CC BY
73
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 691.327
А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова*, А.В. Чугунков, А.О. Химич
ФГБОУВПО «МГСУ», *ЗАО «Минеральная вата»
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СЛОИСТЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Процесс изготовления теплоизоляционных материалов связан с переработкой значительного количества невозобновляемых природных ресурсов, в частности сжиганием топлива. Оптимизация этих затрат необходима и возможна за счет правильной организации технологических процессов, в т.ч. процесса тепловой обработки этих изделий. В технологиях минераловатных изделий наиболее расходными по энергии переделами являются получение минерального волокна и его тепловая обработка. Оптимизация этих процессов позволяет достигать значительного экономического эффекта.
Ключевые слова: теплоизоляция, эффективность, тепловая обработка, ми-нераловатный ковер, пористость, долговечность.
Эффективность теплоизоляционного изделия определяется группой критериев, связанных с энергетическими затратами [1, 2], или таких, которые могут быть выражены через энергетические затраты: снижение расходов на обогрев помещения;
энергоемкость строительных работ (монтаж материала в конструкции); энергоемкость изготовления материала, обладающего нормативными свойствами;
эксплуатационная стойкость материала в конкретных условиях эксплуатации. С одной стороны эксплуатационная стойкость (как свойство) формируется при изготовлении материала, с другой стороны, она зависит от условий эксплуатации материала в конструкции. И этот же показатель влияет на два первых энергетических критерия. Замена утеплителя (плановый) или внеплановый ремонт конструкции привлекают дополнительные энергетические затраты на ремонт, т.е. на строительные процессы [1, 3].
Эффективные теплоизоляционные материалы имеют высокую пористость, низкую плотность и теплопроводность [4]. Требования к прочности связаны с условиями эксплуатации и сохранением свойств материала во времени. Моделирование структуры материала показывает, что предпочтительнее материалы, имеющие более плотную (и прочную) оболочку (или внешнюю, обращенную наружу поверхность) и менее плотные внутренние слои. Слоистая структура предотвращает (или снижает) проникновение влаги в материал, снижает показатель фильтрации воздуха через слой утеплителя, снижает опасность эрозии (выноса) материала фильтрационными потоками [5].
Минеральные теплоизоляционные материалы могут иметь ячеистую, волокнистую или комбинированную структуру. Наиболее распространенными их видами являются теплоизоляционные ячеистые бетоны, ячеистое стекло, вспученный перлит, пенополистиролбетон, минераловолокнистые изделия.
В технологии ячеистого бетона изделия слоистую структуру получают либо механическим воздействие на внешние слои вспученной бетонной смеси (например прикаткой или автофреттажом), либо регулируя параметры вспучивания и тепловой обработки. В частности, становится возможным получение изделий с плотной оболочкой и высокопористым объемом. В технологиях пе-нополистиролбетона — за счет использования принципов технологии самоуплотняющихся масс.
В технологиях минераловатных изделий слоистые материалы получают тремя способами [6, 7]. Во-первых, за счет наложения и последующей сшивки волокнистых материалов различной структуры, наример, минераловатного мата и холстов на основе базальтовых или стеклянных волокон. Во-вторых, за счет приклеивания минераловатных изделий на рулонную основу (ламельные маты на фольгированной основе или минераловатные плиты на рогожке). Третьим способом является технология изделий двойной плотности.
Изготовление изделий двойной плотности базируется на технологических схемах изготовления изделий из каменной ваты [8]. Особенностью технологии плит двойной плотности является установка специального комплекса, который размещается в линейной технологической цепочке после подпрессовочного устройства и перед камерой тепловой обработки. Свойства изделий двойной плотности приведены в таблице.
Характеристики плит двойной плотности
Наименование Верхний слой Плотность
Толщина, мм Плотность, кг/м3 нижнего слоя*
ВентиБаттс Д 30 90 45
Фасад Баттс Д 25 180 94
РуфБаттс Экстра 15 210 135
РуфБаттсОптима 15 200 115
*Толщина по расчету.
В технологиях минераловатных изделий наиболее расходными по энергии переделами являются получение минерального волокна и его тепловая обработка. А оптимизация этих процессов позволяет достигать значительного экономического эффекта. Например, в результате модернизации Троицкого завода минераловатных изделий, энергоемкость продукции была снижена на 13 %.
Минераловатный ковер формируется из тонких волокон (4.. .6 мкм), вследствие чего имеет высокоразвитую внутреннюю поверхность, достигающую 30000 м2/м3. При продувке такого слоя теплоносителем продолжительность тепловой обработки не лимитируется условиями теплообмена, а зависит лишь от количества вводимого в ковер тепла, т.е. от температуры теплоносителя и скорости его движения (продувки) через ковер, и может быть ограничена любым экономически оправданным временем [9].
