книги / Светопрозрачные конструкции. (Результаты исследований)

Фотоокисление происходит быстрее, если смола недо­ статочно отверждена, т. е. если в ней находится значи­ тельное количество несшитых мономеров.

В большинстве случаев фотоокислительная деструк­ ция полиэфирных смол и стеклопластиков на их основе протекает на поверхности материала там, где происходит поглощение света, кислорода или озона, поэтому ско­ рость старения тонких стеклопластиков типа пленок ока­ зывается значительно большей, чем у более толстых материалов.

Ультрафиолетовая радиация и кислород воздуха дей­ ствуют в основном на полиэфирную смолу, вызывая ее пожелтение и снижение прочностных показателей, а так­ же выцветание некоторых типов красителей.

Фотоокислительной деструкцией нельзя объяснить та­ кие явления, происходящие при атмосферном старении светопрозрачных стеклопластиков, как проступание стек­ ловолокна на поверхности материала, появление микро­ трещин, в которые свободно проникает влага, вызывая выщелачивание стекловолокна, расслоение и постепенное разрушение материала. Наблюдение под микроскопом стеклопластика с явственно проступившим рисунком стекловолокна показывает, что сцепление между смолой и стекловолокном оказывается в этом случае разрушен­ ным. На границе раздела стекло—смола образуются пу­ стоты. Эти пустоты и создают впечатление проступания рисунка стекловолокна, так как в этом случае появля­ ются дополнительные границы раздела воздух — смола и воздух — стекло, отражающие свет. Причинами появ­ ления микротрещин и расслоения полиэфирных стекло­ пластиков могут быть: различные коэффициенты тер­ мического расширения полиэфирной смолы и стекла (ко­ эффициент линейного термического расширения отвержденной смолы на порядок выше, чем коэффициент линейного расширения стекла); водопоглощенне и соот­ ветственно набухание смолы.

Защита стеклопластиков от преждевременного старе­ ния должна осуществляться путем применения комплек­ са мероприятий, каждое из которых предотвращает или снижает вредное действие одного или нескольких указан­ ных выше факторов, вызывающих деструкцию материа­ ла. Для борьбы со старением светопропускающих стек­ лопластиков применяются следующие основные меро­ приятия:

111

/

/

а) повышение светопропускания отвержденной по­ лиэфирной смолы в ультрафиолетовой области солнеч­

ного спектра;	;
б) применение специальных видов	полиэфирных

смол, модифицированных мономерами, не содержащими в своем составе бензольных колец;

в) введение в полиэфирную смолу специальных уль­ трафиолетовых поглотителей, которые гасят энергию фо­ тонов, превращая ее в теплоту; I

г) покрытие поверхности стеклопластика пЛенками, защищающими ее от активного действия кислорода.

Повышение светопропускания полиэфирной смолы в ультрафиолетовой области спектра может быть достиг­ нуто за счет уменьшения или исключения отвердителей кобальтового типа, вызывающих заметное окрашивание композиции. Частичная замена мономера стирола моно­ мером метилметакрилата способствует увеличению про­ пускания отвержденной полиэфирной смолы в ультра­ фиолетовой части спектра [7].

Плохая погодостойкость полистирола и хорошая—по­

лиметилметакрилата		позволяют полагать, что сти-
рол-стирольная	связь	непрочна и быстро разрушается.
В то же время	метилметакрилат неудовлетворительно

сополимеризуется с полиэфиром. Поэтому наилучшие ре­ зультаты получают, применяя в качестве растворителя полиэфирных смол смесь стирола и метилметакрилата, при этом стирол сополимеризуется и с метилметакрила­ том и с полиэфиром, являясь как бы мостом между ними. Нестабильные стирол-стирольные связи при такой поли­ меризации не образуются и погодоустойчивость поли­ эфирной смолы повышается. Кроме того, примене­ ние полиэфирных смол, модифицированных метилмета­ крилатом, повышает первоначальное светопропускание стеклопластика, так как у таких смол в отвержденном состоянии показатель преломления близок к показателю преломления алюмоборосиликатного стекловолокна.

