WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

вание, реализующее наиболее прогрессивную энергосберегающую технологию с использованием электронагревательных устройств.

Разработка такого оборудования потребовала детального анализа тепловых процессов, происходящих при тепловых воздействиях на участок ковра мягкой кровли.

Теоретическое исследование закономерностей теплопереноса в составном плоском теле “кровельное покрытие цементно-песчаная стяжка” [1, 2]

При тепловой обработке системы “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” необходимо знать: время тепловых воздействий для разных толщин кровельного покрытия и цементно-песчаной стяжки; уровень температуры излучающих поверхностей Тс и конвектирующей среды Тв в рабочем пространстве спекателя в зависимости от температуры окружающего воздуха Тн. На первом этапе, оказалось возможным получить приближенное аналитическое решение задачи теплопроводности, в котором эти и ряд других параметров взаимосвязаны.

; (1)

. (2)

Значение корней при вычисляются из характеристического уравнения:

. (3)

В выражениях (1 – 3) обозначено:

; ; ;

; ; ; ;

; ; ; ;

;

;

;

;

;

; ;

.

Для использования аналитических решений (1)–(2) разработана программа для персональных ЭВМ на языке Pascal. Время расчета температурного режима тепловой обработки кровельного покрытия составляет менее 10 с.

В табл. 1 приведены исходные данные для 4 вариантов расчета.

Таблица 1

Варианты расчетов

Толщина слоя,

СНиП II-26-76, ТСН 31-308-97

Теплофизические свойства

Битумосодержащее покрытие 2, мм

Цементно-песчаная стяжка 1, мм

1

8

15

2 = 0,17, Вт/мК;

1 = 0,93, Вт/мК;

а2 = 1,6810-7, м2/с;

а1 = 0,6210-6, м2/с.

2

16

15

3

8

25

4

16

25

Для всех вариантов расчетов: L = 1,0 м; Тc = 550…623 К; Т0 = 278…293 К;

Тв = 500…600 К; пр = 0,85; Вт/м2К4; = 8…17, Вт/м2К; 0 = 5,67 10-8.

Использование приближенных аналитических решений позволило выявить влияние основных технологических параметров, определяющих интенсивность внешнего теплообмена, на процесс формирования температурных полей в составном плоском теле “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка”(рис.1).

Рис. 1. Характер изменения температурных полей в системе “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка”:

1 - =2 мин, 1=0,025 м, 2=0,016 м; 2 - =8 мин, 1=0,025 м, 2=0,016 м; 3 - =2 мин, 1=0,025 м, 2=0,008 м; 4 - =8 мин, 1=0,025 м, 2=0,008 м; 5 - =2 мин, 1=0,015 м, 2=0,016 м; 6 - =8 мин, 1=0,015 м, 2=0,016 м; 7 - =2 мин, 1=0,015 м, 2=0,008 м; 8 - =8 мин, 1=0,015 м, 2=0,008 м; 9 - =12 мин, 1=0,015 м, 2=0,008 м

На рис. 1 показан типичный характер изменения полей температуры в составном плоском теле в различные моменты времени. Время окончания теп

ловой обработки определяется температурой 350…360 К на границе “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка”. При этой температуре деформативные свойства покрытия будут достаточны для силовых воздействий и получения плотного контакта между слоями на границе.

Из представленных кривых видно, что толщина битумосодержащего покрытия в большей степени определяет время окончания тепловой обработки, т.е. достижения температуры 350…360 К на границе “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” (кривые 2, 4, 6, 8). Полученные аналитические решения (1) – (2) могут быть использованы для качественного анализа полей температуры в системе “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” и позволяют определить минимально возможное время разогрева при заданных значениях теплофизических свойств, коэффициентов теплоотдачи, толщин слоев 1, 2, уровней температуры излучающих поверхностей Тс и воздушной среды Тв.

Нагревательное устройство имеет конечные размеры. За пределами нагревательного устройства покрытие охлаждается за счет конвекции и теплового излучения в окружающую среду с температурой Тн. Вследствие этого будет осуществляться отвод теплоты из покрытия и цементно-песчаной стяжки шириной Хкр вблизи внутренних границ нагревательного устройства На расстоянии Хкр температура поверхности стяжки должна быть не менее 350 К. Это значит, что лента кровельного покрытия шириной Хкр должна подвергаться повторной тепловой обработке. Для определения ширины зоны повторной тепловой обработки нами решена двумерная задача теплопроводности.