Температура теплоносителя, вводимого в ковер, ограничивается свойствами синтетических связующих и для фенолоспиртов не должна превышать 180.220 °С, а для карбамидных смол — 160 °С. Кроме того, повышение тем-
пературы теплоносителя одновременно снижает его плотность, т.е. объемы «перекачиваемого» теплоносителя увеличиваются, а эффективного нагрева ковра не происходит. Следовательно, регулируемым параметром, определяющим продолжительность тепловой обработки, является скорость движения теплоносителя через ковер [5].
Для обеспечения заданной скорости движения теплоносителя через ковер необходимо преодолеть определенное гидравлическое сопротивление ковра [8, 10]. Вместе с тем предельное повышение скорости теплоносителя ограничено возможным выносом из ковра связующего и конструктивными особенностями конвейерных камер, не позволяющих создать перепад давлений-разряжений по сторонам ковра более 100 мм вод. ст. (980 Па).
Экономически оправданная продолжительность тепловой обработки должна назначаться с учетом изложенных обстоятельств. Расчет продолжительности тепловой обработки производится в зависимости от скорости и температуры теплоносителя.
Таким образом, эффективность тепловой обработки ковра продувкой теплоносителя и ее продолжительность, в конечном счете, определяется конструктивными возможностями камеры для преодоления гидравлического сопротивления ковра или, другими словами, возможностями создать в камере необходимые перепады давлений по сторонам ковра.
Гидравлическое сопротивление слоистого ковра, в частности ковра двойной плотности можно определить экспериментальным путем или рассчитать с применением ЭВМ. Основой для расчета на ЭВМ стала полученная в результате решения внутренней задачи гидродинамики модель прохождения сжимаемой жидкости через пористую среду.
Изучение процессов, протекающих в минераловатном ковре, показывает, что его гидравлическое сопротивление прямо пропорционально поверхности волокон на единицу объема слоя и обратно пропорционально третьей степени пористости слоя. Установим степень влияния этих характеристик слоя на величину его гидравлического сопротивления.
Анализ данных по минеральным волокнам (и изделиям на их основе) позволил сделать следующие выводы:
удельная поверхность слоя имеет линейную зависимость от его средней плотности;
гидравлическое сопротивление слоя будет тем больше, чем меньше количество корольков и меньше диаметр волокон.
Таким образом для точного расчета гидравлического сопротивления мине-раловатного ковра не обходимо подсчитать значение критерия Re для принятой скорости потока в слое, установить величину коэффициента сопротивления / и подсчитать значение АР.
Дальнейшим развитием изложенных методик стала методика ВНИПИ-Теплопроект. В соответствии с этой методикой в качестве модели процесса приняты условия движения теплоносителя по системе каналов, образованных хаотично расположенными волокнами, корольками и связующим. Методика МГСУ основана на результатах методики ВНИПИТеплопроект и является ее дальнейшим развитием [6, 8, 11].
Гидравлическое сопротивление слоистого ковра ДРф рассчитывается по формуле
АРф = АР0 К„= КАр,
1=1
где ДР0 — гидравлическое сопротивление минераловатного ковра, кПа; К — коэффициент, учитывающий перфорацию лент конвейера; ДР. — гидравлическое сопротивление /-го слоя, кПа; / — количество слоев.
Гидравлическое сопротивление /-го слоя ДР. определяют с использованием номограмм по формуле
Щ =АРКо КН/ Кр/,
где ДР — гидравлическое сопротивление минераловатного ковра со связующим введенным методом распыления при заданной скорости продувки теплоносителя, кПа; К0 — коэффициент постоянных свойств; Кн. — коэффициент,
учитывающий толщину /-го слоя; К . — коэффициент, учитывающий среднюю
р/
плотность /-го слоя.
Коэффициенты КН. и К определяются по номограмме (рис.). Так как ковер первоначально был единым, то коэффициент постоянных свойств К0 считается равным для каждого из слоев. Коэффициент К0 рассчитывают по формуле
К 0 = К рТКХКС ,
где КХ — коэффициент, учитывающий содержание неволокнистых включений (корольков); КС — коэффициент, учитывающий содержание связующего; Ка — коэффициент, учитывающий диаметр волокон; Кг — коэффициент, учитывающий температуру теплоносителя; Ки — коэффициент, учитывающий влагосодержание минераловатного ковра.
Расчет коэффициентов и определение гидравлического сопротивления минерального волокнистого ковра осуществляется на основе программы для ЭВМ [6], разработанной инициативной группой преподавателей, аспирантов и студентов ИСА и ЭУИС МГСУ. Программой учитываются следующие характеристики процесса: скорость теплоносителя, содержание связующего, толщина /-го слоя ковра, содержание корольков, средняя плотность /-го слоя ковра, диаметр волокна, температура теплоносителя, влагосодержание ковра, перфорация лент конвейера, степень неравноплотности ковра, производительность линии.
