На правах рукописи УДК 677.026.424:625.877(043.3) ТРЕЩАЛИНА АННА ВЛАДИМИРОВНА

На правах рукописи
УДК 677.026.424:625.877(043.3)
ТРЕЩАЛИНА АННА ВЛАДИМИРОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОЦЕНКИ СВОЙСТВ
НЕТКАНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность: 05.19.01 – Материаловедение производств
текстильной и лёгкой промышленности
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Кострома - 2009 г.
2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Российский государственный университет
туризма и сервиса» на кафедре «Материаловедение и товарная экспертиза».
Научный руководитель:
Кандидат технических наук, доцент Тюменев
Юрий Якубович, Российский государственный
университет туризма и сервиса
Официальные оппоненты:
Доктор
технических
наук,
профессор
Проталинский Сергей Евгеньевич, Костромской
государственный технологический университет
Кандидат технических наук, доцент Сташева
Марина
Александровна,
Ивановская
государственная текстильная академия
Ведущая организация:
ОАО
«Научно-исследовательский
институт
нетканых материалов» (ОАО НМ, г. Серпухов)
Защита состоится 26 июня 2009 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного
совета
Д
212.093.01
в
Костромском
государственном
технологическом университете по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского,
17, ауд. 214.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
библиотеке
Костромского
государственного технологического университета.
Автореферат разослан 22 мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
П.Н. Рудовский
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время возрос уровень требований к
изготовлению и качеству теплоизоляционных материалов вследствие высокой
стоимости энергоресурсов, достаточно больших потерь тепла при их
транспортировке и экологически вредным производством используемых
материалов (например, пенополиуретана). Особенно следует отметить проблему
ухудшения экологии, связанную с нарушением температурно – влажностного
режима вечной мерзлоты в районах Западной Сибири и Крайнего Севера при
прокладке не теплоизолированных нефте-газопроводов, что приводит к
ухудшению флоры и фауны данных районов, изменению привычных мест
обитания животных.
Одной из основных причин малоэффективного функционирования
теплоизоляции является отсутствие методов, которые позволяют определить
теплофизические свойства теплоизоляционных материалов с учетом требований
условий эксплуатации в различных областях промышленности и строительства.
Таким требованиям отвечают нетканые текстильные материалы, т.к они имеют
достаточную высокую механическую прочность, плотность и пористость, просты
и экономичны при производстве.
Следовательно, разработка методов оценки теплофизических свойств и
создание эффективных, экологически чистых, дешевых теплоизоляторов на базе
нетканых материалов задача весьма своевременная и актуальная.
Данная научно-исследовательская работа является составной частью
НИОКР, проводимой по Государственному контракту с Департаментом по науке и
промышленной политики Правительства Москвы (тема: «Разработка специальных
текстильных материалов, имеющих повышенные физико-механические
параметры, для использования в различных областях промышленности и
строительства») и исследований по теме: «Разработка принципов и приемов
управления состоянием массивов горных пород в криолитозоне» (МГУ им.
М.В.Ломоносова, геологический факультет).
Цель и задачи работы. Целью работы является совершенствование методов
расчета и оценки свойств нетканых текстильных полотен технического назначения
с учетом требований эксплуатации и параметров структуры материалов.
Достижение поставленной цели предполагает:
- разработку метода определения эффективного коэффициента теплопроводности
теплоизолятора, в зависимости от плотности и пористости материала;
- определение рационального волокнистого состава нетканых материалов;
4
- экспериментальную оценку правомерности использования предлагаемой
аналитической
модели
для
расчета
эффективного
коэффициента
теплопроводности рассматриваемых материалов;
- изготовление опытного образца нетканого текстильного материала в
соответствии с результатами, полученными аналитическим путем;
- разработку и создание экспериментальной установки для определения
коэффициента теплопроводности волокнистых материалов на базе современной
электронно-вычислительной техники;
разработку
методики
определения
эффективного
коэффициента
теплопроводности волокнистых материалов на новой экспериментальной
установке;
- экспериментальное определение эффективного коэффициента теплопроводности
изготовленного нетканого текстильного материала;
- расчет рациональной толщины материала предназначенного для теплоизоляции
холодильных установок, горячих трубопроводов и газопроводов;
разработку
методики
проектирования
нетканых
текстильных
теплоизоляционных материалов с учетом условий эксплуатации.
