Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
А. Р. Мухтарова, Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
И АКУСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2019
1
УДК 121600.186.4:534.8(075)
М92
Мухтарова А. Р.
Технология теплоизоляционных и акустических материалов : учебное
пособие / А. Р. Мухтарова, Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин; Минобрнауки
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ,
2019. – 84 с.
ISBN 978-5-7882-2549-4
ББК 38.637:22.32я7
М92
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р техн. наук Е. Ю. Разумов
канд. техн. наук. Л. И. Аминов
Содержит современные сведения о классификации, функциональных
и строительно-эксплуатационных свойствах теплоизоляционных и акустических материалов, широко применяемых в различных отраслях народного хозяйства.
Предназначено для бакалавров направления подготовки 08.03.01
«Строительство», обучающихся по курсу «Технология теплоизоляционных и
акустических материалов».
Подготовлено на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из древе-
сины».
УДК 121600.186.4:534.8(075)
ББК 38.637:22.32я7
ISBN 978-5-7882-2549-4 © Мухтарова А. Р., Сафин Р. Р.,
Хасаншин Р. Р., 2019
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2019
2
ВВЕДЕНИЕ
Теплоизоляционные материалы – разновидность строительных
материалов, характеризующихся малой теплопроводностью.
Как известно, тепловой поток через какое-либо ограждение,
разделяющее среды с разными температурами, направлен от нагретой
среде к холодной. Любой материал, из которого выполнено ограждение, в той или иной степени препятствует передаче тепла. Степень сопротивления ограждения теплопередаче можно существенно повысить
путем увеличения толщины ограждения путем применения теплоизоляционных материалов, позволяющих значительно уменьшить толщину и, следовательно, материалоемкость ограждения.
Малая теплопроводность теплоизоляционных материалов обу-
словлена их высокопористым строением. Воздух, заполняющий поры
и находящийся в спокойном состоянии, является плохим проводником
теплоты и создает вследствие этого большое сопротивление теплопередаче. Таким образом, отличительная особенность теплоизоляционных материалов – их высокопористая структура. Функциональное назначение теплоизоляционных материалов – устройство тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений, технологической аппаратуры, тепловых и холодильных установок и различных
трубопроводов.
В понятие «тепловая изоляция» вкладывают весьма широкое и
не всегда одинаковое содержание. В наиболее общем и распространенном смысле под теплоизоляцией понимают техникоэкономические мероприятия по уменьшению потерь теплоты во внешнюю среду через ограждающие поверхности зданий и сооружений
(строительная теплоизоляция), промышленных тепловых установок и
теплопроводов (высокотемпературная теплоизоляция), различного рода холодильных установок помещений и емкостей, внутри которых
поддерживается отрицательная температура (хладоизоляция). Выражение «тепловая изоляция» часто употребляют для названия соответствующих конструкций, говоря об теплоизоляции стен, кровель, трубопроводов и т.п.
Теплоизоляционные материалы широко применяют в строи-
тельстве, промышленности, на транспорте. При этом достигается
весьма большой технико-экономический эффект.
В строительстве, применение, например, этих материалов по-
зволяет существенно снизить массу зданий и сооружений, т.е. сэконо-
3
мить материальные ресурсы, снизить расходы на транспорт и монтажные работы. Ведь одновременно со снижением массы зданий и сооружений сокращаются перевозки не только готовых строительных материалов и сборных конструкций на стройплощадку, но и сырьевых материалов от места их добычи на заводы-изготовители. Снижение массы строительных конструкций также позволяет увеличить их габариты, т.е. повысить степень индустриализации производства, уменьшить
затраты на основные строительные материалы: цемент, металл, древесину, кирпич и др. К тому же создание и применение новых, более
эффективных видов теплоизоляционных материалов, совершенствование тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий позволяют
сократить расходы на отопление зданий и повысить комфорт в помещениях.
В промышленности теплоизоляционные материалы применяют
с целью сокращения теплопотерь через ограждающие конструкции
тепловых агрегатов и теплопроводов, экономии ценного огнеупорного
сырья, тепловой защиты строительных конструкций и оборудования
от вредного воздействия высоких температур, интенсификации технологических процессов, создания оптимальных условий для работы
людей в горячих цехах.
Еще большую экономию энергии дает применение теплоизоляционных материалов при транспортировке и хранении сжиженных
газов, тепловой изоляции стационарных и передвижных холодильников (железнодорожные вагоны, суда-рефрижераторы и т.п.) и другого
холодильного оборудования.
Производство теплоизоляционных материалов – одна из наиболее молодых подотраслей промышленности строительных материалов. Однако в связи с высокой эффективностью применения этих материалов в народном хозяйстве их производство за последние 50 лет
бурно развивалось. В связи с этим характерной чертой развития производства теплоизоляционных материалов, без которых трудно представить дальнейшее развитие капитального строительства, в нашей
стране, является преимущественное увеличение выпуска эффективных
теплоизоляционных материалов. К таким материалам относятся: минераловатные изделия на синтетических связующих (жесткие плиты и
плиты повышенной жесткости), а также минераловатные маты с обкладками и без них; стекловолокнистые плиты и маты; изделия из
вспученного перлита; калиброванные плиты из ячеистого бетона со
4
средней плотностью не выше 250 кг/м3; изделия из пластмасс высокопористой структуры и пониженной горючести.
Усилиями научных и производственных коллективов расширяется номенклатура эффективных теплоизоляционных материалов,
предназначенных для строительной и промышленной теплоизоляции,
разрабатываются новые технологические приемы их получения, обеспечивающие ресурсосбережение как в сфере производства, так и в
сфере применения, все шире используются в качестве сырья отходы и
побочные продукты других отраслей народного хозяйства.
Второй группой рассматриваемых материалов являются акустические, применение которых в строительстве и промышленности
призвано создавать комфортные условия в жилых и общественных
помещениях, снижать вредное воздействие шума на организм человека. Эти материалы по своему функциональному назначению подразделяются на следующие виды:
1) звукопоглощающие материалы, предназначенные для гаше-
ния воздушных шумов и регулирования акустических характеристик
помещений;
2) звукоизоляционные материалы, применяемые в качестве
прокладок под «плавающими» полами и в многослойных ограждающих конструкциях для изоляции ограждений от ударного и воздушного звуков;
3) вибропоглощающие материалы, предназначенные для ос-
лабления изгибных колебаний, распространяющихся по жестким конструкциям, для снижения излучаемого ими шума.
Широкое применение звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов в жилых, производственных и общественных зданиях,
в зданиях и сооружениях культурно-массового назначения повысило
возросшую культуру строительства в нашей стране, призванную обеспечить повышенную комфортабельность для жизни, труда и отдыха
людей.
Особенно бурное развитие производства и применение акустических материалов в строительной практике получили в последние
40 лет. При этом особое внимание уделялось и уделяется созданию
наиболее эффективных материалов, сочетающих в себе акустические и
декоративные свойства и получивших поэтому название декоративноакустических. К таким материалам относят жесткие минераловатные
изделия в виде плит для навесных потолков с декорированной поверх-
5
ностью, газобетонные, пеногипсовые, комбинированные плитные изделия с фасонной или плоской поверхностью, перфорированные цветные листы и др. Поэтому создание новых видов акустических материалов, отличающихся более высокими функциональными и эксплуатационными свойствами, является в настоящее время весьма важной
задачей научно-исследовательских, проектных и производственных
коллективов строительной отрасли народного хозяйства.
Процесс поиска новых принципов производства высокопористых материалов продолжается и в настоящее время. В нем участвуют
научные коллективы ряда научно-исследовательских институтов. Основной задачей текущего момента и на перспективу является вовлечение в сферу производства максимально возможных объемов побочных
продуктов других отраслей и промышленных отходов, образующихся в весьма большом количестве, исчисляемом миллиардами тонн,
при добыче и сжигании углей, выплавке черных и цветных металлов, производстве и применении стекол, переработке нефти, производстве удобрений, добыче и переработке руды и нерудных полезных ископаемых и т.п. Решение этой проблемы, кроме значительного
технико-экономического эффекта, имеет также огромное значение для
экологии.
6
1. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА. ТРЕБОВАНИЯ
К ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ
1.1. Основные представления о теплопередаче
Процесс передачи теплоты (теплопередачи) весьма сложен и
зависит от множества факторов, знание которых и управление которыми позволяют технологам и конструкторам создавать наиболее эффективные теплоизоляционные материалы и конструкции для разных
условий службы.
Борьба с шумом в производственных помещениях и создание
комфортных условий в жилых, общественных, учебных, лечебных и
других зданиях являются одним из важнейших мероприятий по сохранению и укреплению здоровья людей. Знание закономерностей распространения звука в различных средах при различных его параметрах
позволяет целенаправленно проводить мероприятия по борьбе с шумом: создавать эффективные акустические материалы и конструкции,
использовать различного рода экраны, позволяющие существенно
снижать интенсивность шума в помещениях.
Передача теплоты, происходящая в твердых телах, жидкостях
и газах, неоднозначна и определяется существующими для каждой из
них закономерностями.
Теплопередачей называют теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени, называют тепловым потоком и измеряют в Вт (Дж/с). Интенсивность теплового потока прямо пропорциональна разности температур на нагретой и холодной поверхностях, т.е.
температурному градиенту, который является вектором и имеет положительный знак при возрастании температуры.
Температурный градиент есть не что иное, как предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по
нормали Δn при условии, что Δn→0, т.е.
lim
t
n
Δn→0
t
=
= grad t. (1.1)
n
Это выражение справедливо для стационарного теплового режима.
7
Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности тела, через которое осуществляется процесс теплопередачи, называют поверх-
ностной плотностью теплового потока: g = Q/F, Вт/м2. Величина:
g ‒ вектор, направление которого противоположно направлению тем-
пературного градиента, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется только в сторону убывания температуры.
