Методическое пособие 798

Примечание: * над чертой значения показателя для плит из хлопка, под чертой из льна.

После трехчасовой обработки паром лучшую стабильность толщины показали все образцы волокнистых плит (как без связующего, так и со всеми видами связующих). Образцы минераловатных плит полностью деструктировали, коэффициент теплопроводности вырос более чем в 22 раза. Зависимости разбухания по толщине и коэффициента теплопроводности материала от влагопоглощения представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Зависимости разбухания плит по толщине ∆h от влагопоглощения: 1 — ВП из хлопка на ФФС; 2 — ДСтП на ФФС; 3 — минеральная вата

Рис. 2. Зависимости коэффициента теплопроводности плит от влагопоглощения: 1 — ВП из хлопка на ФФС; 2 — ДСтП на ФФС; 3 — минеральная вата

Увлажнение теплоизоляционного материала, т. е. замещение содержащегося в его порах воздуха водой, имеющей коэффициент теплопроводности λ = 0,5 Вт/(м·К), т. е. в 23 раза

41

Научный журнал строительства и архитектуры

больше, чем у воздуха, приводит к возрастанию теплопроводности. При этом по мере заполнения полостей клеток водой скорость изменения функции λ = f (W) постепенно уменьшается.

Кроме того, влага в порах плитных материалов увеличивает размеры контактных площадок между частицами, что также повышает коэффициент теплопроводности. На влагопоглощение материала влияет, кроме того, вид связующего и его способность создавать связи с активными группировками наполнителя, способными химически связывать воду.

Минеральные волокна не имеют химических или водородных связей с фенолоформальдегидным связующим, их адгезионное взаимодействие является механическим. Поэтому при поглощении материалом влаги частицы расходятся на значительные расстояния, с ростом влагопоглощения увеличивается толщина образцов материала и коэффициент теплопроводности.

Связи между гидроксильными группами частиц целлюлозного волокнистого наполнителя и отвержденным термореактивным (или минеральным) связующим создают большее количество закрытых пор, снижая поглощение влаги материалом. Это улучшает размерную стабильность и снижает рост коэффициента теплопроводности при поглощении влаги волокнистыми плитами на основе растительных наполнителей.

Выводы. При моделировании процессов, протекающих в теплоизоляционном материале при увеличении содержания влаги, необходимо учитывать, что взаимосвязь увлажнения и размерной стабильности материала оказывает существенное влияние на теплопроводность. Моделирование показателей теплоизоляционного материала без учета данных взаимодействий не позволяет адекватно описывать состояние системы в процессе эксплуатации. Полученные в исследовании зависимости позволяют моделировать показатели теплоизоляционных плитных материалов в условиях переменного влагосодержания.

К критериям выбора теплоизоляционного материала необходимо отнести не только значение коэффициента теплопроводности, но и его изменение при увеличении влагосодержания, а также стабильность геометрических размеров при изменении влажности. В лабораторных условиях возможна экстремальная оценка стабильности эксплуатационных показателей теплоизоляционных плит при воздействии пара при температуре (98 ±2) °С.

Таким образом, из испытанных теплоизоляционных материалов наилучшую размерную стабильность и устойчивость коэффициента теплопроводности при длительном воздействии термовлагообработки показали плиты из пылевидных отходов прядения хлопковых и льняных волокон на основе матрицы из синтетических термореактивных или неорганических связующих.

Библиографический список

1.Бобров, Ю. Л. Теплоизоляционные материалы и конструкции / Ю. Л. Бобров. — М.: ИНФРА-М, 2003. —268 с.

2.Ватин, Н. И. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте / Н. И. Ватин, А. С. Горшков, Д. В. Немова // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2013. — № 3 (8). — С. 1—11.

3.Вахнина, Т. Н. Оценка термодеструкции лигноцеллюлозных наполнителей и композиционных материалов на их основе / Т. Н. Вахнина, И. В. Сусоева, Е. Б. Аносова, А. В. Капранов // Известия КГАСУ. — 2017. — № 1. — С. 188—197.

4.Гагарин, В. Г. Определение зоны наибольшего увлажнения в стенах с фасадными теплоизоляционными композиционными системами с наружными штукатурными слоями / В. Г. Гагарин, К. П. Зубарев, В. В. Козлов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2016. — №1 (54). — С. 125—132.