Методы исследования. В процессе проведения теоретических
исследований применялись: методы математического анализа и уравнений
математической физики, Для проведения расчетов использовались табличный
процессор Microsoft Excel, программный комплекс «Mathcad PLUS 6.0».
Экспериментальные исследования проводились при помощи: измерителя
теплопроводности ИТ--400, разработанной экспериментальной установки с
использованием программно-аппаратных средств стандартного лабораторного
оборудования. Обработка экспериментальных данных проводилась с
использованием современных статистических методов.
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:
- предложен метод расчета эффективного коэффициента теплопроводности в
зависимости от плотности и пористости материала;
- получены зависимости между физико-механическими параметрами нетканого
материала и его эффективным коэффициентом теплопроводности;
- получены рациональные численные значения эффективного коэффициента
теплопроводности теплоизоляционного материала;
- разработан графический способ определения волокнистого состава и требуемых
параметров нетканого теплоизоляционного материала;
разработана
методика
определения
эффективного
коэффициента
теплопроводности материалов на новой экспериментальной установке;
5
- определены опытным путем значения эффективного коэффициента
теплопроводности выпускаемых нетканых материалов;
- разработана методика проектирования нетканых материалов с учетом условий
эксплуатации.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
- установлено, что в качестве структурных элементов нетканых
теплоизоляционных материалов следует использовать полиэфирные, стеклянные,
полипропиленовые волокна;
- определена требуемая толщина материала для теплоизоляции холодильных
установок, горячих трубопроводов и газопроводов;
- разработан и изготовлен опытный образец иглопробивного нетканого материала,
применение которого для теплоизоляции нефте-газопроводов способствует
сохранению экологического состояния вечномерзлых грунтов в районах Западной
Сибири и Крайнего Севера;
- разработана, изготовлена и успешно прошла лабораторные испытания
экспериментальная установка, предназначенная для определения коэффициента
теплопроводности волокнистых материалов.
Основные результаты работы получили подтверждение и внедрены в АО
«ГАЗКОМ», ООО «ТЕКС-ЦЕНТР», ЗАО «ТЕХНОТКАНИ».
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы
докладывались на: Международной научно-технической конференции «Прогресс–
97» (Иваново, 1997г); Международной научно-практической конференции
«Актуальные проблемы создания и использования новых материалов и оценка их
качества» «Материаловедение - 99» (Москва, 1999 г.); Всероссийской научнотехнической конференции «Текстиль-97» (Москва, 1997 г.); научно-технических
конференциях профессорско-преподавательского состава ГАСБУ, 1996-1998 г.г.;
заседаниях кафедр «Электроники и электронных информационных систем» и
«Материаловедение» МГУС, 1997-2001 г.г.; на заседании научно-технического
совета Института технологии сервиса МГУС, 2000-2002 г.г.; кафедре
«Материаловедение и технология швейных изделий» КГТУ, 2007 г.; на заседании
научно-технического совета ОАО «Научно-исследовательский институт нетканых
материалов» (г. Серпухов, 2007 г.); кафедре «Инженерная геокриология» МГУ им.
М.В.Ломоносова, 1998–1999 г.г. Работа в 1998 году удостоена диплома
Всероссийского конкурса «Молодые дарования», проводимого обществом
«ЗНАНИЕ» и РАО «ГАЗПРОМ».
Публикации. По материалам диссертации имеется 13 печатных работ, из
них: 3 монографии (в соавторстве), 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК
6
РФ для публикации результатов кандидатских диссертации и 7 работ в других
научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
4 глав с выводами, списка использованных источников, включающего 135
наименований, и 4 приложения на 68 страницах. Работа изложена на 129
страницах, имеет 42 таблицы, 28 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая
значимость диссертации, формулируются цели и задачи исследования.
В первой главе проводится анализ методов математического моделирования
и экспериментального определения коэффициента теплопроводности дисперсных
материалов, а также требований, предъявляемых к теплоизоляционным
материалам в зависимости от условий эксплуатации.
Анализ работ А.В. Лыкова, П.А. Колесникова, Г.М. Кондратьева, А.Ф.
