Котельные установки

В капиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бетоне, природном камне), находящихся в естественной воздушной среде, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец материала до постоянного веса.Если температура или влажность окружающего воздуха изменились, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащееся в материале. При этом можно полагать, что приближенная продолжительность времени, необходимого для установления равновесного гигротермического состояния материала, прямо пропорциональна интенсивности диффузионных перемещений влаги и обратно пропорциональна квадрату максимального расстояния этих перемещений внутри материала (т. е. квадрату характерного размера образца) *.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в воздушную среду с постоянной относительной влажностью, называется сор бцией, а процесс уменьшения влагосодержания — избыточно-влажного материала в воздушной среде — десорбцией.
Закономерность изменений равновесного влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но последовательно возрастающей относительной влажностью, выражается и з о т ер м о й сорбции.
Последовательные значения равновесной влажности материала, возрастающие при увеличении относительной влажности среды и располагающиеся на кривой изотермы сорбции, а также форма этой кривой зависят от природы и структуры материала.
Для капиллярно-пористых материалов, хорошо смачиваемых влагой (такие материалы в строительстве распространены), характерны S-образные изотермы, выпуклые в области малой относительной влажности воздуха и вогнутые при высокой влажности (изотермы I и II на рис. VI.6).
Выпуклая часть изотерм Г указывает на присутствие внутри материала только адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя простых или сложных молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров адсорбционными силами (мономолекулярная адсорбция).
Средняя часть изотерм Я, близкая к прямой линии, соответствует образованию на внутренней поверхости капиллярно-пористого материала пленок адсорбированной влаги, состоящих из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция).
При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких кайилля-ров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.

Влага физико-механической связи, удерживаемая в порах и капиллярах силами капиллярного давления и смачивания гидрофильных материалов.
Эта влага перемещается внутри материала при возникновении давлений, превышающих капиллярное и легко испаряется из поверхностных слоев изделия или конструкции, в процессе естественной сушки.
Относительно большей связью с материалом характеризуется влага, заполняющая микрокапилляры г<10~5 см и удерживаемая повышенными силами капиллярного давления.
Влага, содержащаяся в макрокапиллярах (за исключением микрослоя у стенок, связанного адсорбнионно) приближается по своим физическим свойствам к свободной воде, отличается весьма слабой связью с материалом и наиболее легко испаряется из поверхностных слоев изделия.
При извлечении из водной среды крупнопористого изделия, или образца материала часть воды, заполняющей крупные поры и являющейся наиболее свободной, вытекает под влиянием силы тяжести; количество вытекающей воды возрастает с увеличением гидрофобное™ материала и числа сообщающихся крупных пор в нем.
Рассмотренные виды влаги обладают различной энергией связи с поверхностью пор и капилляров материала. Наибольшей величиной энергии связи отличается влага химически связываемая, наименьшей— влага, связь которой с поверхностью материала зависит главным образом от физико-механических параметров.Энергия связи влаги с поверхностью пор и капилляров материала равна по своей абсолютной величине, но противоположна по знаку потенциалу переноса влаги внутри капиллярно-пористых материалов с влагосодержанием в пределах гигроскопического, находящихся в изотермических условиях.
Для удаления описанных выше видов влаги из капиллярно-пористых материалов необходима различная энергия процесса обезвоживания.

