 0,8022 0,8951

1,0 0,7724 0,7831 0,8147 0,8375 0,8645 0,9284

С = 1; Л = 0,6536 + 1,732 8

0,1 0,3092 0,3561 0,4807 0,5615 0,6486 0,8284

0,2 0,5834 0,6097 0,6810 0,7282 0,7801 0,8903

0,3 0,7599 0,7734 0,8110 0,8370 0,8665 0,9319

0,4 0,8637 0,8708 0,8912 0,9056 0,9222 0,9598

0,5 0,9233 0,9272 0,9384 0,9464 0,9556 0,9769

С = 0,6536 + 1,732 в; Л = 0,6536 + 1,732 9

0,2 . 0,4540 0,4872 0,5781 0,6393 0,7073 0,8538

0,3 0,5972 0,6206 0,6855 0,7299 0,7798 0,8889

0,4 0,6980 0,7147 0,7618 0,7945 0,8316 0,9142

0,5 0,7708 0,7831 0,8180 0,8424 0,8704 0,9334

0,6 0,8247 0,8338 0,8601 0,8786 0,8998 0,9483

- 1.7 -

Данные ЭВМ по нагреву пластины симметричным потоком тепла: 80 = 0,2. Таблица IV Таблица V

Конвекция: В1 = 2 Радиация: К1 = 1

Р X 0,4 0,6 1,0 0,4 0,6 1,0 X Г

NN 1 2 3 1 2 3 NN

С = 0,6536 + 1,732 8; Л - 1

0,4 0,4111 0,4757 0,6830 0,2912 0,3549 0,6036 0,2

0,6 0,4962 0,5530 0,7320 0,4088 0,4789 0,7132 0,4

1,0 0,6194 0,6639 0,7993 0,5050 0,5704 0,7780 0,6

1,8 0,7675 0,7952 0,8782 0,5827 0,6413 0,8226 0,8

3,0 0,8802 0,8946 0,9375 0,6460 0,6978 0,8553 1,0

С = 1; Л = 0,6536 +• 1,732 8

0,4 0,5068 0,5548 0,6319 0,3312 0,4008 0,5911 0,2

0,6 0,6315 0,6636 0,7531 0,5078 0,5625 0,7079 0,4

1,0 0,7975 0,8129 0,8583 0,6557 0,6932 0,7975 0,6.

1,4 0,8899 0,в978 0,9214 0,7661 0,7942 0,8657 0,8

1,6 0,9191 0,9247 0,9419 0,8503 0,8666 0,9137 1,0

С = 0,6536 + 1,732 8; Л = 0,6536 + 1,732 8

0,4 0,4455 0,4987 0,6440 0,3061 0,3687 0,5586 0,2

0,6 0,5396 0,5811 0,6968 0,4387 0,4965 0,6573 0,4

1,0 0,6717 0,6986 0,7763 0,5456 0,5930 0,7263 0,6

1,4 0,7596 0,7782 0,8328 0,6315 0,6701 0,7802 0,8

1,8 0,8212 0,8345 0,8740 0,7008 0,7324 0,8231 1,0

А

г,б

(7 = 1 Л=0£53*№ 9

е=оя

„м.

.у.^. ».х—о»х-« ° . * ш

Л = С

0.5

Л = 1

0.6 0.7 0.8 0.9

Рис. 8

Результаты обработки численных данных симметричного нагрева пластины.

0.1 0% 0.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0.6 0.9 1 р0

Рис. 9

Нагрев пластины интесивным потоком тепла.

Основные результаты и выводы.

1. Специальные расчеты показывают, что потери тепла теплотрассой сильно зависят от теплофизических свойств изоляции трубопроводов, строительного материала канала и окружающего грунта. Замечена зависимость этих потерь от температуры и увлажнения. К температурным изменениям так же чувствительны теплофизические свойства огнеупорных материалов, используемых в качестве внутренней кладки газовых -печей.

В настоящее время создано большое число теплоизоляционных и огнеупорных материалов, внедрение которых требует знания их тепловых характеристик.

2. Впервые получены закономерности упорядоченного теплового режима при симметричном и одностороннем нагревании плоских тел с учетом температурной зависимости ТФХ вещества.

3. Разработан и предложен новый метод определения функциональной зависимости температуропроводности от температуры. При этом нет необходимости задания строгих граничных условий. Такая методика разработана для теплоизоляционных и огнеупорных материалов.

4. Достоверность и диапазон использования выведенных закономерностей подтверждены физическими опытами и математическим экспериментом в безразмерных числах подобия с использованием ЭВМ.

5. Разработанный метод позволил : а) определять температурную зависимость температуропроводности, используя закономерность упорядоченного теплового режима в неограниченной пластине; б) увязать в более простом аналитическом выражении температуры характерных точек и ТФХ вещества; в) рассчитать приближенное температурное поле в телах при изменяющихся в процессе нагрева ТФХ.

6. Па основании анализа большого количества полученных в работе данных ЭВМ рекомендован приближенный итерационный метод для определения температурного поля в телах, если заведомо известны функциональные характеристики теплопроводности и объемной теплоемкости. *

7. Результаты выполненных работ использованы строительными организациями Ростова-на-Дону и Волгограда. Предложенная методика принята к использованию в учебном процессе Волгоградской государственой архитектурно-строительной академии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бойков А.Г. Анализ процесса радиационного нагрева пластины в регулярном режиме. // Изв. СКНЦ ВШ. Технические науки. Новочеркасск, 1990, N3, с. 6-8.

2. Бойков А.Г. Анализ численного расчета нагрева пластины конвективным потоком при функциональной зависимости ТФХ в регулярном режиме. // Реология,- процессы и аппараты химической технологии. Волгоград, ВолгГТУ, 1993, с. 9-13.

3. Бойков А.Г. Теоретические основы экспериментального определения температуропроводности строительных материалов при ее функциональной зависимости. // Вопросы теплообмена в строительстве. Ростов-на-Дону, РГАС, 1992, с. 32-45.

4. Бойков А.Г., Иванов В.В. Об определении изменяющейся температуропроводности в процессах несимметричного нагревания образцов. // Системное обеспечение параметров воздушной среды. Ростов-на-Дону, РГАС, 1993, с. 170-178.

5. Бойков А.Г., Иванов В.В: Метод определения коэффициентов тепло- и температуропроводности' строительных материалов. // N579-95 серия Р67.57.23, Ростовский ЦНТИ, 1995.

6. Бойков А.Г., Букаров Н.В., Лунин И.Л. Влияние увлажнения теплоизоляции и - грунта на тепловые потери подземных канальных теплотрасс. // Депонирована в ВИНИТИ N300397-1395 от 19.12.96.

7. Иванов В.В., Бойков А.Г., Фокин В.М. Об экспериментальном определении изменяющейся температуропроводности строительных материалов. // Энергосбережения в системах теплоснабжения, вентиляции и охрана воздушного бассейна. Ростов-на-Дону, РГАС, 1995, с. 10-17.

8. Иванов В.В., Бойков А.Г., Фокин В.М. Приложение закономерностей упорядоченного теплового режима к опытам с минеральной ватой. // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск, 1996, N2, с. 122-124.