Чудновского, Стельмашенко В.И., Б.Н. Кауфмана, Г.Н. Дульнева и др. показал,
что в настоящее время не достаточно разработаны математические зависимости,
которые позволили бы с достаточной для технических расчетов точностью,
вычислить значение коэффициента теплопроводности дисперсных материалов
теоретическим путем, что обусловлено рядом грубых допущений, связанных с
заранее заданными формой структурных элементов, градиент температуры на
границе твердой и газовой фаз, размеры пор. Использовать какую-либо из
существующих моделей для оценки свойств нетканых полотен крайне
затруднительно в связи с хаотическим расположением волокон в материале.
Анализируя методы экспериментального определения эффективного
коэффициента теплопроводности волокнистых материалов можно сделать
следующие выводы. Приборы, в основу работы которых положен стационарный
метод, имеют малую эффективность, обусловленную длительностью проведения
опыта, необходимостью в специальных теплоизоляционных устройствах,
использованием большого количества термопар и т.д. Более целесообразно
использовать приборы, основанные на методе регулярного теплового режима, что
основывается на относительной простоте и точности проведения эксперимента,
независимости результатов опытов от начального теплового состояния образца.
В результате анализа литературных источников были определены цель и
задачи исследования.
7
Во второй главе производится разработка метода анализа и расчета
эффективного коэффициента теплопроводности нетканого теплоизоляционного
материала.
Необходимость разработки нового метода обусловлена тем, что ни один из
существующих методов не учитывает условий перспективной эксплуатации
теплоизоляционного материала, а также хаотическое расположение волокон в
иглопробивных нетканых полотнах.
При разработке нового метода, позволяющего провести расчет
эффективного коэффициента теплопроводности, целесообразно представить
рассматриваемый нетканый материал как вязкоупругую сплошную среду,
имеющую капиллярно-пористое строение и волокнистую структуру.
Положенная в основу аналитических исследований степенная зависимость
эффективного коэффициента теплопроводности материала эф от отношения
плотностей материала V и волокон  базируется на результатах анализа научных
работ Б.А. Бузова, П.А. Колесникова, В.И. Стельмашенко, А.П. Жихарева, К.
Торкара, А.С. Ляликова, В.З. Богомолова и других ученых:
эф = L (V /  ) m,
(1)
где: эф, - эффективный коэффициент теплопроводности;
V - плотность материала;
 - плотность структурных элементов, составляющих материал;
L - коэффициент пропорциональности;
m - показатель, характеризующий степень нелинейности функции.
Для вычисления значений эф, V/, L и m используется метод исследования
на экстремум заданной функции при наличии дополнительных условий:
F( Y ) =
0,
[(V /  ) - 2 ]
[ 1 - (V /  )]
при 1  (V /  )  2
при (V /  )  2
при (V /  )  1
где: 1 , 2 - величины отношения (V / ) соответственно при минимальном 1 и
максимальном 2 значениях эффективного коэффициента теплопроводности.
Искомым является вариант, при котором в интервале 1  (V /)  2
минимумы F(Y) и исследуемой функции L  Y m = L  е [m×ln (Y)] совпадают:
8
 Mi
1
  2   [ L  Y m  F ( Y ) ] Y m dY  0
0
L
1
 Mi
  2   [ L  Y m  F ( Y ) ]  L  Y m  ln ( Y ) d Y  
0
m
1
где: Mi ( L, m ) =  [ L  Y m  F(Y) ]2 dY.
0
После преобразований приведенных уравнений получены зависимости для
определения параметров модели:
- показателя нелинейности функции m в виде:
[1/(m +1)] {2 ( m + 1 )  [1 (m + 1) ln (2 )] 2  1( m + 1 )  [( m  1) ln (1)  1]} +
+ [1/(m +1)2]{1(
m+2)
 [(m +2) ln (1)  1]  2( m + 2 )  [1  (m + 2) ln (2)] + 1} -
 {1/[(2m +1)(m + 1)(m +2)]} [1( m + 2)+ m (1  2 ) + (1 22) + 2( m + 2)  0;
- коэффициента пропорциональности L:
L  [(2m + 1) / (m +1)(m +2)]  [1 ( m + 2 ) + m(1  2)  (1  22) + 2 ( m + 2 )].
В качестве замыкающих используется выражение (1), записанное для 1 и 2:
ln(1 ) = ln( L ) + m  ln ( 1 );
ln( 2 ) = ln( L ) + m  ln ( 2 ).
Величины 1 и 2 определяются исходя из условий эксплуатации материала.
Численные значения эф зависят от среды, заполняющей поры: воздух, вода, лед.