5.Гагарин, В. Г. Моделирование эмиссии волокон из минераловатного утеплителя навесной фасадной системы с вентилируемой прослойкой / В. Г. Гагарин, С. В. Гувернюк, К. И. Лушин // Промышленное и гражданское строительство. — 2013. — № 9. — С. 27—29.

6. Горелик, П. И. Современные теплоизоляционные материалы и особенности их применения / П. И. Горелик, Ю. С. Золотова // Строительство уникальных зданий и сооружений — 2014. — № 3 (18). — С. 93—103.

42

7.Гусев, Б. В. Изменение линейных размеров минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий / Б. В. Гусев, В. А. Езерский, П. В. Монастырев // Промышленное и гражданское строительство. — 2004. — № 8. — С. 32—34.

8.Гусев, Б. В. Потеря массы минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий / Б. В. Гусев, В. А. Езерский, П. В. Монастырев // Кровельные и изоляционные материалы. — 2005. — № 2. —

С. 48—49.

9.Жуков, А. Д. Перенос тепла в высокопористых материалах / А. Д. Жуков, Т. В. Смирнова, А. В. Чугунков // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. — 2012. — Вып. 3 (23). — 8 c.

10.Киселев, И. Я. Зависимость теплопроводности современных теплоизоляционных строительных материалов от плотности, диаметра волокон или пор, температуры / И. Я. Киселев // Строительные материалы. — 2003. — № 7. — С. 17—19.

11.Куприянов, В. Н. Проектирование ограждающих конструкций с учетом диффузии и конденсации парообразной влаги / В. Н. Куприянов, И. Ш. Сафин // Известия КазГАСУ. — 2011. — № 1 (15). — С. 93—103.

12.Румянцев, Б. М. Эксперимент и моделирование при создании новых изоляционных и отделочных материалов / Б. М. Румянцев, А. Д. Жуков. — М., 2013. — 156 с.

13.Смирнова, Т. В. Повышение эксплуатационной стойкости минераловатных изделий двойной плотности: автореф. дис. … канд. техн. наук / Т. В. Смирнова. — М., 2016. — 45 с.

14.Титунин, А. А. Применение математической теории теплопроводности для проектирования ограждающих конструкций из клееного бруса / А. А. Титунин, А. М. Ибрагимов // Строительные материалы. — 2010. —

№1. — С. 64—65.

15.Федосов С. В. Методика экспериментального исследования массопроводных и теплопроводных характеристик волокнистых и древесно-волокнистых материалов / С. В. Федосов, В. Г. Котолов, Р. М. Алоян, М. В. Бычков, М. А. Иванова // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. — 2016. — № 5. —

С. 105—108.

16.Ярцев, В. П. Влияние силовых и атмосферных воздействий на теплофизические характеристики минераловатных плит / В. П. Ярцев, А. М. Дорофеев // Кровельные и изоляционные материалы. — 2010. —

№4. — С. 14—15.

17. Ярцев, В. П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов / В. П. Ярцев, А. А. Мамонтов, С. А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. — 2013. — № 1. —

С. 8—11.

18.Alternatives to the use of flame retarded EPS in buildings [Электронный ресурс] // Safer Insulation Solution. — Режим доступа: http://www.saferinsulation.org/wp-content/uploads/2013/07/COWI-nonFR-EPS.pdf.

19.Azra, К. Development and performance evaluation of natural thermal insulation materials composed of renewable resources / K. Azra // Energyand Buildings. — 2011. — Vol. 43. — P. 2518—2523.

20. Binici, H. Engineering properties of insulation material made with cotton waste and fly ash / H. Binici,

O.Aksogan // Journal of material cycles and waste management. — 2015. —Vol. 17, № 1. — P. 157—162.

21.Best Available Techniques (BAT): Reference Document for the Manufacture of Glass / European Commission Joint Research Centre Institute for prospective technological studies [Электронный ресурс] // Технический ко-

митет по стандартизации ТК 41 «Стекло»: официал. сайт. — Режим доступа: http://glassresearch. ru/uploads/items/NDT/GLS_Adopted_03_2012.pdf.

