сотрудник с 01.01.2015 по настоящее время
Воткинск, Удмуртская республика, Россия
сотрудник
Зволен, Словакия
сотрудник
Воткинск, Удмуртская республика, Россия
студент
Воткинск, Удмуртская республика, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 53 Физика
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.04.01 Строительство
ОКСО 08.03.01 Строительство
ББК 223 Физика
ББК 38 Строительство
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
ТБК 5512 Теплоэнергетика. Теплотехника
BISAC TEC009020 Civil / General
В статье проводится анализ температурных полей над образцами пенобетона, армированными ПЭТФ-волокнами, который разработан в Воткинском филиале Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова. Эффективность армирования ПЭТФ-волокнами в области улучшения прочностных свойств уже была доказана, но до сих пор недостаточно изучено влияние армирования ПЭТФ-волокнами на теплофизические свойства пенобетонов. В лабораториях Технического университета г. Зволен, Словакия (TUZVO) мы провели анализ теплопередачи с помощью естественной конвекции путем нагрева армированных образцов пенобетона. Был использован метод голографической интерферометрии, позволяющий визуализировать температурные поля в режиме реального времени. Температурные поля, возникающие над поверхностью образцов, отображались и регистрировались посредством интерферометра Маха-Цендера методом «живой границы» на протяжении всей длины интерференционных полос. Предложена методика по расчету параметров теплообмена по аналогии с нагревом плоской плиты. Был проведен качественный и количественный анализ голографических интерферограмм температурного поля; рассчитаны локальные параметры теплообмена: коэффициенты теплоотдачи α и теплопроводности λ. Установлено, что российские образцы пенобетона, армированные ПЭТФ-волокном, обладают более высокой теплостойкостью и лучшей изоляцией по сравнению с зарубежными аналогами.
голографическая интерферометрия, интерферометр Маха-Цендера, теплообмен, пенобетон, полиэтилентерефталатное волокно (ПЭТФ-волокно)
Введение
Проблема энергосбережения в строительстве вытекает из необходимости развития направления по созданию и производству эффективных недорогих материалов с высокими теплофизическими и прочностными характеристиками. В числе перспективных материалов такого вида находятся ячеистый пено- и газобетон. Преимущество при организации производства ячеистого бетона в России, в частности, на региональном уровне, отдается неавтоклавному пенобетону (плотность 600-800 кг/м3) ввиду более низких капитальных вложений, а также более простой технологии изготовления [1]. Помимо этого пенобетон способен решить существующие задачи в области теплоэнергетики и теплотехники: создание одновременно теплоизоляционного и прочного конструкционного материала.
Материал
Для экспериментальных исследований были использованы образцы конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона плотностью 600 кг/м3, изготовленные в Воткинском филиале Ижевского государственного технического университета по классической технологии. В качестве сырья применялись портландцемент нормальнотвердеющий ЦЕМ I 42,5Н ПАО «Мордовцемент», песок природный карьерный ООО «Волковский карьер» г. Чайковский, вода, пенообразователь Foamin C ООО «М-Альянс» г. Москва и армирующее ПЭТФ-волокно ООО «ПЭТ» г. Чайковский.
Эффективность армирования ПЭТФ-волокнами в области улучшения прочностных свойств уже была доказана [2, 3]. Но до сих пор недостаточно изучено влияние армирования ПЭТФ-волокнами на теплофизические свойства пенобетонов.
Для конструкционно-теплоизоляционных пенобетонов одним из основных показателей качества (наряду с прочностью, морозостойкостью, трещиностойкостью, паропроницаемостью и т.д.) является теплопроводность, оцениваемая коэффициентом теплопроводности λ, Вт/м·К, и коэффициентом теплоотдачи α,Вт/(м2∙К). Экспериментальные исследования проводились в лабораториях Технического университета г. Зволен, Словакия (TUZVO).
Методика
Методы голографической интерферометрии широко используются для измерения и визуализации параметров изменений объектов при различных внешних воздействиях [4-6]. Они основаны на принципе сравнения двух волновых фронтов, причем один из них или оба записывают и восстанавливают голографическим методом.
Голографический интерферометр Маха-Цендера является прибором с широкими возможностями настройки, который используется в том числе для исследования температурных полей. Типичный оптический набор для голографической интерферометрии устройством Маха-Цендера приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Схема голографического переменного одноволнового интерферометра Маха-Цендера: OV – линия объекта; RV – опорная линия; D – разделитель; H – голографическая плата; DH – держатель голографической платы; KZ – зеркало в карданной подвеске; O1, O2 – объективы; Z1, Z2, Z3 – зеркала; C1, C2 – перфорированные жалюзи; FP – фазовый объект (начальное температурное поле над объектом испытания); MO1, MO2 – объективы микроскопических объектов; PD1, PD2 – планшеты; ST – объект испытания; TS1, TS2 – телескопические комплекты; OH – источник нагрева; SST – держатель для захвата объекта испытания; CCD – камера; ПК – компьютер с аппаратным и программным обеспечением
После отражения от зеркала лазерный луч (Z1) разбивается на разделительной плате (D) на два объема – объектный и эталонный. Часть пучка распределяется (D), передается, и свет распространяется в его исходном направлении. Посредством дополнительных зеркал (Z2, Z3), а также зеркала, расположенного в карданной подвеске (KZ), пучки света направляются в место расположения голографической платы (HD). Для записи более обширных полей лучи должны быть усилены с помощью телескопических комплектов (TS1, TS2).