Для каждого варианта вычислены L, m и получены формулы для определения эф:
I вариант - воздух: эф = 0.982(V / )1.119; II вариант - вода: эф = 0.502(V / ) 0.0103;
III вариант - лед: эф = 0.248(V / ) -0.290.
В случае, если часть объема материала занимает вода, а другую часть лед,
для расчета эф в зависимости от v и (V / ) было получено следующее
выражение, описывающее взаимосвязь эф, v и (V / ):
эф = s1  s2 / {s1  [( yi - y0 ) / ( y1 - y0 )] + s2  [ 1 - ( yi - y0 ) / ( y1 - y0 )]}
где: (y1 - y0) - толщина материала; yi - граница раздела «лед – вода»;
s1, s2 - коэффициенты теплопроводности твердой (лед) и жидкой фаз (вода).
9
Помимо соотношения V /  определение рациональных эф следует проводить на
основании общих и специальных требований к структурным элементам
теплоизолятора, к которым относятся устойчивость к воздействию:
микроорганизмов, минеральных кислот и щелочей, некоторых органических
соединений, светопогоды, температуры, влаги и т.д. С учетом изложенных
требований целесообразно применять химические волокна, из которых наименее
гигроскопичны полиэфирные, полипропиленовые, полиамидные и стеклянные.
Для простоты и удобства определения волокнистого состава при
изготовлении качественного теплоизоляционного нетканого материала по
заданным значениям эф и V / , на основании проведенных расчетов разработан
графический метод. Для пользования такими номограммами достаточно знать или
задать
какую-либо
из
характеристик:
эффективный
коэффициент
теплопроводности материала эф или коэффициент теплопроводности волокон v
или соотношение плотностей материала и структурных элементов V / . Пример
такой номограммы представлен на рис. 1.
эф , v,
эф
Вт/(м  К)
v
V / 
Рис. 1 - Определение рациональных значений эффективного коэффициента
теплопроводности эф в зависимости от v и V / .
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям коэффициента
теплопроводности нетканых текстильных материалов технического назначения.
С целью оценки правомерности предложенного аналитического метода
расчета эф = f(V/) были проведены измерения  на приборе ИТ--400 в
соответствии с методикой для пользователей. В процессе исследований
использовались образцы холста стекловолокнистого ХСБТ-90 и полотна
нитепрошивного стекловолокнистого НПГ-750. В результате эксперимента
установлено, что погрешность расчетов эф по отношению к опытным данным не
превышает 7.38 % при температурах - 30 …- 20 0С. В области положительных
температур 0  190 0С погрешность не более 5 %. Таким образом, можно сделать
вывод о правомерности использования предложенной методики для расчета эф.
10
На основании проведенных исследований определены требуемые параметры
теплоизоляционного нетканого материала, в соответствии с которыми разработан
и изготовлен опытный образец из полиэфирных волокон, имеющий: толщину - 12
мм; поверхностную плотность - 500  15 г/м2; объемную плотность - 46 кг / м3.
Разработанная измерительная установка на базе компьютера IBM,
позволяющая автоматизировать процесс проведения опыта, фиксировать значения
термо-ЭДС посредством программно-аппаратных средств и сократить время
эксперимента.
В основу создания такой установки положен метод регулярного теплового
режима. Управление экспериментальной установкой осуществлялось через
коммуникационный порт, режимы работы которого заданы специально
написанным драйвером. В результате этого обеспечивается: включение и
выключение нагревательного элемента; измерение температуры в нагревательной
камере; численное и графическое отражение результатов измерений во времени.
Методика проведения заключается в следующем. Образец исследуемого
материала помещался между пластинами, одна из которых контактировала с
нагревательным элементом (сердечником), а другая - с буферной жидкостью,
находящейся в измерительной камере. Эта жидкость необходима для уменьшения
температурного градиента и увеличения инерционности хромель-копелевых
термопар, расположенных на поверхностях пластин. Скорость и диапазон
изменения температуры определялись опытным путем. После достижения
заданного перепада температур на образце, электронагреватель отключался, и
дальнейший подвод тепла происходил по инерции. По окончании инерционного
периода образец охлаждался в диапазоне заданных температур, отслеживаемых
аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и ЭВМ. Термопары подключались на
вход АЦП таким образом, чтобы ЭВМ регистрировала термо-ЭДС,
соответствующую разности температур t на обеих пластинах. В
экспериментальной установке применялся АЦП марки ADC-12-60 с
гальванической изоляцией каналов измерения, позволяющий преобразовывать в
12-разрядный двоичный код аналоговые сигналы, подаваемые на вход устройства.
