книги из ГПНТБ / Воронков, С. Т. Тепловая изоляция энергетических установок учеб. пособие

Г Л А В А 2

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ И КРЕ­ ПЕЖНЫЕ ДЕТАЛИ

§ 7. Классификация теплоизоляционных материалов и изделий

Теплоизоляционные материалы классифицируют по следующим признакам: структуре, форме, виду основно­

лят на пористо-волокнистые (минераловатные, стеклово­ локнистые и др.), пористо-зернистые (перлитовые, верми-

(плиты, блоки, кирпич, цилиндры,полуцилиндры, сегмен­

теплоизоляционные материалы делят на неорганические и органические.

Рис. 8. Штучные теплоизоляци­ онные изделия:

./ — полый цилиндр, 2 — скорлупа, 3 — блок, 4 — плита

30

Рис. 9. Минераловатный про­ шивной мат

В з а в и с и м о с т и от о б ъ е м н о й м а с с ы теп­ лоизоляционные материалы делят на группы, указанные в табл. 1.

Материалы, имеющие объемную массу, не совпадаю­

ной нагрузкой 0,02 кГ/см2 материалы подразделяются на виды, указанные в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Виды теплоизоляционных материалов в зависимости от величины сжимаемости

31

Т а б л и ц а 3

Классы теплоизоляционных материалов в зависимости от теплопроводности

Коэффициент теплопроводности,

В з а в и с и м о с т и от т е п л о п р о в о д н о с т и ма­ териалы подразделяют на классы, указанные в табл. 3.

Выбор материалов для изоляции поверхностей с от­ рицательной или положительной до 100°С температурой, должен производиться по величине коэффициента тепло­ проводности при 25°С; для изоляции поверхностей, имею­ щих температуру от 100 до 600°С, — по величине коэф­ фициента теплопроводности при 125°С; свыше 600°С — по величине коэффициента теплопроводности при 300°С.

§ 8. Основные свойства теплоизоляцион­ ных материалов и изделий

Основные качественные показатели теплоизоляцион­ ных материалов и изделий приведены в Государствен­ ных общесоюзных стандартах (ГОСТ) и Технических условиях (ТУ); причем важнейшие из них обычно ука­ заны в паспортах-сертификатах заводов-изготовителей, присылаемых вместе с материалами. Этими показателя­ ми являются: объемная масса материала или изделия, прочностные характеристики, влажность. Паспортные характеристики материалов, показатели их эффектив­ ности и температурный предел применения позволяют правильно выбрать материал для изоляционной конст­ рукции. Обязательным условием применения материала является соответствие его ГОСТу или ТУ.

Рассмотрим основные свойства теплоизоляционных материалов и изделий.

Коэффициент теплопроводности, являющийся основ­ ной характеристикой тепловой изоляции, повышается с ростом температуры и увеличением объемной массы изо­ ляционного материала. Это утверждение верно до из-

32

вестной степени, так как существенное уменьшение объ­ емной массы волокнистых материалов (увеличение по­ ристости материалов сверх оптимальной) приводит к об­ разованию воздушных каналов, соединяющих отдельные поры между собой и с наружной поверхностью изделий, и возникновению конвективного и лучистого теплообме­ на, а значит — и к увеличению коэффициента тепло­ проводности.

Чем ниже коэффициент теплопроводности теплоизо­ ляционного материала, тем меньший слой материала не­ обходим для достижения нужного теплозащитного эф­ фекта изоляции. Применение материалов и изделий с низкой теплопроводностью уменьшает расход изоляции на электростанциях, снижает массовую нагрузку на изо­ лируемые объекты и тепловые потери.

Объемная масса — масса единицы объема материала вместе с имеющимися в нем порами и пустотами. Если обозначить объем v образца в мг, а его массу g в кг,- объемная масса

Тоб = — к г /ш 3.

V

Объемная масса теплоизоляционных материалов вследствие их большой пористости значительно отличает­ ся от плотности, которая определяет массу единицы объема тела без пор. Сравнение плотности у и объемной массы у0б характеризует степень пористости материала:

Из этой формулы видно, что чем меньше объемная масса материала, тем выше его пористость. Пористость теплоизоляционных материалов колеблется в пределах от 50% для низкоэффективных и до 98% для материа­ лов высокой эффективности. Пористость является харак­ терной особенностью теплоизоляционных материалов и изделий.

Влажность материала (содержание в нем влаги) рез­ ко повышает его теплопроводность, так как, проникая в материал, влага вытесняет соответствующий объем воз­ духа. Коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз выше чем воздуха, поэтому даже незначительное количество влаги оказывает существенное влияние на повышение коэффициента теплопроводности материала. Различают абсолютную и относительную влажность.

