Способ получения и устройство двухстеночного ячеистого солнцезащитного ограждения из полимерного материала и солнцезащитный теплоаккумулирующий экран
Владельцы патента RU 2440477:
Учреждение Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН) (RU)
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для наружного остекления фасадов зданий, оранжерей и т.д., а также в виде теплозащитных экранов для зданий с кондиционированием воздуха для уменьшения нагрузки на кондиционер. Экструзионный способ получения двухстеночного ячеистого светопрозрачного листового ограждения из полимерного материала, в котором выдавливание прозрачного полимера через выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие, содержащее верхнюю и нижнюю длинные горизонтальные части и две короткие вертикальные части, осуществляют при дополнительной подаче в головку основного экструдера вязко-текучего непрозрачного полимера из вспомогательного экструдера через дополнительные фильеры с одинаковой формой выходных отверстий и установленные между внутренними гранями длинных верхней и нижней горизонтальных частей щелевого отверстия головки основного экструдера с образованием ребер жесткости в форме плоскопараллельных слоев толщиной К=(0,1÷0,3)·ℓ непрозрачного полимера под углом α=(30÷45)° к горизонту на расстоянии h=(1÷2)·ℓ друг от друга, где ℓ - расстояние между верхней и нижней гранями прямоугольного щелевого отверстия, равное l=(10÷20) мм с образованием плоской поверхности в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними верхней и нижней гранями стенок прозрачного ограждения, при этом скорость подачи прозрачного полимера через замкнутое прямоугольное щелевое отверстие и его температура равны скорости подачи непрозрачного полимера через выходное отверстие фильер и его температуре. Также предусмотрены другие варианты изобретения. Техническим результатом группы изобретений является улучшение солнцезащитных свойств получаемых изделий. 3 н.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для наружного остекления фасадов зданий, оранжерей, теплиц, пешеходных переходов, наружных ставней-жалюзи, козырьков и т.д.
Изобретение может быть использовано в южных районах в виде теплозащитных экранов для зданий с кондиционированием воздуха, при этом снижается перегрев, уменьшается нагрузка на кондиционер, экономится электроэнергия.
Известен экструзионный способ получения изделий из полимерных материалов (монолитных и ячеистых листовых материалов, труб, прутков, других профильных изделий) (Большая советская энциклопедия, 1978 г., т.30, с.46). Экструзия полимеров является технологическим процессом переработки термопластов в экструдерах - заключается в плавлении и уплотнении материала при его движении по каналу рабочего органа, профилировании и выдавливании вязко-текучего полимера, фиксации формы профиля термопласта в результате охлаждения до твердого состояния (Политехнический словарь, М., Советская энциклопедия, 1989 г., с.610).
Последние достижения в разработке экструзионного оборудования позволяют получать листовые ячеистые бесцветные прозрачные, цветные прозрачные ограждения из полиметилметакрилата - оргстекла, поликарбоната (Журнал «Пластика», 2005 г. №4 (26), с.37, В.П.Володин «Новое в экструзионном оборудовании труб, листов, профильных изделий - обзор; «Интерпластика 2010» - 13-я Международная специализированная выставка пластмасс и каучука, Москва/Россия, 26.01-29.01.2010 г., Каталог - с.401).
Недостатком экструзионного способа получения из полимерного материала двухстеночных листовых ячеистых бесцветных прозрачных и цветных прозрачных ограждений является то обстоятельство, что он не позволяет получить светопрозрачные ограждения с высокими солнцезащитными свойствами: полимерные ячеистые двухстеночные прозрачные листовые ограждения не обладают солнцезащитными свойствами; полимерные ячеистые двухстеночные цветные прозрачные листовые ограждения имеют плохую эффективность - при солнечном облучении незначительно задерживают солнечное тепло и свет, а при отсутствии облучения солнцем в помещениях очень темно и нет зрительной связи с окружающей средой.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание экструзиионного способа получения эффективного солнцезащитного ограждения и конструкции солнцезащитного ограждения, а также создание солнцезащитного двухстеночного теплоаккумулирующего экрана.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в экструзионном способе получения двухстеночного ячеистого светопрозрачного листового ограждения из полимерного материала, в котором выдавливание прозрачного полимера через выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие, содержащее верхнюю и нижнюю длинные горизонтальные части и две короткие вертикальные части, осуществляют при дополнительной подаче в головку основного экструдера вязко-текучего непрозрачного полимера из вспомогательного экструдера через дополнительные фильеры с одинаковой формой выходных отверстий и установленные между внутренними гранями длинных верхней и нижней горизонтальных частей щелевого отверстия головки основного экструдера с образованием ребер жесткости в форме плоскопараллельных слоев толщиной К=(0,1÷0,3)·ℓ непрозрачного полимера под углом α=(30÷45)° к горизонту на расстоянии h=(1÷2)·ℓ друг от друга, где ℓ - расстояние между верхней и нижней гранями прямоугольного щелевого отверстия, равное ℓ=(10÷20) мм с образованием плоской поверхности в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними верхней и нижней гранями стенок прозрачного ограждения, при этом скорость подачи прозрачного полимера через замкнутое прямоугольное щелевое отверстие и его температура равны скорости подачи непрозрачного полимера через выходное отверстие фильер и его температуре.
