Температурно-вологісний режим огороджувальних конструкцій будівель

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.042.5:697.133:692.2:725

ТЕМПЕРАТУРНО-ВОЛОГІСНИЙ РЕЖИМ ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ БУДІВЕЛЬ

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Чумуріна Олена Борисівна

Харків 2007

Дисертацію рукопис.

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: СТРОЙ АНАТОЛІЙ ФЕДОРОВИЧ доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри теплогазопостачання та вентиляція Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: МАЛЯРЕНКО ВІТАЛІЙ АНДРІЙОВИЧ доктор технічних наук, професор Харківської національної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України;

ЧАЙКА ЮРІЙ ІВАНОВИЧ кандидат технічних наук, доцент кафедри теплогазопостачання, вентиляція та використання теплових вторинних енергоресурсів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Провідна установа: Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції

Захист дисертації відбудеться “6” червня 2007 р. о “12” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Автореферат розісланий “28” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, професор М.І. Колотило.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена вивченню змін тепловологісного стану огороджувальних конструкцій при нестаціонарних процесах тепломасообміну.

Актуальність теми. В останній час збільшується об'єм будівництва в Україні. При цьому досить часто замість традиційних будівельних матеріалів впроваджуються нові. Впровадження нових матеріалів потребує глибших за змістом науково-обґрунтованих теплотехнічних розрахунків огороджувальних конструкцій.

Розробка огороджувальних конструкцій будівель базується на значній кількості взаємопов'язаних задач, які необхідно вирішувати при проектуванні та будівництві, щоб забезпечити міцність огороджувальних конструкцій, а також необхідний тепловий та вологісний їх стан. Однією з найважливіших та найскладніших задач, яка виникає при проектуванні та експлуатації будівель, це тепломасообмін огороджувальних конструкцій з навколишнім середовищем. Для вирішення цієї задачі необхідна відповідна наукова база. Теоретичні та експериментальні дослідження явищ переносу теплоти та маси мають велике практичне значення не лише в будівництві, а й в інших галузях промисловості, де технологічні процеси протікають із використанням теплоти. Знання механізму переносу теплоти та маси дає можливість корінним чином впливати на покращення експлуатаційних характеристик огороджувальних конструкцій, а також створювати нові методи виробництва матеріалів та виробів.

Дослідженням процесів змін вологісного стану в огороджувальних конструкціях займалися А.В. Ликов, Гребер Г., Е.Р. Еккерт, Ф.В. Ушков, К.Ф. Фокін, Б.Ф. Васильєв, В.М. Богословський та інші автори.

Розроблені аналітичні методи рішення частіше всього занадто складні та громіздкі. До того ж в деяких випадках достатньо точні рішення взагалі отримати неможливо. Ці складнощі набувають принципового характеру тоді, коли одержані рішення не дають можливості аналізувати вплив змін параметрів навколишнього середовища на температурно - вологісний стан огороджувальної конструкції.

Аналіз літератури свідчить про те, що в будівельній теплотехніці при розрахунках огороджувальних конструкцій використовуються методи, які в значній мірі базуються на застарілих співвідношеннях і лише приблизно відображають сутність явищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Комплексної державної програми енергозбереження України, п.4 “Екологічно чиста енергетика і енергозберігаючі технології” “Концепції пріоритетних напрямків науки і техніки”, прийнятої постановою Кабінету міністрів України від 22.06.1994 р. № 429.

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці методики розрахунку тепловологісного стану огороджувальних конструкцій з урахуванням змін параметрів повітря, яке омиває огороджувальну конструкцію, та з урахуванням повітропроникності на процес переносу вологи.

Задачі досліджень:

виконати аналіз фізичних процесів, які характеризують зміну тепловологісного стану огороджувальної конструкції з урахуванням її повітропроникності та змін параметрів повітря, яке омиває конструкцію;

розробити математичну модель, яка буде характеризувати зміну тепловологісного стану огороджувальних конструкцій при:

- термодифузії,

- термодифузії з урахуванням повітропроникності,

розробити алгоритми розрахунку для вирішення запропонованих математичних моделей;

визначити вплив різних факторів на зміну тепловологісного стану огороджувальних конструкцій, зокрема параметрів зовнішнього та внутрішнього повітря;

провести обчислювальні, лабораторні та натурні дослідження з метою перевірки результатів теоретичних досліджень та оцінити достовірність математичних моделей;

кількісно оцінити ступінь впливу параметрів повітря при повітропроникності на процес тепло- та вологопереносу в огороджувальних конструкціях.

Об'єкт дослідження - огороджувальні конструкції будівель.

Предмет дослідження - процеси нестаціонарного тепло масообміну з урахуванням процесу повітропроникності.

Методи дослідження - використані аналітичні й експериментальні методи, які базуються на законах технічної термодинаміки, тепломасообміну, фізичного та математичного моделювання. При виконанні експериментальних досліджень використовувалися методи математичного планування експериментів і статистичної обробки дослідних даних. Обґрунтованість і вірогідність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується коректним використаннями математичного апарату, а також експериментальними дослідженнями. Адекватність математичних моделей підтверджена експериментально.

