Экструзионный пенополистирол

Теоретические основы теплопередачи в газонаполненных поли­мерах на примере пенополистиролов

Механизмы передачи тепла в газонаполненных полимерах хорошо изу­чены и представлены в работах [36, 39, 42, 59, 72, 123, 143, 161, 162].

Пенополистиролы представляют собой двухфазную систему твердого полимера и газа. Общая теплопроводность системы будет являться функ­цией ее составляющих:

Kff=f{lg К), (1.5)

Где Xg - эквивалентный коэффициент теплопроводности газообразной фазы, Вт/м-°С; Xs - коэффициент теплопроводности твердой фазы, Вт/м-°С.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности газа Xg, заполняющего ячейки, согласно принципу аддитивности будет равен:

Х^= xgcond+x;onv + X/ad, (1.6)

Где Xg°Nd - коэффициент кондукционной теплопроводности газа, Вт/м-°С; Xg0Nv — эквивалентный коэффициент теплопроводности для конвективного переноса тепла, Вт/м-°С; Xgrad - эквивалентный коэффициент теплопроводно­сти для переноса тепла излучением, Вт/м-°С [36, 100, 111, 123, 162].

Российскими учеными С. В. Александровским, В. Н. Богословским, Р. Е. Бриллингом, В. Г. Гагариным, В. М. Ильинским, А. В. Лыковым, К. Ф. Фокиным, И. Я. Киселевым широко изучен вопрос изменения теплопровод­ности строительных материалов в зависимости от их увлажнения в процессе эксплуатации [3, 14, 15, 16, 20, 60, 72, 74, 100, 120, 121].

В ряде работ [60, 134, 162, 168] отмечается незначительное влияние эксплуатационной влажности на увеличение теплопроводности ЭППС, что можно объяснить крайне низкими параметрами водопоглощеиия и паропро - ницаемости данного материала [99]. Таким образом, вклад влаги, которая
может находиться в порах пенополистирола в различных агрегатных состоя­ниях, В общую теплопроводность системы Xeff можно не учитывать, поэтому в диссертационной работе этот вопрос не рассматривался.

Согласно кинетической теории газов Xgcond в ячеистых материалах

Равна:

С

■ycond j^cond

(1.7)

Где X0cond - коэффициент теплопроводности газа в объеме много большем, чем объем поры, Вт/м-°С; Do - средний диаметр поры; lg - средняя длина свободного пробега молекул газа, м [167].

Выполненные в [60] расчеты показали, что D0 » lg и, следовательно, по формуле (1.7) кондукционная составляющая теплопроводности газа Xgcond В порах газонаполненных полимеров численно равна X0Cond.

Значения X0Cond (Xgcond) для основных видов газов, чаще всего исполь­зующихся в качестве ВА при производстве исследуемых пенополистиролов, приведены в табл. 1.4 по данным [108] (при давлении 0,1 МПа). Стоит отме­тить, что увеличение значения Xgcond при повышении температуры Т обуслов­лено возрастанием кинетической энергии молекул [120].

На практике ячейки пенополистиролов заполнены, как правило, смесыо газов из представленных в табл. 1.4. ввиду особенностей технологического процесса производства.

Таблица 1.4

Для определения можно воспользоваться формулой Нимана для

Области естественной конвекции, когда Ra < 108 [55]:

Т • Ra'

1 tonv Л cond " ҐЛ о

Ks —:—> С1-8)

G s Ra + n

ЇЗ. AW „2

Где Ra = Gr ■ Pr - число Рэлея; Gr = g ■ p • 5 • At I v — критерий Грасгофа; Pr = и / a - критерий Прандтля; m, г, n, - безразмерные постоянные, отра­жающие направление теплового потока; G - ускорение свободного падения, м/с"; р - коэффициент объемного расширения газа; 5 - толщина воздушной прослойки (поры), м; At - перепад температур обеих ограждающих поверх­ностей (противоположных стенок поры), °С; г> - кинематическая вязкость га - за, м"/с; a — коэффициент температуропроводности газа, м /с.

Для некоторых газов удобно пользоваться следующей формулой для определения Ra [55]:

Где р - давление газа, Па; Г - средняя температура газа, К; А, В - постоянные, определяемые по табл. 1.5.

Таблица 1.5

Значения величин т, п и г в зависимости от направления теплового по­тока представлены в табл. 1.6.

Из формулы (1.8) следует, что при значениях толщины 5 ячейки до 2 мм величина А/0" является незначительной, что также согласуется с ре­зультатами расчетов, проведенных в [60, 127, 128, 147]. Следовательно, ве­личину Xg°" необходимо учитывать при среднем диаметре пор D0 > 2 мм ли­бо при наличии групп сквозных пор меньшего размера.

Таблица 1.6

Для определения Xgrad можно условно принять, что воздушная пора яв­ляется воздушной прослойкой с боковыми сторонами малой длины [55], то­гда

Xgrad=y - b-8-C1 , (1.10)

Где ф - коэффициент бокового излучения; Ъ - температурный множитель; С1 - коэффициент взаимного излучения обеих поверхностей.

Значение С1 определяется по формуле Нуссельта при теплообмене ме­жду двумя параллельными поверхностями [120]:

С1 = 1/с1+1/с2-1/с0' (1Л1)

Где Сь С2 - коэффициенты излучения поверхностей, Вт/м2-К4; С0= 5,67- ко­эффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м-К

Данные, необходимые для определения значений Xg Rad, представлены в табл. 1.7.

Таким образом, по формулам (1.6), (1.8) и (1.10) хорошо прослеживает­ся влияние температуры эксплуатации, молекулярной структуры твердой фа­зы, коэффициента излучения полимерной фазы и вида газа, заполняющего поровое пространство пенопласта, на теплопроводность исследуемых мате­риалов.