XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Тепловые испытания нового пустотелого строительного кирпича
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Технология изготовления нового пустотелого строительного кирпича с перегородками Штейнера была отработана раньше на примере бетонных отливок [1]. До этого были изучены свойства жёсткости перегородок [2]. В этой работе начато изучение тепловых свойств новых кирпичей. Целью исследования является выяснение теплоизоляции нового материала по сравнению с известными полнотелыми и пустотелыми кирпичами. Для достижения цели работы пришлось освоить не только бетонное литьё [3], но и столярные работы, чтобы сделать лабораторную установку [4,5].
Введение
Первая часть работы была посвящена изготовлению опытных кирпичей. Точнее сказать, были изготовлены макеты кирпичей из бетона. Керамические кирпичи в школьном кружке пока изготовить не получается, потому что нет оборудования для обжига при температуре приблизительно 1000 градусов Цельсия. Пока такое оборудование ищем, было решено провести испытания на бетонных кирпичах. Для этого были отлиты из бетона марки М300 семь кирпичей, два из которых показаны на рис. 1.
Рис. 1. Итог работы – новые опытные пустотелые кирпичи
Следующим этапом работы стало изготовление специальной лабораторной установки для тепловых испытаний и проведение на ней исследований новых строительных материалов. Было испытано шесть новых кирпичей. Потом пришлось изготовить седьмой кирпич из бетона как копию стандартного керамического кирпича. Дополнительно был испытан на теплоизоляцию шамотный полнотелый кирпич ШБ8, потому что новые кирпичи очень хорошо подходят для металлургии, для доменных печей, а также для бытовых кирпичных печек, чтобы сдерживать первый тепловой удар топок. При создании лабораторной установки пришлось заняться столярными работами. Но с пенопластом работать намного легче, чем с деревом. Мягкий материал легко обрабатывается любым ручным инструментом. Пенопластовый ящик хорошо удерживает тепло, позволяет охлаждаться кирпичу только с одной ложковой грани, то есть с уличной стороны.
Лабораторная установка для испытаний
Изготовление лабораторной установки было выполнено во время летней научно-производственной практики при столярных работах. Но при столярных работах нужно было изготовить скворечник из дощечек [9], а установка – это ящик из пенопласта. Пенопласт пилится и сверлится намного проще дерева, он мягкий, поэтому установка была сделана за полчаса, а скворечник я делала почти два часа. Лабораторная установка – это ящик из пенопласта «Пепоплекс-50» с толщиной стенок 50 мм, но в ящике в нём нет одной стенки (рис.2).
Рис. 2. Сборка лабораторной установки
В этот ящик помещается банка с горячей водой. Была найдена специальная банка из жести от формы для заливки строительных кирпичей. К этой банке как можно плотнее прислоняется кирпич ложковой гранью, а другая ложковая грань выступает из установки и охлаждается воздухом. Пустоты между банкой и пенопластом я заполнила строительной ватой. Сборка установки показана на рис.2. Цель опыта заключается в определении скорости остывания воды в баночке, помещённой в пенопластовый ящик. Пенопласт и строительная вата почти не проводят тепло, поэтому всё тепло идёт от баночки с горячей водой в кирпич, а потом наружу. Чем медленнее остывает вода, тем лучше кирпич будет сохранять тепло в доме. Температуру я измеряла термопарами. Самая важная пока для меня – это температура воды, которую я измеряла каждые 15 минут. На рис.13 показана установка уже с кирпичом, но крышка ещё не закрыта, термопары тоже пока не установлены. Исследование проводилось на стройке. Там есть весь необходимый материал: жёлтый пенопласт «Пеноплекс-50», белый, пенопласт пенополистирол, строительная вата, инструменты, специальная жестяная баночка для воды. Надо было найти только градусники. Мне отвели уголок на складе в строящемся доме и разрешили пользоваться материалом. С трёх сторон я поставила двойные листы белого пенопласта пенополистирола толщиной 30 мм. Получилась ещё лучшая изоляция для тепла. С других сторон листы ставить не надо, иначе к установке будет не подойти.