Для подключения АЦП к каналу ЭВМ были разработаны интерфейсы на базе
интерфейса параллельного обмена МИТ (модуля интерфейсного типового),
выполненного в виде двух печатных плат. Значения термо-ЭДС в характерных
точках и времени проведения эксперимента были получены при тарировочных
испытаниях установки. В качестве эталонного образца использовался поролон
толщиной 10 мм и λ = 0.03555 Вт/(м  К).
С целью проверки точности измерений  на новой экспериментальной
установке, первоначально подвергались испытаниям образцы материалов ХСБТ–
90 и НПГ–750, коэффициенты теплопроводности которых были определены при
11
V, кг/м3
,
Вт/(м  К)
№2
№3
№4
№5
№6
Эл-е нити
ПЭ
Волокно
ПВХ, 65
мм
Волокно
штап. ПЭ
- 100 %
Сырьевой
состав
№1
Эл-е нити
ПП
Образец
Стекло- ХСБТ
волокно –90
Стекло- НПГ–
волокно 750
Волокно
штап. ПЭ100 %
Волокно
штап. ПП
-100 %
Волокно
штап. ПП
-100 %
Эл-е нити
ПП-100%,
спанбонд
помощи ИТ–λ–400. Затем проводились измерения λ других нетканых материалов
(табл. 1). Результаты эксперимента представлены на рис. 2.
Таблица 1.
51.4 37
173.1
121.9
84.2
85.81
77.71 82.8
№7
55.6
№8
46
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
Образец № 8
Образец № 7
Образец № 6
Образец № 5
Образец № 4
Образец № 3
Образец № 2
Образец № 1
НПГ – 750
0
ХСБТ – 90
0,02
Рис. 2 - Результаты измерений коэффициента теплопроводности материалов
В результате эксперимента установлено, что для выработки
теплоизоляционных нетканых полотен целесообразно применять полиэфирные
волокна, т.к. их теплопроводность меньше полипропиленовых. Кроме того,
установлено, что структура (волокна или элементарные нити из одного полимера)
не оказывает существенного влияние на теплофизические свойства материала.
Анализ результатов исследований коэффициента теплопроводности
разработанного нетканого материала (образец № 8) показывает, что он может быть
использован в качестве теплоизолятора. Погрешность значений коэффициента
теплопроводности изготовленного материала, определенных опытным путем по
отношению к рекомендуемым расчетным величинам эф не превышает 3.46 %.
В четвертой главе рассматривается практическое применение результатов
исследований для расчета рациональной толщины теплоизоляционного материала
в зависимости от условий эксплуатации.
12
Толщина теплоизоляции холодильных установок определяется исходя из
анализа теплообмена между холодильной камерой и окружающей средой:
i = i  [ ( 1 / {1 / [( 1 / 1 ) + (i /  i ) + ( 1 / 2 ) ]}) - ( 1 / 1 ) - ( 1 / 2 ) ].
где: 1 и 2 - коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенке с холодной стороны
и от стенки к воздуху с теплой стороны;
i , i - толщина и эффективный коэффициент теплопроводности теплоизоляции.
Расчет i проводился по общепринятым величинам коэффициентов теплопередачи
и теплоотдачи, а также температурам воздуха в помещении и холодильной камере,
рекомендуемым НИИ Гипрохолод, СНиП II-А.7-71 «Строительная теплотехника.
Нормы проектирования», СНиП II-А.6–72 «Строительная климатология и
геофизика». Результаты расчета приведены в табл. 2.
Температура
в камере, 0С
-0
-5
- 10
Таблица 2.
Толщина изоляционного материала в м. при
температуре окружающей среды, 0С
12
20
0.055
0.063
0.063
0.075
0.075
0.092
Расчет теплоизоляции горячих трубопроводов производятся исходя из норм
теплопотерь, установленных в зависимости от диаметра трубопровода и величины
полного температурного напора между теплоносителем и окружающей средой.