Относительная влажность определяется по формуле

33

2 — 3 4 7 3

w = iirzL. . юо°/0,

S i

где g i — масса материала в увлажненном состоянии; g — масса материала в сухом состоянии.

Абсолютная влажность определяется по формуле

^ аб с = g l ~ 8 ■ 100°/, g

Прочность теплоизоляционных изделий оказывает влияние на их сохранность при перевозках и долговеч­ ность службы, выражается величиной разрушающей си­ лы, которая приходится на единицу площади образца изделия (предел прочности) и имеет размерность кгс/см2.

В зависимости от характера теплоизоляционных изделий

вкачестве их прочностной характеристики принимают предел прочности при сжатии, изгибе или разрыве.

Предел прочности при сжатии

R cx = - ^ - kzc\cm2, ab

где Р — величина нагрузки, разрушившей образец, кгс; а и b — средние размеры сторон (длина и ширина) по­ перечного сечения образца, см.

Предел прочности при изгибе

где Р — величина нагрузки, разрушившей образец, кгс; I — расстояние между центрами опор (на которые укла­ дывается образец при испытании), см; b — ширина об­ разца, см; h — высота образца, см.

Предел прочности при разрыве

где Р — величина нагрузки, разрывающей образец; b — ширина образца, см; h — толщина образца, см.

Температуростойкость характеризуется предельной температурой, при которой возможна длительная служ­ ба материала без ухудшения его теплоизоляционных свойств (максимальная температура применения).

Теплостойкость — это способность материала выдер­ живать резкие колебания температуры без существенно­ го нарушения структуры. Теплостойкость выражается числом теплосмен, т. е. чередованием быстрых нагревов и охлаждений, которые материалы или конструкция вы­ держивают без изменения свойств. Рыхлые пористые

34

теплоизоляционные изделия характеризуются повышен­ ной теплостойкостью, так как возникающие напряжения компенсируются упругостью материала.

Морозостойкость имеет существенное значение при работе материалов в холодильниках. В порах теплоизо­ ляционных материалов всегда содержится некоторое ко­ личество влаги. Вода, замерзая, расширяется, разры­ вает стенки пор и разрушает изоляцию. Поэтому мате­ риалы, предназначенные для изоляции холодных поверх­ ностей, должны особо тщательно оберегаться от увлаж­ нения. При выполнении изоляции холодильных устано­ вок следует применять материалы, обладающие эластич­

ностью.

Газопроницаемость (воздухопроницаемость) — спо­ собность материала пропускать газы или воздух. Это свойство зависит от размеров и качества имеющихся в материале сообщающихся пор. Повышенная воздухопро­ ницаемость снижает качество тепловой изоляции. Возду­ хопроницаемость конструкций можно уменьшить, приме­ нив наружную штукатурку, уплотнительные обмазки, ме­ таллические кожухи и другие защитные средства. Спо­ собность материала пропускать водяные пары характе­ ризуется коэффициентом паропроницаемости и измеряет­ ся в г/м ■ч • мм рт. ст.

Химическая активность — это свойство некоторых ма­ териалов при определенных условиях становиться возбу­ дителями коррозии (ржавления металла) или способ­ ствовать ее распространению. Так, например, наличие серы в минеральной вате, использованной для изоляции работающих сезонно (только в холодное время года) теп­ лофикационных трубопроводов, может вызвать коррозию теплопровода. Поэтому, если условия эксплуатации изо­ ляционной конструкции благоприятствуют появлению коррозии, необходимо проверить химический состав ма­ териала. Во многих случаях коррозия может быть предотвращена специальными защитными мероприятия­ ми, в частности, нанесением на металлическую поверх­ ность антикоррозионного покрытия.

§ 9. Сыпучие теплоизоляционные материа­ лы и смеси

К этой группе материалов относятся теплоизоляцион­ ные гранулы, сухие порошки и порошковые смеси, при­ меняемые в качестве исходных материалов для приготов-

ления мастик, растворов, добавок к бетонам, а также в качестве засыпок и наполнителей. Пористая структура сухих масс, входящих в порошковые смеси, обусловли­ вает их качественные показатели. Сухие порошковые сме­ си состоят из нескольких порошкообразных материалов. Введение тех или других добавок изменяет качественные показатели материала: температуростойкость, прочность, теплопроводность и т. д.