Объем лучей (OV), передающих значение температурного поля (FP) над испытуемым твердым телом (ST), попадает на голографическую плату (H), закрепленную в держатель (DH). Другой объем параллельных лучей (опорная линия RV) падает на зеркало, размещенное в карданной подвеске.
Поворачивая зеркало (KZ) вокруг двух независимых друг от друга осей, можно настроить ограниченную или бесконечную ширину полосы в контрольной области за голограммой.
Голограмма получается при одновременном экспонировании голографической платы двумя световыми потоками при однородном значении коэффициента преломления в измеряемой области, т.е. без входа в фазовый объект.
После фотохимической обработки голографической платы можно восстановить исходный размер объекта, который в режиме реального времени интерферируется с реальным объемом объекта, деформированного оптическими неоднородностями, т.е. при сбое в любом месте с изменением показателя преломления света, например, при изменении плотности воздуха из-за изменения температуры, изменятся и локальные значения оптического пути света. Любое изменение значения коэффициента преломления искажает реальную объектную волну и проявляется в виде появления интерференционных полос.
В качестве источника голографической интерферометрии использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны l = 0,6328∙10-6 м.
В эксперименте использовался метод «живой границы» или метод реального времени «Infinite-Fringe». Данный метод позволяет наблюдать одновременно за изменениями коэффициента интерференции и изменениями фазовой неоднородности в реальном времени.
Анализ голографических интерферограмм
Функциональная зависимость температуры от величин состояния окружающей среды, длины модели, длины световой волны и количества темных полос от положения неоднородной области определяется в соответствии с [7] по формуле:
(1)
где T(x,y) – расположение температур, температура в соответствующем интерференционном порядке; T∞ – температура воздуха в контрольной области; p∞ – давление в данной области; s – интерференционный порядок; λ – длина световой волны; l – длина модели.
Воздух в контрольной области с температурой T¥ взаимодействует с поверхностью модели с температурой Tx в положении x, что приводит к локальному теплообмену между поверхностью и воздухом.
Значение локального (местного) коэффициента теплоотдачи αx зависит от многих факторов, например, от типа жидкости, скорости потока, формы поверхности, положения наблюдаемой области или разницы температур поверхности и воздуха [8]. Значение локального коэффициента теплоотдачи можно рассчитать по формуле [9]:
(2)
где λ – коэффициент теплопроводности (определяется температурой поверхности); 
– температура поверхности модели в положении x.
Рассмотрим нагрев горизонтальной плоской плиты: нагрев происходит снизу, температура нижней нагреваемой поверхности t1, верхней поверхности – t2. Согласно основному закону теплопроводности – закону Фурье, плотность теплового потока q равна [10]:
(3)
Для плотности стабилизированного теплообмена q через плиту шириной d следует:
(4)
Если температура газа (или жидкости) над плитой соответствует t∞ , то согласно закону Ньютона-Рихмана о плотности потока тепла [11]:
(5)
где α – коэффициент теплоотдачи.
Из условия равенства плотности тепловых потоков через плиту следует:
(6)
Из уравнения (6) можно рассчитать неизвестный коэффициент теплопроводности плиты:
(7)
Экспериментальные исследования теплообмена
Для измерения теплопередачи использовались экспериментальные образцы из пенобетона, армированного ПЭТФ-волокном, размерами 40´40´15 мм. В качестве нагревателей использовались два электрических щитовых нагревательных элемента общей входной мощностью 300 Вт с возможностью ручного регулирования тепловой мощности в пределах 15-100%.
Голографические интерферограммы температурного поля над нагретым экспериментальными образцами регистрировались при температуре окружающей среды 23,5°C (296,65 K) и давлении 98100 Па.
Голограммы записывались интерферометром Маха-Цендера на неограниченное число интерференционных полос в режиме реального времени. В ходе экспериментов мы наблюдали расположение температурного поля над образцами, отражающего все три вида теплообмена (теплопроводность, излучение и конвекцию), а также определяли теплофизические свойства образцов.
Голографические интерферограммы, полученные в ходе эксперимента, представлены на рисунке 2.
|
8 минут нагревания |
12 минут нагревания |
14 минут нагревания |
22 минуты нагревания |
31 минута нагревания |
Рис. 2. Гологографические интерферограммы температурных полей
Результатом интерферометрической визуализации температурных полей является изображения голографических интерферограмм, которые могут быть оценены как количественно, так и качественно.