Наукова новизна роботи:

- сформульована задача та отримана система рівнянь, яка описує термодифузію вологи крізь огороджувальну конструкцію з урахуванням змін параметрів повітря, яке її омиває;

- вирішена задача зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції з урахуванням її повітропроникності;

- на основі проведеного аналізу змін тепловологісного стану огороджувальної конструкції розроблений метод розрахунку вологісного режиму огороджувальних конструкцій будинку в процесі його експлуатації з урахуванням процесу повітропроникності;

- на основі одержаних математичних моделей розроблені алгоритми розрахунку тепловологісного стану огороджувальної конструкції.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено програму розрахунків процесу тепломасопереносу в огороджувальній конструкції при симетричних та несиметричних граничних умовах з урахуванням змін параметрів повітря, яке її омиває;

- розроблено програму розрахунків вологісного режиму огороджувальних конструкцій будинку в процесі його експлуатації з урахуванням процесу повітропроникності;

- розроблені математичні моделі можуть бути використані при розрахунках огороджувальних конструкцій та процесів сушіння.

Особистий внесок автора. Виконано критичний аналіз існуючих методів розрахунку вологісного стану огороджувальних конструкцій. Розроблені математичні моделі змін тепловологісного стану огороджувальних конструкцій. Вивчено вплив повітропроникності на зміну вологісного стану огороджувальних конструкцій. Розроблено метод розрахунку зміни вологісного режиму огороджувальних конструкцій з урахуванням повітропроникності.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантських семінарах кафедри теплогазопостачання та вентиляції Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (2002-2006 р); на міжнародній науковій конференції “Перспективи розвитку сільського будівництва й архітектури на сучасному етапі ” (присвяченої 110 річчю з дня народження професора Д.М. Топчія) (м. Полтава, 2003 р.); а також на кафедрі “Теплогазопостачання, вентиляція та використання теплових вторинних енергоресурсів” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 2007 р.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 8 робіт, у тому числі одна без співавторів. З них 6 у фахових журналах та збірниках наукових праць, 1 у збірниках доповідей наукових конференцій, 1 патент України на екологічно чисту сушарку. Всі статті відповідають вимогам ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, списку умовних позначень, загальних висновків, списку використаних джерел з 123 найменувань на 11 сторінках; додатку А на 2 сторінках. Загальний обсяг роботи - 135 сторінок, з яких 109 сторінок основного тексту, 41 рисунок, 7 таблиць.

тепловологісний огороджувальний повітропроникність математичний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета, задачі, предмет і методи дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, виділений особистий внесок автора роботи, наведені відомості щодо апробації досліджень та публікацій.

У першому розділі виконаний аналіз нормативних, літературних та довідкових даних та напрямків розвитку методів розрахунку процесів тепло- та масообміну в огороджувальних конструкціях.

Огороджувальні конструкції це капілярно пористі тіла, в яких знаходиться волога. Переміщення в них вологи обумовлене різними механізмами. В рідкому стані воно відбувається за рахунок надлишкового капілярного потенціалу. Іншим механізмом є випаровування вологи при нагріванні та переміщення її за рахунок різних парціальних тисків. Існують також інші механізми, які є причиною переміщення вологи.

Процеси, які характеризують переміщення вологи в огороджувальних конструкціях, потрібно розглядати в тісному зв'язку з тепловим, вологісним та повітряним режимом навколишнього середовища. При цьому, за основу необхідно приймати тепловий режим огородження. В той же час, повітряний стан огороджувальної конструкції, тобто процеси ексфільтрації та інфільтрації, також відіграють суттєву роль при процесах тепломасообміну та переміщення вологи. В існуючих літературних джерелах процеси переміщення вологи в огороджувальних конструкціях розглядаються без врахування змін тепловологісного стану навколишнього середовища.

У першому розділі зроблено висновок про те, що процес зміни тепловологістного стану огороджувальних конструкцій є нестаціонарним процесом і його слід розглядати, пов'язуючи його із зміною теплового та вологісного стану зовнішнього і внутрішнього повітря, яке його омиває; зроблено також висновок, що необхідно визначити вплив повітропроникності на процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції, тому що існуючи методи розрахунку не дають можливості дати відповідь на це запитання.

У другому розділі. Проблема оцінки вологісного стану огороджувальних конструкцій полягає у відсутності науково - обґрунтованих та достовірних методів розрахунку. В літературі, зокрема в довіднику А.В. Ликова “Тепломассообмен”, процес зміни тепловологісного стану характеризується системою диференціальних рівнянь:

(1)

Використати запропоновану систему рівнянь (1) для розрахунку вологісного стану огородження занадто складно, так як не сформульовані граничні та початкові умови і їх математичний вираз. Система рівнянь передбачає, що основним потенціалом переміщення вологи в огородженні є різниця парціальних тисків, а волога переміщується за рахунок дифузії.