1. Влага, химически связываемая, необходимая для возникновения и завершения химических реакций, образования нового вещества и формирования физико-механических свойств материала в изделии или конструкции.
Эта влага входит в состав структурной решетки материала в виде вновь возникших химических соединений и кристаллогидратов и отличается высоким энергетическим уровнем ионной и молекулярной связи с веществом.
Естественные колебания температуры, происходящие в течение года на поверхности ограждающих конструкций, не в состоянии нарушить эту связь и выделить химически связанную влагу; из физических методов воздействий она частично может быть удалена только прокаливанием.
2. Влага физико-химической связи, адсорбированная на внутренней поверхности пор и капилляров сформировавшейся структурной решетки материала.
Адсорбированная влага может быть подразделена на влагу первичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энергетическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, постепенно переходящую в пленку объемной воды, удерживаемой капиллярными силами. Адсорбированная влага мономолекулярных и частично полимолекулярных слоев не может быть удалена путем естественной сушки материала ограждающих конструкций, поскольку для ее отрыва от гидрофильных поверхностей необходима высокая температура и малая относительная влажность окружающей воздушной среды, которые не могут быть достигнуты в условиях внешнего климата и микроклимата помещений с отсутствием больших выделений тепла.При естественных колебаниях температуры и влагосодержания наружных ограждающих конструкций, выполненных из гидрофильных материалов, часть влаги физико-химической связи может переходить в химически связанную влагу, результатом чего является повышение прочности бетонов и других гидрофильных неорганических материалов в первые годы эксплуатации зданий.
Для древесины и других органических материалов растительного происхождения характерно, кроме адсорбированной, присутствие в растительных клетках осмотически связанной влаги, постепенно удаляемой в процессе естественной сушки строительных конструкций в воздушной среде с изменяющейся температурой и низкой относительной влажностью. Следствием этого является усушка и изменение геометрических размеров изделий и деталей, отмечаемые, ■например, в первые годы эксплуатации зданий для элементов деревянных конструкций, даже в том случае, если они выполнены из древесины, считающейся, в соответствии со строительными правилами, воздушно-сухой (18—20% повесу).

По характеру своего взаимодействия с водой твердые материалы могут быть разделены на смачиваемые (гидрофильные) и tie-смачиваемые (гидрофобные).
К первым относятся, например, гипс, вяжущие на водной основе, силикатный кирпич, большинство разновидностей бетона; ко вторым — битумы, смолы, минераловатные изделия на основе нет смачиваемых вяжущих, асбест и т. д.Гидрофильные материалы активно взаимодействуют с водой; в сухом состоянии их поверхностная энергия имеет наибольшее значение, а при смачивании уменьшается (т. е. 03.2— (Xi.3>0).
Ограниченно смачиваемые и несмачиваемые материалы менее активны во взаимодействии с водой.
Для большинства строительных материалов (например, бетонов, кирпича и т. д.) характерна капиллярно-пористая структура, особенности которой, наравне со степенью смачивания, определяют характер взаимодействия материала с влагой при пребывании его в воздушно-влажной среде или непосредственном контакте с водой.В результате такого взаимодействия изменяются физико-механические свойства материалов, изделий из них и отдельных конструкций зданий. Кроме того, для материалов гидрофильных, получаемых на основе структурирования водных растворов вяжущих или других материальных дисперсных частиц, сами свойства стабилизировавшейся структуры материала, т. е. строение и геометрические размеры пор и капилляров, зависят от начального влагосодержания и взаимодействия вещества с влагой, в процессе технологии производства строительных деталей или изделий.
Следовательно, особенности взаимодействия материалов с влагой важны при эксплуатации любых строительных конструкций, соприкасающихся с влажной средой, а для гидрофильных материалов эти особенности и начальное влагосодержание исходных растворов влияют на технологию производства и определяют уровень структурно-механических свойств материала и изделий из него.
Обоснованное подразделение форм связи влаги с материалами разработано академиком П. А. Ребиндером и его последователями.

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденсация на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные значения величин Е в мм рт. ст. и F в г/ж3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t= 16° С они равны друг другу.
С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха величины е и f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением температуры. Температура, при которой воздух достигает полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы.При отрицательных температурах следует иметь в виду, что давление насыщенного водяного пара над льдом меньше давления над переохлажденной водой. Это видно из рис. VI.3, на котором представлена зависимость парциального давления насыщенного водяного пара Е от температуры.
В точке О, которая называется тройной, пересекаются границы трех фаз: льда, воды и пара.
Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.
Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается относительным парциальным давлением или относительной влажностью.Относительная влажность ф является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при данной температуре.

