Проведем моделирование поровой структуры ЭППС THERMIT XPS. Для исследования были отобраны образцы плиты THERMIT XPS марки 35 (табл. 2.1) толщиной 40 мм. Ориентировочный возраст плиты составляет 1 год (период с момента производства изделия до его испытания).

Для исследования был выбран срез материала размером 2x8 мм, рас­положенный перпендикулярно толщине плиты (рис. 3.4). Неоднородность поровой структуры ЭППС на данном участке плиты обуславливается техно­логией производства. Для выделения однородных участков норовой структу­ры срез условно был разбит на 4 равных участка I...1V размером 2x2 мм ка­ждый.

Плотиые І ^ани плиты Рис. 3.4. Схема расположения исследуемого среза па плите пенопласта

Микроснимок норовой структуры исследуемого среза, полученный с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss AxioScope А1, представлен па рис. 3.5.

Рис. 3.5. Процесс обработки микрофотографии для получения геометрических данных по­ровой структуры исследуемого пенополистирола

Обработка полученного микроснимка производилась в программе с функциями автоматического проектирования Autodesk AutoCAD (рис. 3.5), в результате которой были получены значения £>цDx J и Sj для каждой ячейки среза. Полученные данные по всем ячейкам участков I...IV представлены в при л. 1.

Рис. 3.6. Изменение средней площади ячейки по ширине плиты: —♦----------- практические дан­ные; --------- аппроксимирующая функция

Расстояние от края плиты пенополистирола, мм

Средние значения £>ц, D-L, as, S для каждого исследуемого участка представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 № уча­стка Количество рассмотренных ячеек Средние линейные размеры ячейки по двум взаимно пер­пендикулярным направлени­ям D || ; Dx, мм Коэффициент формы ячейки а/= D\! D± Средняя площадь ячейки S, Мм2 I 35 0,448 ; 0,399 1,12 0,121 II 42 0,398 ; 0,335 1,19 0,090 III 43 0,431 ; 0,291 1,48 0,086 IV 77 0,375 ; 0,162 2,31 0,039

На рис. 3.6 и 3.7 представлены графики изменения S и коэффициента формы ячейки as по ширине плиты.

1 2 3 4 5 6 7

Практические

Расстояние от края плиты пенополистирола, мм

Рис. 3.7. Изменение коэффициента формы ячейки по ширине плиты: данные; аппроксимирующая функция

На рис. 3.6 видно, что средняя площадь ячейки увеличивается в на­правлении от края плиты к ее середине. Увеличение as пор в направлении от середины плиты к ее краю (рис. 3.7), а также то, что as > 1 по всей площади среза указывает на влияние процесса экструзии изделия при производстве на формирование его поровой структуры. Таким образом, количественно оха­рактеризована анизотропия поровой структуры по ширине плиты пенополи­стирола THERMIT XPS.

По полученным геометрическим данным производим построение ГСЭ исследуемого пенополистирола на плоскости для каждого участка.

Для определения величины h необходимо определить плотность мате­риала рг на рассматриваемых участках I...IV. Для определения р,- на отдель­ном участке использовались цилиндрические образцы диаметром 10 мм и толщиной 2...3 мм (далее они были использованы для экспериментального определения теплопроводности). С каждого участка было взято по 4 образца и определена их плотность.

Взвешивание образцов производилось на электронных микровесах Met- tler Toledo ХР26, измерение с помощью электронного штангенциркуля Mahr 16 EX. Значение р,- для каждого участка определялось как среднее арифмети­ческое плотностей 4 образцов.

Расстояние от края плиты пенополистирола, мм

Рис.3.8. Изменение плотности ЭППС по ширине плиты

Результаты определения р, по участкам I...IV пенополистирола пред­ставлены в табл. 3.5, по данным которых был построен график изменения плотности по ширине исследуемой плиты (рис. 3.8). Очевидно, что плот­ность плиты вблизи её внешней грани равна плотности монолитного поли­стирола.

Таблица 3.5 № участка № образца Масса образца, г Толщина образца, мм Диаметр образца, мм Объем образца, мм3 Плотность образца, кг/м3 Средняя плотность р„ кг/м3 1 0,0079 3,19 9,45 223,63 35,33 I. 2 0,00841 3,35 9,45 234,84 35,81 35,80 3 0,00832 3,27 9,45 229,24 36,29 4 0,00832 3,32 9,45 232,74 35,75 1 0,00825 3,24 9,45 227,13 36,32 И. 2 0,00858 3,25 9,45 227,83 37,66 36,51 3 0,00782 3,02 9,45 211,71 36,94 4 0,0095 3,86 9,45 270,60 35,11 1 0,0075 2,67 9,55 191,16 39,23 III. 2 0,0083 2,84 9,55 203,33 40,82 39,49 3 0,00756 2,65 9,55 189,72 39,85 4 0,00662 2,43 9,55 173,97 38,05 I 0,01227 2,75 9,75 205,22 59,79 IV. 2 0,01211 2,73 9,66 199,98 60,56 63,92 3 0,0122 2.72 9,72 201,73 60,48 4 0,00985 1,8 9,65 131,58 74,86

1 аблнца 3.6

№ участка	Геометрические характеристики ГСЭ, мм
DII	D±	СІ2	Ъг	С	/7	К /2
I	0,448	0,399	0,159	0,247	0,607	0,0063	0,0032
11	0,398	0,335	0,140	0.212	0,537	0.0056	0.0028
111	0,43 1	0,291	0,159	0,199	0,590	0,0058	0,0029
IV	0,375	0,162	0,101	0,159	0,476	0,0056	0,0028

Па рис. 3.9 представлены основные этапы построения ГСЭ пенополи­стирола THERMITXPS по участкам 1...IV по разработанной методике.