Общеупотребительным приемом стабилизации поли­ эфирных смол, как и многих других полимеров, по отно­ шению к действию света является применение соедине­ ний, интенсивно поглощающих ультрафиолетовые лучи и не подвергающих в результате этого фотолизу осно­ вной материал.

Ультрафиолетовый поглотитель должен, кроме того, удовлетворять следующим требованиям:

112

а) обладать удовлетворительной, но ограниченной растворимостью в полиэфирных смолах для обеспечения его миграции к поверхности материала;

б) не окрашивать связующее и не терять защитных качеств со временем;

в) быть теплостойким и не разлагаться при темпе­ ратурах полимеризации и эксплуатации стеклоплас­ тика;

г) не выступать на поверхности материала; д) быть нетоксичным и недорогим.

Рис. 4. Спектральное светопропускание толуольных растворов ультрафиолетовых поглотителей при. концентрации 0,1%

1 — фенолсалицилата; 2 — 2-окси — 4-метоксибеизофеиона;	3 — замещен­
ного беизотриазола; 4 — 2,2-диокси — 4-метоксибензофенона	при концен­

трации 0,01%; 5 — 2,2-диокси — 4-метоксибензофенона

В качестве поглотителей ультрафиолетовых лучей применяются три типа соединений (рис. 4): эфиры сали­ циловой кислоты, замещенные бензоазиды и производ­ ные оксибензофенонов. Эфиры салициловой кислоты, из которых в качестве светостабилизатора наиболее извест­ ным является фенолсалицилат, представляют собой бес­ цветные жидкости. Эти соединения поглощают ультра­ фиолетовые лучи с длиной волны до 0,34 мк.

Из класса замещенных бензоазидов распространен за­ мещенный бензотриазол, известный в промышленности под маркой «тинувин Р». Это соединение также прак­ тически бесцветно и способно поглощать ультрафиоле-

8—960

ИЗ

товые лучи с длиной волны до 0,385 мк, т. е. почти во всем диапазоне ультрафиолетовой части солнечного спектра, достигающей поверхности земли. Недостатком тйнувина Р является его способность вступать в реакцию с ионами различных тяжелых металлов, образуя окрашен­ ные соли, поэтому необходимо, чтобы этот стабилизатор не соприкасался с металлами.

В качестве промышленных светостабилизаторов ши­ роко применяются производные оксибензофенонов. К со­ единениям этого типа, применяемым за рубежом, отно­ сится 2-окси — 4-метоксибензофенон (торговая марка UV-9), который стабилизует полиэфирные смолы от действия света с длиной волны до 0,37 мк. Еще более сильным поглотителем является 2,2-диокси —4-метокси­ бензофенон (UV-490). UV-490 нелетуч, хорошо совмеща­ ется с полиэфирными смолами, поглощает почти все лу­ чи в диапазоне 0,3—0,4 мк и (в незначительной степени) лучи видимой части солнечного спектра, отчего этот светостабилизатор имеет слегка желтую окраску. Примерно такие же свойства и у 2,2-диокси—4-октилок- сибензофенона, выпускаемого под маркой UV-314.

Из вышеперечисленных светостабилизаторов следует предпочесть соединения бензофенонового типа, так как сами они чрезвычайно светоустойчивы, в то время как эфиры салициловой кислоты и производные бензотриазолов быстрее теряют свои первоначальные стабилизи­ рующие свойства.

Концентрация ультрафиолетовых поглотителей для светостабилизации полиэфирных смол относительно низ­ ка и составляет 0,1—0,3%. В общем случае концентра­ ция светостабилизаторов является функцией толщины стеклопластика и его окраски. Чем тоньше материал, тем выше должна быть оптимальная концентрация светостабилизатора. Эффективность действия светостабилизато­ ров увеличивается с повышением светопропускания стек­ лопластика.

