Рисунок 2.9 - Увлажнение образца из минеральной ваты
5. Теплопроводность каждого образца проверяют сначала в сухом состоянии не менее пяти раз, а также в увлажненном состоянии также не менее пяти раз. Способ определения теплопроводности указан на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 - Определение теплопроводности образца из минеральной ваты
2.5 Результаты расчетно-экспериментальных исследований
В таблице 2.1 приведены результаты измерений и вычислений по определению зависимости теплопроводности от относительной влажности минеральной ваты. На основании данных таблицы 2.1 строится график зависимости теплопроводности минеральной ваты от относительной влажности (рисунок 2.11).
Таблица 2.1 - Результаты измерений и вычислений по определению зависимости теплопроводности от относительной влажности
|
№ п/п |
Показатели |
Увлажне-ние, % |
ОПЫТ 1 |
|||||||||
|
2,1 |
2,2 |
2,3 |
3,1 |
3,2 |
3,3 |
4,1 |
4,2 |
4,3 |
||||
|
1 |
Масса образца, г |
0 |
20,2 |
20 |
21,4 |
20,3 |
21,9 |
19,2 |
18 |
17,9 |
19,3 |
|
|
2 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
3 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0315 |
0,0255 |
0,0322 |
0,0278 |
0,0306 |
0,0291 |
0,0275 |
0,0306 |
0,028 |
||
|
4 |
Масса образца, г |
5 |
21,21 |
21 |
22,47 |
21,3 |
23 |
20,2 |
21,3 |
23 |
20,2 |
|
|
5 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
6 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0308 |
0,0303 |
0,0383 |
0,0346 |
0,0382 |
0,0396 |
0,0384 |
0,0317 |
0,0372 |
||
|
7 |
Масса образца, г |
10 |
22,2 |
22 |
23,5 |
22,3 |
24 |
21,1 |
19,8 |
19,7 |
21,2 |
|
|
8 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
9 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0403 |
0,0406 |
0,0409 |
0,0405 |
0,0442 |
0,0421 |
0,0404 |
0,0517 |
0,0425 |
||
|
10 |
Масса образца, г |
15 |
23,2 |
23 |
24,6 |
23,4 |
21,2 |
22,1 |
20,7 |
20,6 |
22,2 |
|
|
11 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
12 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0511 |
0,0537 |
0,0529 |
0,0539 |
0,0541 |
0,0449 |
0,0523 |
0,0633 |
0,0544 |
||
|
1 |
Масса образца, г |
0 |
20,2 |
20 |
21,4 |
20,3 |
21,9 |
19,2 |
18 |
17,9 |
19,3 |
|
|
2 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
3 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0308 |
0,0278 |
0,0328 |
0,0281 |
0,0315 |
0,0309 |
0,0287 |
0,0313 |
0,0266 |
||
|
4 |
Масса образца, г |
5 |
21,21 |
21 |
22,47 |
21,3 |
23 |
20,2 |
21,3 |
23 |
20,2 |
|
|
5 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
6 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0318 |
0,0311 |
0,0397 |
0,0369 |
0,0375 |
0,0323 |
0,0391 |
0,0325 |
0,0384 |
||
|
7 |
Масса образца, г |
10 |
22,2 |
22 |
23,5 |
22,3 |
24 |
21,1 |
19,8 |
19,7 |
21,2 |
|
|
8 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
9 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0422 |
0,0417 |
0,0423 |
0,0417 |
0,0457 |
0,0437 |
0,0483 |
0,0493 |
0,0447 |
||
|
10 |
Масса образца, г |
15 |
23,2 |
23 |
24,6 |
23,4 |
21,2 |
22,1 |
20,7 |
20,6 |
22,2 |
|
|
11 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
12 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,053 |
0,0541 |
0,0548 |
0,0527 |
0,0558 |
0,0557 |
0,0517 |
0,0638 |
0,0593 |
||
|
1 |
Масса образца, г |
0 |
20,2 |
20 |
21,4 |
20,3 |
21,9 |
19,2 |
18 |
17,9 |
19,3 |
|
|
2 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
3 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0316 |
0,0299 |
0,0322 |
0,0282 |
0,0326 |
0,0312 |
0,0259 |
0,0319 |
0,0278 |
||
|
4 |
Масса образца, г |
5 |
