Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
При устройстве тепловой изоляции высокотемпературного
технологического оборудования стремятся применять теплоизоляционные материалы из веществ, характеризующихся сравнительно низкой теплопроводностью при высоких температурах, меньшей приведенной степенью черноты, мелкопористой структурой при высокой
общей пористости.
В данном случае решающими показателями эксплуатационных
свойств теплоизоляционных материалов являются:
‒ термическая стойкость ‒ способность материала выдерживать многократное попеременное нагревание и охлаждение;
‒ температуростойкость ‒ способность материала длительное
время выдерживать воздействие высокой температуры;
‒ огнеупорность ‒ способность материала выдерживать, не
расплавляясь (не размягчаясь), воздействие высоких температур;
‒ коррозионная стойкость ‒ способность материала противостоять агрессивным средам и т.п.
Таким образом, применение теплоизоляционных материалов в
ограждающих конструкциях во всех случаях главной целью имеет
максимально возможное снижение теплопередачи в той или иной конструкции без увеличения, а чаще ‒ при уменьшении общей толщины
ограждения.
С целью оптимизации ограждающей конструкции по термическому сопротивлению, материалоемкости и экономическому фактору
необходимо в каждом конкретном случае производить теплотехнический расчет ограждения.
При выборе схемы расчета теплопроводности ограждающих конструкций любого назначения учитывают число слоев,
составляющих конструкцию, форму конструкции, характеристики материалов, из которых она выполнена, и температурный
градиент.
По числу слоев конструкции подразделяют на однослойные и
многослойные. Однако с позиций теплофизики практически все строительные ограждающие конструкции и тем более ограждения высокотемпературного технологического оборудования и трубопроводов
следует считать многослойными.
По форме ограждающие конструкции подразделяют на плоские, цилиндрические (трубопроводы) и шаровые стенки (емкости для
хранения сжиженного газа, воды и др.).
11
Для расчета теплопередачи ограждающих конструкции существует ряд формул. Анализируя формулы расчета теплопроводности
различных строительных и теплоизоляционных конструкций, можно
отметить следующее.
1. Теплопроводность конструкций различной формы с удовле-
творительной точностью можно описать единой формулой
Q = λFxΔt/δ‚ (1.5)
где Fx – расчетная поверхность тела; λ/δ – термическое сопротивление
или сопротивление теплопередаче.
2. В расчетах принимается, что температура поверхностей
тела во всех точках одинакова или незначительно отличается.
Если же температура на поверхности изменяется резко, то необходимы сложные расчеты или экспериментальное определение теплопроводности.
3. Тепловые потери конструкций из одинаковых материалов
зависят при прочих равных условиях от формы конструкции, так как
она предопределяет площадь поверхности теплопередачи. Поэтому
наименьшие потери характерны для вогнутых поверхностей, наибольшие ‒ для выпуклых; для плоской стенки показательны
промежуточные значения (рис. 1.1). Исходя из этого, нерационально использовать малоэффективные теплоизоляционные материалы для изоляции трубопроводов и тем более шаровых емкостей,
так как увеличение толщины теплоизоляционного слоя может привести к повышению теплопотерь вследствие опережающего прироста
площади поверхности по отношению к приросту термического сопротивления.
4. Для расчетов теплопередачи через теплоизоляцию горячего
оборудования необходимо знать коэффициенты теплопередачи на горячей и холодной сторонах стенки (ɑrи ɑx).
С учетом этих коэффициентов поток теплоты, передаваемый
через стенку, описывается уравнением
g =
1
1/x+/ + 1/r
Δt = KΔt, (1.6)
где К – коэффициент теплопередачи, зависящий от толщины стенки,
ее теплопроводности и коэффициентов теплоотдачи.