Максимальное количество светостабилизатора (0,5— 1%) должно быть сконцентрировано у поверхности стеклопластика, граничащей с наружным воздухом. На практике это достигается путем нанесения на поверх­ ность стеклопластика тонкой пленки высокостабилизированной смолы, которую в Англии и Америке называют шелькоут. Применяются, хотя и реже, и другие полимер­ ные пленки: поливинилфторидная, полиуретановая и т. д.

114

Покрытие поверхности стеклопластика защитными пленками преграждает доступ кислороду и влаге к по­ верхности этого материала и в значительной степени смягчает влияние колебаний температуры наружного воздуха на стеклопластик. По технологическим сообра­ жениям, а также с целью упрочнения поверхностную за­ щитную пленку иногда армируют нейлоновыми нитями, легкими синтетическими сетками и стеклосетками. Как показали проведенные эксперименты, поверхность стек­ лопластика, имеющего качественную защитную пленку, практически не разрушается при длительной наружной экспозиции, сохраняет свою глянцевитость.

Конкретный срок службы светопропускающих сте­ клопластиков при их наружной экспозиции зависит от ряда условий: климатического пояса, степени загрязнен­ ности воздуха, требуемой стабильности свойств и т. д., однако накопленный опыт показывает, что нестабилизированные светопропускающие стеклопластики, изготов­ ленные на основе полиэфирных смол общего назначе­ ния, служат в районах с условиями, близкими к усло­ виям средней полосы СССР, не более трех — пяти лет; стеклопластики на основе связующих, модифицирован­ ных метилметакрилатом, с введенными в них ультрафи­ олетовыми поглотителями имеют срок службы 5—10 лет; стеклопластики, имеющие поверхностные защитные пок­ рытия, существенно не стареют в течение 15—20 лет.

В понятие «срок службы» в данном случае вклады­ вается тот смысл, что в течение этого срока материал, в основном, обладает первоначальными качествами. Следовательно, материал может эксплуатироваться и после истечения указанного срока, но его оптические и механические показатели будут существенно ниже первоначальных.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. ГОСТ 10226 — 62. Пластические массы. Методы определения атмосферостойкости и светостойкости.

2.К л я т и с Г. Я. Несущие конструкции из пластмасс. Стройиздат, 1965.

3.Architectural Catalog File v. 7, § 20, 1963.

4. M a t t i n g A., W a g e n e r		K. Kunststoffe Rundschau, № 4,
s. 253,	1964.	П ф л а у м е р О.	Е. Стеклоплас­
5.	А р к д ж о в с к и й В. H.,
тики в строительстве. Сборник трудов ВНИИНСМ. 7			(15), 1966.

8*

115

6.	H a g e n	H. Glasfaserverstilrirte Kunststoffe. Springer Verlag,
1956.	Г о р д о н	Г. Я.	Стабилизация синтетических	полимеров.
7.
Госхимиздат, 1963.			Б. Органические перекиси ИЛ,	1963.
8.	К а р и о ж н ц к и й

Кандидаты техн. наук А. Г. ГИНДОЯН и В. А. МОЧАЛОВ, инж. М. К. ВЕРМИШЕВ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В СВЕТОПРОПУСКАЮЩИХ ЗАПОЛНЕНИЯХ КРИВОЛИНЕЙНОГО ОЧЕРТАНИЯ

Разработка и внедрение светопрозрачных конструк­ ций криволинейного очертания выдвигает ряд теплотех­ нических задач, решение которых позволяет существен­ но уточнить важнейшие параметры, необходимые для проектирования зданий. К этим задачам относятся:

а) определение внутреннего конвективного коэффи­ циента теплообмена в подкупольном пространстве свето­ прозрачных конструкций для различных значений темпе­ ратурного перепада и различных значений кривизны цилиндрических куполов;

б) изучение основных закономерностей изменения конвективных тепловых потоков через криволинейные воздушные прослойки с определением интенсивности этих потоков.

