Определение влияния процентного вложения коротковолокнистых отходов на теплофизические свойства органо-синтетических волокнистых плит

В настоящее время в условиях острого дефицита сырьевых ресурсов для текстильной промышленности повторное использование волокнистых отходов имеет большое экономическое значение. Использование коротковолокнистых отходов позволяет значительно сократить расходы на сырье, загрузить простаивающие производственные мощности, а также создать дополнительные рабочие места.

Сотрудниками кафедры ПНХВ УО «ВГТУ» и ОАО «Витебскдрев» разработана технология получения органо-синтетических волокнистых плит строительного назначения с использованием коротковолокнистых отходов коврового производства. Получение теплоизоляционных материалов на основе отходов легкой промышленности позволяет значительно удешевить их производство и расширить ассортимент изоляционных материалов, способствует экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов в строительстве за счет уменьшения толщины и массы ограждающих конструкций, снижения теплопотерь при эксплуатации зданий и сооружений. Создание органо-синтетических волокнистых плит с высоким термическим сопротивлением, характеризующихся высокими потребительскими свойствами, обеспечивает расширение ассортимента строительных материалов и создание импортозамещающей продукции.

При производстве органо-синтетических волокнистых плит (ОСВП) по технологии ДСП в наружных слоях используется древесина лиственных и хвойных пород (сосна, ель, осина, береза, ольха и др.) в различных соотношениях. В роли связующего для наружных слоёв используется смола карбамидоформальдегидная КФ-НФП (продукт поликонденсации карбамида и формальдегида в присутствии кислотных и щелочных катализаторов).

В качестве внутреннего слоя используется материал с низким коэффициентом теплопроводности (коротковолокнистые текстильные отходы), позволяющий получить продукт, который обладает физико-механическими показателями качества, близкими к древесностружечным плитам и повышенными теплоизоляционными свойствами.

В лабораторных условиях УО «ВГТУ» полученные экспериментальные образцы ОСВП толщиной 16 мм и плотностью 400 кг/м3 с использованием отходов текстильной промышленности были подвергнуты испытаниям по определению коэффициента теплопроводности и температуропроводности.

Комплектация пакетов материалов представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Комплектация пакетов материалов

№ образца	Древесная стружка, %	Коротковолокнистые текстильные отходы, %
1	40	60
2	50	50
3	60	40
4 (ДСП)	100	-

Схема опытной установки, на которой определяются величины коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема опытной установки:

1 – автотрансформатор; 2 – теплоизолированная камера; 3 – тепловой электронагревательный элемент; 4 – ваттметр; 5 – исследуемый образец;

6 – термопары

Исследуемому материалу придается форма относительно тонкой квадратной пластины 5. Температурный перепад создается за счет теплового электронагревательного элемента (ТЭН) 3, помещенного в теплоизолированную камеру 2 для обеспечения одномерного постоянного теплового потока. Мощность теплового потока Q (Вт) равна значению мощности, затрачиваемой на нагревание ТЭН и измеряется непосредственно ваттметром 4. Значение мощности теплового потока Q задается автотрансформатором 1. Значения температур поверхностей исследуемого материала определяются с помощью термопар 6, горячие спаи которых зашиваются как со стороны воздействующего теплового потока (воздействующий на нижний слой), так и со стороны, не подвергаемой тепловому воздействию (верхний слой).

Коэффициент теплопроводности определяется методом стационарного режима, а коэффициент температуропроводности – методом нестационарного исследования. Поэтому необходимо фиксировать изменения температуры поверхностей материала с момента помещения образца в опытную установку и до момента наступления стационарного режима.

Для обеспечения постоянного теплового потока после включения опытной установки в питающую сеть ее необходимо прогревать в течение 15 – 20 минут. Образец должен полностью, без зазоров, закрывать окно теплоизолированной камеры, т. к. ошибка из-за контактного сопротивления может достигать 30 %. Значения температур фиксируются через равные максимально короткие промежутки времени.

Проведение опыта для определения коэффициента теплопроводности прекращается при достижение скорости изменения температуры на обеих сторонах образца 0,5 0С/мин.

Расчет коэффициента теплопроводности производился с использованием закона Фурье в форме

Q = -λ∂T F ∂n и дифференциального уравнения теплопроводности в форме d 2T d 2T d 2T аг+17+17

Решения вышеуказанных дифференциальных уравнений применительно к одномерным температурным полям для тел простой геометрической формы и позволяют найти коэффициент теплопроводности из соотношения:

X = —Q—K .

t c1 - t c2

где Q – тепловой поток, Вт; К – коэффициент формы исследуемого материла, для неограниченного плоского тела рассчитывается по формуле

K = —

FP где 3 - толщина плоского слоя, м; Fр - его расчетная поверхность, нормальная к направлению теплового потока, м2.

В результате проведения эксперимента формируются исходные данные для расчета требуемого показателя. По этим данным строится графическая реализация опытных данных.

Дополнительно были измерены: мощность теплового потока Q (Вт), толщины плоского слоя 3 м, расчетная поверхность, нормальная к направлению теплового потока F р (м²).

Экспериментальные исследования образцов проводились многократно. После проведения эксперимента рассчитывался коэффициент формы для каждого образца по формуле 4. Затем по формуле 3 рассчитывался коэффициент теплопроводности. Результаты расчета представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Сравнительная диаграмма показателя "коэффициент теплопроводности полученных материалов"

Анализируя синтетические коэффициента

полученные данные, можно сделать вывод, что органоволокнистые плиты обладают улучшенным показателем теплопроводности. Например, при использовании в составе композиции коротковолокнистых текстильных отходов 60 %, коэффициент теплопроводности уменьшается в 4 раза по сравнению с ДСП. Это объясняется тем, что текстильные химические волокна по геометрическим показателям значительно уступают древесной стружке. В результате чего в единице объема готового материала содержится большее количество элементарных волокон. При производстве сохраняется большее количество воздушных пространств между волокнами, то есть материал получается более пористый, а значит менее теплопроводный. Данное утверждение доказывает представленная диаграмма: видно, что при увеличении содержания коротковолокнистых текстильных отходов в составе ОСВП - коэффициент теплопроводности уменьшается.

