Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ

Местников А.Е. 1
1 ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
В статье приводятся результаты вычислительного эксперимента по прогнозированию структуры и свойств термореактивных пенопластов для легких ограждающих конструкций. Основная идея работы заключается в использовании характерной неоднородности физико-механических свойств пенофенопластов по высоте вспенивания для повышения эксплуатационной эффективности материалов в слоистых конструкциях по показателям теплоустойчивости. В выборе расчетной схемы вычислительного эксперимента использовали известный эффект повышения теплоустойчивости многослойных конструкций при сочетании различных утеплителей. Установлено, что максимальная теплоустойчивость (? = 63,5) однослойной теплоизоляции из пенофенопласта достигается при условии, когда распределение физико-механических (плотности и коэффициента теплопроводности) характеристик по высоте вспенивания имеет параболистическую зависимость. На практике такую структуру вспененного пенофенопласта получить невозможно. Такую структуру теплоизоляционного слоя можно получить только склеиванием двух плит из пенофенопласта, изготовленных в замкнутой металлической форме. Наиболее реальная структура теплоизоляционного слоя (неоднородность структуры задана в виде параболы с нижним экстремумом) характеризуется достаточно высокой теплоустойчивостью (? = 52,8). Как показывают результаты вычислительного эксперимента, оптимальный выбор структуры и свойств теплоизоляционного слоя из пенофенопластов позволяет повысить теплоустойчивость легких ограждающих конструкций на 47–75?%.
теплоизоляция
пенофенопласты
структура и свойства
легкие ограждающие конструкции
теория теплоустойчивости
прогнозирование
1. Местников А.Е., Абрамова П.С., Антипкина Т.С., Егорова А.Д. Тепловая защита зданий на Севере: материалы, изделия и конструкции. М.: Изд-во АСВ, 2009. 236 с.
2. Гагарин В.Г., Чжоу Ч. Учет градусо-суток отопительного периода при сравнении потребления энергии зданиями // Бюллетень строительной техники. 2016. № 6 (982). С. 58–59.
3. Тимошенко А.Т., Ефимов С.С., Попов Г.Г. Теплоустойчивость многослойных ограждающих конструкций. Якутск: ЯНЦ СО СССР, 1990. 176 с.
4. Гагарин В.Г., Козлов А.В., Неклюдов А.Ю., Пастушков П.П., Желдаков Д.Ю., Ельчищева Т.Ф. Расчеты тепловой защиты зданий: методическое пособие // Министерство строительства и ЖКХ РФ. М., 2017. 94 с.
5. Строительная физика: краткий курс лекций для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» / Электрон. текстовые данные. М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2014. 57 c. [Электронный ресурс]. URL: http://www.iprbookshop.ru/27466.html. ЭБС «IPRbooks» (дата обращения: 05.11.2020).
6. Швецов А.Е., Плешкова К.А. Структура и материалы ограждающих конструкций // Alfabuild. 2018. № 1 (3). С. 15–23.
7. Бруяко М.Г., Григорьева Л.С., Васильева М.А., Киселева О.В. Способы снижения содержания свободного фенола в пенофенопласте // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 134–138.
8. Нгуен Вьет Кыонг, Сосновский Н.Ю., Янчук В.П., Смирнова А.М., Григорьева Л.С. Получение заливочного пенофенопласта пониженной токсичности // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. Вып. 9. С. 1132–1139. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.9.1132-1139.
9. Бруяко М.Г., Григорьева Л.С., Ушков В.А. Эксплуатационная стойкость и горючесть модифицированных пенофенопластов // Вестник МГСУ. 2009. № 4. С. 77–80.
10. Торлова А.С., Виткалова И.А., Пикалов Е.С. Технологии производства, свойства и области применения композиций на основе фенолоформальдегидных смол // Научное обозрение. Технические науки. 2017. № 2. С. 96–114.

Для реконструкции старого жилого фонда и нового строительства быстровозводимых зданий из легких ограждающих конструкций в условиях Арктики и Севера требуются эффективные теплоизоляционные материалы, изготавливаемые в заводских и построечных условиях. К таким материалам могут быть отнесены такие термореактивные пенопласты, как пенополиуретаны и пенофенопласты. Как известно, легкие ограждающие конструкции (ЛОК) на их основе наряду с повышенными теплозащитными показателями обладают пониженной теплоустойчивостью, что выражается в перегреве жилых помещений в условиях жаркого лета и быстром их охлаждении при аварийных отключениях отопления в зимнее время [1].

В актуализированных строительных нормах (СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий) базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче R0тр является заданной величиной, определяемой в зависимости от продолжительности отопительного периода для конкретного района строительства [2]. При этом постоянную температуру в жилых помещениях в зимних условиях обеспечивает система отопления.