Полное термическое сопротивление трубопровода R определяется:
R = 1 / (  d2) + (1/ ст)  ln(d1 / d2) + [1 / (2    i)]  ln(di / d1) + 1/[ 2d1],
где: di, d1, d2 - диаметр теплоизоляции; внешний и внутренний диаметры трубы;
, 2 = 8.1 + 0.045  (tт - tн) - коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к
внутренней стенке трубы и от трубы в среду с температурой tв.
Анализ величин термических сопротивлений показывает, что величина R в =
1/(d2) минимум в 10  20 раз меньше Ri = [1/(2i)]  ln(di/d1). Также весьма
незначительно Rп = (1/ст)  ln(d1/d2). В этом случае определение R упрощается:
R = [1 / (2    i )]  ln(di / d1) + 1 / [ 2  d1].
13
Отсюда получены уравнения для вычисления диаметра и толщины
теплоизоляции: di = d1  eA и δi = ( di - d1) / 2, где: А = (2i)[R - (1/2d1)].
Расчет толщины теплоизоляции проводился при значениях: t т = 100 0С; i = эф =
(0.0250.028) Вт/(мК); tн = 0; 5; 10; 15; 20 0С.
Сравнение полученных результатов и данных по наиболее экономичной
толщине теплоизоляции показывает, что расчетные значения более рациональны с
точки зрения стоимости тепла и времени эксплуатации трубопровода.
Критерием при определении рациональной толщины теплоизоляционного
пакета подземного газопровода является минимальный ореол (зона) оттаивания
вечномерзлых грунтов вокруг трубопровода.
При расчете теплопотерь с одного погонного метра трубопровода,
находящегося на глубине h, применяется закон Фурье, который для
рассматриваемой задачи с учетом незначительности Rв и Rп имеет вид:
q = 2    ( tт - tг ) / (1 / i )  ln ( ri / r1 ) + (1 / г )  ln [2  ( h + ri ) / ri )]
где: tт, tг - температура теплоносителя и грунта соответственно;
i, г, ст - коэффициенты теплопроводности теплоизоляции, грунта и трубы;
ri, r1, r2 - радиус теплоизоляции, внешний и внутренний радиусы трубопровода.
Радиус ореола оттаивания вокруг трубы r0 и смещение вниз центра ореола
оттаивания по отношению к центру трубопровода С вычисляется:
r0 = 0,5  (h1 - h2);
C = 0,5  (h1 + h2) - (h + ri).
где: h1 = {{ri  {[( h + ri )/ ri ]2 – 1}0.5(ed + 1)}}/(ed - 1) - глубина оттаивания грунта;
h2 = {{ri  {[( h + ri ) / ri]2 – 1}0.5  (ed - 1)}} / (ed + 1) - мощность мерзлого грунта;
d = 2гтbt{ln [(h + ri)/ri] + [(h/ri)2 - 1]0.5/2гт}/(1+ b); bt = - гм  tг/(гт  tт );
гм, гт - коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом и талом состоянии.
В результате расчетов установлена минимальная толщина слоя min = 0.01 м
(радиус трубы 0.2645 м) и максимальная max = 0.1205 м (радиус трубы 0.710 м).
С целью унификации теплоизолятора при его производстве, следует принять
минимальную толщину материала 0.012 м и 0.017 м, а достижение требуемой
толщины теплоизоляционного пакета осуществлять путем наматывания на
трубопровод необходимого числа витков.
На основании проведенных исследований разработана методика проектирования
нетканых материалов с учетом условий эксплуатации.
14
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1. Разработан метод расчета эффективного коэффициента теплопроводности эф в
зависимости от отношения плотностей материала и волокон. Погрешность
расчетных значений по отношению к экспериментальным данным в диапазоне
температур (- 30) 200 0С не превышает 5 %.
2. Установлено, что в зависимости от условий эксплуатации, в качестве
структурных элементов нетканых теплоизоляционных материалов следует
использовать полиэфирные, стеклянные, полипропиленовые, полиамидные
волокна.
3. Для простоты и удобства определения волокнистого состава при изготовлении
качественного теплоизоляционного нетканого материала по заданным значениям
эф и V / , разработан графический способ определения волокнистого состава и
требуемых параметров нетканого теплоизоляционного материала
4. Для теплоизоляционных материалов ХСБТ – 90 и НПГ – 750 установлена
зависимость эф от температуры в диапазоне (- 30)  200 0С .