22.Hauser, G. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden / G. Hauser, H. Stiegel // Energieeinsparverordnung — EnEV. — 2001. — Teil I, № 59. — S. 3085 — 3102.

23.Palumbo, М. Characterization of thermal insulation materials developed with crop wastes and natural binders / M. Palumbo, A. Navarro, J. Avellaneda, A. M. Lacasta // World Barcelona. — 2014. — October, 28—30. —

P.1—10.

24.Straube, J. F. Moisture in Buildings / J. F. Straube // ASHRAE Journal. — 2002. — January. — P. 1—6.

25. Václavík, V. Polyurethane foam as aggregate for thermal insulating mortars and lightweight concrete / V. Václavík, T. Dvorský, V. Dirner, J. Daxner, M. Šťastný // Tehnički vjesnik. — 2012. — Vol. 19 (3). — P. 665— 672.

26. Yucel, K. T. Thermal insulation properties of expanded polystyrene as construction and insulating materials / K. T. Yucel, C. Basyigit, C. Ozel // Journal of Building Physics. — 2008. — Vol. 32. — P. 9—31.

27. Zach, J. Research and development of thermal-insulating materials based on natural fibres / J. Zach, J. Brožovský, J. Hroudová // Modern building materials, structures and techniques. — 2010. — May. — P. 330—334.

References

1. Bobrov, Yu. L. Teploizolyatsionnye materialy i konstruktsii / Yu. L. Bobrov. — M.: INFRA-M, 2003. —

268 s.

2. Vatin, N. I. Energoeffektivnost' ograzhdayushchikh konstruktsii pri kapital'nom remonte / N. I. Vatin, A. S. Gorshkov, D. V. Nemova // Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii. — 2013. — № 3 (8). — S. 1—11.

43

Научный журнал строительства и архитектуры

3.Vakhnina, T. N. Otsenka termodestruktsii lignotsellyuloznykh napolnitelei i kompozitsionnykh materialov na ikh osnove / T. N. Vakhnina, I. V. Susoeva, E. B. Anosova, A. V. Kapranov // Izvestiya KGASU. — 2017. — № 1. — S. 188—197.

4.Gagarin, V. G. Opredelenie zony naibol'shego uvlazhneniya v stenakh s fasadnymi teploizolyatsionnymi kompozitsionnymi sistemami s naruzhnymi shtukaturnymi sloyami / V. G. Gagarin, K. P. Zubarev, V. V. Kozlov // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. — 2016. — № 1 (54). — S. 125—132.

5.Gagarin, V. G. Modelirovanie emissii volokon iz mineralovatnogo uteplitelya navesnoi fasadnoi sistemy s ventiliruemoi prosloikoi / V. G. Gagarin, S. V. Guvernyuk, K. I. Lushin // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. — 2013. — № 9. — S. 27—29.

6.Gorelik, P. I. Sovremennye teploizolyatsionnye materialy i osobennosti ikh primeneniya / P. I. Gorelik, Yu. S. Zolotova // Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii — 2014. — № 3 (18). — S. 93—103.

7.Gusev, B. V. Izmenenie lineinykh razmerov mineralovatnykh plit v usloviyakh ekspluatatsionnykh vozdeistvii / B. V. Gusev, V. A. Ezerskii, P. V. Monastyrev // Promyshlennoei grazhdanskoe stroitel'stvo. —2004. —№ 8. — S. 32—34.

8. Gusev, B. V. Poterya massy mineralovatnykh plit v usloviyakh ekspluatatsionnykh vozdeistvii /

B.V. Gusev, V. A. Ezerskii, P. V. Monastyrev // Krovel'nye i izolyatsionnye materialy. — 2005. — № 2. — S. 48—49.

9.Zhukov, A. D. Perenos tepla v vysokoporistykh materialakh / A. D. Zhukov, T. V. Smirnova, A. V. Chugunkov // Internet-vestnik VolgGASU. Ser.: Politematicheskaya. — 2012. — Vyp. 3 (23). — 8 c.

10.Kiselev, I. Ya. Zavisimost' teploprovodnosti sovremennykh teploizolyatsionnykh stroitel'nykh materialov ot plotnosti, diametra volokon ili por, temperatury/ I. Ya. Kiselev // Stroitel'nye materialy. — 2003. — № 7. — S. 17— 19.