Расчет коэффициента температуропроводности производился по методике, описанной в [1].

Коэффициент температуропроводности плохих проводников тепла, при условии, что Bi = >* (практически Bi >  100), можно определить из выражения:

a = Km „ ,                          (5)

где К' - коэффициент формы, характеризующий геометрическую форму и размеры тела.

Коэффициент формы для неограниченной пластины

K - (— )².                             (6)

π где 5- толщина пластины, м.

Для расчёта коэффициента температуропроводности разработана программа в математическом редакторе Maple V. В результате расчета получены следующие результаты, представленные на рисунке 3.

Рисунок 3 - Сравнительная диаграмма показателя "коэффициент температуропроводности полученных материалов"

Как известно, коэффициент температуропроводности характеризует соотношение между двумя тепловыми свойствами тела: способностью проводить тепло и способностью аккумулировать его. Если преобладает проводимость тепла, то коэффициент температуропроводности имеет высокие значения. Наоборот, если теплопроводность мала, а теплоемкость (объемная) велика, то значения коэффициента температуропроводности будут малы. Как видно из рисунка 3, введение в состав ОСВП отходов синтетических волокон улучшает теплофизические показатели готовых плит. Вследствие того, что химические волокна меньше древесной стружки, в единице объема увеличивается количество элементарных химических волокон. Располагаясь хаотически, под воздействием температуры они сплавляются отдельными участками и создают сетчатую структуру во внутреннем слое, при этом увеличивая пористость материала. Таким образом, в данном случае ОСВП (рисунок 3) являются плохими проводниками тепла и имеют значительную теплоемкость, что позволяет использовать данные материалы в качестве теплоизоляционных материалов.

С целью определения возможности использования ОСВП в качестве теплоизоляционного материала проведем сравнительный анализ теплофизических характеристик для стен здания с прокладкой из ОСВП с разным процентным содержанием коротковолокнистых текстильных отходов в сравнении с ДСП, а также проведем расчет экономии условного топлива.

Тепловой поток через плоские поверхности в стационарном режиме определяется:

^tВН - ^{t Н} × F × 10 ^{- 3} n

, кВТ,

∑Ri i=1

δ где R = i – термическое сопротивление плоской стенки, м2*0С/Вт;

i _{λ i}

F = 1000 м²– общая поверхность стен здания; t ВН = 18 ⁰С; t Н = -10 ⁰С.

Потери тепла через стены здания уменьшаются за счёт увеличения термического сопротивления стен. Расход условного топлива на отопление здания определяется:

B = ^Q 3600 , кг/ч y.m. p                                                                     ( )

Q н. y.m.

где ( . у . т . = 29300 кДж/кг - теплота сгорания условного топлива.

Расход условного топлива рассчитываем за весь отопительный сезон. Экономия условного топлива за счёт повышения требований к теплоизоляции стен зданий

∆ B

ч.

y.m.

∆Q 3600 , кг/ч p н. y.m.

∆ В _год = ∆ В _у ^ч _.т. τ , кг/сезон                               (10)

где τ = 4600 часов – продолжительность отопительного сезона.

Таким образом, видно (таблица 2), что коэффициент теплопроводности наименьший у изоляционных ОСВП с содержанием коротковолокнистых текстильных отходов 60 %, т. е. количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу поверхности при использовании данной ОСВП наименьшее, минимальны потери тепла.

Таблица 2 – Теплофизические характеристики кирпичной стены

Виды стен	Коэффициент теплопроводности, Я б [Вт/м*0С]	Термическое сопротивление, Ri м2*0С/Вт	Тепловой поток через плоские поверхности, Q кВт	Расход условного топлива на отопление здания, В у.т. [кг/ч]
Контрольный образец ДСП	0,207	0,096	91,5	11,24
Образец № 1	0,055	0,363	48,8	5,99
Образец № 2	0,048	0,416	44,7	5,49
Образец № 3	0,045	0,444	42,8	5,26

Результаты расчета показывают, что наименьшее количество топлива необходимо для отопления здания, в конструкцию стен которых входит прокладка из ОСВП.

Определим экономию условного топлива за счёт использования в конструкции стен здания прокладки из ОСВП с содержанием коротковолокнистых текстильных отходов 40 % в сравнении с ДСП и образцами № 1 и № 2. Результаты расчетов представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Экономия условного топлива

Вид стен	Экономия условного топлива в час, кг/ч	Экономия условного топлива за отопительный сезон, кг/сезон
Образец № 1	5,25	24,150
Образец № 2	5,75	26,450
Образец № 3	5,98	27,508

Анализ таблицы 3 показал, что новый вид изоляционных материалов ОСВП с содержанием коротковолокнистых текстильных отходов 40 % является плохим проводником тепла и имеет значительную теплоемкость.

В результате проведения эксперимента установлено, что органо-синтетические волокнистые плиты обладают улучшенным показателем коэффициента теплопроводности. При использовании в составе композиции коротковолокнистых текстильных отходов 40%, коэффициент теплопроводности уменьшается в 4 раза по сравнению с ДСП. Следовательно, ОСВП обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, что позволяет использовать данные плиты в качестве теплоизоляционных материалов в строительстве.