Аналіз процесів, виконаний у першому та другому розділі дисертаційної роботи, дав можливість зробити висновок, що процеси, які відбуваються навіть у внутрішній огороджуючій конструкції, яка з обох боків має симетричні граничні умови (вісесиметрична задача), не можуть описуватись системою рівнянь (1), тому що, при переміщенні повітря вздовж поверхні, воно змінює свою температуру та вологість. А цей фактор необхідно враховувати. Таким чином, математичне формулювання цієї задачі зводиться до системи рівнянь (2). При цьому, два останніх рівняння в цій системі характеризують граничні умови для цієї вісесиметричної задачі.

. (2)

В цій системі рівнянь: - температура в любій точці огороджувальної конструкції, ^оС; - координати, м; - проміжок часу, год; коефіцієнт температуропровідності, м²/год, коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м·^оС) ; теплоємність матеріалу, Дж/(кг ·^оС); густина матеріалу, кг/м³; - прихована теплота пароутворення, кДж/кг; - критерій випаровування, який характеризує частку переносу вологи у вигляді пари від загальної її маси, (кг вологи/кг матеріалу); парціальний тиск водяної пари в порах матеріалу, Па, коефіцієнт дифузії, м²/год; ; коефіцієнт вологопровідності матеріалу, кг/(м·год·%) ; кількість вологи, яка необхідна для збільшення вологості 1 кг матеріалу на 1 %, г.; - термоградієнтний коефіцієнт, Па/⁰С; питома ізобарна теплоємність повітря, Дж/(кг·⁰С); - витрати повітря, віднесені до 1 м огородження, кг/(год·м); - коефіцієнт теплообміну на поверхні огороджувальної конструкції, Вт/(м²·^оС); - зміна температури повітря за проміжок часу , ⁰С; - кількість теплоти, яка витрачається на випаровування вологи з 1м поверхні огородження за 1 годину, Дж/(год·м); коефіцієнт, який враховує зміну вологовмісту повітря при зміні парціального тиску водяної пари у повітрі, (г/кг)·(1/Па); - зміна парціального тиску водяної пари в повітрі за проміжок часу , Па; -температура повітря, ^оС; коефіцієнт вологообміну між повітрям та поверхнею конструкції, г/(Па·год·м²); - парціальний тиск водяної пари в повітрі, Па .

Для вирішення системи рівнянь (2) її необхідно доповнити початковими умовами:

1) , ;

2) ,.

Проблема аналізу процесів зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції за допомогою математичної моделі (2) полягає у складності отримання теоретичного вирішення цієї моделі, тобто в отриманні функцій:

Для вирішення поставленої задачі можливо застосувати кінцево - різницевий метод. При цьому необхідно розробити рекомендації по визначенню проміжку часу . Складність розробки алгоритму розрахунку та вибору обумовлена різною інерційністю процесів перенесення теплоти та вологи в повітрі та в матеріалі. Для розробки алгоритму розрахунку розбиваємо огороджувальну конструкції за допомогою об'ємної сітки із сторонами ) (див. рисунок 1). Розглянемо рівняння теплового та вологісного балансу для кожного елементарного об'єму.

Рівняння теплового балансу для точки , у випадку, коли температура повітря вища за температуру огородження, а вологість повітря нижча за вологість матеріалу огородження, буде мати вигляд:

(3)

де кількість закумульованої теплоти, Дж; кількість теплоти, підведеної від повітря, Дж; кількість теплоти, відданої сусіднім

точкам, Дж; кількість теплоти, яке витрачається на випаровування вологи з поверхні, Дж.

Кількість теплоти, підведеної від повітря та від точки до точки за проміжок часу , можна визначити за допомогою формули:

(4)

де коефіцієнт тепловіддачі від повітря, Вт/(м²·^оС); площа поверхні, до якої підводиться теплота від повітря, м² ; середнє значення температури повітря на проміжку , ^оС; температура в точці , ^оС; температура в точці ,^оС; проміжок часу, сек.;

площа поверхні, через яку підводиться теплота від точки , м².

Рисунок 1. Об ємна сітка на огороджувальній конструкції

Схема теплових и вологісних потоків для точки представлена на рисунку 2, а , для точок - на рисунку 2, б.

а) б)

Рисунок 2. Схема теплових та вологісних потоків для точки та для точки огороджувальної конструкції

рух тепла

рух вологи

Кількість теплоти, яка віддається сусіднім точкам та , визначається:

(5)

де коефіцієнт, який характеризує кількість теплоти, яка надходить від точки до точки , Вт/(м²·^оС); - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м²·^оС); площа поверхні, через яку відводиться теплота до точки , , м²; коефіцієнт, який характеризує кількість переданої теплоти між точками та , , Вт/(м²·^оС); відстань між сусідніми точками, м; площа поверхні, через яку відводиться теплота до точки , м²; температура в точках ^оС.

Кількість теплоти, яка витрачається на випаровування вологи:

(6)

де - прихована теплота пароутворення, Дж/кг.; - кількість вологи, яка буде випаровуватися з площі , кг:

(7)

де пружність водяної пари при температурі точки , Па; пружність водяної пари в повітрі, Па; - опір вологообміну на поверхні, (Па·год·м²)/кг.

