KONCEPCJA STANOWISKA DO BADANIA PROCESU KRZEPNIĘCIA W WILGOTNYCH BUDOWLANYCH MATERIAŁACH POROWATYCH

Transkrypt

1 UNIWERSYTET ZIEONOGÓRSKI ZESZYTY NAUKOWE NR 153 Nr 33 INŻYNIERIA ŚRODOWISKA 2014 JACEK PARTYKA *, ZYGMUNT IPNICKI ** KONCEPCJA STANOWISKA DO BADANIA PROCESU KRZEPNIĘCIA W WIGOTNYCH BUDOWANYCH MATERIAŁACH POROWATYCH S t r e s z c z e n i e W niniejszej pracy przedstaiono projekt koncepcyjny stanoiska badaczego do badania procesu krzepnięcia ilgotnych budolanych ateriałó poroatych. Planoany eksperyent polega na rejestracji frontu krzepnięcia czasie, zależności od arunkó zenętrznych. Idea poiaru frontu krzepnięcia oparta jest na ykorzystaniu ziany łaściości fizycznych ody procesie krzepnięcia Słoa kluczoe: krzepnięcie, front krzepnięcia, poroaty ateriał budolany WSTĘP Krzepnięcie jest poszechnie obseroany zjaiskie przyrodzie. W technice procesy krzepnięcia są spotykane ateriałach i procesach, gdzie technologie kontrolujące procesy krzepnięcia są istotne, decydujące o ytarzaniu ysokiej jakości produktó i rozoju noych ateriałó [Weaver, Viskanta, 1986; ipnicki, Weigand 2008; Derek, Ingha, 2005; Kiura, 2005]. Proble krzepnięcia cieczy ateriałach poroatych oże ystępoać konstrukcjach inżynierskich, takich, jak ilgotne fundaenty budonictie, ilgotne izolacje, ateriały łókniste i także ilgotnych ateriałach ziennofazoych (PCM phase change aterial), podczas akuulacji ciepła [ipnicki, Weigand, 2012]. Przearzanie ilgotnych budolanych ateriałó poroatych płya na łasności techniczne ateriałó, a naet oże proadzić do ich destrukcji. Wyienione zjaiska są ystarczający otye decydujący o proadzeniu badań procesu krzepnięcia ilgotnych budolanych ateriałó poroa- * ** doktorant Instytucie Budonicta UZ Instytut Inżynierii Środoiska UZ

2 94 J. Partyka, Z. ipnicki tych. Zjaisko krzepnięcia toarzyszy ziększenie objętości zaarzniętej ody ystępującej porach ilgotnych ateriałó. Ekspansja postającego lodu, oże być jedną z ielu rónież, przyczyną igracji ilgoci, zaartej porach ateriałó budolanych, lub jej ograniczenia. Badania eksperyentalne służą zrozuieniu procesó oddziałyania zaarzającej ody porach ilgotnych budolanych ateriałó poroatych, na te ateriały. Porónanie badań eksperyentalnych z odelai teoretycznyi, które są oparte na teorii terodynaiki i echaniki, pozoli je zeryfikoać. Dokładne poznanie zjaiska zaarzania pozoli skuteczne przecidziałać szkodliy następsto procesu krzepnięcia ody ilgotnych budolanych ateriałach poroatych. MATERIAŁY POROWATE STOSOWANE W BUDOWNICTWIE Ciała stałe stosoane budonictie, których ystępują przestrzenie ypełnione poietrze o objętości zględnie ałej porónaniu z objętością całego ciała, nazyay ateriałai poroatyi, a puste przestrzenie, niezależnie od ich kształtu, nazyane są porai. Do ciał stałych pochodzenia naturalnego i sztucznego, posiadających strukturę poroatą ożna zaliczyć: glebę, dreno, skórę, kości zierzęce, ateriały budolane, ceraiczne, etale otrzyyane edług technologii proszkó stosoanej etalurgii itp. Materiały budolane, takie, jak cegły, beton, apień, piaskoiec, są szystkie ze sojej natury poroate. Dzięki poroatej strukturze, należą one do ateriałó dobrze izolujących przepły ciepła. Materiały stosoane budonictie dzięki sej dużej poroatości posiadają dobre łaściości izolacyjne. Wpłya na tę łaściość poietrze zatrzyane porach. Dreno, oprócz innych zalet, dzięki poroatości jest rónież dobry izolatore ciepła [Dullien, 1992]. Poroatość ateriałó jest łaściością, która sprzyja chłanianiu ody przez te ateriały. Głóny paraetre ateriałó poroatych jest poroatość efektyna, która yrażona jest zore [Kle, 2008]: (1) V gdzie: V p jest objętością poró otartych zaartych eleentarny obszarze ypełniony ateriałe poroaty, V jest objętością całego obszaru. V p