21,21 |
21 |
22,47 |
21,3 |
23 |
20,2 |
21,3 |
23 |
20,2 |
|
|
5 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
6 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0324 |
0,0324 |
0,0402 |
0,0378 |
0,0363 |
0,0378 |
0,0359 |
0,0348 |
0,0357 |
||
|
7 |
Масса образца, г |
10 |
22,2 |
22 |
23,5 |
22,3 |
24 |
21,1 |
19,8 |
19,7 |
21,2 |
|
|
8 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
9 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0431 |
0,0421 |
0,0437 |
0,0422 |
0,0468 |
0,0413 |
0,0501 |
0,0509 |
0,0413 |
||
|
10 |
Масса образца, г |
15 |
23,2 |
23 |
24,6 |
23,4 |
21,2 |
22,1 |
20,7 |
20,6 |
22,2 |
|
|
11 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
12 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0422 |
0,0543 |
0,0553 |
0,0523 |
0,0567 |
0,0564 |
0,0529 |
0,0641 |
0,0518 |
||
|
№ п/п |
Показатели |
Увлажне-ние, % |
ОПЫТ 4 |
|||||||||
|
2,1 |
2,2 |
2,3 |
3,1 |
3,2 |
3,3 |
4,1 |
4,2 |
4,3 |
||||
|
1 |
Масса образца, г |
0 |
20,2 |
20 |
21,4 |
20,3 |
21,9 |
19,2 |
18 |
17,9 |
19,3 |
|
|
2 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
3 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0327 |
0,0305 |
0,0329 |
0,0274 |
0,0324 |
0,0342 |
0,026 |
0,0321 |
0,0279 |
||
|
4 |
Масса образца, г |
5 |
21,21 |
21 |
22,47 |
21,3 |
23 |
20,2 |
21,3 |
23 |
20,2 |
|
|
5 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
6 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0329 |
0,033 |
0,0413 |
0,0381 |
0,0374 |
0,0394 |
0,0366 |
0,0361 |
0,0369 |
||
|
7 |
Масса образца, г |
10 |
22,2 |
22 |
23,5 |
22,3 |
24 |
21,1 |
19,8 |
19,7 |
21,2 |
|
|
8 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
9 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0458 |
0,0427 |
0,0469 |
0,0454 |
0,0486 |
0,0437 |
0,0543 |
0,0523 |
0,0429 |
||
|
10 |
Масса образца, г |
15 |
23,2 |
23 |
24,6 |
23,4 |
21,2 |
22,1 |
20,7 |
20,6 |
22,2 |
|
|
11 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
12 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0581 |
0,0558 |
0,0518 |
0,0507 |
0,0539 |
0,0587 |
0,0558 |
0,0657 |
0,0527 |
||
|
1 |
Масса образца, г |
0 |
20,2 |
20 |
21,4 |
20,3 |
21,9 |
19,2 |
18 |
17,9 |
19,3 |
|
|
2 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
3 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0325 |
0,0329 |
0,033 |
0,0279 |
0,0327 |
0,0315 |
0,0263 |
0,0329 |
0,028 |
||
|
4 |
Масса образца, г |
5 |
21,21 |
21 |
22,47 |
21,3 |
23 |
20,2 |
21,3 |
23 |
20,2 |
|
|
5 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
6 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0322 |
0,0338 |
0,0429 |
0,0383 |
0,0397 |
0,0365 |
0,0371 |
0,0359 |
0,0378 |
||
|
7 |
Масса образца, г |
10 |
22,2 |
22 |
23,5 |
22,3 |
24 |
21,1 |
19,8 |
19,7 |
21,2 |
|
|
8 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
9 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0464 |
0,0432 |
0,0484 |
0,0467 |
0,0478 |
0,0429 |
0,0567 |
0,0536 |
0,0481 |
||
|
10 |
Масса образца, г |
15 |
23,2 |
23 |
24,6 |
23,4 |
21,2 |
22,1 |
20,7 |
20,6 |
22,2 |
|
|
11 |
Толщина образта, мм |
17,5 |
17,25 |
18 |
16,25 |
18,5 |
18,75 |
15,5 |
16,75 |
14,25 |
||
|
12 |
Теплопроводность образца, Вт/(м°С) |
0,0598 |
0,0562 |
0,0541 |
0,0548 |
0,0558 |
0,0602 |
0,0579 |
0,0661 |
0,0532 |
|
Рисунок 2.11 - Индикаторная диаграмма значений теплопроводности в зависимости от относительной влажности (слева); график зависимости теплопроводности от относительной влажности минеральной ваты (справа) |