Для вирішення рівняння (3) та знаходження температури в точці за проміжок часу необхідно знати кількість вологи, яка буде випаровуватися з поверхні. Для визначення цієї величини розглянемо вологісний баланс точки :

(8)

де - кількість вологи, яка накопичується в точці ,кг; кількість вологи, підведеної від сусідніх точок, кг, кількість вологи, яка буде відводитися до точки , кг.

Кількість вологи, підведеної від сусідніх точок и , визначається на основі рівняння:

(9)

де коефіцієнт, який характеризує перенесення вологи між точками та , , кг/(м²· год ·Па) ; коефіцієнт, який характеризує перенесення вологи між точками та , , кг/(м²· год · Па) ; коефіцієнт вологопровідності матеріалу, кг/( м· год·Па).

Кількість вологи, яка буде відводитися до точки за проміжок часу , можна визначити за формулою:

. (10)

Аналогічно, на основі схеми теплових та вологісних потоків, можна скласти рівняння балансу по волозі для точки . Особливістю для цієї точки є те, що від неї відтік вологи до сусідніх точок буде відбуватися тільки за рахунок вологопровідності.

Рівняння теплового та вологісного балансу повітря біля точки будуть мати вигляд:

. (11)

Наведені рівняння теплових та вологісних балансів для точки та аналогічні рівняння для інших точок дозволяють визначити розподіл температур та вологості в огороджувальній конструкції та одночасно визначити зміну температури та вологості повітря при симетричних граничних умовах, тобто для внутрішніх огороджувальних конструкцій.

Для зовнішніх огороджувальних конструкцій записуються нові граничні умови.

За аналогією з попередньою задачею розглянемо процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції, яка омивається з протилежних сторін повітрям з різними параметрами. Особливістю цієї задачі буде її невісесиметричність. Теплота буде проходити крізь всі конструктивні прошарки огородження від внутрішньої поверхні до зовнішньої, а волога при підвищенні вологості зовнішнього повітря, за рахунок вологопровідності, буде рухатися в зворотньому напрямку. При таких процесах в огороджувальній конструкції можливе накопичення вологи навіть у випадку, коли огородження захищене від безпосереднього попадання на нього атмосферної вологи або підсосу капілярної вологи з ґрунту. Зволоження в цьому випадку буде відбуватися в наслідок накопичення водяної пари матеріалами огороджувальної конструкції.

Система диференціальних рівнянь, які характеризують зміну тепло - вологісного стану зовнішніх огороджувальних конструкцій буде мати вигляд:

(12)

В другому розділі розроблений алгоритм розрахунку цієї системи рівнянь кінцево-різницевим методом.

У третьому розділі проаналізований вплив повітря, яке проходить крізь огороджувальну конструкцію за рахунок її повітропроникності, на зміну вологісного стану огородження. Повітря, при проходженні крізь огороджувальну конструкцію, бере участь у процесах тепло- та масообміну із матеріалом огородження. В залежності від температури, повітря може викликати конденсацію вологи в конструкції або випаровування, тобто повітря може вносити вологу в огородження, або відводити її із нього. Можна припустити, що фактор повітропроникності в процесі перенесення вологи та зміни вологісного стану огородження впливає більше, ніж дифузія. Таке припущення базується на тому, що процес фільтрації повітря проходить значно швидше, ніж процес дифузії.

Проблема аналізу тепловологісного стану огороджувальної конструкції з урахуванням її повітропроникності полягає у вирішенні системи рівнянь які характеризують цей процес, тобто в отриманні функцій:

(13)

Одержати аналітичне рішення такої системи рівнянь досить складно. Тому для вирішення цієї задачі використаний кінцево-різницевий метод (див. рисунок 3). Для цього розроблено систему рівнянь тепловологісного балансу для елементарного об'єму матеріалу огородження та повітря (див. рисунок 4). Ця система рівнянь характеризує нестаціонарний процес переміщення вологи крізь огороджувальну конструкцію за допомогою потоку повітря.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3. Нанесення об'ємної сітки на огороджувальну конструкцію - тепло- та вологоакумулююча маса елементарного об'єму

Вона може бути представлена як система балансних рівнянь, до складу якої входять рівняння:

- рівняння теплового балансу елементарного об'єму огороджувальної конструкції (14);

- рівняння вологісного балансу елементарного об'єму огороджувальної конструкції (15);

- система рівнянь теплового балансу повітря та балансу вологи (16).

 (14)

, (15)

(16)

У рівняннях (1416) кількість закумульованої теплоти, Дж; - кількість теплоти, яка підведена до елементарного об'єму від внутрішньої поверхні за рахунок теплопровідності, Дж; - кількість теплоти, підведеної до елементарного об'єму за рахунок фільтрації повітря (теплообмін повітря з матеріалом), Дж; кількість теплоти, відведеної до сусідньої точки за рахунок теплопровідності, Дж; кількість теплоти, витраченої на випаровування вологи, Дж; - кількість теплоти, яка витрачається на нагрівання вологи в рідкому стані до стану випаровування , Дж; - вологість матеріалу в початковому та кінцевому стані, г/кг; - кількість вологи, яка випаровується із матеріалу на протязі проміжку часу, г; - вологоакумулююча маса матеріалу, кг; - питома вологоємність матеріалу, кг/кг; - теплоємність повітря, Дж/(кг·⁰С); - витрати повітря, кг/сек.; - температура повітря в початковий момент часу, тобто при і після проходження проміжку часу , ⁰С; - вологовміст повітря в початковий момент часу, тобто при і після проходження проміжку часу , г/кг.