3 Koncepcja stanoiska do badania procesu 95 W tab. 1 zestaiono, yznaczone za poocą pozyetrii rtęcioej, podstaoe paraetry strukturalne kilku przykładoych ybranych ateriałó budolanych [Kle, 2008]. Tab. 1. Podstaoe paraetry struktury enętrznej ybranych ateriałó budolanych [Gain, 2000] Tab.1. Basic paraeters of the internal structure of selected construction aterials [Gain, 2000] Materiał Gęstość pozorna kg/ 3 Gęstość szkielet u kg/ 3 Poroatość, % Całkoita objętość poró d 3 /kg Całkoita poierzchnia poró 2 /g Zapraa ceentoa ,04 0,1008 1,317 Cegła zykła ,3 0,1870 7,867 Gips budolany ,5 0,6407 3,041 Gazobeton ,1 0, ,743 Przedstaione łaściości ybranych ateriałó budolanych poyższej tabeli, są doode na to, że poroatość takich ateriałó jest bardzo poszechna. Z poroatością ziązana jest bardzo ocno skłonność do pochłaniania ilgoci [Kle, 2008], a co za ty idzie dalej, zdolność do ich przearzania arunkach niskich teperatur. Na teat przearzania ateriałó poroatych postało iele prac teoretycznych i dośiadczalnych. Przykłade ogą być ybrane tu prace Weavera, Viskanty [1986] i ipnickiego, Weiganda [2008]. W yienionych publikacjach badane jest teoretycznie i eksperyentalnie przearzanie odeloych ateriałó poroatych połączeniu z igracją ilgoci. Proble krzepnięcia ateriałó poroatych połączeniu z igracją ilgoci a duże znaczenie naukoe i techniczne. Brakuje szczególnie badań eksperyentalnych, ze zględu na trudność obseracji procesu krzepnięcia nieprzeźroczystych ateriałach, jakii są ateriały poroate. Dlatego niniejsza praca podejuje próbę przedstaienia noej etody badań eksperyentalnych na oryginalny stanoisku badaczy. Cele badań jest obseracja pośrednia frontu krzepnięcia. W badaniu procesu krzepnięcia planuje się ykorzystać ilgotne budolane ateriały poroate, dostępne ogólny obrocie i ające poszechne zastosoanie budonictie: pustaki, bloczki i płytki.

4 2R 96 J. Partyka, Z. ipnicki PROJEKT STANOWISKA BADAWCZEGO I PROPOZYCJA BADAŃ Proponoana koncepcja badacza yodzi się z cześniej już stosoanych badań eksperyentalnych Instytucie Inżynierii Środoiska Uniersytetu Zielonogórskiego [ipnicki, Weigand, 2012; Paszkoicz, ipnicki, 1999] oda Agregat Chłodniczy zaarznięty ateriał budolany front krzepnięcia ateriał budolany nasączony odą glikol l 11 Rys. 1. Scheat stanoiska badaczego Fig.1. Scheatic of the research station Budoa stanoiska badaczego Scheat stanoiska badaczego przedstaia rysunek 1. Przediote badań jest alcoa próbka 1 o proieniu R i długości l nailżona odą i uieszczona rurze przeźroczystej 2, ykonanej z pleksiglasu. Poierzchnia alcoa badanej próbki kontaktująca się z rurą, pokryta jest cienką arstą przeźroczystego silikonu 5. Od czoła z leej strony, próbka kontaktuje się z ziny glikole poprzez płaską płytę iedzianą 8. Płyta bardzo dobrze przylega do poierzchni czołoej próbki. Z drugiej strony płyty, enątrz koory chłodniczej 4, przepłya ziny glikol, o teperaturze niższej od 0 C. Ziny glikol dostarczany jest do koory z agregatu chłodniczego i po odebraniu ciepła krzepnięcia raca z porote do agregatu. Koora przyocoana jest do rury za poocą kołnierzy 3 i śrub 9. Z drugiej strony, badana próbka przykryta jest pokryą 10 przyocoaną do kołnierza rury 3, rónież śrubai ocującyi 9.

5 Koncepcja stanoiska do badania procesu 97 W środku pokryy 10 znajduje się otór, enątrz którego uieszczona jest szczelnie rurka, połączona z pionoy cylindre iaroy 7. Cylinder iaroy służy do poiaru objętości ypieranej ody z zaarzającego ateriału poroatego. W celu zapenienia szczelności stanoiska badaczego, zastosoano pierścienie uszczelniające typu O-ring. Wenątrz próbki rozieszczono rónoiernie teropary 6, celu poiaru teperatury. Przebieg badań Próbka alcoa stępnie nailżona jest ziną odą destyloaną i uieszczona precyzyjnie rurze z pleksiglasu. Następnie, enątrz próbki przez ałe otory ykonane rurze zenętrznej, uieszczone są rónoiernie na długości czujniki teperatury. Cylinder iaroy zalany jest ziną odą destyloaną o określonej teperaturze do skali początkoej. W chili początkoej (początek eksperyentu), łączony jest przepły zinego glikolu etyloego o ściśle zadanej teperaturze do leej koory stanoiska badaczego. Postępujący proces krzepnięcia obseroany będzie czasie, przez obserację optyczną frontu krzepnięcia i określany pośrednio przez poiar przyrostu ody cylindrze iaroy. Rónocześnie, będzie ierzona teperatura ateriału poroatego za poocą teropar. Średnia grubość arsty zakrzepłej (rys. 1), ierzona będzie podobnie jak pracy [ipnicki, Weigand, 2012]. Z analizy zachoania asy, przyrost objętości ody cylindrze iaroy V, określa rónanie: V V 2 1 V R, (2) a stąd, średnią grubość arsty zakrzepłej, zór V 2 R, (3) gdzie oznaczono odpoiednio: V R 2 jest objętością lodu, R jest proienie badanej próbki, jest ilgotnością zględną ateriału poroatego, jest gęstością ody, a jest gęstością lodu. Poiar teperatury poroatego ateriału budolanego podczas badania, dokonyany będzie za poocą czujnikó teperatury 6, uieszczonych