В атмосферном воздухе, а следовательно, и в воздухе помещений всегда содержится определенное количество водяного пара.
Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха, называется объемной концентрацией пара или абсолютной влажностью f в г/ж3. Водяной пар, входящий в состав паровоздушной смеси занимает тот же объем v, что и сама смесь; температура Т пара и смеси одинакова.Физическая размерность парциального давления зависит от того, в каких единицах выражены давление и объем, входящие в универсальную газовую постоянную.
Если давление измеряется в кГ/м2, то парциальное давление имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт, ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.
В строительной теплофизике для парциального давления водяного пара обычно принимается размерность, выраженная в мм рт. ст.
Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы используются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление .о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося в воздухе; количество это выражается в единицах, измеряющих давление или энергию пара.Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмосферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.
Предельное значение парциального давления Ев мм рт. ст. соответствует полному насыщению воздуха водяным паром FMRKC в г/м3 и возникновению его конденсации, происходящей обычно на материальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешенном состоянии.

Характерным размером высыхающего ограждения является наибольшее расстояние (по поперечному сечению конструкции), на которое необходимо переместиться влаге для того, чтобы достигнуть поверхности, с которой происходит испарение. При испарении с обеих противолежащих поверхностей однородной конструкции это будет половина ее толщины, а при одностороннем высыхании — bcL толщина (рис. VI.1).
В пустотных конструкциях этот характерный размер сокращается за счет испарения части влаги внутрь пустот или воздушных прослоек. Эта влага, испарившаяся внутрь пустот, обычно удаляется при последующей фильтрации воздуха сквозь конструкцию.
Наружные стены, выполненные из быстро высыхающих материалов и обладающие ограниченной толщиной, а также бесчердачные покрытия, достигают влажностного состояния, приближающегося к нормальному, в течение одного достаточно жаркого летнего периода. Массивные стены, выполненные из медленно высыхающего материала, сохнут в течение ряда лет, причем и после естественного завершения этого процесса влажность их слоев, удаленных от поверхности, может оказаться достаточно высокой даже в помещениях с влажностью •воздуха не выше нормальной.Для обеспечения удовлетворительного влажностного состояния слоистой конструкции важно, чтобы возможные эпизодические увлажнения внешних слоев (например, атмосферной влагой) не влекли за собой распространения жидкой влаги по всей толщине конструкции.
В конструкциях слоистых стен это обеспечивается применением материалов с различной влагоемкостью и крупностью пор*. Жидкая влага, содержащаяся во внешнем увлажненном слое с мелкими порами, не сможет распространиться внутрь стены с заполнением из крупнопористых невлагоемких материалов.
Если средняя часть стены выполнена из таких материалов (пеностекло, ячеистая керамика с остеклованной поверхностью и т. д.), ее влажность будет меньше (рис. VI.2, а), чем вэ внешних слоях, обычно выполняемых из плотных материалов с более мелкими порами (конструктивный бетон и т. д.).

Избыточное влажностное состояние ограждающих конструкций в особенности характерно в первые годы эксплуатации вновь выстроенных зданий и в большой степени зависит от начальной (технологической) влажности материала конструкции. Наибольшее количество начальной влаги (например, вносимой при бетонировании) отмечается в конструкциях из легких бетонов, укладываемых на месте, а также в крупноблочных и массивных кирпичных степах (избыточное влагосодержание крупных блоков, смачивание кирпича и кладка его на растворах с большим количествохМ влаги, штукатурка мокрым способом и т. д.).
В слоях ограждающих конструкций, граничащих с достаточно сухой воздушной средой, влажность материала быстро уменьшается и достигает верхнего предела гигроскопичности (предела сорб-ционного увлажнения). Этим заканчивается первый период естественной сушки; в дальнейшем процесс высыхания, завершением которого является достижение конструкцией равновесной (норм_аль-ной) влажности, существенно замедляется. Продолжительность естественной сушки, а также и величина равновесной (нормальной) влажности конструкции, зависят от температуры и ее колебаний, влажностного состояния окружающей воздушной среды, характерного размера высыхающей конструкции и свойств материала, из которого она выполнена. Различают материалы быстро высыхающие и медленно высыхающие *. К первым относятся, например, керамика, хорошо обожженный кирпич, конструктивные и крупнопористые бетоны; ко вторым—шлакобето-ны, золобетоны и другие неоднородные бетоны с гигроскопическими компонентами или пористыми заполнителями.