Поставленная техническая задача достигается также и тем, что солнцезащитное двухстеночное ячеистое листовое ограждение из полимерного материала, полученное по п.1, у которого ребра жесткости выполнены в форме плоскопараллельных слоев из непрозрачного полимера толщиной К=(0,1÷0,3)·ℓ и размещены под утлом α=(30÷45)° к горизонту на расстоянии h=(1÷2)·ℓ друг от друга, где ℓ - толщина ограждения, равная ℓ=(10÷20) мм с образованием плоской поверхности в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними гранями стенок прозрачного ограждения.
Поставленная техническая задача достигается также и тем, что солнцезащитный двухстеночный теплоаккумулирующий экран, содержащий устройство по п.2 и дополнительно снабженный замкнутой рамкой, размещенной по периметру экрана, и обеспечивающей герметичность его внутреннего пространства, а объем между плоскопараллельными слоями из непрозрачного полимера заполнены теплоаккумулирующим агентом с обратимым фазовым переходом: непрозрачное твердое тело - прозрачная жидкость.
На фиг.1 изображена принципиальная схема оборудования, на которой реализуется способ получения двухстеночного ячеистого солнцезащитного ограждения из полимерного материала, где: 1 - основной экструдер; 2 - подача гранул прозрачного полимера в основной экструдер; 3 - нагрев гранул прозрачного полимера до пластичного состояния в основном экструдере; 4 - головка основного экструдера; 5 - горизонтальное выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие в головке основного экструдера, через которое происходит процесс выдавливания со скоростью V1 прозрачной массы полимера с температурой t1 в вязко-текучем состоянии; 6 - сформованная лента полимерного ограждения, (далее ограждение); 7 - участок охлаждения сформованной ленты полимерного ограждения; 8 - вязко-текучее состояние ленты полимерного ограждения на выходе из замкнутого прямоугольного щелевого отверстия 5; 9 - твердое состояние ленты полимерного ограждения; 10 - вспомогательный экструдер; 11 - подача гранул непрозрачного полимера во вспомогательный экструдер; 12 - нагрев гранул непрозрачного полимера до пластичного состояния во вспомогательном экструдере; 13 - головка вспомогательного экструдера; 14 - трубопровод, подводящий непрозрачный полимер от головки вспомогательного экструдера к головке основного экструдера; 15 - распределительные патрубки, подводящие непрозрачный полимер; 16 - ребра жесткости в форме плоскопараллельных слоев непрозрачного полимера; 17 - воздушные замкнутые прослойки; 18 - расстояние между соседними слоями непрозрачного полимера 16, равное h=(1÷2)·l.
На фиг.2 изображено горизонтальное выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие в головке основного экструдера (вид по стрелкам А-А на фиг.1), где 19 - фильеры с одинаковой заданной геометрией из выходных сечений, соединенные с патрубками 15, через которые выдавливается со скоростью V2=V1 масса непрозрачного полимера с температурой t1=t2 в вязко-текучем состоянии в форме плоскопараллельных слоев 16, и расположенные внутри замкнутого прямоугольного щелевого отверстия 5; 20 и 21 - верхняя и нижняя длинные горизонтальные части щелевого отверстия 5; 22 и 23 - верхняя и нижняя наружные грани длинных горизонтальных частей щелевого отверстия 5; 24 и 25 - верхняя и нижняя внутренние грани длинных горизонтальных частей щелевого отверстия 5; 26 и 27 - короткие вертикальные части щелевого отверстия 5; 28 - внутренняя толщина фильер 19, равная К=(0,1÷0,3)·ℓ, она же одновременно является толщиной непрозрачных слоев 16; 29 и 30 - внутренние толщины верхней 20 и нижней 21 длинных горизонтальных частей щелевого отверстия 5, они же являются толщинами прозрачных стенок ограждения 6; 31 - внутренняя толщина щелевого отверстия 5, равная ℓ, одновременно является толщиной сформованной ленты полимерного ограждения 6. 32 - угол наклона плоскопараллельных слоев 16 и фильер 19 к горизонту, равный α=(30÷45)°; 33 - верхние торцы слоев 16; 34 - нижние торцы слоев 16.
