Результаты имитационного моделирования теплоизоляционных свойств древесного полимер-песчаного композита

DOI: 10.12737/18736 УДК 620.22

РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСНОГО ПОЛИМЕР-ПЕСЧАНОГО КОМПОЗИТА

А. А. Аксомитный

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация

Развитие деревообработки и мебельной промышленности в истекшем ХХ веке в значительной степени было связано с запуском производства большой группы искусственных материалов, причисляемых сейчас к древесно-полимерным композитам. Разнообразие и возоб-новляемость ресурсной базы, удобство и экономическая эффективность применения древес-но-полимерных композитов - главные предпосылки развития этой группы материалов. Наполнители в термопластичных древесно-полимерных композитах могут присутствовать в самых разных формах. На данном этапе промышленные древесно-полимерные композиты (ДНК) изготавливаются главным образом из мелких фракций - древесной муки и опилок. Это обеспечивает высокую технологическую пластичность производства, а именно - возможность изготовления изделий методами экструзии и литья, самых разнообразных геометрических форм и даже с небольшой толщиной стенок конструкций. Это справедливо, если ориентироваться на максимально возможные механические свойства и точность геометрических форм готовых изделий. Если ориентировать производство на изготовление теплоизоляционных ДНК, то для наполнения таких композитов можно использовать практически любые древесные отходы. Для изучения и прогнозирования теплоизоляционных свойств древесного полимер-песчаного композита (ДННК) была разработана математическая модель. Установлено, что температуропроводность древесины с защитным полимер-песчаным покрытием оказалась сравнимой с температуропроводностью чистой древесины (эффективная температуропроводность на 15-25 % выше). Если в качестве наполнителя использовалась фрагментированная древесина (стружки, крупные фрагменты), температуропроводность образца была значительной, так как тепло в основном распространяется по полимер-песчаным каналам между фрагментами древесины. Но оценочным расчетам, ДНК имеет в 2-3 раза лучшие теплоизоляционные свойства, чем строительные материалы на основе бетона.

Ключевые слова: древесный наполнитель, композит, математическая модель, теплоизоляция.

THE RESULTS OF THE SIMULATION OF THE HEAT INSULATION PROPERTIES

OF WOOD POLYMER-SAND COMPOSITE A. A. Aksomitny

Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University

of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation

Abstract

The development of woodworking and furniture industry in the past twentieth century was largely due to the launch of production of a large group of artificial materials, is referred to now wood-polymer composites. Diversity and renewability of the resource base, the convenience and economic efficiency of application of wood-plastic composites are the main preconditions for the development of this group of materials. Fillers in thermoplastic wood-plastic composites may be present in various forms. At this stage commercial wood-polymer composites (WPC) are manufactured mainly from minor fractions of wood flour and sawdust. It provides high technological plasticity of production, namely the possibility of manu-factoring products by extrusion and injection molding, a variety of geometric shapes and even with a small wall thickness designs. This is true if you focus on the highest possible mechanical properties and the precision geometric shapes of the finished products. If you focus on producing WPC thermal insulation, for filling of such composites can be used almost any wood waste. For the study and prediction of insulation properties of wood polymer-sand composite (WPSC) developed a mathematical model. It is established that the thermal diffusivity of the wood with a protective resin-sand coating, were comparable to the diffu-sivity of pure wood (effective diffusivity 15-25 % higher). If the filler used is fragmented wood (chips, large fragments), the thermal diffusivity of the sample was significant, since heat is mainly distributed on the polymer-sandy channels between the pieces of wood. According to estimated calculations, KDP has 23 times better insulating properties than construction materials based on concrete.

Keywords: wood filler, composite, mathematical model, thermal insulation.

Для моделирования процесса теплопе-реноса в древесном полимер-песчаном композите (ДППК) разработана отдельная сеточная модель. Моделирование производилось на квадратной сетке, чтобы с высокой точностью передать конфигурацию геометрически правильных образцов ДППК (рис. 1). Каждый узел сетки окружен четырьмя соседними узлами, с которыми он может обмениваться температурой. Считается, что между соседними узлами существует связь (изображается

производится моделирование теплопереноса

отрезками на рис. 1), если расстояние между узлами менее пороговой величины j yds,

Jij

j+1

J-1j

Jj ^+1,J

Jj-1

0 x

Рис. 1. Вариант сетки, на которой

z

где у - коэффициент плотности сетки (использовали значение у = 1,1).