11.Kupriyanov, V. N. Proektirovanie ograzhdayushchikh konstruktsii s uchetom diffuzii i kondensatsii paroobraznoi vlagi / V. N. Kupriyanov, I. Sh. Safin // Izvestiya KazGASU. — 2011. — № 1 (15). — S. 93—103.

12.Rumyantsev, B. M. Eksperiment i modelirovanie pri sozdanii novykh izolyatsionnykh i otdelochnykh materialov / B. M. Rumyantsev, A. D. Zhukov. — M., 2013. — 156 s.

13.Smirnova, T. V. Povyshenie ekspluatatsionnoi stoikosti mineralovatnykh izdelii dvoinoi plotnosti: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk / T. V. Smirnova. — M., 2016. — 45 s.

14.Titunin, A. A. Primenenie matematicheskoi teorii teploprovodnosti dlya proektirovaniya ograzhdayush-

chikh konstruktsii iz kleenogo brusa / A. A. Titunin, A. M. Ibragimov // Stroitel'nye materialy. — 2010. — № 1. —

S.64—65.

15.Fedosov S. V. Metodika eksperimental'nogo issledovaniya massoprovodnykh i teploprovodnykh kharakteristik voloknistykh i drevesno-voloknistykh materialov / S. V. Fedosov, V. G. Kotolov, R. M. Aloyan, M. V. Bychkov, M. A. Ivanova // Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstil'noi promyshlennosti. — 2016. — № 5. — S. 105—108.

16.Yartsev, V. P. Vliyanie silovykh i atmosfernykh vozdeistvii na teplofizicheskie kharakteristiki mineralovatnykh plit / V. P. Yartsev, A. M. Dorofeev // Krovel'nye i izolyatsionnye materialy. — 2010. — № 4. — S. 14—15.

17.Yartsev, V. P. Ekspluatatsionnye svoistva i dolgovechnost' teploizolyatsionnykh materialov / V. P. Yartsev, A. A. Mamontov, S. A. Mamontov // Krovel'nye i izolyatsionnye materialy. — 2013. — № 1. — S. 8—11.

18.Alternatives to the use of flame retarded EPS in buildings [Elektronnyi resurs] // Safer Insulation Solution. — Rezhim dostupа: http://www.saferinsulation.org/wp-content/uploads/2013/07/COWI-nonFR-EPS.pdf.

19.Azra, K. Development and performance evaluation of natural thermal insulation materials composed of renewable resources / K. Azra // Energyand Buildings. — 2011. — Vol. 43. — P. 2518—2523.

20. Binici, H. Engineering properties of insulation material made with cotton waste and fly ash / H. Binici,

O.Aksogan // Journal of material cycles and waste management. — 2015. —Vol. 17, № 1. — P. 157—162.

21.Best Available Techniques (BAT): Reference Document for the Manufacture of Glass / European Commission Joint Research Centre Institute for prospective technological studies [Elektronnyi resurs] // Tekhnicheskii komitet po standartizatsii TK 41 «Steklo»: ofitsial. sait. — Rezhim dostupа: http://glassresearch.ru/uploads/items/NDT/ GLS_Adopted_03_2012.pdf.

22.Hauser, G. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden / G. Hauser, H. Stiegel // Energieeinsparverordnung — EnEV. — 2001. — Teil I, № 59. — S. 3085 — 3102.

23.Palumbo, M. Characterization of thermal insulation materials developed with crop wastes and natural binders / M. Palumbo, A. Navarro, J. Avellaneda, A. M. Lacasta // World Barcelona. — 2014. — October, 28—30. —

P.1—10.

24.Straube, J. F. Moisture in Buildings / J. F. Straube // ASHRAE Journal. — 2002. — January. — P. 1—6.

25. Václavík, V. Polyurethane foam as aggregate for thermal insulating mortars and lightweight concrete / V. Václavík, T. Dvorský, V. Dirner, J. Daxner, M. Šťastný // Tehnički vjesnik. — 2012. — Vol. 19 (3). — P. 665— 672.