Постановка и решение двумерной задачи теплопроводности

в системе “кровельное покрытие цементно-песчаная стяжка”

при конечных размерах нагревательного устройства [3, 4]

Нагревательное устройство “а” (рис. 2) обеспечивает прогрев битумосодержащего композита “б” и цементно-песчаной стяжки “в” на конечном участке L. Считаем, что на границе тела “в” и слоя утеплителя “г” заданы адиабатные условия. Толщина цементно-песчаной стяжки 1 и толщина гидроизоляционного слоя 2 выбираются в соответствии с нормативными документами или по результатам инструментальной диагностики.

Теплофизические свойства (а1, а2, 1, 2) изотропных тел системы не зависят от температуры. Температуры стенок нагревательного устройства Тс, теплоносителя Тв, и окружающей среды Тн считаются заданными. Известны коэффициенты теплоотдачи и н, степени черноты 1, п, с.

Требуется определить изменение температурного поля системы “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” на границе нагревательного уст

ройства при вариации времени нагрева, геометрических параметров битумосодержащего композита и теплофизических свойств плоской неоднородной системы.

Рис. 2. К постановке двумерной задачи теплопроводности:

а – нагревательное устройство; б – битумосодержащий

композит; в – цементно песчаная стяжка; г – слой утеплителя;

1-4 – расчетные области

Математическая модель задачи с учетом допущений включает четыре уравнения теплопроводности для каждой расчетной области 1-4:

; (4)

>; ; ; i = 1, 2;

; (5)

>; ; <; j = 3, 4.

В начальный момент времени температура в каждой точке областей 1 - 4 постоянна и равна Т0:

; i = 1, 2; j = 3, 4. (6)

На границе расчетных областей 1 и 2 осуществляется радиационно-конвективный теплообмен:

; (7)

. (8)

На границе () заданы условия симметрии:

;. (9)

При температура битумосодержащего композита и стяжки равна Тн:

. (10)

На границах между расчетными областями при и имеет место идеальный тепловой контакт:

; ; (11)

; ; (12)

;; (13)

;. (14)

На границе заданы адиабатные условия:

;. (15)

Применяя конечно-разностную аппроксимацию и неявный метод переменных направлений в модификации Писмэна – Рэчфорда, система уравнений (4)-(5), решалась методом исключения Гаусса, ввиду трёхдиагональности входящих в нее уравнений в матричном представлении. К граничным условиям (7) - (15) также применялась конечно-разностная аппроксимация. Разработанный алгоритм решения системы уравнений (4)-(15), реализован на языке программирования Modula-2. Исходные данные для расчетов принимались в соответствии с табл. 1.

На рис. 3 показан типичный результат расчета изменения температуры по координате y (0,48 y 0,53, м) на поверхности кровельного покрытия (х=0) и на границе “кровельное покрытие – стяжка” (х=1).

В соответствии со сводом правил к территориальным строительным нормам СП 31-101-97 “Проектирование и строительство кровель” температура битума в момент нанесения должна составлять 160 °С, с предельным отклонением плюс 20 °С. Поэтому максимальная температура на поверхности битумосодержащего покрытия при тепловой обработке не должны превышать 180 °С.

Рис. 3. Результаты сопоставления полей температуры, определенных

по аналитическим решениям (1)-(2) и численным методом

при решении двумерной задачи:

1 - температурное поле х = 1, время прогрева 2 минуты;

2 - температурное поле х = 1, время прогрева 8 минут;

3 - температурное поле х = 0, время прогрева 2 минуты;

4 - температурное поле х = 0, время прогрева 8 минут;

5 - температурное поле х = 0, время прогрева 8 минут;

6 - температурное поле х = 0, время прогрева 2 минуты;

7 - температурное поле х = 1, время прогрева 8 минут;

8 - температурное поле х = 1, время прогрева 2 минуты

В этом случае исключается процесс кипения битума и его воспламенение. Температура на границе “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” должна быть не менее 80 °С.

Параметрический анализ показал, что при ограничении температуры ТЭНов нагревательного устройства до 240 °С (температура вспышки битума БН 70/30) время достижения требуемой температуры на границе со стяжкой зависит от толщины покрытия и стяжки и его минимальное значение составляет: для двухслойного покрытия – 12 минут; для четырехслойного покрытия – 16 минут.

Анализ результатов многочисленных параметрических расчетов, в том числе и показанных на рис. 3, позволил установить, что резкое изменение температурного поля системы “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” имеет место на расстоянии не более 2 см от боковых стенок. С учетом неточности установки нагревателя ширина зоны повторной тепловой обработки должна быть удвоена, поэтому Хкр можно принять равной 5 см.