Для описания можно предложить полиномиальная функция второй степени типа л=0,0002w2 +0,0055w+0,1501 с величиной достоверности аппроксимации 0,9992. Как видно из графика, при возрастании влажности минеральной ваты также возрастает и ее теплопроводность. Этот процесс объясняется тем, что влага замещает воздух, расположенный между волокнами ваты, а теплопроводность воды гараздо больше, чем у воздуха.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПЛИТ НА ОСНОВЕ ТОРФА
3.1 Описание теплоизоляционного материалы
3.1.1 Общее сведение
Торфяные плиты - изготовляют в виде плит, скорлуп и сегментов. Сырьем для их производства служит малоразложившийся верховой торф, имеющий волокнистую структуру, что благоприятствует получению из него качественных изделий путем прессования.
Рисунок 3.1. Плиты на основе торфа
В зависимости от начальной влажности торфяной массы различают два способа изготовления плит: мокрый (влажность 90...95%) сухой (влажность около 35%). В настоящее время преимущественное распространение получил мокрый способ, обеспечивающий лучшее качество изделий.
Мокрый способ получения торфоплит заключается в смешивании измельченного торфа с большим количеством воды и последующем удалении ее при прессовании и сушке изделий. Вода гидромассы придает пластичность волокнам торфа, способствует образованию равно плотного волокнистого каркаса и лучшей свойлачиваемости. Также, вода способствует водному гидролизу углеводов торфа при нагревании. Образующиеся водорастворимые продукты гидролиза повышают связность волокон торфа и тем самым прочность плит.
При сухом способе производства требуется меньше тепла на сушку, чем при мокром. Торфяные теплоизоляционные плиты характеризуются однородной волокнистой структурой мелкопористого строения с открытыми сообщающимися порами. Абсолютные значения пористости торфяных плит колеблются в пределах 84-91%.
Подготовка сырья: важная технологическая операция, влияющая на качество изделий. Торф - сырец, доставляемый на предприятие с торфоразработок, должен иметь однородную массу и характеризоваться необходимой степенью разложения. Для этого в сырьевом отделении предприятия его усредняют, добавляя по необходимости торф различных возрастов, здесь же из торфа удаляют древесные и другие включения. Затем торф дробят (“расчесывают”) для увеличения удельной поверхности волокон. Эту операцию осуществляют в волк-машине, работающей по принципу зубчатой валковой дробилки. Зубчатые барабаны, вращаясь навстречу друг другу с различной окружной скоростью, превращают куски торфа в торфяную крошку.
Приготовление торфяной гидромассы включает следующие операции:
а) Измельченный в волк-машине торф поступает в варочные котлы, в которых происходят за творение его водой, тепловая обработка при температуре 50... 55°С (варка гидромассы) и пропитка ее химическими веществами для улучшения качества изделий. Высокое водозатворение торфяной крошки (концентрация торфа в гидромассе не более 6%) способствует дополнительному расщеплению торфа на отдельные волокна, обеспечивает наибольшую однородность смеси и равно плотность получаемых изделий, а также получение мелкопористой структуры торфяных плит. Варка гидромассы заключается в прогреве ее острым паром и выдерживании при заданной температуре в течение 20... 30 мин. При этом обеспечивается улучшение условий расщепления волокон торфа и усиление свертывания коллоидов, что существенно облегчает обезвоживание плит при формовании и сушке. Для улучшения качества торфоплит в процессе варки гидромассы в нее вводят гидро - фобизаторы (4... 5% по массе, считая на сухой торф), антисептики (2 ...2,5%) и антипирены (10... 15%).