Теория подобия [I] устанавливает критериальную зависимость между физическими параметрами, опреде­ ляющими развитие процесса теплообмена в условиях естественной конвекции:

Nu = С(GrPr)",	(I)
где С и п— эмпирические коэффициенты;
Nu — критерий Нуссельта;
Gr — критерий Грасгофа;

Рг — критерий Прандтля.

В такой форме представлены результаты всех извест­ ных исследований по конвективному теплообмену в вертикальных и горизонтальных плоских и цилиндри­ ческих слоях.

Поставленные задачи решали моделированием основ­ ных закономерностей процесса на основе теории подо­

116

бия. В процессе исследований моделировали температур­ ные поля при свободной конвекции в замкнутом объеме при плоском нижнем источнике тепла. При этом опреде­ ляли коэффициенты теплообмена на границе воздух — теплоотдающая цилиндрическая поверхность, а также ко­ эффициенты теплообмена и термические сопротивления воздушных полуцилиндрических прослоек при различных их толщинах и температурном напоре.

Подобие температурных полей в натуре и модели обеспечивается условием автомодельности распределе­ ния температур и скоростей в турбулентном потоке

(Grpr)HaT > (GrPr)KpHT,	(2)
МОД

при этом соблюдается независимость безразмерной тем­ пературы внутри помещения от размеров теплоотдаю­ щей поверхности. Для случая моделирования больших производственных зданий с равномерно распределенны­ ми в нижней части здания источниками тепловыделения можно считать, что теплоотдающей поверхностью явля­ ется пластина, обращенная нагретой стороной вверх. Тогда автомодельность процесса теплообмена наступает при [5]

(GrPr)KpHT> Ю6.

(3)

Из этого условия можно определить минимальную ширину нагревателя (/J^p = 740 мм).

Минимальную высоту модели необходимо определить из условия обеспечения развитой турбулентности в рабо­ чем объеме [5]

Grftкр> 2,75 X Ю5 или h\mM > 0,0035.

(4)

В рассматриваемом случае минимальная высота модели должна быть 800 мм.

Для проверки автомодельности температурных полей внутри замкнутого объема по отношению к определяю­ щим процесс критериям следует вычислить симплекс 0 для исследуемых тепловых режимов

	(5)
где	#г — текущая температура на горизонтальной
	или вертикальной оси замкнутого объема;

117

тнагр — средняя температура нагревателя;		мо­
т — температура	внутренней поверхности
дели купола.	автомодельности темпера­
Необходимым условием
турных полей являются близкие значения симплекса		0
для различных тепловых режимов.
Для выполнения условия геометрического подобия
были выбраны размеры куполов в */5 натуральной		ве­
личины. Толщина криволинейной полуцилиндрической

воздушной прослойки в опытах менялась в пределах от 10 до 70 мм. Такая толщина и полученный в опытах тем­ пературный перепад на ограничивающих прослойку по­ верхностях обеспечивали равенство критерия Релея RaCT

на модели и в натурных условиях, отнесенного к толщине прослойки б и температуре окружающей среды ts. Дли­ на плоского нагревателя на модели равна 1200 мм участ­ ка, освещаемого зенитным фонарем.

Соблюдение подобия физических констант в натуре и на модели трудно выполнимо при неизотермическом процессе. Поэтому на модели задавался температурный перепад, близкий к натурному. В этом случае с некоторой погрешностью можно принять, что коэффициенты тепло­ отдачи у внутренних поверхностей модели а„ равны соответствующим коэффициентам в натурных условиях ан. Светопропускающие криволинейные заполнения по­ луцилиндрической формы были изготовлены из органи­ ческого стекла толщиной 5 мм.

Принципиальная схема экспериментальной установ­ ки показана на рис. 1. Рабочий объем модели составляет 0,64 мг. Стенки модели выполнены из фанеры толщи­ ной 35 мм, утепленной с наружной стороны слоем мине­ ральной ваты толщиной 50 мм. Для создания необходи­ мого температурного режима смонтирован электрический нагреватель из нихромовой проволоки размерами тепло­ отдающей поверхности 1200x 740 мм. Для снижения количества тепла, передаваемого излучением, поверх­ ность нагревателя покрыта отражателем из алюмини­ евой фольги. Минимальный перепад температур между нагревателем и воздухом внутри объема принимался

.равным 10°, а максимальный — порядка 50°, что соответ­ ствовало изменению мощности нагревателя от 100 до 750 вт.