Перед выполнением теплотехнических расчетов необходимо опреде­лить значения теплопроводности материалов Xs и Xg, входящих в расчетную модель.

Значение Xs примем по табл. 1.8, так как полимерным сырьем для полу­чения плит THERMIT XPS является ПСОН (ks = 0,199 Вт/м-°С).

Значение ^вычислим по формуле (1.6), для чего в первую очередь не­обходимо определить значения Xgcond, Xgconv, rad.

Значение gond для газов фреонов HCFC-142b, HCFC-22 и воздуха примем по табл. 1.4 для температуры 26 °С.

Результаты расчета Xgonv для фреона HCFC-22 и воздуха по формулам (1.8), (1.9) представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.7 Наименование параметра HCFC-22 (пары) Воздух Расчетные величины по участкам I II III IV I II III IV Химическая формула CF2C1H - Молярная масса, г/моль 86,5 29,0 Коэффициент кондукционной теплопроводно­сти газа cond, Вт/м-°С 0,0099 0,0026 Кинематическая вязкость Па-с 3,06-Ю"6 1,56-10~5 Коэффициент термического расширения, 1/К 3,95-10'3 3,26-10"3 Критерий Прандтля Рг 0,830 0,712 Ширина ячейки (вдоль теплового потока), мм 0,393 0,329 0,286 0,156 0,393 0,329 0,286 0,156 Криіерий Грасгофа Gr 0,0503 0,0295 0,0194 0,0031 0,0017 0,0011 0,0007 0,0002 Число Рэлея Ra 0,0417 0,0245' 0,0161 0,0026 0,0012 0,0008 0,0005 0,0001 Эквивалентный коэффициент те­плопроводности для конвективно­го переноса тепла ),есо" Вт/м-°С 2,77- 10-.о 1,32- Ю-10 7,34- Ю-11 5,83- Ю-12 1,94- Ю-7 1,12- 10-7 5,87- 10"8 8,13- Ю-9

По данным табл. 3.7 видно, что значение величины Xgonv для установ­ленных средних размеров ячеек на участках I...IV незначительно и в даль­нейших расчетах ее можно не учитывать.

Значение Xg Md определим по формуле (1.10) с помощью данных табл. 1.7. При расчетах примем горизонтальное направление теплового по­тока (№2, табл. 1.6), перпендикулярное наибольшим (лицевым) граням плиты, в соответствии с наиболее часто встречающимся расположением утеплителя в наружных ограждающих конструкциях.

Результаты расчета Xgad для участков I...IV представлены в табл. 3.8.

Таблица 3.8 Наименование параметра Участок I II III IV Коэффициент формы а, 1,1 1,2 1,5 2,3 Коэффициент бокового излучения ф 1,17 1,15 1,10 1,03 Температурный множитель Ъ 1,07 Коэффициент взаимного излучения поверхностей С1, Вт/м2-К4 5,1 Эквивалентный коэффициент тепло­проводности для переноса тепла из­лучением %/ad, Вт/м-°С 0,0026 0,0022 0,0018 0,0011

В табл. 3.9 представлены полученные значения составляющих вели­чины Xg для каждого участка I.. .IV с указанием вклада (%) для воздуха.

Таблица 3.9 Наименование параметра Участок I II III IV Коэффициент кондукционной тепло­проводности газа Xgc"nd, Вт/м-°С (вклад, %) 0,0263 (91) 0,0263 (92) 0,0263 (94) 0,0263 (96) Эквивалентный коэффициент тепло­проводности для конвективного пе­реноса тепла "к™т, Вт/м-°С (вклад, %) 1,94-10"7 (0) 1,12-Ю"7 (0) 5,87-10"8 (0) 8,13-Ю'9 (0) Эквивалентный коэффициент тепло­проводности для переноса тепла из­лучением e'ad, Вт/м-°С (вклад, %) 0,0026 (9) 0,0022 (8) 0,0018 (6) 0,0010 (4) Эквивалентный коэффициент тепло­проводности газообразной фазы Xg, Вт/м'°С (сумма) 0,0289 (100) 0,0285 (100) 0,0281 (100) 0,0273 (100)

Таким образом, нами определены все необходимые данные по харак­теристикам материалов для выполнения теплотехнического расчета.

Для каждого участка (I...IV) выполним построение ГСЭ в оболочке программы THERM, зададим значения характеристик материалов, устано­вим граничные условия (Дт = 1°С) и произведем расчет.

Результат разбивки модели на КЭ, распределение изотерм и плотно­стей тепловых потоков для каждого участка представлены на рис. 3.10.

M

Рис. 3.10. Результаты расчета модели поровой структуры в программе THERM по участ­кам I..IV: а - результат разбивки модели на КЭ; б, в - распределение изотерм и плотно­стей іепловьіх потоков по модели соответственно.

Общие результаты расчета полученной структурной модели пенопо­листирола THERMIT XPS для рассмотренных участков I...IV для заполне­ния норового пространства воздухом представлены в табл. 3.10.

№ участка	Длина модели вдоль направле­ния теплового потока, мм	Перепад температур At, °С	Коэффициент теплопередачи, Вт/м,0С	Эффективный коэффициент те­плопроводности eff, Вт/м-°С
I	0.399	1	0,08020	0,032
И	0,335	1	0,09549	0.032
III	0,291	1	0,01070	0,031
IV	0,162	1	0,01870	0,030