12
Рис. 1.1. Влияние формы теплоизолирующей конструкции
на теплопотери: 1 – вогнутая стенка; 2 – плоская стенка;
3 – выпуклая стенка; 4 – цилиндрическая стенка
Величину, обратную К, называют полным термическим сопро-
тивлением теплопередачи R, которая задается при проектировании
ограждений:
R = 1/K =1/ɑ
+ /+ 1/ɑ
x
. (1.7)
r
При расчете ограждающих конструкций зданий учитывают по-
годные условия данной местности, которые приведены в СНиПах для
всех климатических районов. На основе этих показателей рассчитывают сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R0,
которое должно быть не меньше требуемого R
санитарно-гигиеническими условиями и определяемого экономическим расчетом R
эк
. Требуемое сопротивление теплопередаче
0
тр
R
= n (tв ‒ tн)/Δtнɑв, (1.8)
0
тр
, устанавливаемого
0
где n ‒ коэффициент‚ зависящий от местоположения наружной поверхности конструкции (изменяется от 0,4 для стен, отделяющих отапливаемые помещения от неотапливаемых, до 1,0 для наружных стен);
tв ‒ расчетная нормируемая температура внутри помещения;
tн ‒ раcчетная зимняя температура наружного воздуха, зависящая от
климатического района и массивности конструкции; Δtн ‒ нормируемый температурный перепад между температурами внутреннего воз-
13
духа и стеной (гигиенический параметр, определяющий неблагоприятные условия пребывания людей в помещении); ɑв ‒ коэффициент
теплопередачи внутренней поверхности ограждения.
Если ограждающая конструкция имеет неодинаковое попереч-
ное сечение, что часто имеет место, то при теплофизических расчетах и проектировании конструкции рассчитывают среднее значение и определяют необходимые теплозащитные свойства наименее утепленных участков конструкции, чтобы обеспечить температуру выше точки росы на их поверхности и исключить образование конденсата.
Толщину ограждений определяют, исходя из расчетного со-
противления конструкции R и теплопроводности материала:
= R. (1.9)
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций с
учетом экономических условий определяют по формуле
тр
R
= (Бк + Бэ + Тэ)/К
0
‚ (1.10)
огр
где Бк ‒ удельные капитальные вложения в устройство теплоснабжения; Бэ ‒ годовые удельные эксплуатационные затраты на
отопление; Тэ ‒ нормативный срок окупаемости дополнительных
капиталовложений; К
‒ стоимость 1 м3 однослойной ограждаю-
огр
щей конструкции или теплоизоляционного слоя многослойной конст-
рукции.
Из формулы (1.10) следует, что для сохранения постоянным
эк
R
удорожание теплоизоляционного материала должно быть пропор-
0
ционально снижению теплопроводности.
При расчете высокотемпературной теплоизоляции придержи-
ваются следующего порядка. По нормативам устанавливают допустимые тепловые потери для данного высокотемпературного оборудования с изоляцией. Затем выбирают вид теплоизоляционного материала
с учетом температурных условий службы, средней продолжительности его службы в данных условиях эксплуатации, экономических соображений, в том числе степени индустриализации тепломонтажных
работ. Для выбранного теплоизоляционного материала (конструкции)
14
по таблице находят значение теплопроводности при средней температуре эксплуатации.
При расчете температуру горячей поверхности теплоизоляци-
онного слоя для упрощения принимают равной температуре стенки
оборудования или первого слоя футеровки. Зная температуру на горячей и холодной поверхностях теплоизоляционного слоя, а также его теплопроводность, определяют требуемую толщину тепловой
изоляции.
Затем производят проверочный расчет, определяя среднюю
температуру теплоизоляционного слоя и температуру холодной поверхности.
15
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЗВУКЕ. ТРЕБОВАНИЯ
К АКУСТИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛАМ
2.1. Основные понятия о звуке
Звук ‒ это упругие волны, возникающие в газах, жидкостях и
твердых телах от механических колебаний и распространяющиеся в
этих средах. Звук характеризуется частотой υ, интенсивностью I и звуковым давлением р. Скорость распространения звуковых волн зависит
от упругих свойств, температуры и плотности среды, в которой они
распространяются. Например, скорость распространения звуковых
волн в спокойном воздухе при температуре 20 °С равна 343 м/с, в стали ‒ 5000, в бетоне ‒ 4000 м/с.