Розглянемо випадок коли повітря, при переміщенні його крізь конструкцію, буде віддавати теплоту та забирати вологу. Для точки схема потоків теплоти та вологи показана на рисунку 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Схема потоків теплоти та вологи для точки , яка характеризує тепло- та вологоакумулюючу масу елементарного об'єму огороджувальної конструкції

рух теплоти

рух вологи з повітрям

Кількість теплоти, підведеної від внутрішньої поверхні до точки за рахунок теплопровідності на протязі проміжку часу , можна визначити за формулою:

, (17)

де - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м·⁰С); - відстань від внутрішньої поверхні до точки , м; площа поверхні, м² ; ;

температура внутрішньої поверхні огородження, ^оС; температура в точці , ^оС; проміжок часу , сек.

Кількість теплоти, підведеної до елементарного об'єму за рахунок фільтрації повітря, тобто теплообмін між повітрям та матеріалом огородження:

(18)

де - середнє значення коефіцієнта теплообміну при фільтрації повітря крізь конструкцію (для ламінарної течії), Вт/(м²·^о С); - площа поверхні теплообміну при фільтрації повітря, м² , температура повітря, ^оС.

Площа поверхні теплообміну при фільтрації визначається в залежності від кількості пор в огороджувальній конструкції, тобто від її пористості П. В той же час, кількість пор є фізичною характеристикою матеріалу. На рисунку 5 приведена схема капіляра для визначення площі поверхні теплообміну при фільтрації повітря.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5. Схема капіляра для визначення площі поверхні теплообміну при фільтрації та площі поверхні вологи

При визначенні площини поверхні введено припущення, що капіляр заповнений вологою наполовину. В цьому випадку площу поверхні теплообміну можна визначити за допомогою формули:

(19)

де - діаметр капіляра, м; - довжина капіляра, м, - коефіцієнт, який враховує нерівномірність капілярів в огородженні; - кількість пор в огороджуючій конструкції, шт..

Кількість теплоти, відданої сусідній точці в результаті теплопровідності дорівнює:

(20)

де температура в точці ,^оС.

Тепловий потік, який буде витрачатися на випаровування вологи із матеріалу, визначити значно складніше, ніж інші теплові потоки, які входять в праву частину рівняння (14). Цей тепловий потік буде залежати не лише від кількості підведеної теплоти до точки , а і від стану повітря, яке фільтрується через огороджувальну конструкцію, тобто від його температури та вологовмісту.

З метою визначення кількості теплоти, витраченої на випаровування, розглянемо процес зміни параметрів повітря біля точки . Стан повітря, яке входить в елементарний об'єм, характеризується на діаграмі (див. рисунок 6) - точкою А. Внаслідок тепло- та масообміну повітря з

матеріалом, при повному зволоженні повітря, його стан буде характеризуватися точкою В.

Таким чином процес зміни стану повітря буде проходити по лінії

А - В. Кінцеву температуру, до якої дійде процес охолодження повітря внаслідок його теплообміну з матеріалом можна визначити із рівняння теплового балансу повітря. Це рівняння має вигляд:

, (21)

де - теплоємність повітря, Дж/(кг·⁰С); - витрати повітря, кг/сек.;

- температура повітря в початковий момент часу, тобто при і після проходження проміжку часу , ⁰С ; - кількість теплоти, яку втрачає повітря за рахунок теплообміну з матеріалом; - кількість теплоти, яку втрачає повітря за рахунок теплообміну з вологою:

, (22)

де - коефіцієнт теплообміну між повітрям та поверхнею вологи, Вт/(м²·⁰С); - площа поверхні вологи, м²; - температура вологи (в першому наближенні можна прийняти що ), ⁰С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Схема зміни стану повітря внаслідок тепло- та масообміну з точкою - температура вологи в порах матеріалу( можна прийняти , в першому наближенні, рівній температурі самого матеріалу, тобто ).

Площу поверхні вологи (див. рисунок 5) можна визначити за допомогою рівняння:

. (23)

Із рівняння (21) температура повітря після проходження його через елементарний об'єм дорівнює:

. (24)

Розрахована температура дає можливість визначити кінцевий стан повітря після проходження його через елементарний об'єм . Цей стан характеризується точкою С на діаграмі (див. рисунок 6). Точки А і С на діаграмі дають можливість визначити зміну вологовмісту повітря, тобто величину . Кількість вологи, яка буде випаровуватися з матеріалу, кг:

, (25)

а витрати теплоти на випаровування вологи:

, (26)

де - теплота випаровування, Дж/кг.

