Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
Теплопроводность кристаллических тел можно понизить путем
увеличения дефектов в их структуре или рекристаллизацией с уменьшением размера кристаллов и снижением их доли в материале. Например, радиоактивное облучение создает точечные дефекты в структуре кристаллов, а при интенсивном облучении вызывает переход от
кристаллического к стеклообразному состоянию, что и является причиной уменьшения l и снижения теплопроводности.
Теплопроводность жидкости тем больше, чем выше ее удельная теплоемкость ‒ один из параметров, входящих в уравнение Дебая.
При повышении температуры расстояние между молекулами в жидкостях увеличивается, плотность их уменьшается, теплопроводность падает. Исключение составляют вода, тяжелая вода и глицерин. Чем ниже температура кипения жидкости (при нормальном давлении), зависящая от химического состава, тем быстрее уменьшается теплопроводность с ростом температуры. Для различных жидкостей изменение
теплопроводности колеблется в пределах 0,1‒0,25 % на 1 °С.
В газах с повышением температуры наблюдается повышение
теплопроводности. Это связано с тем, что вязкость газов μ и удельная
теплоемкость со увеличиваются с повышением температуры, а между
этими параметрами газов и теплопроводностью существует зависимость:
λTl /λ
= μTl /μТо· С
Tв
VTl
/C
. (4.3)
VTo
Чем большее число атомов составляет молекулу газа, тем значительнее увеличение теплопроводности.
В соответствии с кинетической теорией газов их теплопроводность не должна зависеть от давления, если средняя длина свободного пробега молекул между последовательными соударениями очень
мала. Однако это условие не выполняется при очень низком давлении,
когда абсолютное давление стремится к нулю, или при высоком давлении (более 1 МПа). В первом случае толщина газового слоя становится меньше длины свободного пробега молекул, во втором -она
уменьшается.
Эти особенности эффективно используют в засыпной вакуумной изоляции холодильных установок путем применения мелкозернистых засыпок, в которых формируются очень малые воздушные прослойки. Поэтому, когда давление газа понижают, то толщина газового
слоя в промежутках между мелкими зернами становится мизерной, и
31
средняя длина пробега молекул может превышать расстояние между
частицами. В таких условиях теплопроводность системы (зерна‒воздух) ниже теплопроводности воздуха, заполняющего межзерновые поры при обычном давлении. Происходит скачок температуры,
который затрудняет передачу теплоты, как если бы толщина газового
слоя возросла на величину того же порядка, что и удвоенная средняя
длина свободного пробега молекул. При этом с понижением давления
уменьшается передача теплоты путем теплопроводности.
Химический состав веществ оказывает существенное влияние
на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и
строению, более теплопроводны, чем сложные. Например, MgO имеет
большую теплопроводность, чем SiO2 и Al2O2, еще меньшей теплопроводностью обладают СаО·SіO2; 2СаО·SiO2 и муллит 3Al2O3·2SiO2.
Примеси, как правило, уменьшают теплопроводность веществ,
даже если сами они более теплопроводны, чем основное вещество.
В данном случае играет роль усложнение структуры веществ. Это явление характерно для материалов с кристаллическим строением и слабее выражено у стекловидных веществ.
Теплопроводность газов зависит от их молекулярной массы и
числа атомов в молекуле. С повышением молекулярной массы теплопроводность падает, поскольку между ними при прочих равных условиях существует следующая зависимость:
λ = 1/М
1/2
. (4.4)
С увеличением числа атомов в молекуле газа, т.е. с усложнением строения молекул, возрастает теплопроводность, в среднем этот
прирост составляет 2 % на каждый атом.
Таким образом, можно сделать вывод, что теплопроводность
тел, находящихся в различных агрегатных состояниях, при прочих
равных условиях увеличивается с повышением плотности, уменьшается с увеличением молекулярной массы, возрастает с повышением температуры кипения или плавления, с увеличением числа атомов становится меньше у кристаллических тел и больше у жидкостей и газов.
Поризация твердых материалов существенно снижает их теплопроводность. Известно, что наименьшей теплопроводностью обладают газы (воздух), находящиеся в спокойном, т.е. в неподвижном,
состоянии, когда отсутствует конвективный перенос теплоты. В теп-
32
лоизоляционном материале с мелкопористой структурой эти условия
считаются обеспеченными, поэтому их теплопроводность тем ниже,
чем больше доля пор в общем объеме материала (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Влияние пористости материала и ее вида
на теплопроводность: 1 – минераловатные изделия;
2 – минеральные материалы с ячеистой структурой
На теплопроводность большое влияние оказывает вид пористой структуры материала. Наличие в материале сплошного каркаса из
твердого вещества облегчает прохождение теплового потока, отсутствие такового оказывает большее сопротивление передаче теплоты.
