Heat transfer in wood and wood-based materials

Ing. Eva Troppová

Doctoral thesis

Sdílení tepla ve dřevě a materiálech na bázi dřeva

Abstract:

Hlavním cílem předkládané disertační práce bylo stanovení tepelných vlastností dřeva a materiálů na bázi dřeva pomocí různých metod měření a posouzení vlivu vybraných parametrů na procesy měření a na samotné stanovení termofyzikálních vlastností. Tato práce se dále zabývá popisem sdílení tepla, stejně jako možnostmi in-situ měření tepelných ztrát v dřevěných konstrukcích. Teze je rozdělena do tří témat: a) metody měření tepelných vlastností materiálů a jejich možná omezení; b) studium vlivu parametrů na tepelné vlastnosti materiálů; c) poměr jednotlivých složek sdílení tepla (kondukce, konvekce a radiace) na celkový tepelný tok. Experimentální část této práce je složena z měření tepelných vlastností materiálů pomocí pulsní transientní metody, quasi-stacionární metody a metody měřidla tepelného toku. Hlavními měřenými materiály byla středně hustá dřevovláknitá deska (MDF), Lignamon (lisované bukové dřevo tepelně upravené pomocí amoniaku) a izolační dřevovláknité desky. Pro tyto materiály byla zjištěna tepelná vodivost, teplotní vodivost a měrná tepelná kapacita v závislosti na hustotě, obsahu vlhkosti a teplotě. Pomocí parametrických numerických modelů byl zjištěn vliv a možná omezení vybraných metod měření. Numerické modelování ve výpočetním programu Ansys Mechanical APDL umožnilo sledovat pomocí citlivostní analýzy vliv vybraných parametrů na teplotní odezvu materiálů. Výsledky pravděpodobnostní analýzy zhodnotily vliv jednotlivých vstupních parametrů na měřené experimentální hodnoty. Sdružená úloha vedení tepla a proudění tekutiny byla řešena v programu ANSYS Flotran. Podíl sdílení tepla radiací na celkový tepelný tok konstrukcí se vzduchovou mezerou byl vypočten numericky a porovnán s experimentálními hodnotami. Výsledky získané experimentálně, i pomocí numerických analýz, prokázaly rozdíly v tepelných vlastnostech modifikovaného dřeva a materiálů na bázi dřeva v závislosti na zvolené metodě měření. V současné době se upřednostňují materiály s lepšími izolačními vlastnostmi, které se často vyznačují vysokou heterogenitou a pórovitostí. Přesné stanovení jejich tepelných vlastností není jednoduchou záležitostí, jelikož je často ovlivněno mnoha faktory. Cílem této práce bylo objasnit sdílení tepla v těchto materiálech a částech konstrukcí obsahujících studované materiály.

Abstract:

The main goals of the dissertation thesis were to investigate thermal properties of wood and wood-based materials using different measurement methods and to study the influence of specific parameters on the measuring processes and, furthermore, on the thermophysical parameters in particular cases. This thesis deals with the description of all heat transfer modes occurring in wooden constructions, as well as with laboratory measurements, theoretical analyses and analysis of the possibilities of in-situ measurement of thermal behavior of wooden structures. The work is structured into three themes: a) on the thermal measurement methods including assessment of their limitations; b) on investigation of influence of materials' parameters on their thermal properties and c) on contribution of all three heat transfer modes - conduction, convection and radiation, in studied phenomena. The experimental part of this study consists of evaluation of thermophysical parameters of materials based on three different methods: the heat-flow meter method, the pulse-transient method and the quasi-stationary method. Within the work the medium density fiberboards, Lignamon (ammonia-treated compressed beech wood) and insulation wood-based fiberboards have been studied. For these materials, thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat were evaluated depending on density, moisture content and temperature. Furthermore, parametric numerical models were employed to study the impact and limitations of chosen measurement methods on the thermal response of each material. Numerical modeling carried out in computing environment ANSYS enabled sensitivity studies of influence of selected parameters on the thermal response of materials. Probabilistic numerical analyses served for both a verification of the experiments and assessment of parameters' impact on results. Coupled thermal-fluid analysis was solved in ANSYS Flotran software. The contribution of radiation heat transfer on the final heat flow through a construction with an air cavity was computed and compared with experimentally measured data. Finally, the temperature distribution in a wooden construction was studied with help of infrared thermography. The results from experiments as well as from the numerical studies showed differences in thermal properties of modified wood and wood-based materials depending on chosen measurement method and different parameters during measuring processes. Nowadays, there is an increasing demand for low conductive materials having often heterogeneous, anisotropic and porous structure with hygroscopic character and that is why there is a call for accurate evaluation of their thermal properties. This thesis addresses the call by providing fundamental knowledge of complex heat transfer in materials and wooden structures.

Keywords

metoda měřidla tepelného toku, tepelná vodivost, teplotní vodivost, měrná tepelná kapacita, quasi-stacionární metoda, pulsní-transientní metoda, numerická simulace, pravděpodobnostní analýza, metoda konečných prvků (MKP)

Keywords

thermal diffusivity, specific heat capacity, finite element method (FEM), probabilistic analysis, pulse-transient method, quasi-stationary method, thermal conductivity, heat-flow meter method, numerical simulation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 10. 2015

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jan Tippner, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Wood-Working Engineering / Wood Processing and Timber Technology