6 98 J. Partyka, Z. ipnicki badanej próbce ustalony rozstaie, natoiast skazania teperatury odczytyane będą z ykorzystanie przenośnego iernika. Koora badacza uieszczona zostanie na spornikach zaocoanych podstaie 11. W celu uożliienia bieżącej obseracji eksperyentu, szczególności poierzchni iędzyfazoej oda-lód, przeiduje się barienie ody, z użycie fluoresceiny barnika lub innego, o zastosoaniu badaniach diagnostycznych. Proces krzepnięcia poroatych ateriałó budolanych, będzie rejestroany poprzez ykonyanie zdjęć ustalonych odstępach czasu. W czasie eksperyentu, proadzony będzie ciągły onitoring teperatury glikolu i teperatury ścianki iedzianej 8, oddzielającej koorę badaczą od przestrzeni, której przepłya glikol. Dla yraźnego zobrazoania ynikó eksperyentu, fotografie szczegółó badania, będą odpoiednio poiększone. PODSUMOWANIE Stanoisko badacze ykonane edług przedstaionego projektu, służy do ykonyania badań eksperyentalnych poiaru frontu krzepnięcia ilgotnych budolanych ateriałach poroatych. Cele proponoanych badań dośiadczalnych jest eryfikacja badań teoretycznych proadzonych przez autoró na Wydziale Budonicta i Inżynierii Środoiska Uniersytetu Zielonogórskiego. Projekt stanoiska badaczego jest oryginalny roziązanie, oparty na oryginalnej koncepcji badaczej. Poiar eksperyentalny rozoju frontu krzepnięcia, szczególnie ilgotnych ateriałach poroatych, jest zadanie bardzo trudny. Dlatego przedstaiona koncepcja, poiaru trudno obseroalnego frontu krzepnięcia, ydaje się interesująca i arta realizacji. ITERATURA 1. WEAVER, JA.; VISKANTA, R.; Melting of frozen, porous edia contained in a horizontal or a vertical, cylindrical capsule. Int J Heat Mass Transf 29: IPNICKI, Z.; WEIGAND B.; Natural convection flo ith solidification beteen to vertical plates filled ith a porous ediu. Heat Mass Transfer 44,

7 Koncepcja stanoiska do badania procesu IPNICKI, Z.; WEIGAND, B.; An experiental and theoretical study of solidification in a free-convection flo inside a vertical annular enclosure, International Journal of Heat and Mass Transfer 55, DEREK, B.; INGHAM POP.I.J.; Transport Phenoena in porous edia III, s KIMURA, S.; Dinaic Solidification in a ater-saturated porous ediu cooled fro above, Institute of Nature and Enviroental Technology, Kanazaa University, Japan, s DUIEN, F.A..; Porous Media Fluid Transport and Pore Structure, Second Edition, San Diego Kalifornia, s KEMM, P.; Praca zbioroa: Budonicto Ogólne, to 2 Fizyka budoli, Arkady, Warszaa, s.10, GAWIN, D.; Modeloanie sprzężonych zjaisk cieplnoilgotnościoych ateriałach i eleentach budolanych. Wydanicta Politechniki Łódzkiej. Rozpray Naukoe z. 279, Łódź. 9. PASZKOWICZ, M. A.; IPNICKI, Z.; Koncepcja stanoiska laboratoryjnego do badania procesu zaarzania zilżonych ateriałó poroatych, Studia i Materiały, Technika, 1, nr 48, s THE CONCEPTION OF POSITION TO TEST OF SOIDIFICATION PROCESS IN WET BUIDING POROUS MATERIAS S u a ry The test stand taken by the proposed project is to perfor experiental studies easuring the solidification front in oist building porous aterials. The objective of the proposed research is verification of theoretical experiental research conducted by the authors at the Departent of Civil and Environental Engineering University of Zielona Góra. Project research station is an original solution based on the original concept of the research. The experiental easureent of developent of solidification front, especially in oist porous aterials is a very difficult task. Therefore, the concept as difficult to easure observable solidification front sees to be interesting and orth ipleenting. Key ords: solidification, porous building aterial, solidification front