При качественной оценке интерферограмм 2D температурных полей и установке интерферометра на произвольную ширину полос в контрольной области интерференционные полосы представляли собой пучки фазовых объектов с тем же значением показателя преломления, т.е. изотермы диапазонов температуры (пучки с определенной температурой). Если они находились близко друг к другу, это означало наличие большого термического градиента (значительное изменение температуры на небольшом участке). Полосы, расположенные дальше друг от друга, представляли собой участки с почти одинаковыми температурами.
На основе полученных голографических интерферограмм также проводился количественный анализ. Экспериментально температуры были рассчитаны в соответствии с (1). Далее из интерферограмм были вычислены локальные коэффициенты теплоотдачи αx в соответствии с (2) по температуре контактной поверхности, температуре и расстоянию между первыми полосами отсчёта, расположенными над счетчиком. Коэффициенты теплоотдачи рассчитывались по сечениям на расстоянии 20, 22, 24 мм от левого края исследуемого образца.
В областях, где проходил поток воздуха (по конечной ширине образца он находился в середине), возникали специфические колоколобразные полосы, причем градиент температуры был наименьшим, а отдельные изотермы были более удалены друг от друга. В этих зонах конкретных колоколовидных полос оценивали коэффициент теплоотдачи α. На рисунке 3 показаны расчетные значения локального коэффициента теплоотдачи на расстоянии 20, 22 и 24 мм от края образца.
Рис. 3. Расчетные значения локального коэффициента теплоотдачи образцов армированного пенобетона
Чем плотнее полосы, тем выше коэффициент теплоотдачи α. В конкретных колоколовидных интерференционных полосах наблюдалась более низкая теплопроводность, а также более высокое сопротивление на больших расстояниях.
Для расчета коэффициента теплопроводности использовался локальный коэффициент теплоотдачи α=1,54 Вт/(м2∙К), полученный при расчете сечения интерференционных полос над серединой образца. С помощью выражения (7) мы определили значение коэффициента теплопроводности пенобетонного армированного образца λ = 0,025 Вт/(м∙К).
По сравнению с газобетонными блоками шведской фирмы YTONG (λ=0,0294 Вт/(м∙К)), применяемыми в Словакии для малоэтажного строительства, российские образцы пенобетона, армированные ПЭФТ-волокном, показали более низкое значение теплопроводности, что означает более высокую теплостойкость и лучшую изоляцию.
Выводы
В статье мы провели анализ теплопередачи с помощью естественной конвекции путем нагрева образца пенобетона, армированного ПЭТФ-волокнами.
Температурные поля, возникающие над поверхностью образца, отображались и регистрировались посредством установки интерферометра Маха-Цендера на протяжении всей длины интерференционных полос в режиме реального времени. Количественный анализ изображений голографической интерферограммы позволил получить коэффициенты теплоотдачи αx, необходимые для последующего расчета коэффициента теплопроводности λ для образцов с известной системой армирования с заданными размерами и свойствами арматуры и самих образцов. Этот подход можно использовать и для других типов армирования пенобетона.
1. Пустыльник О.С. Проблемы и перспективы производства высококачественного пенобетона // Поколение будущего: взгляд молодых ученых : сборник научных статей 6 Международной молодежной научной конференции 09-10 ноября 2017 года. Том 3. Курск. 2017. С. 217-221.
2. Домнина К.Л., Сотникова М.В. Моделирование системы армирования мелкозернистых бетонов // Молодежь. Наука. Современность: IV Всерос. науч.-практ. конф. с международ. участием (10 апреля 2017 г.): сборник статей. Филиал ФГБОУ ВО «УдГУ» в г. Воткинске. Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет». 2017. С. 133-136.
3. Домнина К.Л., Сотникова М.В. К вопросу прочности на сжатие мелкозернистого фибробетона // Наука Удмуртии. 2018. № 2 (84). С. 29-33.
4. Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1977. 336 с.
5. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982. 504 с.
6. Jones R., Wykes C. Holographic and Speckle Interferometry. Cambridge University Press. Cambridge, UK, 1989.
7. Černecký J., Pivarčiová E. Possibilities and Prospects of Holography. Izhevsk, Rossia : State Technical University, 2007. ISBN 978-5-7526-0303-7.
8. Cernecky J., Koniar J., Brodnianska Z. The Effect of Heat Transfer Area Roughness on Heat Transfer Enhancement by Forced Convection // Journal of Heat Transfer of the ASME journals. 2014. №136 (4).
9. Pavelek M., Janotková E., Štětina J. Vizualizační a optické měřicí metody (Visualisation and optical measuremet methods). Brno: VUT (University of Technolgy in Brno), 2007.
10. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. пособие для неэнергетических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1975. 496 с.
11. Новиков И.И., Воскресенский К.Д. Прикладная термодинамика и теплопередача. М.: Атомиздат, 1977. 352 с.