Физико-механические свойства ковра не изменяются в зависимости от вида теплоносителя, продуваемого через минераловатный ковер (горячие дымовые газы, разбавленные воздухом, или чистый подогретый в калориферах воздух). Для интенсивного протекания процесса необходимо подавать в камеру теплоноситель с температурой не менее 180 °С, что при калориферном подогреве теплоносителя получить затруднительно. Поэтому для снижения расхода топлива и достижения компактности подогревательных устройств следует в качестве теплоносителя применять дымовые газы, разбавляемые воздухом при сжигании жидкого или газообразного топлива в топочных устройствах. При этом должна быть обеспечена полнота сгорания топлива, автоматическое регулирование процесса горения и последующая очистка, отводимых в атмосферу газов.
вестник
МГСУ-
5/2013
Гидравлическое сопротивление слоистого минераловатного ковра
Библиографический список
1. Гагарин В.Г. Теплозащита и энергетическая эффективность в проекте актуализированной редакции СНИП «Тепловая защита зданий» // Энергоэффективность XXI век : III Международный конгресс. СПБ. 2011. С. 34—39.
2. О расчетных теплофизических показателях минераловатных плит / В.Р. Хлев-чук, И.В. Бессонов и др. // Проблемы строительной теплофизики, систем микроклимата и энергосбережения в зданиях. М. : НИИСФ, 1998. С. 127—135.
3. ЖуковА.Д. Технология теплоизоляционных материалов : в 2 ч. М. : МГСУ, 2011. Ч. 1 — 395 с. Ч. 2 — 195 с.
4. Bliudzius R., Samajauskas R. The peculiarities of determining thermal conductivity coefficient of low density fibrous materials, Materials science (MEDZiAGOTYRA), 2001. 345 p.
5. Lienhard J.H. IV, Lienhard J.H. V. A Heat transfer text book. 3rd edition. Cambridge, MA: Phlogiston Press, 2003. 749 p.
6. Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Гидродинамика потока теплоносителя в минерало-ватном ковре // Наука. Строительство. Образование. 2012. № 1. Ст. 4. Режим доступа: http://www.nso-journal.ru.
7. Жуков А.Д., Чугунков А.В., Гудков П.К. Моделирование и оптимизация технологии газобетона // Вестник МГСУ. 2012. № 4. С. 155—159.
8. Расчет параметров тепловой обработки минераловатных изделий с применением ЭВМ / А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова, А.О. Химич, А.О. Еременко, Н.А. Копылов // Строительство : наука и образование. 2013. № 1. Режим доступа: http://www.nso-journal.ru.
9. Курочкин В.А., Жуков Д.В., Шелепов Е.П. Моделирование промышленного режима конвективной сушки изделий в процессе эксперимента // Строительные материалы. 1979. № 1. С. 27—32.
10. Окороков А.М., Жуков Д.В. Исследование и расчет процесса тепловой обработки минераловатного ковра методом продувки теплоносителя // Строительные материалы. 1982. № 7. С. 32—37.
11. Петров-Денисов В.Г., Масленников Л.А. Процессы тепло- и влагообмена в промышленной теплоизоляции. М. : Энергоиздат, 1983. 192 с.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),
г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Смирнова Татьяна Викторовна — аспирант кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе,
д. 26; руководитель отдела проектирования и технической поддержки, ЗАО «Минеральная вата», 105064, г. Москва, Земляной вал, д. 9, [email protected];
Чугунков Александр Викторович — аспирант кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, начальник отдела обследования зданий Комплексной научно-исследовательской лаборатории геотехники, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Химич Анастасия Олеговна — студент Института строительства и архитектуры, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Khimichanastasia@ gmail.com.
Для цитирования: Особенности тепловой обработки слоистых высокопористых материалов / А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова, А.В. Чугунков, А.О. Химич // Вестник МГСУ 2013. № 5. С. 96—102.
A.D. Zhukov, T.V. Smirnova, A.V. Chugunkov, A.O. Khimich
FEATURES OF HEAT TREATMENT OF HIGHLY POROUS LAYERED MATERIALS
Effectiveness of thermal insulation products is determined by a set of criteria that can be expressed in terms of energy costs: reduction of the cost of heating (the main criterion), energy consumption in the course of construction, energy consumption in the course of production of materials having pre-set properties, and service durability of the material.