Рис. 3. Рабочее место для установки на стройке
Получается, что кирпич нагревается с одной стороны и охлаждается с другой стороны. Сверху установка тоже закрывается пенопластовой крышкой. На рис.4 показана собранная установка с тремя термопарами с уже нагретой водой и закрытой верхней крышкой. Чтобы крышка не отходила, её можно приткнуть пластмассовыми штырьками. Отверстия для штырьков я просверлила дрелью, но пенопласт такой мягкий, что можно даже просто проткнуть палочкой.
Рис. 4. Готовая к испытаниям установка с кирпичом
Три термопары для измерения температуры
На рис.5 показаны три термопары для измерения температуры. Термопары – это очень маленькие металлические шарики на конце проводов. Провода идут к специальным приборам-мультиметрам, на которых надо повернуть ручку на обозначение 0С, тогда прибор будет показывать температуру термопары с точностью 10С. В школьном кружке есть два таких прибора, а третий оказался в автомобиле, но водитель им пользовался только для проверки лампочек, даже не знал, что проводок – это термопара. Всего получилось три термопары, поэтому можно было закрыть крышку, а потом измерять температуры в трёх любых точках. Сначала надо было выбрать, где установить эти три термопары.
Рис. 5. Три термопары для измерения температур
Самая главная термопара опущена в воду, потому что надо было постоянно измерять температуру воды, чтобы сказать как быстро она остывает при разных кирпичах. Вода кипятилась кипятильником почти до 1000С, но больше 960С не получалось. На рис.6 показана бурлящая вода при 940С . Этого достаточно. Одной термопары мне достаточно для опыта, но мне посоветовали одновременно измерить ещё две температуры. Это надо будет для будущего.
Рис. 6. Кипящая вода и работа главной термопары
Вторая термопара находится между банкой с водой и кирпичом, там вода передаёт тепло кирпичу. Третья термопара находится на внешней стенке кирпича, которая охлаждается воздухом. Третья термопара приклеена липкой лентой, но ещё подпёрта палочкой, чтобы не отвалилась. Третья термопара приклеена не к середине кирпича, а к середине ячейки Штейнера, потому что их в кирпиче две. После того как вода закипит, крышка будет закрыта, можно измерять температуру. Я измеряла температуру в этих трёх точках через каждые 15 минут. На рис.7 показан пример измерения трёх температур: у воды 890С, у горячей стенки-ложка кирпича 670С, у холодной стенки-ложка кирпича 190С. Опыты очень долгие, до 9 часов, с утра до вечера, всё надо записывать рядом на листочке, но главное – следить за временем на телефоне.
Рис. 7. Пример измерения трёх температур термопарами
Показания из листочков были переписаны в программу EXCEL, которая сразу позволяет строить графики. Всего было испытано 7 кирпичей, 6 моих и один покупной шамотный ШБ-8. На рис.8 показаны протоколы измерений.
Рис. 8. Семь протоколов измерений – неделя работы
Получились следующие результаты.
Испытание кирпича-монолита М300
На рис.9 показаны три графика. Верхний график – главный. Это температура воды. За 6 часов вода остыла от 880С до 420С, то есть на 460С. Другие две температуры я пока не изучаю. Это на будущее.
Рис. 9. Испытание полнотелого кирпича-монолита М300
Испытание моего кирпича типа ВВ и сравнение с монолитом М300
На рис.10 показано остывание воды для двух кирпичей. Мой новый кирпич типа ВВ (ячейки Штейнера направлены перемычкой «Вдоль-вдоль») остывал 9 часов. Но для сравнения был выбран график 4 часа, чтобы начальные температуры были одинаковыми 660С. Также пришлось отступить от начала графика на 2-3 часа, пока установка прогревалась. После этого вода начинает нормально охлаждаться воздухом от стенки кирпича. До этого тепло уходит не только в воздух, но и нагревает кирпич и установку. Нормальное охлаждение начинается, когда горячая и холодная стенки-ложки кирпича начинают остывать. Для этого нужны другие две термопары.
Рис. 10. Сравнение кирпичей «Монолит М300» и ВВ
Монолит М300 за 4 часа остыл от 660С до 430С, то есть на 230С, а мой новый кирпич ВВ от 660С до 520С, то есть на 140С. Почти в два раза медленнее! Мой новый кирпич типа ВВ почти в два раза лучше сохраняет тепло, чем монолит М300.