Каждый узел сетки характеризуется таким параметром, как температура Т

Узлы в модели могут быть пяти типов: древесина, полимер, песок, вода, воздух. В зависимости от типов узлов используются соответствующие значения коэффициентов температуропроводности, взятые из справочников по физическим свойствам сред [1, 2, 3, 4].

С математической точки зрения распространение в материале температуры с высокой физической адекватностью может быть описано уравнением теплопроводности [5, 6, 7]. В двумерном случае уравнение переноса записываются следующим образом:

д

Т

д t

где г = XI + zj ;

t - время;

д г д -

V = — 1 +—j - оператор набла;

дх дz

х, г - декартовы координаты исследуемой точки местности;

1 , j - единичные векторы декартова пространства (х, г);

[..] - векторное произведение;

Т (г, /) - температура в точке Г образца;

, Г, t) - коэффициент температуропроводности, который может быть выражен через коэффициенты теплопроводности и теплоемкости.

Уравнения переноса для образцов ДННК не допускают аналитического решения путем введения сколько-нибудь обоснованных допущений, так как большинство переменных в уравнениях являются разрывны-

ми функциями координат сложной формы. Ноэтому для решения данных уравнений используются численные конечно-разностные методы, с предварительной дискретизацией модельного пространства сетки.

В процессе моделирования, с течением модельного времени, изменяется температура каждого узла. Нри этом расчет Т производится с использованием уравнений математической физики в конечных разностях. На каждом шаге интегрирования по времени т рассчитывается новое значение содержания температуры для узла 1, связанного с узлом j, по следующей итерационной формуле:

Т

т+1

Т х+Х,

тх — т.1

м

где At - шаг интегрирования по времени;

Xij - коэффициент температуропроводности, зависящий от типа узлов i и j.

Элементы, расположенные на поверхности образца ДППК, способны обмениваться теплом не только с соседними элементами, но также и с окружающей средой. В этом случае переход тепла из граничных узлов в окружающую среду рассчитывается по следующей итерационной формуле:

TT+1 = Tт—Хт Тт — токр )м,

где хт - коэффициент передачи температуры от окружающей среды к элементу;

Токр - температура среды, окружающей образец ДППК (принято допущение, что данные параметры не зависят от времени и пространства).

Для удобства моделирования процесса теплопереноса разработана компьютерная программа на языке ObjectPascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7, которая в настоящее время находит-

r

ся в стадии регистрации в Роспатенте.

Древесина обладает высокими теплоизоляционными свойствами, однако полимер-песчаное покрытие обладает высокой температуропроводностью и может существенно снижать теплоизоляционные свойства древесины [8]. Для изучения теплоизоляционных свойств различных древесных полимер-песчаных композитов разработана математическая модель распространения тепла, методика моделирования изложена выше. Моделирование распространения тепла производится на квадратной сетке размером 200 х 200 узлов, используется уравнение теплопроводности, а искомой функцией является температура Т(х, z, £). Для проведения компьютерных экспериментов составлена специальная компьютерная программа (рис. 2).

- древесный полимер-песчаный композит с несколькими крупными древесными сердечниками, расположенными в три ряда;

- древесно-полимерный композит со стружечным древесным наполнителем;

- полимер-песчаный композит. Размер всех модельных образцов составлял 40x140 мм. Температуропроводность древесины (сосны) была принята хд = 2-107 м2/с, температуропроводность покрытия Хшп = =6-10-7 м2/с. Начальная температура

о

образца составляла 20 С; затем, с началом

компьютерного эксперимента, на верхней

о

грани выдерживалась температура 30 Си постепенно образец прогревался на всю высоту (рис. 3). Фиксировалась зависимость температуры нижней грани от времени Тн(/).

Рис. 2. Вывод результатов моделирования в «Программе для моделирования теплопереноса ДППК»

Проведена серия компьютерных экспериментов по нагреву образцов различных типов:

- чистая древесина;

- древесина с покрытием толщиной 4 мм по периметру;

Структура образца ДППК

t = 0,1 мин.

t = 1 мин.

t = 2 мин.

t = 10 мин.