В с п у ч е н н ы й . п е р л и т о в ый п е с о к (ГОСТ 10832—70) — пористый материал, получаемый при об­ жиге перлита, обсидиана и др. Представляет собой гор­ ную породу вулканического происхождения, состоящую в основном из стекловидной массы. Основным технологи­ ческим свойством перлитовых пород является их способ­ ность вспучиваться при высоких температурах: при нагре­ вании порода размягчается, содержащаяся в ней вода превращается в пар, вспучивая жидкий минеральный рас­ плав. Технологический процесс производства вспученно­ го перлита состоит из дробления и сортировки перлито­ вой породы, просеивания, сушки и обжига.

Вспученный перлитовый песок используют в качестве теплоизоляционного материала в засыпных конструк­ циях для заполнения изоляционных полостей и в качест­ ве легкого заполнителя при производстве теплоизоляци­ онных перлитовых изделий, а также жароупорных и строительных бетонов. В зависимости от назначения из­ меняются технические требования к вспученному перли­ товому песку. Так, для засыпки требуется смесь крупно­ зернистого песка фракцией до 5 мм с мелкозернистым с фракцией до 1,5 мм. Для производства теплоизоляци­ онных изделий предпочтительным является песок с раз­ мером частиц от 0,25 до 0,5 мм. Для теплоизоляционных и жароупорных бетонов наряду с крупнозернистым и мелкозернистым песком применяют также пылевидный перлит (продукт тонкого помола крупнозернистого пе­ ска) и щебень.

Из перлита закавказских месторождений получают вспученный песок с объемной массой 50—100 кг/мг, ко­ торый является особенно ценным для производства теп­ лоизоляционных изделий. Объемная масса песка, полу­ чаемого из перлита других месторождений, доходит до 200—250 кг/ж3. Коэффициент теплопроводности перлито­ вого песка при 25°С составляет 0,045—0,06 ккал1м-ч-град.

36

Вспученный перлитовый песок применяют для тепло­ изоляционных засыпок при температуре изолируемых по­ верхностей от —200 до + 800°С и для изготовления пори­ сто-зернистых теплоизоляционных перлитовых изделий и различных бетонов.

Разновидностью вспученного перлитового песка яв­ ляется вспученный перлитовый щебень, который пред­ ставляет -собой крупнозернистый материал различных фракций (мелкой от 5 до 10, средней от 10 до 20 и круп­ ной выше 20 мм) и применяется для производства тепло­ изоляционных перлитовых бетонов и засыпки теплопро­ водов при -бе-сканальной прокладке. Объемная масса щебня колеблется в -пределах от 200 до 400 кг/мг.

В е р м и к у л и т в с п у ч е н н ы й (ГОСТ 12865—- 67) — -сыпучий зернистый материал чешуйчатого строе­ ния, получаемый в результате обжига природных гидра­ тированных -слюд. В зависимости от размера -зерен -вер­ микулит бывает следующих фракций: крупной от 5 до 10, средней от 0,6 до 5 и мелкой до 0,6 мм. В зависимо­ сти от объемной насыпной массы (100, 150 и 200 кг/мг) вермикулит подразделяют на марки 100, 150 и 200; по согласованию с заказчиком допускается выпуск вермику­ лита марок 250 и 300. Коэффициент теплопроводности вермикулита этих марок составляет при средней темпе­ ратуре 25°С от 0,055 до 0,065 ккал/м-ч-град.

Вермикулит применяют в качестве теплоизоляцион­ ной засыпки при температуре изолируемых поверхностей от —260 до +1100°С (до 900°С при изоляции вибрирую­ щих поверхностей), для изготовления теплоизоляцион­ ных -изделий, а также в качестве заполнителей для лег­ ких бетонов и приготовления штукатурных растворов (огнезащитных, теплоизоляционных -и звукопоглощаю­ щих).

Д и а т о м и т и т р е п е л — -осадочные рыхлые гор­ ные породы, -состоящие -в основном -из аморфного крем­ незема. Использование диатомита и трепела для тепло­ вой изоляции -обусловлено в основном -их высокой по­ ристостью. Диатомит и трепел имеют почти одинаковый химический состав, но разную микроструктуру. Диато­ мит относится к более поздним, а трепел — к более ран­ ним отложениям. Диатомит -состоит из панцирей диато­ мий, зачастую полностью сохранивших -свою -структуру, является более рыхлым, пористым, а следовательно, и более легким материалом. Трепел — более плотная по­

37

рода, в которой исходное вещество целиком утратило первоначальное строение.