Во время эксперимента замеряли температуры: внутренней тв и наружной т„ поверхностей однослой­

.118

ного купола (или «холодной» тв.х и «горячей» тв.г по­ верхностей, ограничивающих воздушную прослойку двухслойного купола), стенок, ограничивающих рабочий объем, поверхности нагревателя тнагр, воздуха по вы­ соте рабочего объема в трех местах tf . Всего исследова­ ли три однослойные модели с размером светового про­ ема 200X800 мм, высотой (стрелой подъема) соответ-

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

/ — модель купола; 2 — рабочий объем; 3 — теплоизоляция; 4 — ограж­ дающая стенка; 5 — электрический нагреватель; <5—термопары; 7—транс­ форматор напряжения; 8 — стабилизатор напряжения; 9 — переключа­ тель; 10 — сосуд Дюара; / / — потенциометр

ственно /i= l 00, 80, 40 мм и четыре двухслойные модели с толщиной воздушной прослойки 10, 30, 50, 70 мм при стреле подъема 100 мм. Опорный стакан зенитного фо­ наря моделировали соответствующей толщиной покры­ тия рабочего объема.

Каждую модель светопропускающего заполнения испытывали при десяти различных режимах нагрева. Замеры температур и фотографирование температур­ ных полей подкупольного пространства производили по достижении стационарного состояния. Время наступле­ ния стационарного режима составляло 4—5 ч после включения нагревателя.

Температурные поля в подкупольном пространстве и в воздушной прослойке и локальные коэффициенты теп­ лообмена на поверхности светопропускающих заполне­ ний определяли при помощи четырехзеркального интер­ ферометра ИЗК-454 с диаметром рабочего поля 225±

± 5 мм. При перемещении экспериментальной установ­ ки в вертикальном и интерферометра в горизонтальном направлениях возможно изучать процесс в подкуполь­

Н 9

ном пространстве и в воздушной прослойке на одной модели-

Расшифровку интерферограмм и вычисление локаль­ ных коэффициентов теплообмена производили по мето­ дике, принятой в лаборатории тепло-и массообмена НИИСФ.

На основе изучения интерфорограмм было выяснено влияние радиуса и характерных размеров купола, а также восходящих конвективных токов воздуха на тем­ пературное поле и внутренний конвективный коэффи­ циент теплообмена.

Установлено, что при небольших значениях перерада • температур внутренней поверхности купола и окружаю­ щей среды под куполом отчетливо вырисовывается зона с почти постоянной температурой по высоте. С ростом перепада температур размеры «тепловой подушки» по­ степенно уменьшаются. При больших температурных на­ порах «тепловая подушка» исчезает в результате интен­ сивного "образования турбулентных завихрений.

Коэффициенты теплообмена определяли для четырех точек, равномерно расположенных по одну сторону от середины купола, так как картина конвективного дви­ жения симметрична относительно оси симметрии. При обработке опытных данных в критериальном виде в ка­ честве определяющей температуры принимали темпера­ туру внутренней поверхности модели купола т, а тем­ пературы окружающей среды — среднюю температуру внутреннего воздуха рабочего объема tf . Полученные локальные значения конвективных коэффициентов теплообмена и внутренней поверхности однослойных ку­ полов приведены в табл. 1.

Таким образом, коэффициент теплообмена остается практически постоянным по поверхности купола для каждого режима нагрева и не зависит от линейного раз­ мера. Это дало возможность принять в качестве опреде­ ляющего размера для построения безразмерного коэф­ фициента теплообмена длину дуги купола

(6)

На основании обработки опытных данных (рис. 2) получены коэффициенты С и п [1] для определения коэф­ фициентов локальной и средней теплоотдачи однослой-

120