26. Yucel, K. T. Thermal insulation properties of expanded polystyrene as construction and insulating materials / K. T. Yucel, C. Basyigit, C. Ozel // Journal of Building Physics. — 2008. — Vol. 32. — P. 9—31.

27. Zach, J. Research and development of thermal-insulating materials based on natural fibres / J. Zach, J. Brožovský, J. Hroudová // Modern building materials, structures and techniques. — 2010. — May. — P. 330—334.

44

STUDY OF THE PROPERTIES OF THERMAL INSULATION MATERIALS WASTE FROM THE PRODUCTION OF COTTON AND FLAX FIBER

A. A. Titunin1, T. N. Vaxnina2, I. V. Susoeva3

Kostroma State University 1, 2, 3

Russia, Kostroma

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Logging and Wood Processing Industry

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Logging and Wood Processing Industry, e-mail: t_vachnina@mail.ru

3PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Technosphere Safety, e-mail: i.susoeva@yandex.ru

Statement of the problem. We study the influence of the moisture content on dimensional stability and coefficient of thermal conductivityof thermal insulation boards.

Results. The results of the experimental research of operational properties of new heat-insulating materials based on wastes of plant origin and synthetic thermosetting or non-organic binder are presented. Conclusions. The operational properties obtained were higher in comparison with those for traditional materials, i. e. dimensional stability and stability of conductivity after long-term exposure to moisture. Thus it was proved that there is a possibility of using a composite plate material on the basis of irrevocable pulverized waste spinning flax and cotton as the inner insulating layer enclosing structures in low-rise construction.

Keywords: thermal conductivityplate, moisture absorption, swelling, waste spinning, flax, cotton, binder, humidity.

ОБЪЯВЛЕН КОНКУРС 2017 ГОДА НА СОИСКАНИЕ МЕДАЛЕЙ РАН С ПРЕМИЯМИ ДЛЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ РОССИИ

ИДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ РОССИИ ЗА ЛУЧШИЕ НАУЧНЫЕ РАБОТЫ

Вцелях выявления и поддержки талантливых молодых исследователей, содействия профессиональному росту научной молодежи, поощрения творческой активности молодых ученых России и студентов высших учебных заведений России в проведении научных исследований РАН ежегодно присуждает за лучшие научные работы 19 медалей с премиями в размере 50 000 рублей каждая молодым ученым России и 19 медалей с премиями в размере 25 000 рублей каждая студентам вузов России.

Конкурс проводится по таким направлениям, как математика, общая физика и астрономия, ядерная физика, физико-технические проблемы энергетики, проблемы машиностроения, механики и процессов управления, общая и техническая химия, физикохимия и технология неорганических материалов, экономика, разработка или создание приборов, методик, технологий и новой научно-технической продукции научного и прикладного значения и др.

Принимаются научные работы, выполненные как самостоятельно молодыми учеными или студентами, а также их коллективами (не более 3-х человек), так и в соавторстве со старшими коллегами.

Работы на конкурс 2017 года направляются почтой до 1 июля 2017 г. в Комиссию РАН по работе с молодежью по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, дом 14, корп. 1, тел.: (499) 237-60-61. На конверте указать одно из 19 направлений, на которое выдвигается работа, и фамилии конкурсантов.

Для удобства регистрации и рассмотрения работ рекомендуется выслать на e-mail yras.contest@gmail.com заполненную электронную версию заявки, которую можно скачать по адресу http://yras.ru/grants/application.pdf.

45

Научный журнал строительства и архитектуры

УДК 697.9:621.3

ВОДОИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБЪЕМОВ

В. П. Шацкий1, В. А. Гулевский2

Воронежский государственный аграрный университет1, 2 Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, зав. кафедрой математики и физики, тел.: (473)29-103-39, e-mail: sha.vladim@yandex.ru

2Д-р техн. наук, проф. кафедры математики и физики, тел.: (473)29-103-39

Постановка задачи. Рассматривается задача охлаждения герметичных объемов, в частности электронной аппаратуры, с помощью противоточных водоиспарительных охладителей косвенного принципа действия.

Результаты. Приводится уравнение теплового баланса ограниченного объема с учетом его охлаждения замкнутым охладительным воздушным контуром. Предлагается математическая модель процессов тепломассопереноса в противоточных водоиспарительных охладителях косвенного принципа действия, которая включает в себя параболические и эллиптические дифференциальные уравнения с распределенными параметрами, также предлагается метод численной реализации этой модели.

Выводы. Результаты исследования позволяют сделать вывод о возможности существенного снижения температуры в герметичных объемах с помощью недорогих экологичных водоиспарительных охладителей косвенного принципа действия.

Ключевые слова: герметичный объем, электронная аппаратура, водоиспарительный охладитель.

Введение. Задача охлаждения различной электронной аппаратуры давно является актуальной при ее конструировании. Колебание, а особенно сильное повышение температур в аналоговых схемах, могут изменять пороги компараторов, коэффициенты усиления транзисторов, номинальные значения резисторов и конденсаторов. В цифровой технике колебания температуры также опасны. Они могут привести к сбою работы аппаратуры, тепловому пробою транзисторов, снижению точности измерений и т. д. Наиболее опасен рост температуры в силовой электронике, которое может привести к разрушению источника питания и нарушение работы потребляющих блоков.

Системы охлаждения герметичныхобъемов можно разделить на две основные группы— на пассивный и активный методы. К первой группе относится отвод тепла при помощи конвекции, теплопроводности и излучения. Ко второй — принудительный теплоотвод с помощью вентиляции, термоэлектроохладителей и омывающих жидкостей [7]. Пассивные методы и термоэлектроохладители, действие которых основано на эффекте Пельтье, малоэффективны при достаточно больших тепловыделениях в охлаждаемых объемах. К вентиляции также необходимо относиться с определенной настороженностью, так как в воздухе могут находиться пыль и влага, которые могут осаждаться на элементах охлаждаемого объема. Жидкостные системы охлаждения полупроводниковых приборов достаточно эффективны, но неудобны в случае необходимости охлаждения объектов в нестационарных условиях (например, в выносных палатках, в дороге, полевых условиях и т. д.).

1. Выбор метода охлаждения герметичных объемов. В последние годы вопросам косвенного водоиспарительного охлаждения посвящено достаточно большое количество работ иностранных исследователей [8—12]. Нами предлагается использование косвенного про-

© Шацкий В. П., Гулевский В. А., 2017

46

тивоточного водоиспарительного охладителя для снижения температуры в различных ограниченных объемах, включая блоки электронной аппаратуры [5, 6]. Воздушный поток, не контактирующий с влажными поверхностями пластин охладителя, посредством использования канального вентилятора, прогоняется через охлаждаемый объект и поступает обратно в охладитель. Этот поток мы будем называть сухим или горячим. Воздух, подаваемый из окружающей среды, охлаждается за счет испарения воды c влажных поверхностей пластин и посредством теплопередачи через них охлаждает сухой поток воздуха. Этот поток мы будем называть мокрым или холодным. Он может быть выброшен во внешнюю среду, а может быть использован для охлаждения помещения, в котором находится охлаждаемый объем.

На рис. 1 изображена схема охладителя, содержащего замкнутый контур для охлаждения герметичного объема. Отметим, что может быть использована как прямоточная, так и более эффективная противоточная схема косвенного охлаждения.

Рис. 1. Схема охладителя, содержащего замкнутый контур для охлаждения герметичного объема

Каналы испарительного блока при охлаждении косвенного принципа действия делятся на сухие и мокрые (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент испарительной насадки

Температуру воздуха, проходящего по мокрым каналам, в которых происходит испарение воды, обозначим через t. Температуру воздуха, проходящего по сухим каналам и не меняющего своего влагосодержания, обозначим через T. Поверхность пластин, образующих эти каналы, имеющая температуру Тр, водонепроницаема (показана темной линией).

2. Материал испарительных пластин. Материал поверхности пластин, образующих мокрые каналы, должны иметь достаточные капиллярные свойства и свободный объем, обладать открытостью пор и водостойкостью. Эта задача была решена группой специалистов под руководством В. К. Дубового, которые создали «композиционный материал для специальной техники», обладающий именно такой структурой [1, 2]. Экспериментальные исследо-

47

Научный журнал строительства и архитектуры

вания показали, что данный материал достаточно хорошо подходит для образования мокрых каналов испарительных насадок.

Вопросам моделирования физических процессов в водоиспарительных охладителях косвенного принципа действия посвящены работы [3, 4].

3. Моделирование физических процессов в водоиспарительных охладителях кос-

венного принципа действия. Процессы теплопереноса в сухих и мокрых каналах в случае противотока описываются параболическими уравнениями:

Закон распределения температуры в пластине задается уравнением Лапласа:

Условия на входе в охладитель при противотоке имеют вид:

На торцах пластин зададим условия непроницаемости:

На границе между каналами и пластиной задаются равенства температур и тепловых потоков:

На поверхности испарения:

Коэффициент диффузии, м2/с, принимаем равным:

D 10 5 2,16 1 t /273 1,8 .

48

И наконец, плотность пара на линии насыщения, кг/м3, определим по формуле:

wн t 0,0004212t3 0,001831t2 0,4195t 4,727 10 3 ,

полученной аппроксимацией табличных данных. Здесь W — плотность пара, кг/м3; λпл, ρ, С — соответственно теплопроводность пластины, Вт/м/град, плотность воздуха, кг/м3, и удельная теплоемкость, Дж/кг/град; R(t) (2500,6 2,372t) 103 — удельная теплота парообразования, Дж/кг; ε — определяемый экспериментально множитель, учитывающий дополнительную энергетическую добавку при испарении с пористых поверхностей,

4. Реализация математической модели. Так как в эту математическую модель входят уравнения эллиптического и параболического типов, распределение температур необходимо искать в целостном блоке, разбивая сечение пластины, а также половины сечения мокрого и сухого каналов прямоугольной сеткой, на которой составляются группы конечно-разностных аналогов, входящих в предложенную выше модель уравнений.

Полученная система линейных алгебраических уравнений решается при значениях плотности насыщенного пара и коэффициента диффузии, вычисленных при температуре наружного воздуха. После этого на мокрой поверхности пластины значение плотности насыщенного пара корректируется в зависимости от полученных там значений температур. Кроме того, значения коэффициента диффузии в узлах сетки также вычисляются по определенным там значениям температуры, и система решается заново. Итерационный процесс завершается, когда температуры в предыдущей и настоящей итерациях на выходе из охладителя отличаются менее чем на 0,1 0С. В качестве примера на рис. 3 визуализировано решение указанной системы при следующих параметры: температура на входе холодного воздуха — 25 0С, его относительная влажность — 40 %, температура на входе горячего воздуха — 40 0С, скорость потока холодного воздуха — 2,7 м/с, скорость потока горячего воздуха — 4 м/с, длина пластин — 0,4 м, температура на выходе холодного воздуха — 25,8 0С, температура на выходе горячего воздуха — 19 0С. Отметим, что температура горячего воздуха на входе в охладитель Твх является температурой на выходе из охлаждаемого объема tоб, которая, в свою очередь, зависит от тепловыделений в нем. Уравнение баланса теплоты в объеме имеет вид:

где ΣkiFi — соответственно коэффициенты теплопередачи и площади i-й части стенок охлаждаемого объема; G — расход горячего воздуха; Твых — температура на выходе из охладителя, являющаяся температурой на входе в объем; tн — температура внешней среды, равная температуре на входе в мокрые каналы; Q — тепловыделения в объеме.

Из уравнения (1) выражается температура в объеме:

Таким образом, температура горячего воздуха на входе в охладитель зависит от температуры горячего воздуха на выходе из охладителя. Это обстоятельство приводит к необходимости организации внешнего итерационного цикла, суть которого состоит в следующем. Задается некоторая первоначальная температура горячего воздуха на входе в охладитель: Твх = tоб, и реализуется представленная выше модель тепломассообмена в охладителе, из которой определяется температура на выходе из охладителя, являющаяся температурой на входе в объем. Далее, из уравнения (2) определяется температура в объеме, после чего вводится понятие невязки как абсолютное значение разности между полученным и первоначальным значениями tоб. Затем корректируется Твх, и модель тепломассообмена реализуется снова. Вычисления прекращаются, когда значение невязки оказывается меньше 0,1 оС. На рис. 4 представлено распределение температур в охладителе тех же геометрических размеров после

49

Научный журнал строительства и архитектуры

последней итерации предложенного алгоритма при следующих параметрах: наружная температура — 30 0С, относительная влажность — 40 %, расход сухого воздуха — 400 м3/час, %, расход мокрого воздуха — 270 м3/час, теплопоступления в объекте — 2000 Вт, температура в объекте — 37,5 0С. Отметим, что при применении обычной вентиляции с таким же расходом воздуха температура в объеме достигла бы значения 45,3 0С.