б) Формование торфяных плит осуществляют в гидравлических прессах преимущественно карусельного типа. Для прессования используют металлические формы с сетчатыми поддонами. Удельное давление прессования обычно составляет 0,2 МПа. В начальный момент прессования вся внешняя нагрузка воспринимается водой гидромассы. Затем вода отфильтровывается и внешняя нагрузка начинает воздействовать непосредственно на частицы торфа. В конце процесса прессования отжим воды прекращается, и вся внешняя нагрузка воспринимается твердой фазой (торфом).
При интенсивном прессовании воздух, находящийся в торфяной массе, сжимается и способствует ускорению отжима воды, а сам, будучи в защемленном состоянии, не успевает удалиться. С увеличением продолжительности прессования часть защемленного воздуха замещается водой, количество газовой фазы в плите уменьшается, а влажность отпрессованной плиты увеличивается. Использование интенсивного прессования (кратковременного) вследствие имеющегося при этом упругого последействия воздуха позволяет существенно снижать влажность плит и сокращать расход теплоты на их сушку. Поэтому интенсивный режим прессования плит предпочтителен.
в) Тепловая обработка торфяных плит осуществляется для снижения их влажности с 80... 85 до 5... 10% путем испарения воды сушкой. При этом отдельные волокна торфа, сближаясь, склеиваются в местах контактов выделяющимися из торфа смолообразными продуктами. Сушат торфоплиты на поддонах в туннельных сушилках при максимальной температуре теплоносителя (воздуха или газовоздушной смеси) 150... 160°С. Продолжительность сушки торфоплит зависит от их начальной влажности и составляет 24... 32 ч. Расходы на сушку в общем балансе себестоимости составляют от 18 до 22%.
г) Обработку плит осуществляют после сушки. Торфоплиты отправляют на склад, где они остывают и приобретают присущую им равновесную влажность 12... 15%. Затем их сортируют и обрезают неровные кромки. В случае изготовления пакетов плиты склеивают, нанося на поверхность расплавленный битум и сжимая плиты в винтовом прессе. Склеивая таким образом 2-3 плиты, получают пакеты толщиной 60-90 мм.
Применение:
- Теплоизоляция ограждающих конструкций зданий III класса и сооружений;
- Тепловая изоляция поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре от - 60 до + 100°С.
3.1.2 Теплофизические и механические свойства торфяных плит
Торфяные плиты, помимо теплофизических свойств обладает также другими свойствами, такими как механические и делают их наиболее распространенным органическим теплоизоляционным материалом: пористость плит колеблется в пределах 84-91%; водостойкость - не более 50% за сутки; трудносгораемость с температурой самовоспламенения более 300 °С; прочность при изгибе составляет 0,3-0,5 МПа, что обеспечивает удовлетворительные условия для их транспортирования и монтажа; плотность готовых изделий относят к группе высокоэффективных теплоизоляционных материалов; биостойкие; органические; морозостойкие.
Коэффициент теплопроводности торфяных плит в сухом состоянии составляет 0,052-0,075 Вт/м°С, который зависит от: а) пористости материала; б) толщины исследуемого образца; в) плотности или объемной массы материала; г) влажности внутреннего и наружного воздуха; д) гигроскопичности объекта исследования. Это объясняется их смешанной мелкопористой структурой и органическим происхождением твердой фазы.
Для улучшенной теплопроводности необходимо выполнить подбор оптимальных пропорций между связующим, наполнителем и торфом с целью получения образца низкой пористости, улучшенной теплопроводностью, водо- и влагопоглощением, высокой морозостойкостью, огнестойкостью и низкой токсичностью.
В связи с этим, далее в работе будут рассмотрены теплофизические и механические характеристики торфяных теплоизоляционных плит, изготовленные в Ханты-Мансийском автономном округе - Югра и в лабораторных условиях Вологодского государственного университета.
3.2 Торфяные теплоизоляционные плиты (производство технопарк высоких технологий Автономного учреждения Ханты-Мансийского автономного округа - Югра)
Технопарком высоких технологий Автономного учреждения Ханты-Мансийского автономного округа - Югра были присланы образцы торфяных плит для исследования зависимости коэффициента теплопроводности от относительной влажности. На рисунке 3.2 представлен образец теплоизоляционной плиты, а в таблице 3.1 представлен процентный состав этих плит.