Рис. 3. Распределение температуры в образце в процессе нагрева

Чистый древесный образец прогревался в модели на всю высоту за время более 20 минут, полимер-песчаный композит - за

143

6-8 минут. Температуропроводящие свойства древесины с полимер-песчаным покрытием оказались незначительно хуже, чем у древесины (эффективная температуропроводность на 15-25 % выше). Если древесина была фрагментированной (стружки, крупные фрагменты), температуропроводность образца была значительной, так как тепло в основном распространялось по полимер-песчаным каналам между фрагментами древесины.

В то же время, если сравнивать ДППК с ППК или строительными материалами на основе бетона, температуропроводность ДППК значительно ниже, чем у ППК. Оценочный расчет показал, что ДППК имеет в 23 раза лучшие теплоизоляционные свойства, чем строительные материалы на основе бетона.

Несмотря на то что полимер-песчаное покрытие несколько ухудшает теплоизоляционные свойства, оно также приводит к по-

вышению теплоемкости материала, что является положительным свойством для строительных материалов. Строительные материалы на основе ДППК по сравнению с чистой древесиной лучше выдерживают постоянство температуры внутри помещений при значительных суточных колебаниях внешней температуры.

Адекватность результатов, полученных при моделировании, доказана в предыдущих работах и в данной статье не приводится [9, 10]. Расхождение значений теоретических и экспериментальных данных лежит в пределах 5 %, что в полной мере соответствует необходимому уровню точности.

Подводя итог проделанной работе, можно сделать вывод о целесообразности рассмотрения древесно-полимерных композитов, армированных древесным наполнителем различной фракции, в качестве теплоизоляционного материала.

Библиографический список

1. Jankauskaite, V. Polyethylene terephthalate waste recycling and application possibilities: Areview [Text] / V. Jankauskaite, G. Macijauskas, R. Lygaitis // Medziagotyra. - 2012. - No. 14. -Pp. 119-127.

2. Polymer matrix influence on stability of wood polymer composites [Text] / R. Porebska, A. Rybak, B. Kozub, R. Sekula // Polymers for Advanced Technologies. - 2015. - No. 26. -Pp. 1076-1082.

3. Flat-pressed wood plastic composites from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): Physical and mechanical properties [Text] / K.-S. Rahman, M. N. Islam, M. M. Rahman, M. O. Hannan, R. Dungani, H. P. S. A. Khalil // SpringerPlus. - 2013. - No. 2. - Pp. 1-7.

4. Binici , H. Mechanical, thermal and acoustical characterizations of an insulation composite made of biobased materials [Text] / H. Binici, O. Aksogan, C. Demirhan // Sustainable Cities and Society. - 2016. - Vol. 20. - Pp. 17-26.

5. Лыков, А. В. Теория теплопроводности [Текст] / А. В. Лыков. - М. : Высш. шк., 1967. - 600 с.

6. Лыков, А. В. Теория сушки [Текст] / А. В. Лыков. - М. : Энергия, 1968. - 472 с.

7. Okereke, M. I. Virtual testing of advanced composites, cellular materials and biomaterials: A review Original Research Article[Text] / M. I. Okereke, A. I. Akpoyomare, M. S. Bingley //

Composites Part B: Engineering. - 2014. - Vol. 60. - Pp. 637-662.

8. Lu, X. Fibrous insulation materials in building engineering applications [Text] / X. Lu, M. Viljanen // Fibrous and Composite Materials for Civil Engineering Applications. - 2011. -Pp. 271-305.

9. Стородубцева, Т. Н. Особенности математического моделирования древесного полимер-песчаного композита [Текст] / Т. Н. Стородубцева, А. А. Аксомитный // Лесотехнический журнал. - 2014. - № 4. - С. 131-139.

10. Стородубцева, Т. Н. Исследование влияния состава древесного полимер-песчаного композита на его механические свойства [Текст] / Т. Н. Стородубцева, А. А. Аксомитный // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2015. - Т. 19. -№ 6. - С. 132-139.

References

1. Jankauskaite V., Macijauskas G., Lygaitis R. Polyethylene terephthalate waste recycling and application possibilities: Areview. Medziagotyra, 2012, no. 14, pp. 119-127.