Испытание моего кирпича типа ПП и сравнение с ВВ и М300
На рис.11 показано остывание воды для трёх кирпичей. Мой второй новый кирпич типа ПП (ячейки Штейнера направлены перемычкой «Поперёк-поперёк») остывал 9 часов. Но для сравнения был выбран график 4 часа, чтобы начальные температуры были одинаковыми 660С. Кирпич типа ПП почти не отличается от кирпича типа ВВ, но в два раза лучше сохраняет тепло, чем монолит М300. На рис.21 показано остывание воды в каждом из трёх изученных случаев с перегородкой из кирпичей указанного типа. Два верхних графика почти совпадают, потому что мои новые кирпичи типа ВВ и ПП почти одинаково сохраняют тепло в домах. Полнотелый монолит М300 прочнее моих новых кирпичей, но зато в два раза холоднее.
Рис. 11. Сравнение кирпичей «Монолит М300», ВВ и ПП
Гипотеза о пустотности кирпича и её проверка
Мои новые кирпичи типа ВВ и ПП оказались почти одинаковыми по тепловым свойствам и почти в два раза теплее полнотелого монолита М300. Из этого сразу можно сделать два вывода. Во-первых, не нужно испытывать кирпич типа ВП, потому что он занимает промежуточное положение между кирпичами типа ВВ и ПП. Свойства моего нового кирпича типа ВП будут примерно такими же, как у кирпичей ВВ и ПП. Во-вторых, может быть все доводы и полученные результаты напрасны, потому что на тепловые свойства кирпича влияет только его пустотность? Под пустотностью понимают отношение объёма полостей к полному объёму кирпича. Появилась ещё одна задача. Надо было проверить тепловые свойства традиционных кирпичей с той же пустотностью, что и мои кирпичи. Покупать кирпич было нельзя, потому что я применяю пескобетон М300. Пришлось изготовить специальный кирпич традиционного вида с круглыми отверстиями. Отверстий было сделано 18, диаметр каждого 25 мм. В таком кирпиче пустотность 40% такая же, как в моих новых кирпичах ВВ и ПП. На рис.12 показано остывание воды с установке с такими кирпичами, вставленными по очереди. Нижний график показывает остывание воды с традиционным кирпичом с круглыми отверстиями. Традиционный кирпич удерживает тепло хуже, чем мои новые кирпичи ВВ и ПП. Вывод. На тепловые свойства кирпичей влияет не только пустотность, но и форма пустот. Ячейка Штейнера самым коротким способом соединяет четыре вершины квадрата, поэтому пескобетона в кирпиче меньше всего, расположен он таким способом, что кирпич получается самым тёплым. Даже если взять традиционный кирпич с круглыми отверстиями такого же веса, как и мои новые кирпичи, то он будет холоднее, потому что есть много путей для отвода тепла, а в моих кирпичах таких путей мало.
Рис. 12. Три кирпича с одинаковой пустоностью 40%
Вывод. Этим опытом я доказала, что при создании новых тёплых кирпичей нужно учитывать не только величину пустот, но ещё их форму.
Тепловые свойства шамотного монолита ШБ-8 и новая гипотеза
Мой интерес – шамотные кирпичи. Это огнеупорные материалы. На выставке МеталлЭкспо-2019 в ноябре 2019 года на ВВЦ-ВДНХ в москве я познакомилась со специалистами предприятия «Огнеупоры» из города Богданович Свердловской области. Я посмотрела их кирпичи и через год обещала показать новый кирпич для доменных печей или обычных печек (рис.13).
Рис. 13. Знакомство с сотрудниками фирмы «Огнеупоры»
Чтобы доказать, что мой новый шамотный кирпич будет лучше мне надо было испытать стандартный кирпич. Я испытала кирпич ШБ-8 из магазина. На рис.14 показаны графики остывания воды при всех пяти испытанных кирпичах.