Часть пространства, в котором распространяются звуковые
волны, называют звуковым полем.
При звуковых колебаниях среды, например воздуха, элементарные частицы этой среды начинают колебаться относительно начального своего положения. Скорость этого колебания намного меньше скорости распространения звуковых волн в воздухе (c). Во время
распространения звуковых колебаний в воздухе появляются области
повышенного давления и разряжения, которые определяют звуковое
давление как разность давлений в возмущенной и невозмущенной воздушной среде.
Таким образом, звуковое давление ‒ переменное избыточное
давление, возникающее в среде при прохождении звуковой волны.
Обычно звуковое давление мало по сравнению с постоянным давлением в среде.
При распространении звуковых волн происходит перенос кинетической энергии, величина которой определяется интенсивностью
звука. В условиях свободного звукового поля, когда отсутствуют отраженные звуковые волны, интенсивность звука измеряется средним
количеством звуковой энергии, проходящей в единицу времени через
единицу поверхности перпендикулярно направлению распространения
звука, Н/(м·с):
I = υp или I = p2/ρc, (2.1)
где υ – мгновенное значение скорости колебаний, м/с; р – мгновенное
значение звукового давления, Па; ρ – плотность среды, кг/м3; с – ско-
рость звука в данной среде, м/с.
16
Произведение ρс представляет собой удельное акустическое
сопротивление среды (волновое сопротивление), Н·с/м3.
Величины минимального звукового давления р0 и интенсивности I0, едва различимые органом слуха человека, называют
пороговыми.
В акустике принято измерять не абсолютные значения интенсивности звука или давления, а их относительные логарифмические
уровни L, взятые по отношению к пороговому значению I0 или р0. Если интенсивность звука I больше исходной в 10 раз, то принято считать, что интенсивность звука превышает исходную на 1 Б (Бел), при
I/I0 = 100 на 2 Б и т.д.
Орган слуха человека способен различать прирост звука на
0,1 Б, т.е. на 1 дБ (децибел), который и принят в практике акустических измерений на основную единицу. Таким образом, уровень интенсивности звука, дБ, равен
L = 10 lg
. (2.2)
Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового
давления (2.1). Следовательно, уровень силы звука можно выразить
через звуковое давление:
L = 10 lg
= 20 lg
2
0
, (2.3)
0
2
Эта характеристика, представляющая собой уровень звукового
давления, принята для всех акустических измерений и выражения
нормативных данных.
На человеческий организм шум воздействует отрицательно: снижает остроту слуха, рассеивает внимание, мешает разговорной
речи, а при повышении интенсивности и длительном воздействии шума изменяется кровяное давление, ухудшаются координация движений, зрение, возникают изменения в сердечно-сосудистой и нервной
системах.
Поэтому борьба с шумом, снижение его интенсивности до
нормативных значений в производственных, общественных, жилых
помещениях на территории городов и отдельных предприятий является весьма актуальной задачей. Эта борьба ведется всеми доступными
средствами, применение которых основано на законах гашения звуковых волн, создания преград на пути их распространения.
17
Одним из наиболее действенных мероприятий в этом направлении является применение звукопоглощающих и звукоизоляционных
материалов и рационально изготовленных из них конструкций.
2.2. Требования к звукопоглощающим и звукоизолирующим
материалам
Звукопоглощающие материалы характеризуются высокопорис-
той структурой.
При этом эффективность звукопоглощения при прочих равных
условиях зависит от параметров этой структуры, которые должны направленно регулироваться в зависимости от превалирующей частоты
звуковых волн в данном помещении.