2. Porebska R., Rybak A., Kozub B., Sekula R. Polymer matrix influence on stability of wood polymer composites. Polymers for Advanced Technologies, 2015, no. 26, pp. 1076-1082.

3. Rahman K.-S., Islam M. N., Rahman M. M., Hannan M. O., Dungani R., Khalil H. P. S. A. Flat-pressed wood plastic composites from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): Physical and mechanical properties. SpringerPlus, 2013, no. 2, pp. 1-7.

4. Binici H., Aksogan O., Demirhan C. Mechanical, thermal and acoustical characterizations of an insulation composite made of biobased materials. Sustainable Cities and Society, 2016, Vol. 20, pp. 17-26.

5. Lykov A. V. Teoriya teploprovodnosti [Theory of thermal conductivity]. Moscow, Vysshaya shkola, 1967, 600 p. (In Russian).

6. Lykov A. V. Teoriya sushki [Theory drying]. Moscow, Energiya, 1968, 472 p. (In Russian).

7. Okereke M. I., Akpoyomare A. I., Bingley M. S. Virtual testing of advanced composites, cellular materials and biomaterials: A review Original Research Article. Composites Part B: Engineering, 2014, Vol. 60, pp. 637-662.

8. Lu X., Viljanen M. Fibrous insulation materials in building engineering applications. Fibrous and Composite Materials for Civil Engineering Applications, 2011, pp. 271-305.

9. Storodubtseva T. N. Aksomitnyy A. A. Osobennosti matematicheskogo modelirovaniya drevesnogo polimer-peschanogo kompozita [Features of mathematical modeling of wood - polymer composite sand]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2014, no. 4, pp. 131-139. (In Russian).

10. Storodubtseva T. N. Aksomitnyy A. A. Issledovanie vliyaniya sostava drevesnogo polimer-peschanogo kompozita na ego mekhanicheskie svoystva [Study of the influence of the composition of wood resin-sand composite on its mechanical properties]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa - Lesnoy vestnik [Bulletin of Moscow state forest University -Forest Herald], 2015, Vol. 19, no. 6, pp. 132-139. (In Russian).

Сведения об авторе

Аксомитный Алексей Андреевич - аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: Axsomitny@yandex.ru.

Information about author

Aksomitny Aleksey Andreevich - Post-graduate student of Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation; e-mail: Axsomitny@yandex.ru.

DOI: 10.12737/18737 УДК 674.8: 574

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ПРИРОДНОГО КЛИНОПТИЛОЛИТА ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД МЕБЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ФОРМАЛЬДЕГИДА И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

кандидат технических наук, младший научный сотрудник М. В. Анисимов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация

В настоящее время, в связи с ростом объемов производства мебельных и деревообрабатывающих предприятий, а также ужесточением контроля за уровнем экологического воздействия производств на окружающую среду, особенно актуальной является проблема очистки сточных вод. В частности, очистка сточных вод мебельных предприятий, которые содержат различные токсиканты, такие как формальдегид, тяжелые металлы и др. Актуальной задачей является изучение и создание эффективных сорбентов для очистки сточных вод. Одним из способов создания новых сорбентов является модификация природных минералов различными электромагнитными полями: электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) и слабое импульсное магнитное поле (СИМП). Изучение механизма воздействия каждого из полей представляется важным для прогноза поведения схожих сорбентов с диэлектрическими свойствами при очистке от аналогичных токсикантов. Для изучения этих механизмов в работе проводился ряд экспериментов по влиянию ЭМП СВЧ и СИМП на природный клиноптилолит при использовании его в качестве сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (цинк и медь) и формальдегида. Осуществлены исследования изменения природы и соотношения активных центров методом реакции тестовой конверсии метилбутино-ла (МВОН), определены изменения размеров и стабильности частиц цеолита методом динамического светорассеивания (ДРС), показано изменение степени очистки сточных вод от формальдегида и тяжелых металлов в зависимости от способа активации клиноптилолита.

Ключевые слова: клиноптилолит, сточные воды, формальдегид, тяжелые металлы, цинк, медь, слабое импульсное магнитное поле, электромагнитное поле сверхвысокой частоты.