Теоретические аспекты улучшения теплотехнических характеристик пористых систем

Поскольку коэффициент теплопроводности матри­цы сравнительно высок, то:

Условия перехода от теплопереноса методом тепло­проводности к конвективной теплоотдаче оценивается по численным значениям критериев Рэлея, Грасгофа, Прандтля. Численное значение критерия Рэлея пред­ставлено в таблице.

метром пор 0,5 мм и разницей значений температуры в пределах поры 1°С Gr-Pr = 3,1*10-4; для поры 3 мм и А Т= 5°С: Gr-Pr = 0,34, что гораздо меньше указанной величины, т. е. естественная конвекция в порах газобе­тона практически отсутствует.

Для пенобетона с диаметром пор 0,5 мм и разницей значений температуры в пределах единичной поры 1°С GrPr= 0,0156; для поры 3 мм и ΔT= 5°С: Gr Pr= 16,87. Необходимо подчеркнуть, что приведенные расчеты от­носятся к единичной поре. Сделанное при этом допу­щение о разности значений температуры, в пределах одной поры равной 1°С, означает, что при толщине ограждающей стены, равной как минимум 20—30 см, общий перепад температур превышает 100°С, что зна­чительно превосходит реальные величины.

Анализ результатов работы [8] показывает, что кон­векция в горизонтальном слое пористого материала, подогреваемого снизу, начинается при критическом значении критерия Рэлея RaKp > 40. Во всех рассматри­ваемых случаях критерий Рэлея меньше 40. Это означа­ет, что конвективной составляющей в тепловом сопро­тивлении можно пренебречь.

Таким образом:

Отсюда следует, что определяющую роль при переносе тепла играет пограничный слой.

На рисунке показана зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для материала с различным размером пор [5]. Очевидно, что чем боль­ше размер пор, тем сильнее повышается коэффициент теплопроводности с ростом температуры. При этом в области до 100°С размер пор очень слабо влияет на ко­эффициент теплопроводности. При комнатной тем­пературе коэффициент теплопроводности пенобетона (см. рисунок) в интервале диаметров пор 0,1—2 мм практически не зависит от температуры, тогда как с ростом температуры размер оказывает все большее влияние на коэффициент теплопроводности. Это явление объясняется теорией теплового пограничного слоя [3]. Согласно этой теории на внутренней по­верхности пор, заполненных воздухом или другим газом, имеется тонкий слой, удерживаемый силами межмолекулярного притяжения, который обладает большим термическим сопротивлением. Этот слой достаточно устойчив при комнатной температуре, но при повышении температуры до 200—500°С раз- упрочняется и утончается, что вызывает быстрый рост коэффициента теплопроводности с увеличением температуры.

При наличии устойчивого теплового пограничного слоя конвективные потоки в порах, движущиеся от од­ного пограничного слоя к другому, мало влияют на теплоперенос в порах газонаполненного материала. В свя­зи с этим теплозащитные свойства газонаполненных материалов прежде всего зависят от толщины теплового пограничного слоя и в меньшей степени от конвектив­ной составляющей.