On the one hand, service durability (as a property) is generated in the course of material production, and on the other hand, it depends on the conditions that the material is exposed to in the course of any construction process. The same parameter affects energy-related criteria. Insulation replacement or unplanned repairs add supplementary energy costs.
The manufacturing process of thermal insulation materials contemplates processing of a significant amount of non-renewable natural resources, namely, fuel combustion. Optimization of these costs is necessary and possible through appropriate organization of processes, including the process of heat treatment of products.
Layered materials can improve the product performance and durability. Production and heat treatment of mineral fibers are the most energy-consuming steps of the mineral wool production. Optimization of these processes can involve significant economic effects.
Key words: thermal insulation, efficiency, heat treatment, mineral wool, porosity, durability.
References
1. Gagarin V.G. Teplozashchita i energeticheskaya effektivnost' vproekte aktualizirovan-noy redaktsii SNIP «Teplovaya zashchita zdaniy» [Thermal Protection and Energy Efficiency in Draft Revised Version of Construction Norms and Rules "Thermal Protection of Buildings"]. Energoeffektivnost'XXI vek: III Mezhdunarodnyy kongress. [3d International Congress. Energy Efficiency 21st Century]. St.Petersburg, 2011, pp. 34—39.
2. Khlevchuk V.R., Bessonov I.V. O raschetnykh teplofizicheskikh pokazatelyakh min-eralovatnykh plit. Problemy stroitel'noy teplofiziki, sistem mikroklimata i energosberezheniya v zdaniyakh [Analytical Thermophysical Parameters of Mineral Wool Panels. Problems of Thermal Physics, Climate Systems and Energy Efficiency in Buildings]. Moscow, NIISF Publ., 1998, pp. 127—135.
3. Zhukov A.D. Tekhnologiya teploizolyatsionnykh materialov [Technology of Thermal Insulation Materials]. Moscow, MGSU Publ., 2011, Part 1 — 395 p., Part 2 — 195 p.
4. Bliudzius R., Samajauskas R. The Peculiarities of Determining Thermal Conductivity Coefficient of Low Density Fibrous Materials. Materials Science. MEDZIAGOTYRA, 2001, 345 p.
5. Lienhard J.H. IV, Lienhard J.H. V. A Heat Transfer Text Book. Cambridge, MA, Phlogiston Press, 2003, 749 p.
6. Zhukov A.D. Smirnova T.V. Gidrodinamika potoka teplonositelya v mineralovatnom kovre [Hydrodynamics of Heat Transfer Agent Flow inside Mineral Wool Mats]. Nauka. Stroitel'stvo. Obrazovanie. [Science. Construction. Education.] 2012, no. 1. Available at: http:// www.nso-journal.ru.
7. Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Gudkov P.K. Modelirovanie i optimizatsiya tekhnolo-gii gazobetona [Modeling and Optimization of the Aeroconcrete Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 4, pp. 155—159.
8. Zhukov A.D., Smirnova T.V., Khimich A.O., Eremenko A.O., Kopylov N.A. Raschet parametrov teplovoy obrabotki mineralovatnykh izdeliy s primeneniem EVM [Computer-based Analysis of Thermal Treatment Parameters Applicable to Mineral Wool Products]. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2013, no. 1. Available at: http:// www.nso-journal.ru.
9. Kurochkin V.A., Zhukov D.V., Shelepov E.P. Modelirovanie promyshlennogo rezhima konvektivnoy sushki izdeliy v protsesse eksperimenta [Modeling of Industrial Mode of Con-vective Drying of Products in the Course of an Experiment]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 1979, no. 1, pp. 27—32.
10. Okorokov A.M., Zhukov D.V. Issledovanie i raschet protsessa teplovoy obrabotki min-eralovatnogo kovra metodom produvki teplonositelya [Research into and Analysis of Mineral Wool Heat Treatment by Blowing the Heat Transfer Agent]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 1982, no. 7, pp. 32—37.
11. Petrov-Denisov V.G., Maslennikov L.A. Protsessy teplo-i vlagoobmena vpromyshlen-noy teploizolyatsii [Heat and Moisture Transfer in Industrial Insulation]. Moscow, Energoizdat Publ., 1983, 192 p.
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Smirnova Tat'yana Viktorovna — postgraduate student, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Director, Department of Design and Technical Support, ZAO «Mineral'naya vata»; [email protected];
Chugunkov Aleksandr Viktorovich — postgraduate student, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Director, Department of Inspection of Buildings, Comprehensive Research Laboratory of Geotechnical Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Khimich Anastasiya Olegovna — student, Institute of Construction and Architecture, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Smirnova T.V., Chugunkov A.V., Khimich A.O. Osobennosti teplovoy obrabotki sloistykh vysokoporistykh materialov [Features of Heat Treatment of Highly Porous Layered Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 96—102.
