Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПУСТОТ И ПОР НА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТЕНОВЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Аниканова Т.В. 1 Рахимбаев Ш.М. 1 Кафтаева М.В. 1
1 ГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Показана необходимость повышения энергоэффективности изделий для изготовления наружных ограждающих конструкций за счет изменения расположения пустот и совершенствования структуры. Расчетами установлена зависимость коэффициента теплопроводности от пустотности материалов с учетом направления теплового потока. Отмечается влияние теплового пограничного слоя на коэффициент теплопроводности пустотных и пористых стеновых материалов. При расчете коэффициента теплопроводности пустотных и пористых стеновых материалов, в условиях эксплуатации при температурах от -20оС до +40оС большее внимание необходимо уделять переносу тепла тепловым пограничным слоем, чем конвективной составляющей. Показано, что пустотные материалы будут обладать лучшим теплоизолирующим эффектом при расположении пустот перпендикулярно тепловому потоку. Так у материалов с пустотностью от 30 до 60% эффективный коэффициент теплопроводности будет значительно ниже при расположении пустот перпендикулярно направлению теплового потока. Расположение пустот с учетом представленных расчетов позволит существенно повысить сопротивление теплопередаче пустотных стеновых ограждающих конструкций.
тепловой пограничный слой
пустотность
тепловой поток
коэффициент теплопроводности
1. Аниканова Т.В. Теплоизоляционные пенобетоны с ускоренным схватыванием. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Белгород, 2007. 22с.
2. Литовский Е.Я., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. Справочное изд. М.: Металлургия, 1982. 152с.
3. Оноприенко Н.Н. Кладочные растворы на основе минеральных вяжущих с полимерными добавками. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Белгород, 2004. 22с.
4. Пучка О.В., Сергеев С.В., Вайсера С.С., Калашников Н.В. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе техногенного сырья. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. №2. С.51-55.
5. Рахимбаев Ш.М., Аниканова Т.В. Некоторые вопросы снижения энерго- и материалоемкости, повышения качества строительных материалов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2007. №1. С.23-25.
6. Сайт по вопросам применения современных строительных материалов и технологий [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bronepol.ru/
7. Сайт проектировщиков России [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.proektant.ru/content/3133.html
8.Сайт «Стройка своими руками» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://svouimirukami.ru/articles/kirpich-krasnyj-proizvodstvo-primenenie-kak-vybrat.html
9. Справочник по производству строительной керамики. Под ред. М.М. Наумова и К.А. Нахратяна. М.: Госстрой, 1962.
10. Харламов А.Г. Теплопроводность высокотемпературных теплоизоляторов. М.: Атомиздат, 1980. 100с.

Известно, что керамический кирпич по плотности тела делят на пустотелый и полнотелый. Считается, что чем больше пустот (обычно они достигают 50 процентов), тем теплее кирпич. Масса такого кирпича меньше и, стало быть, нагрузка на фундамент тоже уменьшается. Хорошим считается кирпич с маленькими диаметрами отверстий пустот, так как при кладке его отверстия меньше будут забиваться раствором [6]. Однако, в рамках работы [2] эта проблема была решена.

Коэффициент теплопроводности глиняного пустотелого кирпича зависит не только от пустотности материала, но также от формы и расположения пустот. Внешний вид керамических кирпичей представлен на рис. 1, а размеры отверстий кирпича – на рис. 2 [7, 8].

В современной литературе нет четкого обоснования выбора такого расположение и формы пустот. Исключением является кирпич с круглыми пустотами с точки зрения удобства кладки, так как в пустоты не попадает раствор, что не ухудшает теплотехнические характеристики кладки. Однако, авторы считают, что при нынешнем многообразии составов и свойств кладочных растворов, размеры и форма пустот керамических кирпичей должны быть устроены таким образом, чтобы улучшить теплотехнические характеристики материала.

Рис. 1. Внешний вид керамического кирпича

Рис. 2. Размеры отверстий керамического кирпича

В таблице представлен расчет коэффициентов теплопроводности «ложка» и «тычка» керамического кирпича в зависимости от формы и расположения пустот для кирпича с пустотностью 30% [9].