Рис. 14. Все пять испытанных кирпичей
Недостаток моей работы заключается в отсутствии шамотного кирпича моего типа (ВВ, ПП или ВП). Пока я могу изготавливать новые кирпичи только из пескобетона. Из шамота, даже из шамотной глины, мне не удалось сделать кирпичи. Глина трескается. Но со временем получится. Нового шамотного кирпича у меня нет, но зато есть много данных о пяти испытанных кирпичах. Я решила перенести эти данные на кирпич, которого пока нет – мой новый пустотелый шамотный кирпич с перегородкой Штейнера. Рассуждения и результат показан на рис.15.
Рис. 15. Гипотеза о новом шамотном кирпиче (верхняя линия)
Я рассуждаю так. Мои новые кирпичи из пескобетона М300 во столько раз лучше монолита М300, во сколько раз мой новый пустотелый шамотный кирпич будет теплее монолита из шамота ШБ-8. На сколько поднялся график для бетонных кирпичей над бетонным монолитом, на столько же должен подняться график нового шамотного пустотела над шамотным монолитом. Это верхний график. Я выдвинула гипотезу, что новый шамотный пустотел с ячейкой Штейнера будет остывать в моей установке на 6 градусов за 4 часа, то есть со скоростью полтора градуса в час. Это будет самый тёплый кирпич. Если даже нельзя будет выложить им всю домну или русскую печь, то часть конструкции всегда можно сложить новыми кирпичами для теплоизоляции и сохранения энергии.
Очередная задача – проверить эту гипотезу на опыте. Для этого в ближайшее время я хочу изготовить кирпич из шамотной глины. Материал есть. На стройке мне подарили три мешка чистой шамотной глины – это 90 кг. Есть ещё полмешка 15 кг кладочной смеси этой глины с песком. Осталось вылепить шамотный кирпич.
Выводы по тепловым испытаниям новых кирпичей
1. Тепловые испытания с моделями из пескобетона М300 показали, что мои новые пустотелые кирпичи с ячейками Штейнера на 39% теплее монолита М300.
2. Мои новые кирпичи типов ВВ, ПП и ВП приблизительно одинаковы по тепловым свойствам, но три типа нужны для кладки углов и перегородок зданий.
3. Я показала на опыте, что на тепловые свойства кирпичей влияет не только величина пустотности, но и форма пустот, поэтому перегородка Штейнера очень выгодна, так как она самая короткая, проводит меньше всего тепла.
4. Свойства бетонных кирпичей я перенесла на огнеупорные шамотные кирпичи и высказала гипотезу, что пустотелый шамот с перегородкой Штейнера будет самой выгодной конструкцией со скоростью остывания воды в моей установке полтора градуса в час.
5. Подготовлен макет нового шамотного кирпича из пескобетона М300 для обсуждения на выставке МеталлЭкспо-2020 в конце этого года на ВВЦ-ВДНХ в Москве.
6. Подготовлены материалы заявки на патент на полезную модель, заявлю не позднее чем через год, когда получу паспорт, а может, раньше.
7. Работа выполнена во время летней научно-производственной практики в кружке «Юный физик – умелые руки» МБОУ «Гимназия №5» города Королёва (мкр. Юбилейный) Московской области при поддержке Благотворительного фонда «Образование+» и строителей, помогавших мне материалами, помещением, инструментами и долгими измерениями.
Список литературы
1. Драцкая А.И. 7 класс. Новый пустотелый строительный кирпич - технология изготовления. Секция: Техническое творчество и изобретательство. X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся. - Москва: Российская академия естествознания (РАЕ), август, 2019 г.
2. Драцкая А.И., Скворцова А.А. Анизотропия жёсткости арматуры композиционного материала с ячейками Штейнера / Наука и инновации в технических университетах: Материалы Тринадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных 23-25 октября 2019 г. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. - 169 с.
3. Альбина Драцкая. Технология изготовления новых строительных кирпичей. Август, 2020 г. – Эл. ресурс: https://youtu.be/JYrYg1B2Yts
4. Альбина Драцкая. Делаем скворечник. Август, 2020 г. – Электронный ресурс (видеоролик): https://youtu.be/JYrYg1B2Yts
5. Альбина Драцкая. Тепловые испытания новых строительных кирпичей. Август, 2020 г. – Эл. ресурс (видеоролик): https://youtu.be/bQzxxKt003M
Приложение. Результаты проверки статьи в системах «Антиплагиат» с показателями более 95%