Экспериментальная установка для исследования кинетики теплопереноса материалов растительного происхождения

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

КИНЕТИКИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА МАТЕРИАЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО

ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Сироткина К.В.

The technique of definition of heat conductivity of glued beam with the help of a method of a pipe is described, and also the results of a preliminary series of experiences are submitted.

Одним из направлений деревообрабатывающей промышленности является деревянное домостроение. Современные условия диктуют несколько иной подход к проектированию ограждающих конструкций домов. Как известно, одной из важных характеристик ограждающих конструкций является теплопроводность материала, из которого они выполнены. Согласно действующих нормативных документов при определении толщины ограждающих конструкций используется расчетный коэффициент теплопроводности, который определен для малых чистых древесных образцов. В реальных условиях значение этого коэффициента может варьироваться под действием целого ряда факторов. Поэтому для обоснованного назначения размеров ограждающих конструкций и снижения их материалоемкости необходимо иметь представление о коэффициенте теплопроводности реальных конструкций. В нашей работе проводились исследования такого перспективного материала, как клееный брус.

Известные методы определения коэффициента теплопроводности основаны на применении довольно сложного лабораторного оборудования и коэффициент теплопроводности может быть определен только для «малого, чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру.

На основе анализа существующих методов был предложен сравнительно простой и доступный способ определения теплопроводности древесины в строительных конструкциях [1]. Данный способ основан на методе трубы, т.к. на наш взгляд он в большей мере подходит для условий эксплуатации реальной деревянной конструкции при текущем значении влажности. Экспериментальная установка состоит из регулятора 1, ваттметра 2, нагревательного элемента 3 (W<100 Вт), пары термосопротивлений ТСП-100 5, а также измерителя 2 ТРМО 6. Экспериментальная установка представлена на рисунке 1. Она имеет малые габариты, выполнена из типовых деталей и проста в применении.

Методика проведения и обработки опытов:

1. Включить установку и установить мощность нагревателя

2. Выход установки в стационарный тепловой режим регистрировать через заданный интервал времени (5 минут) для установления стационарного режима в координатах температура-время. Для этого необходимо фиксировать показания температур на наружной и внутренней поверхностях испытуемого материала и перепада температур. Момент начала замеров считать на-

чальным. Одновременно можно наносить значения температур на графиках. Замеры прекратить, когда оба графика примут вид горизонтальных линий, что можно интерпретировать как наступление стационарного теплового режима.

3. Выключить лабораторную установку.

4. По значению температур на внутренней и внешней поверхностях испытуемого слоя или перепада температур и значению мощности нагревателя в стационарном режиме вычислить коэффициент теплопроводности материала по формуле

^ = в- 1п

где X - коэффициент теплопроводности испытуемого материала, Вт/ (м^0С); Ь -длина нагревательного элемента, м; г - радиус нагревательного элемента, м; 1 -расстояние от середины нагревательного элемента до места приложения термосопротивления, м; 11, 12 - температуры «горячего» и «холодного» термосопротивления, 0С.

5. По вычисленному значению коэффициента X сделать вывод о теплоизоляционных свойствах испытуемого материала.

Рисунок 1 - Установка для определения коэффициента теплопроводности древесины: 1-регулятор; 2- ваттметр; 3- нагревательный элемент; 4-клееный брус; 5- термосопротивление ТСП-100; 6- измеритель 2ТРМО

В предварительной серии опытов [2] была установлена связь мощности нагревательного элемента с временем проведения опытов, определена необходимая мощность установки, подтвердилось предположение о роли клеевых швов, как дополнительных источников теплопереноса, и об эффективности соединения клееного бруса по высоте с помощью «лабиринтного замка».

Для определения коэффициента теплопроводности реальной строительной конструкции, в ходе последних опытов был использован трехслойный клееный

брус заводского производства. Опыты показали, что для достижения стационарного режима при мощности нагревательного элемента 10Вт необходимо довольно длительное время, около 6 часов. Именно за это время в брусе устанавливался стационарный режим теплопроводности, что дает возможность использовать фундаментальные положения теории теплообмена. Результаты исследований бруса представлены на рисунке 2.

90

80

О о 70

«о 60

> н 50

л 40

а>

с 30

2

а> 1- 20

10

0

4

£

п?- # а?

л? ^

Время, ч

Рисунок 2 - Зависимость температуры от времени проведения опытов:

1,2,3,4 - температура термосопротивлений; 5 - температура нагревательного элемента; 6 - температура окружающей среды

Анализируя представленные зависимости, можно сделать вывод о том, что в дальнейших опытах необходимо обеспечить стабильность температуры окружающей среды. Кривая 6 на рисунке 2 показывает изменение температуры окружающей среды от 17 до 210С. Это некоторым образом влияет на характер распределения температурного поля в образце.

Различие значений температуры в точках 1,2,3,4 объясняется влиянием анизотропии древесного материала и присутствием скрытых пороков (сучков, смоляных кармашков) и наличием в конструкции образца участков склеивания заготовок на зубчатый шип.

Дальнейшие исследования будут посвящены установлению зависимости теплопроводности клееного бруса от его конструкции и обоснованию оптимальной схемы и размеров клееного бруса с утеплителем.

Выводы:

Применение модифицированного метода трубы позволяет оценить изменчивость коэффициента теплопроводности в зависимости от конструктивных особенностей клееного бруса.

Скрытые дефекты природного происхождения и особенности склеивания заготовок влияют на характер теплопроводности и значение коэффициента теплопроводности ограждающей конструкции.

5

Литература

1. Титунин А.А., Чулков В.П., Данилов Ю.П., Сироткина К.В. Определение коэффициента теплопроводности клееной древесины // Вестник Костромского государственного технологического университета, выпуск № 11. - Кострома: КГТУ, 2005. - С. 114-117.

2. Сироткина К.В. Определение теплопроводности древесины // Сборник научно-исследовательских работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». - Кострома, 2005.