На фиг.3 изображено устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала в поперечном разрезе, где 35 - вертикальная наружная стенка полимерного ограждения 6; 36 - вертикальная внутренняя стенка полимерного ограждения 6; 37 -направление солнечного излучения, где S - поток солнечной энергии; 28 - толщина плоскопараллельных слоев непрозрачного полимера 16 - К=(0,1÷0,3)·ℓ, 32 - угол наклона плоскопараллельных слоев непрозрачного полимера 16 к стенкам ограждения 35 и 36, 18 - расстояние между соседними плоскопараллельными слоями непрозрачного полимера 16-h=(1÷2)·ℓ, 31 - толщина ограждения 6-ℓ=(10÷20) мм.
На фиг.4 изображено устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала в плане.
На фиг.5 изображено устройство солнцезащитного двухстеночного теплоаккумулирующего экрана в поперечном разрезе, где 38 - замкнутая рамка, размещенная по периметру экрана и обеспечивающая герметичность внутреннего объема; 39 - теплоаккумулирующий агент с обратимым фазовым переходом: непрозрачное твердое тело - прозрачная жидкость, заполняющий замкнутые воздушные прослойки 17 (теплоаккумулирующий агент 39 находится в твердом состоянии).
На фиг.6 изображено устройство солнцезащитного двухстеночного теплоаккумулирующего экрана в плане (теплоаккумулирующий агент 39 находится в твердом состоянии).
В таблице 1 представлены физико-технические характеристики созданной авторами физической модели солнцезащитного ограждения из полимерного материала (полиметилметакрилата) по изобретению.
Угол наклона 32 - α плоскопараллельных слоев 16 непрозрачного полимера (фиг.2, 3) и расстояние h между слоями 16 определяются аналогично расчету угла наклона пластин жалюзи и расстояния между ними. Для участка территории земного шара между Россией и экватором защитный угол, определяющий расстояние между слоями 16, равняется α=(30÷45)° к стенкам 35 и 36 ограждения 6 (фиг.3), т.е. при таком интервале угла наклона слоев расстояние между слоями 16 равно h=(1÷2)·ℓ.
Толщина слоев 28 (фиг.3) непрозрачного полимера "К" должна обеспечивать эффективное отражение солнечных лучей с одной стороны, а исходя из эстетического вида ограждения 6, слои непрозрачного полимера 16 должны быть как можно тоньше, при этом толщины слоев 28 должны обеспечивать конструктивную жесткость ограждения 6.
Таким образом, величина "К" является компромисным параметром.
Наибольшая толщина двухстеночного ячеистого ограждения 6 - ℓmax определяется техническими возможностями современных экструдеров и не превышает величины в 20 мм, а наименьшая толщина ℓmin ограждения 6 будет определяться техническими возможностями размещения фильер 19 в замкнутом прямоугольном щелевом отверстии 5 и не может быть меньше величины в 10 мм.
Принципиальным в предлагаемом способе является необходимость обеспечения одинаковых скоростей выхода прозрачного полимера из замкнутого прямоугольного щелевого отверстия 5 и непрозрачного полимера 16 из фильер 19, т.е. V1=V2 и их температур t1=t2. Только при этих условиях возможно получение ограждения (солнцезащитных жалюзийных решеток (слоев 16) с заданной геометрией, располагаемой между двумя светопрозрачными стенками 35 и 36 (фиг.3).
Оценка светопрозрачных и теплозащитных свойств (табл.1) физической модели солнцезащитного ограждения 6 осуществлялась по коэффициентам светопропускания и теплопропускания. Измерение пропускания суммарной (прямой + рассеянной) солнечной радиации производилось при помощи пиранометра, т.е. измерялся интегральный (по всем длинам волн) коэффициент пропускания (в видимой области спектра) при помощи устройства для измерения яркости, основной частью которого является яркомерная насадка (табл. 1).
Конструкция ограждения 6 (фиг.3) является энергосберегающей, защищает от перегрева солнечного излучения помещения зданий, салонов транспортных средств в дневное время, выполняя одновременно функции жалюзи и пассивного кондиционера.