5. Разработан и изготовлен из полиэфирных волокон, опытный образец нетканого
теплоизоляционного материала, имеющего: толщину - 12 мм, поверхностную
плотность - 500  15 г/м2, объемную плотность 46 кг/м3, коэффициент
теплопроводности 0.0281 Вт / (м  К).
6. Разработана, изготовлена и прошла лабораторные испытания установка для
измерения коэффициента теплопроводности волокнистых материалов.
7. Разработана методика определения эф на новой экспериментальной установке.
8. Опытным путем определены значения эффективного коэффициента
теплопроводности выпускаемых в настоящее время нетканых материалов;
9. Определена рациональная толщина материала для теплоизоляции холодильных
установок, горячих трубопроводов и газопроводов.
10. Разработана методика проектирования нетканых материалов с учетом условий
эксплуатации, предназначенная для расчета параметров теплоизоляции
газопроводов, прокладываемых в районах вечной мерзлоты.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
- монографии
1. Трещалин М.Ю., Тюменев Ю.Я., Трещалина А.В., Пузанова Н.В.
Проектирование нетканых материалов, снижающих техногенное воздействие на
окружающую среду (на примере геотекстильных полотен) - М.:ПАИМС, 2001 –
132с.
15
2. Трещалин М.Ю., Мухамеджанов Г.К., Левакова Н.М., Мандрон В.С.,
Трещалина А.В., Тюменев Ю.Я. Нетканые материалы технического назначения
(теория и практика) – Ярославль: издательство ООО НТЦ «Рубеж», 2007. – 224 с.
3. Трещалин М.Ю., Мухамеджанов Г.К., Телицын А.А., Мандрон В.С., Трещалина
А.В. Производство и методы испытаний нетканых материалов – М.: МАТГР:
Телер, 2008. – 147 с.
- в изданиях, рекомендованных ВАК:
4. Трещалина А.В. Автоматизированный электротехнический измерительный
комплекс для изучения теплофизических характеристик волокнистых
материалов..//Известия
ВУЗов.
Электротехнические
комплексы
и
информационные системы, № 1, 2005, с. 48 – 52.
5. Трещалина А.В., Тюменев Ю.Я., Трещалин М.Ю. Определение эффективного
коэффициента теплопроводности нетканого материала.//Известия ВУЗов.
Технология текстильной промышленности, № 4, 2007, с. 11 – 14.
6. Тюменев Ю.Я., Трещалин М.Ю., Трещалина А.В. К вопросу о проектировании
теплоизоляционных нетканых материалов для объектов коммунального
хозяйства.//Теоретические и прикладные проблемы сервиса, № 3, 2007, с. 14 – 18.
- в прочих изданиях:
7. Шустов Ю.С., Трещалина А.В. Проектирование нетканых материалов,
предназначенных для теплоизоляции газопроводов в районах вечной мерзлоты. В
сб. «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и
конструкций в текстильном производстве» (ПРОГРЕСС - 97).Тезисы докладов
Международной научно-технической конференции. – Иваново: ИГТА, 1997. – 2 с.
8. Трещалина А.В., Козырев И.В. Применение нетканых материалов для
теплоизоляции газопроводов. В сб. «Современные технологии текстильной
промышленности» (ТЕКСТИЛЬ - 97).– М.: МГТА, 1997. – 2 с.
9. Трещалина А.В. Оптимизация теплофизических параметров нетканых
теплоизоляционных материалов. В сб. «Техника и технология сервиса» - М.:
ГАСБУ, 1997, - 3 с.
10. Трещалина А.В. К вопросу разработки эффективных теплоизоляционных
материалов. В сб. «Техника и технология сервиса». М.: ГАСБУ, 1997. – 2 с.
11. Трещалина А.В. Коэффициент теплопроводности дисперсных материалов.//
«Академические вести», вып. 49. Изд. ГАСБУ, 1998. - 1 с.
12. Тюменев Ю.Я., Трещалина А.В. Математическая модель теплофизических
характеристик защитных материалов. В сб. Материалы Всероссийской научной
16
конференции аспирантов и молодых учёных ФГОУВПО «РГУТиС». – М., 2008. –
6 с.
13. Трещалина А.В., Тюменев Ю.Я. Метод расчёта теплопроводности
теплоизоляционных
нетканых
материалов.
В
кн.
Материалы
XIV
Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы
механики конструкций и сплошных сред» им.А.Г.Горшкова. М.: Издательский
Дом «МЕДПРАКТИКА-М». 2008. – 1 с.