На рис. 3 показан пример численного расчета изменения температуры по координате y (0,48y0,53, м) (кривые 1, 2, 3, 4). Кривыми (5, 6, 7, 8) показаны результаты расчета по аналитическим зависимостям (1)-(2).

Результаты расчета по полученным аналитическим решениям (1)-(2) хорошо согласуются (расхождение не превышает 1,8 %) с результатами численных расчетов (кривые 4 и 5, 3 и 6, 2 и 7, 1 и 8) за исключением области шириной Хкр по периметру спекателя.

Время расчета режимов тепловой обработки на ЭВМ (процессор Celeron, частота 533 Мгц), численным методом составляет около 30 минут, что ограничивает использование разработанной программы как элемента математического обеспечения систем управления температурными режимами в реальном режиме времени и позволяет рекомендовать для этих целей использовать полученные аналитические зависимости (время расчета менее 10 с).

Таким образом, полученные аналитические и численные решения могут использоваться при расчете температурных полей в системе “кровельное покрытие - стяжка” и оптимизации процесса тепловой обработки по критериям минимума энергозатрат при технологически регламентированном режиме прогрева мягкой кровли.

Используемые выше математические модели разработаны при ряде допущений. Поэтому, нами проведено экспериментальное исследование тепловых режимов системы “кровельное покрытие – стяжка” в натурных условиях.

Результаты экспериментальных исследований [2, 5, 6]

Экспериментально исследованы суточные температурные режимы в солнечные дни системы “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка”, на кровле склада ФГУП “Томск АВИА”. Полученные результаты позволили обосновать выбор начальной температуры Т0 при использовании аналитиче

ских зависимостей (1)–(2) и численного анализа полей температуры в системе “кровельное покрытие - стяжка”.

Температурные режимы нагревательного устройства и системы “кровельное покрытие – цементно-песчаная стяжка” исследовались с помощью установки, схема которой приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки по исследованию

температурных режимов в натурных условиях:

1 – цифровой анемометр (АП 1-2); 2 – измерительная система; 3 - цифровой термометр ЦР 7701-02; 4 – психрометр Ассмана; 5 – слой тепловой изоляции (керамзит); 6 - цементно-песчаная стяжка; 7 - битумосодержащий композит; 8 - нагревательное устройство; 9 – алундовые трубки; 10 – система блоков; 11 – линейка; 12 – указатель; 13 - нагреватель; 14 – 56 – термопары

Термопары размещались в соответствии со схемой (рис. 4) с общим холодным спаем, помещенным в сосуд Дьюара с тающим льдом.

В процессе эксплуатации двух и многослойного битумосодержащего покрытия на поверхности появляется неорганическая пыль, которая в жаркое время вплавляется в поверхностный слой, увеличивая при этом теплопроводность битумосодержащего композита. С другой стороны, в процессе устройства кровли и при ее эксплуатации, возможно образование тонких слоев воздуха и водяного пара в отдельных местах между слоями. В этом случае увеличивается контактное термическое сопротивление между слоями и теплопроводность покрытия уменьшается. Достоверные данные по теплопроводности гидроизоляционного покрытия получены нами экспериментально.

В основу разработанной опытной установки положен метод неограниченного плоского слоя по ГОСТ 7076-87 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности». Получены результаты опытного определения коэффициента теплопроводности битумосодержащего покрытия мягких кровель с четырех строительных объектов со сроком эксплуатации кровель более 12 лет. Измерения выполнены в лаборатории № 5 “Испытания теплофизических свойств материалов” испытательного центра “СТРОМТЕСТ” Томского государственного архитектурно-строительного университета, аккредитованного Госстроем и Госстандартом (аттестат аккредитации № РОССТР RU.9001.11СЛ31, лицензия № 11СЛ36). Для исследования с каждого объекта были взяты пробы трех пар образцов, максимально идентичных в каждой паре с мягких кровель АО «Кожевниковский молочный завод», школа пос. Елгай в Кожевниковском районе Томской области, на зданиях МУП ЖХ и ЖЭУ-10 гор. Северска Томской области, склада ФГУП «ТОМСК-АВИА», корпуса № 5 Томского ГАСУ. Для параметрического анализа этот коэффициент теплопереноса можно брать в пределах 0,17…0,32 Вт/(мК). Погрешность измерения теплопроводности не превышает 6,0 %.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»