Конструкция солнцезащитного двухстеночного теплоаккумулирующего экрана (фиг.5, 6) работает следующим образом. Теплоаккумулирующим агентом 39 могут, например, быть различные парафины, композиции из смеси парафинов с растворителями на основе увайт спирита, керосина, сольвента и др. При комнатной температуре аккумулирующий агент 39 находится в твердом состоянии и имеет равномерный белый цвет. При облучении экрана солнечными лучами агент 39 аккумулирует солнечное тепло в твердом состоянии, его температура повышается, например, до 35°С - температуры фазового перехода. При этой температуре он плавится, становится прозрачным, при этом аккумулируется агентом тепло-фазового перехода. Затем агент 39 в жидком состоянии нагревается до равновесной температуры, соответствующей падающей плотности солнечного излучения. Слои 16 работают так же, как и в устройстве на фиг.3, 4, т.е. как жалюзи.
При обратном процессе - снижении потока солнечного излучения - экран отдает запасенное тепло, например в помещение, нагревая в нем воздух; экран становится полупрозрачным. При дальнейшем естественном охлаждении экрана агент 39 становится непрозрачным и становится дополнительным теплоизоляционным слоем, препятствующим потере тепла из помещения наружу.
Таким образом, технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в создании эффективных, простых в реализации и дешевых способа получения и устройств солнцезащитного энергосберегающего ограждения и аккумуляционного экрана из полимерного материала; в повышении солнцезащитных свойств ограждения; в возможности значительно сократить расходы электроэнергии на работу систем кондиционирования в помещениях жилых домов и использовании запасенной в экране тепловой энергии на обогрев помещения.
| Таблица 1 | |||
| Параметры и характеристика | Примеры № | ||
| №1 | №2 | №3 | |
| Толщина ограждения ℓ, мм | 10 | 10 | 10 |
| Угол наклона солнцезащитных слоев α, оС | 30 | 37 | 45 |
| Расстояние между слоями h, мм | 20 | 20 | 20 |
| Коэффициент светопропускания при плотности солнечного излучения 500 Вт/м2 | 0,31 | 0,26 | 0,21 |
| Коэффициент теплопропускания при плотности солнечного излучения 500 Вт/м2 | 0,33 | 0,31 | 0,20 |
1. Экструзионный способ получения двухстеночного ячеистого светопрозрачного листового ограждения из полимерного материала, в котором выдавливание прозрачного полимера через выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие, содержащее верхнюю и нижнюю длинные горизонтальные части и две короткие вертикальные части, осуществляют при дополнительной подаче в головку основного экструдера вязкотекучего непрозрачного полимера из вспомогательного экструдера через дополнительные фильеры с одинаковой формой выходных отверстий и установленные между внутренними гранями длинных верхней и нижней горизонтальных частей щелевого отверстия головки основного экструдера с образованием ребер жесткости в форме плоскопараллельных слоев толщиной К=(0,1÷0,3)·ℓ непрозрачного полимера под углом α=30÷45° к горизонту на расстоянии h=(1÷2)·ℓ друг от друга, где ℓ -расстояние между верхней и нижней гранями прямоугольного щелевого отверстия, равное 10÷20 мм, с образованием плоской поверхности в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними верхней и нижней гранями стенок прозрачного ограждения, при этом скорость подачи прозрачного полимера через замкнутое прямоугольное щелевое отверстие и его температура равны скорости подачи непрозрачного полимера через выходное отверстие фильер и его температуре.
2. Солнцезащитное двухстеночное ячеистое листовое ограждение из полимерного материала, полученное по п.1, у которого ребра жесткости выполнены в форме плоскопараллельных слоев из непрозрачного полимера толщиной К=(0,1÷0,3)·l и размещены под углом α=30÷45° к горизонту на расстоянии h=(1÷2)·l друг от друга, где l - толщина полимерного ограждения, равная 10÷20 мм, с образованием плоской поверхности в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними гранями стенок прозрачного ограждения.
3. Солнцезащитный двухстеночный теплоаккумулирующий экран, содержащий устройство по п.2 и дополнительно снабженный замкнутой рамкой, размещенной по периметру экрана и обеспечивающей герметичность его внутреннего пространства, а объем между плоскопараллельными слоями из непрозрачного полимера заполнен теплоаккумулирующим агентом с обратимым фазовым переходом непрозрачное твердое тело - прозрачная жидкость.