Якщо за допомогою рівнянь (17),(18),(20),(22),(26) визначити теплові потоки і підставити в праву частину рівняння (14), то ми одержимо кількість закумульованої теплоти в точці . З іншого боку, кількість закумульованої теплоти можна визначити також за допомогою формули:

(27)

де - масова теплоємність матеріалу, Дж/(кг·⁰С); - маса матеріалу, кг, для точки : - питома густина матеріалу, кг/м³; - температура в точці в початковий момент часу, тобто при , ⁰С; - температура в точці після проходження проміжку часу , ⁰С.

Рівняння (27) дає можливість визначити температуру в точці після проходження проміжку часу . Після визначення цієї температури можна переходити до розрахунку температури іншої точки, тобто точки .

Наведені рівняння теплового та вологісного балансів дають можливість визначити температуру та вологість матеріалу в різних точках огороджувальної конструкції з урахування її повітропроникності після проходження будь якого проміжку часу , а також зміну температури та вологовмісту повітря при його проходженні крізь огородження.

Четвертий розділ присвячений лабораторним дослідженням та аналітичному експерименту. Розроблені в другому та третьому розділах математичні моделі та методи розрахунку тепловологісного стану огороджувальних конструкцій дають можливість кількісно оцінити вплив різних факторів на зміну цього стану. На основі такої оцінки можна запроектувати найбільш раціональну огороджувальну конструкцію. Для визначення достовірності розроблених методів був поставлений лабораторний експеримент (схема лабораторної установки, на якій виконувались дослідження та її загальний вигляд зображені на рисунках 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7. Схема лабораторної установки

1 - вентилятор; 2 - електронагрівач; 3 - нижній відсік; 4 - дослідний зразок (модель огороджувальної конструкції); 5 - верхній відсік.

На лабораторній установці досліджувалась зміна вологості моделі огороджувальної конструкції за рахунок повітропроникності.

Для кількісної оцінки впливу різних факторів на зміну тепловологісного стану огороджувальної конструкції був проведений аналітичний експеримент. На рисунку 8 приведений графік, який характеризує зміну вологісного стану моделі огороджувальної конструкції (приведені теоретичні та експериментальні дані).

Порівняння теоретичних та експериментальних даних свідчить про те, що розроблена математична модель досить адекватно описує процес зміни вологісного стану огороджувальної конструкції.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8. Результати теоретичних розрахунків та лабораторних досліджень.

Основними факторами, які впливають на зміну тепловологісного стану огороджувальної конструкції при врахуванні фільтрації повітря через неї, на наш погляд є температура повітря , вологовміст повітря та опір повітропроникності матеріалу

.

Параметром, який найбільш повно віддзеркалює процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції - є швидкість зміни вологості матеріалу:

, (28)

де - кількість вологи, яку втратить матеріал огороджувальної конструкції в процесі змін вологістного стану за проміжок часу , г;

- проміжок часу, за який відбуваються зміна вологісного стану, год.

Для кількісної оцінки впливу різних факторів на зміну тепловологісного стану огороджувальної конструкції був проведений аналітичний експеримент.

Мета експерименту - визначити фактор, який найбільше впливає на процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції. Для порівняння були розраховані огороджувальні конструкції, виконані з різного матеріалу. Теплотехнічні характеристики цих огороджувальних конструкцій представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій

Матеріал огороджувальної конструкції	Питома густина матеріалу	Коефіцієнт теплопровідності	Коефіцієнт теплоємності	Масова вологість матеріалу	Опір повітропроникності
Деревина	500	0,29	2,3	1,275	1,5
Ракушняк	1400	0,56	0,88	2,5	6,0

При проведені аналітичних досліджень був прийнятий інтервал зміни температури повітря , вологовмісту повітря та опору повітропроникності матеріалу . На основі оцінки значимості коефіцієнтів рівняння регресії прийшли до висновку, що деякими коефіцієнтами рівняння регресій можна знехтувати, а саме:

- коефіцієнтом, що враховує вплив вологовмісту повітря;

- коефіцієнтом, що враховує вплив одночасно двох факторів: температури та вологовмісту повітря;

- коефіцієнтом, що враховує вплив одночасно трьох факторів: температуру, вологовміст повітря та повітропроникність .

В кінцевому вигляді була отримана лінійна модель:

(29)

Аналіз цієї моделі свідчить про те, що фактором, який найбільш суттєво впливає на процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції є опір повітропроникності матеріалу огородження. Далі за рангом більший вплив має температура повітря, ніж його вологовміст.

У п'ятому розділі приведені результати натурних досліджень. Розроблена в 3^ому розділі математична модель та алгоритм розрахунку змін тепловологісного стану огороджувальної конструкції з урахуванням фільтрації повітря крізь конструкцію використана при розробці екологічно чистої сушарки. Фізичний процес, який відбувається при проходженні повітря через шар матеріалу, який потрібно висушити, описується такою ж системою рівнянь, як і процес зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції з урахуванням її повітропроникності. Це дало можливість використати математичну модель при розрахунках та розробці сушарки. Сушарка, в якій передбачено екологічно чистий процес, розроблена в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка з метою сушіння лікарських трав. Розроблена сушарка запатентована деклараційним патентом на корисну модель і побудована в Кобеляцькому районі Полтавської області.