Любой материал, из которого выполнена стенка, разделяющая
теплую и холодную среды, оказывает большее или меньшее сопротивление тепловому потоку. Величина этого сопротивления зависит от способности вещества (материала) проводить теплоту, т.е. от его теплопроводности, которая для каждого вещества имеет свое определенное значение и зависит от многих причин: агрегатного состояния вещества, его
структуры, плотности, влажности, давления и температуры.
Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье:
плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:
Q = λFgradt, (1.2)
где λ – множитель пропорциональности, характеризующий способность вещества (материала) проводить теплоту, т.е. его теплопроводность.
Из уравнения (1.2), которое является математическим выражением основного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фурье), следует, что теплопроводность λ, Вт/(м·К) или
Вт/(м·°С) определяет интенсивность теплового потока, проходящего
через 1 м2 поверхности при температурном градиенте 1 К/м (1 °С/м),
т.е. при разности температур на горячей и холодной сторонах материала толщиной 1 м в 1 К или 1 °С.
Перенос теплоты теплопроводностью характерен для веществ
(материалов), находящихся в любом агрегатном состоянии. Он имеет
место в сплошной среде, т. е. при непосредственном соприкосновении
тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. В общем же виде теплоперенос представляет собой сложный теплофизический процесс, в котором можно выделить кроме теплопроводности
еще два элементарных вида переноса теплоты: конвенцию и тепловое
излучение.
Конвекцией называют перенос теплоты в жидкостях, газах или
сыпучих средах потоками вещества. Этот вид теплообмена свойствен
8
движущимся жидкостям и газам. При этом различают два вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроизвольное перемешивание частей жидкости или газа с различной температурой, и
вынужденную, когда движение частиц вызывается внешними воздействиями (принудительным перемешиванием, продувкой и т.п.).
Интенсивность конвективного теплообмена (теплопереноса)
характеризуется коэффициентом теплопередачи ɑ, определяемым по
формуле Ньютона:
Q = ɑFΔt‚ (1.3)
где F – поверхность теплообмена.
Значения ɑ и, следовательно, интенсивность теплообмена зависят от множества параметров этого процесса: формы, размеров и температуры конструкций, скорости движения, температуры и физических свойств (вязкости, теплоемкости, плотности и т.д.) газов или
жидкостей и ряда других факторов.
Однако при прочих равных условиях ɑ зависит главным образом от условий движения среды. Поэтому значение конвективного теплообмена в ограждающих строительных конструкциях и теплоизоляционных материалах определяется размером воздушных полостей и
пор, а также степенью связанности этих полостей и пор между собой.
Чем больше размер воздушных полостей в конструкции или
пор в теплоизоляционном материале, чем больше сечение воздушных
ходов, соединяющих эти полости или поры, тем выше ɑ и, следовательно, доля конвективного переноса теплоты в общем объеме теплопередачи в данной ограждающей конструкции или данном теплоизоляционном материале, тем выше общий баланс переноса теплоты.
Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой
энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту. Этот вид теплопередачи возможен лишь в газообразной
среде или в вакууме.
Долю теплообмена лучеиспусканием определяют по формуле
Q = ɛпСоF [(Т1/100)4‒(Т2/100)4], (1.4)
где ɛп – приведенная степень черноты тел, между которыми происходит лучистый теплообмен; Со ‒ коэффициент излучения черного тела,
9
равный 5,7 Вт/(м2·С4); Т1 и Т2 – температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен.
В данной формуле наиболее значимой величиной являются
температуры, которые находятся в четвертой степени. Следовательно,
лучистый теплообмен решающим образом зависит от температуры
материала или, вернее, от разности температур между излучающей
теплоту поверхности и поверхности, поглощающей теплоту.
Если рассмотреть элементарную пору в каком-то теплоизоляционном материале, заполненную воздухом или газом, то, опираясь на
закономерность, выраженную формулой (1.4), можно сделать следующее заключение. Чем больше диаметр поры, тем больше разница
температуры между более и менее нагретыми ее поверхностями, тем,
следовательно, более интенсивен теплообмен излучением.
С другой стороны, анализ формулы позволяет сделать заключение о том, что при повышении степени нагретости тела (при повышении температуры эксплуатации материала) передача теплоты излучением возрастает. Практика показывает, что этот вид теплопередачи имеет существенное, а иногда и превалирующее значение только при изоляции промышленного оборудования, т.е. при высоких температурах.
1.2. Требования к теплоизоляционным материалам
Для снижения интенсивности теплопередачи через строительные ограждающие конструкции необходимо применение теплоизоляционных материалов, оказывающих большое сопротивление конвективному переносу теплоты и характеризующихся малой теплопроводностью.
Следовательно, эти материалы должны характеризоваться высокой общей пористостью, так как воздух, заполняющий поры, ‒ плохой проводник теплоты и не имеет сплошного каркаса из основного
материала. С другой стороны, для снижения конвективного переноса
теплоты необходимо стремиться к максимально возможному уменьшению размеров пор и ходов, соединяющих эти поры.
При этом теплоизоляционные материалы должны быть защищены от увлажнения, хорошо противостоять процессам гниения, замораживания и оттаивания, т.е. характеризоваться высокими эксплуатационными показателями.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]