Объемная масса является основным признаком при определении пригодности этого сырья для тепловой изо­ ляции, поскольку она характеризует степень пористости материала. Пористость диатомита достигает 85%; по­ ристость трепела несколько ниже. Теплопроводность тре­ пела и диатомита колеблется в значительных пределах. Температуростойкость диатомита и трепела зависит от количества и характера примесей: с повышением содер­ жания .примесей температуростойкость понижается. Тем­ пература плавления лежит в пределах от 1400 до 1500°С. Температурный предел применения более чистых разно­ видностей — 1000°С, загрязненных — 900°С. Водопоглощение доходит до 40%'.

Диатомит (трепел) применяют в виде порошка при производстве обжиговых и безобжиговых жестких тепло­ изоляционных изделий, а также .при изготовлении асбозурита и других порошкообразных материалов на осно­ ве асбеста. Для засыпки диатомит (трепел) применяют в виде порошка с размером зерен до 5 мм. Объемная масса засыпки в уплотненном состоянии 350—750 кг/мъ, коэффициент теплопроводности 0,09—0,11 ккал/м-ч-град при 50°С. Кроме молотого диатомита (трепела) для за­ сыпки применяют крошку из боя обожженного диатомитового (трепельного) кирпича. Объемная масса обожжен­ ного диатомита (трепела) 450—700 кг/мъ, коэффициент теплопроводности 0,10—0,12 ккал/м • ч • град при 25°С.

А с б е с т х р и з о т и л о в ый (ГОСТ 12871—67) — распушенный тонковолокнистый материал, широко при­ меняемый как составляющая сухих теплоизоляционных порошковых смесей и при изготовлении различных теп­ лоизоляционных изделий. Асбест занимает видное место среди различных видов минерального сырья, применяемых для выработки теплоизоляционных ма­ териалов. В породе он представляет собой минерал своеобразной волокнистой структуры. При механической обработке (распушивании) асбест разделяется на очень тонкие волокна, настолько гибкие, что из них можно прясть нити и изготовлять ткани. В зависимости от дли­ ны волокна, содержания пыли и сопутствующей породы асбест делится на восемь сортов (от 0 до 7-го), а в зави­ симости от степени распушки — на четыре группы: жест­ кую (из отборной руды ручной сортировки), полужест­

38

кую (из руды механизированной добычи), промежуточ­ ную (занимает место между жестким и полужестким и вырабатывается из руды, предварительно обогащенной в цехах дробильно-сортировочного комплекса), мягкую (из руды механизированной добычи). Для теплоизоляцион­ ных работ в основном используют мягкую и полужесткую группы асбеста. Коротковолокнистый 6-й и 7-й сор­ та асбеста применяют в мастичных конструкциях и для приготовления асбоцементной штукатурки.

В обозначениях марок асбеста буквы означают: АК — асбест кусковой, ДВ — длинноволокнистый, Ж — жест­ кой группы, ПРЖ — промежуточной группы, П — полужесткой группы, М — мягкой группы, К — мягкой груп­ пы, получаемый из продуктов осаждения лылеочистных сооружений, а цифры — первая — сорт асбеста, вто­ рая — гарантируемый минимальный остаток волокна в процентах для асбеста данной марки на основном сите контрольного аппарата, а в марках 7-го сорта — объем­ ную массу. Например, М-6-30 — асбест мягкой группы 6-го сорта, остаток после просеивания на сите 30%.

Волокна асбеста легки, прочны и обеспечивают тре­ буемое армирование изделий и теплоизоляционных штукатурок. Объемная масса асбеста зависит от сорта и сте­ пени распушки: 0 — 4-й сорта имеют объемную массу от

220 до 250 кг/м3, 5—6-й — от 400 до 500 кг/м3, 7-й — от

370 до 520 кг/м3. Асбест выдерживает температуру до 500°С при длительном постоянном нагреве, а при кратко­ временном — до 700°С.

бой механическую смесь 85% порошка легкой белой маг­ незии и 15% распушенного асбеста. Объемная масса ньювеля в порошке 200 кг/м3, коэффициент теплопровод­ ности 0,07 ккая^м-ч -град при 100°С. Ньювель применя­ ют как заполнитель теплоизоляционных засыпных кон­ струкций, а также для приготовления мастик.

ТУ—36— 1 3 1 -6 9

С о в е л и т о в ы й п о р о ш о к

„ ММСС СССР

материал, получаемый измельчением боя совелитовых изделий (размер зерен менее 5 мм). Объемная масса образца, изготовленного из затворенного водой совелитового порошка, до 500 кг/м3, коэффициент теплопроводно­ сти 0,08 при 25°С и 0,085 при 100°С. Предельная темпе­ ратура применения 500°С.

39