Рисунок 3.2 - Торфяная плита
Таблица 3. 1 - Состав теплоизоляционных торфяных плит
|
Состав |
Кол-во, % |
|
|
Торф верховой |
55-65 |
|
|
Сосновые опилки |
25-30 |
|
|
Вода |
10-15 |
Торфяные теплоизоляционные плиты были изготовлены технологическим процессом, который осуществлялся установкой для автогидролиза и был применен метод взрывного автогидролиза. На рисунке 3.3 показана схема установки.
Рисунок 3.3 - Установка для автогидролиза состоит из: 1 - загрузочное устройство; 2 - входной шнек; 3 - центральный шнек; 4 - перфорированный вал; 5 - парогенератор; 6 - реактор; 7 - выходной шнек; 8 - клапан сброса давления; 9, 10, 11 - сборник продукта, выполненного в виде трех вертикальных резервуаров, каждый из которых оснащен в нижней части горизонтальным шнеком - 12; в верхней части емкостью с растворителями - 13; 14 - система орошения; 15 - сборник отработанного раствора; 16 - пневматическая сушильная камера; 17 - калорифер; 18 - вентилятор; 19 - циклон; 20 - линия отвода отработанных растворов; 21 - приемник отработанных растворов; 22, 23,24,25,26 - регулирующие вентили; 27 - шиберная заслонка; 28 - центробежный насос; 29 - приемник готового продукта. Валы шнеков соединены с электродвигателями 30, 31, 32 через редукторы 33, 34, 35, реактор оснащен рубашкой 36 и шлюзовой камерой 37. Пневматическая сушильная камера оснащена механическим размешивающим устройством 38, редуктором 39, электродвигателем 40. Вертикальные резервуары сообщены через линию отвода пара 41 с барометрическим конденсатором 42.
Согласно рисунку 3.3, установка работает следующим образом: сырье в виде опилок древесины загружают в загрузочное устройство 1, откуда оно переходит во входной шнек 2, вращающийся от электродвигателя 30 через редуктор 33. На входе в реактор 6 сырье образует герметизирующую пробку. Попадая в центральный шнек 3, вращающийся на перфорированном валу 4, через полость которого поступает пар из парогенератора 5, опилки пропитываются водяным паром и подвергаются воздействию температуры. Перфорированный вал 4 соединен с электродвигателем 31 через редуктор 34. Количество поданного пара регулируется вентилем 22. Образующийся конденсат стекает по рубашке 36 через перфорированную часть реактора и удаляется через шлюзовую камеру 37 с вентилями 23 и 24. За счет сужающейся конструкции реактора 6 на выходе образуется пробка, которая сохраняет герметичность реактора. Обработанная древесная масса по выходному шнеку 7, соединенному с валом центрального шнека, доходит до клапана сброса давления 8, в результате открытия, которого древесная масса выстреливается в виде волокнистого материала в сборник продукта - резервуар 9. В резервуар 9 из емкости 13 через систему орошения 14 подают растворитель этанол-вода в соотношении 9:1. Подача растворителя регулируется вентилем 25. Отработанный раствор по линии отвода 20 через накопитель 15 и вентиль 26 направляется в приемник отработанных растворов 21. Часть растворителя возвращается на орошение с помощью центробежного насоса 28. Обработанная древесная масса по шнеку 12, работающему от электродвигателя 32 через редуктор 35, направляется в следующий резервуар 10, где происходит аналогичный процесс, в котором в качестве растворителя используется раствор гидроксида натрия концентрацией от 0,4 до 2%. В резервуаре 11 проводят промывку волокнистой массы водой. Далее готовый продукт направляется в пневматическую сушильную камеру 16, куда вентилятором 18 подается воздух, нагреваемый в калорифере 17. Для равномерной сушки целлюлозы используется механическое размешивающее устройство 38, работающее от электродвигателя 40 через редуктор 39. Высушенная целлюлоза пневмотранспортируется через улавливающий циклон 19 и, осаждаясь, попадает в приемник готового продукта 29. Подача воздуха регулируется шиберной заслонкой 27. Водяной пар удаляется из резервуаров 9, 10 и 11 по линии отвода пара 41 и конденсируется в барометрическом конденсаторе 42.