15 March
2013В работе на основе анализа существующих методов предложен сравнительно простой и доступный способ определения теплопроводности древесины в строительных конструкциях и представлена принципиальная схема экспериментального устройства. Результаты предварительной серии опытов подтверждают достоверность сделанных предположений о возможности использования предлагаемого способа.
Одной из важных характеристик ограждающих конструкций является теплопроводность материала, из которого они выполнены. В настоящее время общепризнанно перспективным направлением в строительстве является применение деревянного клееного бруса. Такой брус, получаемый склеиванием пиломатериалов, обладает рядом преимуществ по сравнению с цельной древесиной, в то же время — это довольно дорогой вид строительных материалов. Рыночная стоимость 1 м3 бруса доходит до 700-800 USD. Снижения стоимости деревянных клееных конструкций (ДКК) можно добиться, например, при продольном раскрое круглых лесоматериалов за счет распиливания их по специальной схеме с последующим склеиванием и получением так называемых сегментных балок. Наряду с более высоким полезным выходом при этом возможно вовлечение в переработку маломерной древесины, доля которой в последнее время возросла. Образующуюся естественным путем из-за особенностей строения древесины полость внутри сегментной балки для улучшения теплоизоляционных свойств ДКК предлагается заполнять материалом с низким коэффициентом теплопередачи. При проектировании строительных ограждающих конструкций их толщина определяется исходя из условий требуемого сопротивления теплопередаче, которое в свою очередь зависит от коэффициента теплопроводности материала. По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение коэффициента сопротивления теплопередаче Rо = 3,49 м2×0С/Вт. Цельнодеревянный брус толщиной 250 мм из-за образования трещин при эксплуатации имеет Rо = 1,88 м2×0С/Вт, что приводит к необходимости использования дополнительного утеплителя. В клееном же брусе при эксплуатации не образуется трещин, и поэтому в нем при толщине 95 мм с утеплителем требуемое сопротивление теплопередаче принимает значения от 4,97 до 7,6 м2×0С/Вт. При использовании эффективного утеплителя возникает задача определения фактического коэффициента теплопроводности конструкции, которая характеризуется такими особенностями, как разнородность материалов, анизотропность древесины, наличие и количество клеевых швов и др. Это значительно усложняет задачу определения коэффициента теплопроводности по сравнению с лабораторными методами.
Процесс распространения (переноса) тепла в древесине характеризуется двумя показателями: коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Первый из указанных показателей входит в качестве коэффициента пропорциональности в основной закон теплопроводности [1], устанавливающий связь между количеством тепла Q, перемещающегося внутри тела, площадью сечения F(перпендикулярного тепловому потоку), временем τ, перепадом Dt температур между изотермическими поверхностями, а также расстоянием между ними Dx:
Q = λFτDt / Dx.
Как известно, коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙К) численно равен количеству тепла, проходящему в единицу времени через плоскую стенку площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 К. Исходя из этого определения и была разработана методика его определения [2], которая включает вычисление коэффициента температуропроводности а образца древесины (абсолютный метод) и расчет коэффициента теплопроводности λ образца древесины по величине а и заранее установленным значениям аэ и λэ эталонного тела (сравнительный метод). При этом фиксируется время достижения максимальной температуры. Описанная методика предусматривает возможность определения тепловых показателей сухой и влажной древесины при положительных и отрицательных температурах под давлением и в вакууме. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Испытания проводятся на образцах древесины с плоскими шлифовальными гранями размером 100×100 мм и толщиной δ = 10 мм. В зависимости от вида испытаний образцы изготовляют таким образом, чтобы их толщина совпадала с определенным структурным направлением (продольным, радиальным или тангенциальным). Каждому образцу обычными способами придают необходимую для данных условий опыта температуру и влажность; по измеренной перед опытом массе образца и объему устанавливают его плотность ρ. После окончания опыта образец высушивают, и данные о его массе в абсолютно сухом состоянии используют для определения фактической влажности образца во время опыта.
Рис. 1. Схема установки для измерения показателей тепловых свойств древесины:
1—термостат: 2 — эталонные блоки; 3 — нагреватель; 4— образцы древесины; 5 — рубильник; 6 — электрический секундомер;
7 — трансформатор; 8— вольтметр; 9, 11 — термопары; 10 — зеркальный гальванометр; 12 — переключатель
Тепловые показатели аэ и λэ эталонов устанавливают один раз для всей серии опытов на той же установке. Коэффициент теплопроводности эталона вычисляется по формуле в зависимости от максимального перепада температур и времени его достижения (от момента включения нагревателя).
Основными недостатками данного метода являются следующие:
- 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;
- громоздкость устройства и, как следствие, невозможность определения теплопроводности за рамками лаборатории.
Известен также способ, основанный на применении «метода трубы» (рис.2), согласно которому испытуемый материал 7 нанесен в виде цилиндрического слоя на металлическую трубку 8, внутри которой смонтирован электрический нагреватель 9 из нихромовой проволоки, выделяющий тепло равномерно по длине трубы.
Количество тепла Q, которое выделяется нагревателем и передается через слой материала в окружающую среду, при стационарном тепловом режиме можно определить по мощности W, потребляемой электронагревателем:
Q = W.
Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 13 и измеряется ваттметром 14. Для измерения температур на наружной и внутренней поверхностях слоя 7 установлены хромель-копелевые термопары 1-6. Все они через переключатель 10 поочередно коммутируются с цифровым милливольтметром 11. Общий холодный спай термопар соединен с металлической пластиной 12, имеющей температуру окружающей среды. Перевод показаний милливольтметра в градусы Цельсия осуществляется с помощью справочной таблицы термопары с учетом температуры окружающей среды. Этот способ изначально был разработан для определения коэффициента теплопроводности строительных материалов, таких как цемент, асбест и т.д. Поэтому данный способ не может быть непосредственно применен для клееного профилированного бруса. Процесс теплопередачи в строительных конструкциях характеризуется следующими особенностями: движение потока тепла происходит как вдоль, так и поперек волокон (древесина при этом рассматривается как трансверсальное тело), материал конструкции отличается анизотропностью, переменной влажностью, наличием клеевых швов и т.д. Поэтому для сравнительного анализа теплоизоляционных свойств различных строительных конструкций и был предложен следующий способ.
Экспериментальная установка (рис. 3) отличается от представленной выше тем, что в качестве источника температуры используется металлический тепловой нагревательный элемент (ТЭН), а вместо термопар предложено использовать термометры сопротивления.
Это позволяет использовать предлагаемое устройство для определения коэффициента теплопроводности непосредственно в строительных конструкциях. Для чего в них просверливаются необходимые отверстия, в которые с натягом вставляются ТЭН и термосопротивления.
Методика определения коэффициента теплопроводности заключается в следующем: после включения приборов в сеть переменного тока и установки мощности нагревателя от 5 до 25 Вт регистрируются значения температур t1 и t2 через заданный интервал времени (5 минут) для установления стационарного режима теплопереноса. Известно [3], что теплопроводность древесины вдоль волокон в 1,5—2,0 раза выше, чем поперек. Поэтому в начальный момент времени процесс теплопереноса эффективнее идет именно вдоль волокон.
Рис.2. Установка для определения теплопроводности методом трубы
Рис. 3. Установка для определения коэффициента теплопроводности древесины:
1 — регулятор; 2 — ваттметр; 3 — нагревательный элемент W<600 Вт; 4 — клееный брус; 5 — термосопротивление ТСП-100;
6 — измеритель 2ТРМО
Поэтому стационарным процесс становится по истечении определенного времени, для установления которого в координатах время-температура строятся соответствующие графики. Момент, когда оба графика примут вид горизонтальных линий, можно интерпретировать как наступление стационарного теплового режима, что наиболее точно соответствует условиям работы строительных конструкций. Предполагается, что время выхода в стационарный режим будет зависеть от соотношения длины конструкции и ее поперечных размеров. При длине клееного бруса 6—8 м и сечении 200´200 мм можно пренебречь теплопотерями через торцы конструкции. И поскольку с точки зрения эксплуатационных свойств ограждающих конструкций наибольший интерес представляет теплопроводность древесины поперек волокон, в качестве источника тепла предложено использовать цилиндрический ТЭН, длина которого больше длины термосопротивлений. В этом случае можно измерить изменение температуры по координате r (рис. 4).
Рис. 4. Распределение температуры по толщине цилиндрической стенки
В этом случае коэффициент теплопроводности материала вычисляется по значению температур на внутренней и внешней поверхностях испытуемого слоя или перепада температур и значению мощности нагревателя в стационарном режиме
λ =
,
где λ — коэффициент теплопроводности испытуемого материала, Вт/ (м × К);
L — длина нагревательного элемента, м;
d — диаметр нагревательного элемента, м;
l— расстояние от середины элемента до места установки наружного термосопротивления, м;
t1, t2 — температуры внутренней и наружной поверхностей слоя материала, 0С.
В ходе предварительной серии экспериментальных исследований было установлено, что фактический коэффициент теплопроводности древесины λ=0,219 Вт/ (м· К), что хорошо согласуется с результатами, полученными другими исследователями.
Выводы
1. Существующие способы определения теплотехнических показателей древесины не пригодны для использования в «полевых» условиях.
2. Предложенный способ может быть рекомендован для сравнительной оценки теплопроводности различных деревянных клееных конструкций.
3. Результаты предварительной серии опытов подтверждают основные положения теории анизотропии древесины и хорошо согласуются с результатами фундаментальных исследований, выполненных другими учеными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баскаков А.П. Теплотехника : учебник для вузов. — М. : Энергоиздат, 1982. — 264 с.
2. Справочник по древесиноведению, лесоматериалам и деревянным конструкциям : пер. с англ. — М.-Л., 1959. — Т. I. — 319 с.
3. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. — М. : Лесн. пром-сть, 1978. — 224 с.
A.A.Titunin, Yu.P.Danilov, V.P.Chulkov, K.V.Sirotkina
COEFFICIENT DEFINITION OF PLYWOOD THERMAL CONDUCTIVITY
1. Технология строительства:
2. Стоимость дома:
3. Площадь дома:
