РОЗДІЛ 2 ТЕРМОДИФУЗІЯ ВОЛОГИ КРІЗЬ
ОГОРОДЖУВАЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ
2.1 Постановка задачі дослідження зміни тепловологісного стану огороджувальних
конструкцій
Зміна тепловологісного стану огороджувальних конструкцій – це комплекс
одночасно протікаючих та впливаючих один на одного процесів, а саме, передача
теплоти матеріалу через пограничний прошарок (тепловіддача); нагрівання
матеріалу (нестаціонарний теплообмін); випаровування вологи. При зміні
тепловологісного стану огороджувальних конструкцій вологу з матеріалу
огородження можна видаляти без зміни її фазового стану, тобто механічним
методом (пресування, центрифугування, фільтрація), а при безпосередньому
контакті вологого матеріалу з повітрям, яке має більш низький потенціал
переносу вологи (контактний масообмін). Видалення вологи з матеріалу, при зміні
її фазового стану (фазове перетворення рідини у пару), пов’язано з витратами
теплоти. Теплова зміна тепловологісного стану огороджувальних конструкцій
здійснюється за допомогою випаровування вологи спочатку із зовнішньої поверхні,
а потім зона випаровування буде переміщуватися в середину матеріалу. При зміні
тепловологісного стану огороджувальних конструкцій без зміни фазового стану
можливе видалення тільки частини вологи, яка менш пов’язана з матеріалом. При
зміні фазового стану вологи, швидкість видалення вологи та положення зони
випаровування, перш за все, залежать від міцності зв’язку вологи з матеріалом.
При цьому енергія витрачається як на подолання сили цих зв’язків, так і на
теплоту пароутворення. Переміщення вологи в огороджувальних конструкціях
починається з моменту утворення в них конденсаційної вологи, так як сорбційна
волога, яка знаходиться в матеріалі огороджувальних конструкцій в пов’язаному
стані, переміщуватися у вигляді рідини не може. Переміщення вологи починається
з моменту зосередження вологи в окремих місцях, де вона об’єднується. При цьому
волога заповнює пори матеріалу тільки частково, так як в них, окрім вологи,
буде знаходитися повітря та водяна пара (капілярна дифузія). При капілярній
дифузії, крім руху вологи в рідкому стані може відбуватися переміщення вологи у
вигляді пари при градієнті температури в матеріалі (пароподібна волога може
рухатися в матеріалі і в напрямку, зворотному руху рідкої вологи). При
подальшому підвищенні вологості матеріалу його пори та маленькі капіляри можуть
бути частково заповненими рідкою вологою, газова фаза в порах матеріалу буде не
суцільною, а роздробленою (це буде початком стадії фільтрації).
На переміщення вологи в середині матеріалу впливає термодифузія, яка обумовлена
перепадом температур в середині матеріалу. Кількість вологи, яка буде
переміщуватися в середині матеріалу за рахунок дифузії [2], кг/(м2· год):
, (2.1)
де - коефіцієнт дифузії вологи, м2/(год· Па);
- густина абсолютно сухої частки матеріалу, кг/м3;
- різниця вологовмістів між прошарками матеріалу, кг/кг;
- коефіцієнт термодифузії, кг/(м2 · 0С);
- різниця температур між прошарками матеріалу, 0С;
- коефіцієнт молярного переносу пари під впливом градієнта тиску;
- різниця парціальних тисків під впливом градієнта тиску, кг/(м2 ·Па).
Складність розв’язання рівняння (2.1) обумовлена відсутністю відомостей про
сталі масообміну та їх залежність від температури та вологості матеріалу. Про
характер зміни деяких сталих можна робити висновок тільки за результатами
дослідів [23].
Тривалість періоду зміни тепловологісного стану при заданих граничних умовах
можна визначити за допомогою системи диференціальних рівнянь тепло- та
масообміну. Але в більшості випадків ці рівняння не можливо отримати. По-перше,
коефіцієнти переносу теплоти та маси в середині тіла в процесі зміни
тепловологісного стану значно змінюються. По-друге, інтенсивність випаровування
вологи за весь період зміни тепловологісного стану залежить від умов підведення
теплоти до матеріалу та від міграції вологи та теплоти в середині матеріалу. В
одному випадку домінуючим фактором, який обумовлює тривалість зміни
тепловологісного стану, є зовнішній тепло- та масообмін. В іншому випадку,
навпаки, все залежить від інтенсивності протікання процесу переносу теплоти та
маси всередині матеріалу, так як домінуючими факторами є градієнти температури
та вологості всередині. Так, наприклад, в період сталої швидкості зміни
тепловологісного стану температура матеріалу буде дорівнювати температурі
мокрого термометра, а в період зменшення швидкості зміни тепловологісного стану
температура є функцією вологості та температури повітря.
Аналіз дослідів, включаючи роботи [23,38] в цій галузі, свідчать про те, що
тепло- та волого перенос в матеріалі огороджувальної конструкції розглядається
без урахування тепловологісних характеристик повітря. Існують практичні
рекомендації [39,40,41] для вибору параметрів повітря. Але, без досить
поглибленого вивчення впливу цих параметрів на процес тепло- та вологопереносу
в матеріалі огороджувальної конструкції, важко робити висновок про те,
наскільки ці рекомендації відповідають оптимальним енергетичним витратам.
Вивчити вплив параметрів повітря на процес тепло- та вологопереносу та
оптимізувати його з точки зору енергетичних витрат можливо на основі
математичної моделі процесу. Розробка та вирішення такої математичної моделі
дозволить кількісно оцінити ступінь впливу параметрів повітря (температури,
вологовмісту та витрат) на процес тепло- та вологопереносу в матеріалі.
2.2 Математична модель процесу тепломасообміну в огороджувальних конструкціях
при симетричних граничних умовах
Мета даного розділу полягає в отриманні математичної моделі, яка
- Киев+380960830922