Основные показатели пустотелого кирпича

№ п/п

Тип кирпича

Пустотность

Плотность, кг/м3

Коэффициент теплопроводности

количество отверстий

процент пустотности

размер отверстий в мм

черепка

кирпича

ложка

тычка

1

60

30

12х12,5

1800

1260

0,46

0,48

2

31

30

11,6х25

1800

1260

0,48

0,5

3

18

30

10х45

10х74,5

1800

1260

0,34

0,62

Из таблицы видно, что плотность кирпича составляет 1260 кг/м3 во всех трех случаях. В первом и во втором случаях, несмотря на существенное отличие в количестве отверстий в разных образцах кирпича (60 и 31), разница коэффициентов теплопроводности невелика и составляет 0,02 Вт/(м·оС) как для ложка, так и для тычка. В третьем случае кирпич имеет 18 отверстий продолговатой формы и , что на 26% меньше чем в 1-м случае и на 29% чем во 2-м. Коэффициент теплопроводности тычка больше, чем в 1-м и во 2-м случае на 29 и 24% соответственно, и составляет . Возможно, такое большое отличие в величине λ связано с расстоянием lэф, через которое проходит тепловой поток, который движется по черепку и пустотам. При сравнении необходимо также учитывать направление теплового потока.

В работе [10] на примере двухфазной системы рассмотрены предельные случаи наибольшего и наименьшего изолирующего эффектов. Максимальное значение коэффициента теплопроводности системы достигается при расположении материалов обеих фаз в виде чередующихся слоев, разделенных плоскостями, параллельными направлению распространения теплового потока (рис. 3. а).

а б

Рис. 3. Принципиальная схема структуры материала

(q –направление теплового потока)

В этом случае теплопроводность системы λэф можно рассчитать по формуле 1, выведенной из условий аддитивности, т.е.:

λэф = (1-Е) λ1 + Е λ2, (1)

где λ1 и λ2 - коэффициенты теплопроводности первой и второй фаз соответственно;

Е – объемная концентрация твердой фазы.

Минимальное значение коэффициента теплопроводности системы достигается при разделении материалов обеих фаз плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку (рис. 3. б). В этом случае термическое сопротивление системы рассчитывается по формуле 2:

1/λэф = (1-Е) / λ1 + Е / λ2. (2)

Согласно проведенным расчетам зависимость коэффициента теплопроводности керамического кирпича от содержания твердой фазы можно представить в виде графика (рис. 4). При этом в расчетах коэффициент теплопроводности воздуха 0,026 Вт/(м·оС), коэффициент теплопроводности керамического кирпича полнотелого равен 0,97 Вт/(м·оС).

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности системы при расположении материалов обеих фаз в виде чередующихся слоев

Наибольший интерес для производства представляет область с пустотностью от 30 до 60 %. Видно, что коэффициент теплопроводность будет существенно ниже при расположении слоев перпендикулярно. Следует отметить, что керамический кирпич имеет развитый тепловой пограничный слой, что связано с донорно-акцепторным взаимодействием, происходящим между кислородом воздуха в пустотах и черепком, получаемым из легкоплавких глин и суглинков. Таким образом, тепловой поток будет перемещаться по тепловому пограничному слою [1, 5], при этом наличие конвективной составляющей в отверстии при температурах от -20оС до +40оС не играет существенной роли.

Из изложенного следует вывод, что целесообразно изготовления кирпича с пустотами, расположенными перпендикулярно тепловому потоку. Это позволит существенно повысить сопротивление конструкции потерям тепла. Указанные закономерности объясняются тем, что в большей части известных публикаций по важнейшим теплотехническим характеристикам различных пустотных и пористых материалов чрезмерно преувеличена роль конвективной составляющей и мало учитывается роль теплового пограничного слоя на теплотехнические характеристики материалов [2, 4]. При учете его роли легче понять влияние пустотности материала на теплотехнические характеристики. Концепция теплового пограничного слоя позволяет понять причину того, что при одинаковой поровой структуре материалов их теплотехнические характеристики сильно отличаются.

Рецензенты:

Ильина Т.Н., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова», г.Белгород.

Череватова А.В., д.т.н., профессор кафедры «Материаловедения и технологии материалов» ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.


Библиографическая ссылка

Аниканова Т.В., Рахимбаев Ш.М., Кафтаева М.В. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПУСТОТ И ПОР НА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТЕНОВЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=14743 (дата обращения: 18.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252