В отечественных нормах расчет по теплоустойчивости проводится для стеновых конструкций жилых помещений зданий в районах с жарким климатом с целью определения толщины теплоизоляции, при выборе систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также при расчете температурно-влажностного режима помещения с периодической системой отопления.

В условиях резко континентального климата Якутии летом характерны резкие суточные изменения наружной температуры и высокая солнечная радиация. Эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций в климатических условиях Якутии при сочетании утеплителей был обоснован в работах специалистов Института физико-технических проблем Севера СО РАН [3].

Используя известный эффект повышения теплоустойчивости многослойных ограждающих конструкций, автор высказал предположение о возможности использования характерной неоднородности свойств пенопластов по высоте вспенивания для повышения эксплуатационной эффективности материалов в слоистых конструкциях по показателям теплоустойчивости стенового ограждения, а также прогнозировать их структуру и свойства методом математического моделирования на основе теории теплоустойчивости.

Целью исследовательской работы является прогнозирование структуры и свойств термореактивных пенофенопластов для легких ограждающих конструкций методом математического моделирования на основе теории теплоустойчивости.

Материалы и методы исследования

Теоретические расчеты проведены для отечественной марки пенофенопласта ФРП-1 (показатели приняты по СП 50.13330.2012) и модифицированного пенофенопласта «Пенорезол» (показатели определены расчетно-экспериментальным путем) (табл. 1).

Расчет теплоустойчивости легких ограждающих конструкций с теплоизоляционными слоями из пенофенопластов проводится по требованиям свода правил СП 50.13330.2012 и методических указаний [4].

В теории теплоустойчивости строительной теплофизики вводятся дополнительные параметры, такие как тепловая инерция ограждающей конструкции D, коэффициент теплоусвоения s, декремент затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха ν, что рассматривалось в работах О.Е. Власова, Л.А. Семенова, С.И. Муромова и A.M. Шкловера [5]. Математическое моделирование в этой области основано на решении дифференциального уравнения теплопроводности, где на поверхностях ограждающих конструкций выполняются условия теплообмена III рода (СП 50.13330.2012).

Результаты исследования и их обсуждение

Для математического моделирования структуры и свойств термореактивных пенопластов, применяемых в качестве теплоизоляции ЛОК, автором предложена следующая расчетная схема (рис. 1) расположения слоев из вспененных пенофенопластов с различными физико-механическими свойствами (табл. 1), принимая во внимание, кроме собственных, результаты других авторов [6–8].

Для снижения токсичности модифицированных пенофенопластов в составе исходных смесей используют добавочные материалы на основе солей металлов, которые способствуют связыванию свободного фенола в процессе структурообразования, например AlF3 и SnCl2 ·Н2О [9]. Модификаторы данных видов повышают реакционноспособность исходных фенолоформальдегидных смесей, что может быть использовано в напыляемых композициях модифицированного пенофенопласта «Пенорезол» (табл. 1).

Таблица 1

Физико-технические характеристики пенофенопластов

по рис. 1

Название

В сухом состоянии

В условиях эксплуатации А

γ0,

кг/м3

с0,

кДж/(кг· °С)

λ0,

Вт/(м· °С)

w,

%

λА,

Вт/(м· °С)

s,

Вт/(м· °С)

1

ФРП-1

100

1,68

0,047

5

0,052

0,85

2

ФРП-1

50

1,68

0,041

5

0,050

0,59

3

ФРП-1

40

1,68

0,038

5

0,041

0,48

1

Пенорезол

80

1,68

0,039

4

0,042

0,75

2

Пенорезол

40

1,68

0,036

4

0,039

0,52

3

Пенорезол

30

1,68

0,032

4

0,036

0,48

 

mestnikov1.wmf

Рис. 1. Модельная расчетная схема для оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя ЛОК

mestnikov2.tif

Рис. 2. Блок-схема алгоритма по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой ограждающей конструкции

При данной разбивке на элементы в качестве управляющих параметров выбраны теплотехнические характеристики материалов из числа допустимых. Предложенный алгоритм по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой конструкции показан на рис. 2.

В исследованиях легких ограждающих конструкций [3] максимальный эффект повышения теплоустойчивости достигается при сочетании утеплителей с минимальной теплопроводностью и минимальной температуропроводностью. Как известно, величина коэффициента температуропроводности зависит от природы вещества, поэтому в наших исследованиях в качестве материала теплоизоляционного слоя выбрали пенофенопласт, обладающий повышенной удельной теплоемкостью среди разновидностей пенопластов. В расчетной схеме приняты три плотности пенофенопластов (табл. 1), которые в процессе вычислительного эксперимента варьируются в пяти слоях и вычисляются декременты затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха для ограждающих конструкций в целом. При этом вариации слоев по значениям плотности максимально должны соответствовать структуре реальных теплоизоляционных плит из пенофенопластов, изготовленных на технологических линиях в заводских условиях.