З метою оцінки достовірності результатів розрахунків, виконаних при розробці сушарки, проведені натурні вимірювання параметрів. Результати цих натурних вимірювань були співставленні з розрахунковими. Це порівняння показало, що запропонована математична модель адекватно описує процес сушіння матеріалу за допомогою повітря. При цьому абсолютна похибка при визначенні швидкості сушіння по запропонованій математичній моделі складає 2 години, а відносна похибка - 4,16 %.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу літературних джерел зроблено висновок, що існуючі методи розрахунку не враховують, як впливає зміна параметрів повітря, яке омиває огороджувальну конструкцію, на процес зміни її тепловологісного стану.

2. Сформульована задача, яка описує термодифузію вологи крізь огороджувальну конструкцію з урахуванням впливу змін параметрів повітря.

3. Розроблені математичні моделі для розрахунків зміни тепловологісного стану огороджувальних конструкцій при симетричних та несиметричних граничних умовах; алгоритми та програми розрахунків систем диференціальних рівнянь кінцево-різницевим методом.

4. Запропонована методика розрахунку тепловологісного стану огороджувальних конструкцій з урахуванням фільтрації повітря через них.

5. Порівняння результатів теоретичних та лабораторних досліджень показало, що запропонована математична модель адекватно описує процеси зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції.

6. Математична модель може використовуватися для розрахунків процесу сушіння. На основі цієї моделі була розроблена та захищена патентом сушарка.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Строй А.Ф., Чумурина Е.Б. Физическая модель процесса испарения влаги при сушке материалов. Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво)/ Вип.11. - Полтава: ПолтНТУ, 2003. -

С. 51-56.

Особистий внесок автора: запропонована фізична модель процесу випаровування вологи при сушінні матеріалу з урахуванням не стаціонарності процесів тепло- та масообміну.

2. Строй А.Ф. Чумурина Е.Б. Математическая постановка задачи сопряженного тепло- и массообмена процесса испарения влаги при сушке материалов. Тези доповідей на міжнародній науковій конференції “Перспективи розвитку сільського будівництва й архітектури на сучасному етапі ” (присвяченої 110-й річчю з дня народження професора

Д.М. Топчія). - Полтава: ПолтНТУ, 2003. - С. 41-43.

Особистий внесок автора: стисло охарактеризовані процеси випаровування вологи при сушінні матеріалів та визначені варіанти розташування поверхні випаровування.

3.Строй А.Ф., Чумурина Е.Б. Сопряженный тепломассообмен при сушке материалов // Коммунальное хозяйство городов. Респ. Межвед. Науч. - техн. Сб. - К.: Техника, 2004, вып. № 55. - С. 101 -106.

Особистий внесок автора: розроблена математична модель спряженого теплообміну при сушінні матеріалу.

4. Чумурина Е.Б. Решение математической модели сопряженного тепло- и влагообмена при сушке строительных конструкций конечно - разностным методом. Науковий вісник будівництва, вип. № 25 / Харків ХДТУБА, 2004. - С. 99-107.

5. Деклараційний патент на корисну модель №10198, кл. F26В3/00 Сушарка для сільськогосподарської або іншої продукції/ Строй А.Ф., Чумуріна О.Б. - № u 200502013, заяв .04.03.2005, опубл. 15.11.2005,

бюл. №11.

Особистий внесок автора: сформульована сутність винаходу та оформлена необхідна документація.

6. Строй А.Ф., Чумурина Е.Б. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций. Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво)/ Вип.17. - Полтава: ПолтНТУ, 2006. - С. 208 - 213.

Особистий внесок автора: вивчено вплив повітропроникності на зміну вологісного стану огороджувальних конструкцій.

7. Строй А.Ф., Веденисова Н.В., Чумурина Е.Б. Изменение влажност-

ного режима ограждающих конструкций при эксплуатации зданий //

Коммунальное хозяйство городов. Респ. Межвед. Науч. - техн. Сб. -

К.: Техника, 2006, вып. № 67. - С. 130 -136.

Особистий внесок автора: надано критичний аналіз існуючих методів розрахунку вологістного стану огороджуючих конструкцій при експлуатації будівель.

8. Строй А.Ф., Чумуріна О.Б. Повітропроникність, як фактор зміни вологісного режиму огороджувальних конструкцій будинку в процесі його експлуатації // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Вип. 9. - К.: КНУБА, 2006. - С. 95-106.

Особистий внесок автора: розроблений метод розрахунку зміни вологісного режиму огороджувальних конструкцій з урахуванням повітропроникності.

АНОТАЦІЯ

Чумуріна О.Б. Температурно - вологісний режим огороджувальних конструкцій будівель. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Харьківський державний університет будівництва та архітектури, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена дослідженням нестаціонарного тепломасообміну в огороджувальних конструкціях будівель та розробленню теоретичних методів розрахунків зміни тепловологісного стану огороджувальних конструкцій.