Различают несколько видов влаги, которые вызывают нежели тельное повышение влагосодержания материалов, входящих в состав ограждающих конструкций зданий. Такова технологическая (начальная) влага, вносимая в конструкцию при ее бетонировании или при применении увлажненных материалов; грунтовая влага, всасываемая капиллярами фундаментов и стен после утраты непроницаемости гидроизоляции или при ее отсутствии; атмосферная влагав виде косых дождей или инея, выпадающего и при повышении температуры тающего на наружной поверхности стен; конденсирующаяся влага, увлажняющая внутреннюю часть ограждений в помещениях с повышенной влажностью; парообразная влага, диффундирующая сквозь ограждения отапливаемых помещений и при неблагоприятных условиях конденсирующаяся в их толще.
Любой из этих видов влаги может оказаться причиной повышенного влажностного состояния ограждающих конструкций; увеличение влагосодержания материалов в конструкциях эксплуатируемых зданий всегда нежелательно, а для ограждений отапливаемых зданий с нормальным влажностным режимом просто недопустимо. В результате длительных и постепенно затухающих процессов вла-гообмена вновь осуществленной и введенной в эксплуатацию ограждающей конструкции с окружающей воздушной средой, ее конструктивные слои приобретают равновесное влагосодержание, как это более подробно рассмотрено далее; в правильно запроектированных конструкциях установившееся влагосодержание должно быть возможно близким к воздушно-сухому состоянию и сравнительно незначительно изменяться в различные периоды года.
Конструкции с воздушно-сухим состоянием материалов обладают достаточно высокими теплозащитными свойствами; относительная неизменность воздушно-сухого состояния в течение годичного цикла является необходимой предпосылкой для обеспечения постоянства эксплуатационных качеств и достаточной долговечности конструкции.

При большой поверхности остекления помещения вообще теряют свойства теплоустойчивости и для поддержания необходимой степени теплового комфорта необходимо зимой совершенствование систем отопления, а летЬм 'применение систем радиационного охлаждения пли кондиционирования воздуха; в любой период года целесообразно существенное повышение теплофизических качеств остекленных поверхностей по сравнению с обычным двойным остеклением.
В летний период поступление лучистого тепла через не защищенные от солнца окна имеет прерывистый в течение дня характер, но при использовании жалюзи, штор и других солнцезащитных устройств, изменения теплопоступлений приближаются к периодическим, сходным с поступлениями через легкие непрозрачные ограждения; эта последняя закономерность может быть принята при проведении ориентировочных расчетов, достаточных для определения необходимых теплофизических свойств отдельных ограждений помещения.
Тогда, при пользовании формулами (V.24) и (V.25) величина затухания для остекленных поверхностей вычисляется как v = aBRo, что для двойного остекления составит v = 7,5-0,435=3,26.
Зависимости (V.21—V.22) и (V.24—V.25) могут быть применены для приближенного расчета колебаний температуры воздуха в помещениях.
Следует обратить внимание, что при этом расчете предполагается отсутствие воздухообмена, могущего влиять на колебания температуры помещений.
Особенности расчета теплофизических свойств ограждений при колебаниях температуры воздуха, вызванных периодически действующим отоплением в холодный период года, и нагревом помещений внешними тепловыми воздействиями в летний период, иллюстрируются нижеследующими примерами.Амплитуда колебаний воздуха помещения меньшая, чем 2°, допустима, но возможное ее дальнейшее снижение будет благоприятным для людей, постоянно находящихся в помещении. Поскольку наибольшее влияние на колебания температуры в помещении оказывают чердачное перекрытие и недостаточно защищенные окна, следует улучшить теплофизические свойства этих ограждающих конструкций.