Сущность физического явления, происходящего при гашении
звука пористым телом, заключается в следующем. Звуковые волны,
падая‚ на поверхность такого материала и проникая далее в его поры,
возбуждают колебания воздуха, находящегося в узких порах. При
этом значительная часть звуковой энергии расходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки пор вызывают разогрев. За
счет этого кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в
тепловую, которая рассеивается в среде.
Гашению звука способствует деформирование гибкого скелета
звукопоглощающего материала, на что также тратится звуковая энергия; особенно этот вклад заметен в пористо-волокнистых материалах
с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме
не менее 75 %.
Звукоизолирующие качества ограждений основаны на применении специальных конструкций, как правило, многослойных, оказывающих повышенное сопротивление прохождению звуковых волн как
ударного характера, так и распространяющихся в воздушной среде.
Придание звукоизолирующих свойств ограждению основывается на трех основных физических явлениях: отражении воздушных
звуковых волн от поверхности ограждения, поглощении звуковых
волн материалом ограждения, гашении ударного или воздушного шума за счет деформации элементов конструкции и материалов, из которых она изготовлена.
Способность отражать звуковые волны важна для наружных
ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздуш-
18
ных звуковых волн стремятся применять массивные конструкции с
гладкой наружной поверхностью.
Отражающая способность преграды характеризуется коэффициентом отражения β:
β = Е
< 1, (2.4)
отр/Епад
где Е
пад
и Е
– соответственно падающая и отраженная звуко-
отр
вая энергия.
Для внутренних помещений, как правило, высокая отражающая способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном
помещении. В данном случае применяют многослойные конструкции,
в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов,
эффективность которых оценивается динамическим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных прокладок применяют пористоволокнистые материалы из минеральной и стеклянной ваты, древесных волокон (древесноволокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и т.п.).
Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют
малый динамический модуль упругости звукоизоляционных материалов и наличие воздуха в порах. В данном случае снижение интенсивности звука происходит за счет деформации элементов структуры звукоизоляционных материалов и частично за счет звукопоглощения.
19
3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
И АКУСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В соответствии с существующими нормативными документа-
ми теплоизоляционные и акустические материалы классифицируют по
нескольким основным признакам: виду исходного сырья, форме,
внешнему виду, структуре, средней плотности, сжимаемости, теплопроводности, сгораемости, коэффициенту звукопоглощения, продуваемости, модулю упругости.
3.1. Классификация теплоизоляционных материалов
По виду исходного сырья все теплоизоляционные материалы подразделяют на две большие группы: неорганические и
органические.
К неорганическим материалам относят минеральную и стеклянную вату, пеностекло, ячеистые бетоны, вспученные перлит и вермикулит, теплоизоляционную керамику, асбестосодержащие теплоизоляционные массы и изделия.
Органическими материалами считают материалы на основе
древесины, различных стеблей растений (торфа, льна, камыша, соломы), а также газонаполненные пластмассы.
Существует еще группа материалов, изготовляемых из смеси
органического и неорганического сырья, например фибролит, получаемый из древесной шерсти и цемента, изделия из минеральной ваты
на синтетическом связующем, высокопористые пластмассы, наполненные вспученным перлитом, особо легким керамзитом‚ и другие
виды материалов. Их не выделяют в особую группу, а относят либо к
неорганическим, либо к органическим материалам.
Основанием для этого служит преобладание неорганической
или органической части в таком материале. Например, минераловатные изделия на синтетическом или битумном связующих относят к
неорганическим материалам, а фибролит ‒ к органическим.
По форме и внешнему виду теплоизоляционные материалы
подразделяют на штучные (плиты, блоки, кирпич, сегменты, полуцилиндры, цилиндры), рулонные (маты, полосы, матрацы), шнуровые
(шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (минеральная, стеклянная, огнеупорная и гранулированная вата, вспученные перлит и вермикулит,
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]