горячий воздух холодный воздух

Выводы

1.Результаты исследования позволяют сделать вывод о возможности существенного снижения температуры в герметичных объемах, в частности электронной аппаратуры, с помощью недорогихэкологичныхводоиспарительныхохладителей косвенного принципа действия.

2.Кроме того, предложенная математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в указанных охладителях, и метод ее численной реализации могут быть использованы для охладителей, использующих другие принципы охлаждения, а также для прямоточных и противоточных пластинчатых теплообменников.

Библиографический список

1.Дубовый, В. К. Бумагоподобные композиционные материалы на основе минеральных волокон: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.21.03 / В. К. Дубовый. — СПб, 2006. — 34 с.

2.Дубовый, В. К. Бумагоподобный композиционный материал на основе минеральных волокон с использованием в качестве связующего солей алюминия и поливинилацетатной эмульсии (ПВАЭ): заявка на патент № 2010115143 / В. К. Дубовый, Е. Б. Свиридов, Р. А. Кобылин. — 15.04.2010.

3.Шацкий, В. П. Моделирование работы пластинчатых водоиспарительных охладителей косвенного принципа действия / В. П. Шацкий, В. А. Гулевский // Лесотехнический журнал, Воронеж, ВГЛТА. — 2013. —

№4(12). — С. 160—166.

4.Шацкий, В. П. Моделирование физических процессов в пластинчатых водоиспарительных кондиционерах косвенного принципа действия / В. П. Шацкий, Л. И. Федулова, А. С. Чесноков, А. А. Седаев // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2012. — № 2 (26). — С. 29—34.

5.Шацкий, В.П. Об охлаждении герметичных объемов водоиспарительными теплообменниками / В. П. Шацкий, Л. И. Федулова, О. И.Грицких // Известиявузов. Строительство. —2008.—№11—12.—С. 39—43.

6.Шацкий, В. П. Об охлаждении герметичных объемов косвенными водоиспарительными теплообменниками / В. П. Шацкий, Л. И. Федулова // Инновационные технологии и технические средства для АПК: материалы науч. конф. проф.-преп. состава, научных сотрудников и аспирантов / под общ. ред. В. И. Оробинского, Е. А. Андрианова, В. Г. Козлова. — Воронеж: ВГАУ, 2013. — С. 39—42.

7.Bocock, G. Некоторые аспекты принудительного воздушного охлаждения источников питания / GaryBocock // Силовая Электроника. — 2010. — № 5. — С. 80 — 81.

8.Chengqin, R. An analytical model for the heat and mass transfer processes in indirect evaporative cooling with parallel/counter flow configurations / R. Chengqin, Y. Hongxing // International journal of heat and mass transfer. — 2006. — Vol. 49, № 3. — P. 617—627.

9.Fakhrabadi, F. Optimal design of a regenerative heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling / F. Fakhrabadi, F. Kowsary// Applied Thermal Engineering. — 2016. — Vol. 102. — P. 1384—1394.

10.Hasan, A. Going below the wet-bulb temperature by indirect evaporative cooling: analysis using a modified ε-NTU method / A. Hasan // Applied energy. — 2012. — Vol. 89, №. 1. — P. 237—245.

11.Moshari, S. Numerical study of regenerative evaporative coolers for subwet bulb cooling with cross-and coun- ter-flowconfiguration / S.Moshari,G. Heidarinejad //AppliedThermalEngineering.—2015. —Vol 89. —P. 669—683.

12.Zhao, X. Numerical studyofa novel counter-flow heat and mass exchanger for dewpoint evaporative cooling / X. Zhao, J.M. Li,S. B. Riffat // Applied ThermalEngineering.—2008.—Vol. 28,№. 14.—P. 1942—1951.

50