Розроблені математичні моделі зміни тепловологісного стану огороджувальних конструкцій: при вісесиметричних та невісесиметричних граничних умовах та з урахуванням фільтрації повітря крізь конструкцію.

Виконані аналітичні дослідження зміни тепловологісного стану огороджувальної конструкції і визначено вплив температури та вологовмісту повітря, а також повітропроникності огородження, на зміну тепловологісного стану. Теоретичні результати порівняно з результатами лабораторних та натурних досліджень.

Розроблена математична модель була використана при проектуванні екологічно чистої сушарки для сільськогосподарської або іншої продукції.

Ключові слова: тепловологісний стан огороджувальних конструкцій, нестаціонарний тепломасообмін, термодифузія вологи, повітропроникність, кінцево-різницевий метод, зміна тепловологісних характеристик середовища.

АННОТАЦИЯ

Чумурина Е.Б. Температурно - влажностный режим ограждающих конструкций зданий. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Харьковский государственнй университет строительства и архитектур, Харьков, 2007 .

Диссертация посвящена вопросам исследований нестационарного сопряженного тепломассообмена в ограждающих конструкциях зданий и разработке теоретических методов расчёта изменения тепловлажностного состояния ограждающих конструкций.

Для большинства строительных материалов ограждающих конструкций характерна капиллярно-пористая структура, которая определяет характер взаимодействия материала с влагой. Перемещение теплоты, влаги и воздуха возникает только при разности температур или давлений. При этом количественные параметры пропорциональны разности потенциалов. Перемещение влаги или воздуха зависит от структуры материала, в котором происходит процесс. Чаще всего для упрощения расчётов передачи теплоты в ограждающих конструкциях количество теплоты и разность температур принимаются постоянными, то есть рассматривают стационарный процесс теплопередачи. При этом температура наружного и внутреннего воздуха не изменяется. Изучено влияние различных факторов на изменение тепловлажностного состояния ограждающих конструкций.

Процесс изменения тепловлажностного состояния ограждающих конструкций необходимо рассматривать с учётом влияния изменения наружного и внутреннего воздуха на процесс перемещения влаги. Сформулирована задача и одержана система уравнений, которая описывает термодиффузию влаги сквозь ограждающую конструкцию

Разработаны математические модели для расчётов процессов тепломассообмена в ограждающих конструкциях: при осесимметричных и неосесимметричных граничных условиях и учётом фильтрации воздуха через конструкцию. На основании этих моделей разработаны алгоритмы расчётов и созданы компьютерные программы, которые дают возможность определить влияние параметров наружного и внутреннего воздуха на изменение тепловлажностного состояния ограждающих конструкций.

Проведены лабораторные, вычислительные и натурные исследования. Выполнено сравнение результатов теоретических данных с данными лабораторных исследований. Выполнены вычислительные исследования ограждающих конструкций и определено влияние температуры и влагосодержания воздуха, а также воздухопроницаемости ограждения, на изменение влажностного состояния.

Разработанная математическая модель процесса изменения тепловлажностного состояния была использована при проектировании экологически чистой сушилки для сельскохозяйственной или другой продукции. С целью оценки достоверности результатов расчётов, выполненных при разработке сушилки, с помощью разработанной математической модели, они были сопоставлены с результатами натурных исследований. Сравнение результатов натурных и теоретических исследований показало, что математическая модель адекватно описывает процесс сушки материала с помощью воздуха. При этом абсолютная погрешность скорости сушки 2 часа, а относительная погрешность - 4,16 %. Результаты исследований были также использованы при строительстве подземного комплекса “Злато місто” в г. Полтава.

Ключевые слова: тепловлажностное состояние ограждающих конструкций, нестационарный тепломассообмен, термодиффузия влаги, воздухопроницаемость, конечно-разностный метод, изменение тепловлажностных характеристик окружающей среды.

SUMMARY

Chumurina O.B. The temperature and humidity regime of fencing constructions of buildings. - The manuscript.

The scientific thesis for receiving the conferring the scientific degree of Master of Sciences in speciality 05.23.03 ventilation, lightning, heat and gas supply. The Kharkov State University of Construction and Architecture. Kharkov, 2007.

The scientific thesis is devoted to the research of non-stationary heat-and-mass exchange in fencing constructions of buildings and to working out

theoretic methods of calculations of changing heat and humidity state of fencing constructions.

Mathematical models of changing heat and humidity state of fencing constructions were developed: under “axe-symmetrical” and “non- axe-symmetrical” forger conditions and taking in account the air filtration through the constructions.

The calculation research of fencing construction was made. And the influence of air temperature and humidity content as well as air penetration of fencing on changing heat and humidity state was determined. The comparison of theoretical data was made.

The received mathematical model of the process of changing the heat and humidity state was used while designing the ecologically pure drying apparatus for agricultural and other product.

Key words: heat and humidity state of fencing constructions, non-stationary heat-and mass-exchange, humidity thermo-diffusing, air penetration, changing the heat and humidity characteristics of medium.

Размещено на Allbest.ru