Вычислительный эксперимент по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой ограждающей конструкции проводится при постоянной температуре внутреннего воздуха жилого помещения (22 °С) и воздействии гармонических суточных температурных колебаний амплитуды наружной температуры.

В вычислительном эксперименте главными расчетными параметрами являются максимальные величины ν и Rк (табл. 2).

Полученные результаты по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя из пенофенопласта ФРП-1 приведены в табл. 2 (поз. 4–9). Наибольшей тепловой инерцией (νмакс = 52,2) обладает трехслойная теплоизоляция из ФРП-1. Для сравнения на поз. 1–3 приведены данные для однослойной теплоизоляции из ФРП-1 с различной плотностью (100, 50 и 40 кг/м3). На практике получить структуру с аналогичной однородной пористостью по высоте вспенивания для заливочных пенофенопластов не представляется возможным.

В поз. 10 и 11 табл. 2 приведены близкие к реальным структурам теплоизоляционных плит из вспененных пенофенопластов «Пенорезол», изготовленных различными способами. Так, структура пенофенопласта, приведенная в поз. 10 табл. 2, характерна для пенофенопластов, полученных способом напыления или заливки при свободном вспенивании композиции. А структура пенофенопласта, показанная в поз. 11, соответствует структуре теплоизоляционного слоя в трехслойных металлических панелях, изготовленных на технологических линиях непрерывного действия [10], а также для теплоизоляционных плит, изготовленных в замкнутой плоской металлической форме [7–9].

Как видно из результатов вычислительного эксперимента (табл. 2), при выбранной разбивке элементов, расчетная максимальная теплоустойчивость однослойной теплоизоляции из пенофенопласта (ν = 63,5) достигается при условии, когда неоднородности физико-механических (плотности и коэффициента теплопроводности) свойств пенофенопластов по высоте вспенивания имеют параболическую зависимость с верхним экстремумом (поз. 12). Однако в реальных условиях получить однослойную теплоизоляцию из вспененных пенопластов с такими характеристиками не представляется возможным.

Наиболее близкое к теоретической оптимальной кривой (поз. 12) распределение средней плотности по высоте вспенивания достигается при сочетании двух плит из модифицированного пенофенопласта, изготовленных в замкнутой металлической форме при температуре 18 °С.

Наиболее близкими к реальным структурам вспененных пенофенопластов оказались расчетные схемы, показанные в позициях 10 и 11, у которых декремент затухания температурных колебаний составляет соответственно 53,3 и 52,8 при достаточно высоком значении термического сопротивления Rк.

Следовательно, вычислительный эксперимент с использованием метода математического моделирования позволяет не только установить оптимальные параметры структуры и физико-механических свойств теплоизоляционных плит из вспененного пенофенопласта, но и прогнозировать рациональные технологии их изготовления (табл. 2), а также оценить эксплуатационную эффективность применяемых пенопластов в составе легких ограждающих конструкций.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили предложить два технологических приема получения модифицированных пенофенопластов с заданной неоднородностью структуры и свойств для ЛОК повышенной теплоустойчивости;

1) изготовление теплоизоляционных плит в замкнутой металлической форме при температуре подложки и композиции 18 °С способом свободного вспенивания модифицированного пенофенопласта с повышенной каталитической активности исходной смеси;

2) изготовление теплоизоляционного слоя ЛОК способом напыления активированной фенолоформальдегидной композиции.

Таблица 2

Результаты вычислительного эксперимента по прогнозированию структуры и свойств пенофенопластов по высоте вспенивания

mestnikovTabl12a.wmf

Примечание: γт – теоретическая кривая распределения плотности (коэффициента теплопроводности) по высоте вспенивания пенофенопласта.

Технология получения теплоизоляционных плит из модифицированных пенофенопластов с заданной структурой и свойствами предполагает их производство на специализированных технологических линиях периодического и непрерывного действия. С другой стороны, применение способа напыления позволяет получать модифицированные пенофенопласты с аналогичными заданными структурой и свойствами в условиях строительной площадки при положительных температурах окружающего воздуха не ниже 18 °С.

Как показывают результаты вычислительного эксперимента, оптимальный выбор структуры и свойств теплоизоляционного слоя из пенофенопластов позволяет повысить теплоустойчивость легких ограждающих конструкций на 47–75 %.

Заключение

На основе результатов вычислительного эксперимента обоснована эффективность использования метода математического моделирования в прогнозировании структуры и свойств вспененных пенофенопластов в качестве теплоизоляционного слоя в легких ограждающих конструкциях повышенной теплоустойчивости.


Библиографическая ссылка

Местников А.Е. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 11-2. – С. 299-304;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38378 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074