Участками с наибольшим термическим сопротивлением при
нормальной температуре являются поры, вследствие чего теплопере-
33
дача наиболее интенсивно осуществляется по твердому каркас у теплоизоляционного материала при его наличии (в материале с ячеистой
структурой).
При отсутствии сплошного каркаса (в теплоизоляционных засыпках и волокнистых материалах) тепловой поток, проходя от одной
твердой фазы и другой, сжимается вблизи места контакта этих частиц.
При этом происходит интенсивное взаимодействие фононов друг с
другом, что вызывает дополнительное термическое сопротивление.
Из этого следует, что материалы с ячеистой структурой при одном и
том же составе твердой фазы должны характеризоваться большей теплопроводностью, чем с волокнистой или зернистой структурами. Очевидно также, что уменьшение диаметра волокон и размера зерен увеличивает сопротивление материала теплопередаче, снижает его теплопроводность, так как в этом случае число контактов между элементами структуры возрастает, а размеры пор ‒ уменьшаются. Эти положения четко подтверждаются экспериментальными данными (рис. 4.4) и
широко используются на практике.
Размер и форма воздушных включении оказывают большое влияние на теплопроводность материала. В реальных материалах форма пор в большинстве случаев отличается от сферической. Поэтому она оказывает влияние, особенно при крупнопористой структуре, на теплопроводность материала в зависимости от направления потока по отношению к расположению пор (воздушных
прослоек).
В этом случае наименьшая теплопроводность материала имеет
место при расположении воздушных прослоек (пор) перпендикулярно
потоку теплоты. При этом стремятся уменьшить толщину и увеличить
количество воздушных прослоек. При направленности теплового потока вдоль наибольшей оси воздушных включений термическое сопротивление материала снижается, так как в этом случае лишь уменьшается полезное сечение теплопередачи.
Если же поры малы, то направление теплового потока незначительно отражается на изменении теплопроводности материала.
Поэтому всегда стремятся создавать теплоизоляционные материалы,
характеризующиеся равномерно распределенной мелкопористой
структурой.
Ниже приведена зависимость между размером воздушных пор
и теплопроводностью воздуха в них при t = 10 °С.
34
Величина пор,
мм
0,1 1 2 4 5 8 10
λ, Вт/(м·°С)
0,026
0,029
0,038
0,041
0,044
0,053
0,063
Повышение теплопроводности воздуха по мере увеличения
размера пор объясняется ростом вклада конвективного переноса теплоты. Особенно этот вид теплопередачи в воздушных порах возрастает
при повышенных температурах. Так, с повышением температуры от 0
до 500 °С передача теплоты через поры диаметром 1 и 5 мм возрастает
соответственно в 5,3 и 11,7 раза.
Характер пористой структуры (степень замкнутости пор) влияет на теплопроводность теплоизоляционных материалов неоднозначно. Это влияние проявляется по-разному, в зависимости от температуры среды. Кинетическая вязкость воздуха при снижении температуры
с 350 до ‒100 °С уменьшается в 10 раз. Воздух становится более текучим, за счет чего облегчается его конвекция внутри пористого теплоизоляционного материала. Поэтому для устройства тепловой изоляции, эксплуатируемой при отрицательной температуре, предпочтительны материалы с мелкой замкнутой пористостью.
При невысоких положительных температурах воздух в теплоизоляционном слое расширяется и в случае открытой пористости частично вытесняется из материала. Поэтому для ограждающих конструкций, работающих при невысоких положительных температурах,
целесообразно применять теплоизоляционные материалы с равномерно распределенной открытой пористостью. Но и в этом случае необходимо стремиться к уменьшению размеров пор.
При высоких температурах участвуют все три вида переноса
теплоты. В данном случае конвекция существенно уменьшается в материалах с замкнутыми порами. Однако в таких материалах увеличивается передача теплоты излучением. Поэтому вопрос об оптимальной
пористой структуре теплоизоляционного материала надо решать в зависимости от температурных условий службы с учетом превалирующего влияния того или иного вида теплопередачи, т.е. по результатам
экспериментальных определений. Однако максимально возможное
уменьшение размеров пор вне зависимости от их вида и в этом случае
дает положительные результаты.
Теплоемкость ‒ свойство материала поглощать теплоту при
повышении температуры. Количественной характеристикой этого
35
свойства материалов является удельная теплоемкость с, показывающая, какое количество теплоты надо сообщить 1 кг данного материала,
чтобы повысить его температуру на 1 °С. Размерность удельной теплоемкости Дж/(кг·К) или Дж/(кг·°С).
Удельная теплоемкость материалов зависит от их природы и в
значительно меньшей степени от объема пористости, что объясняется
близкими абсолютными значениями с воздуха и большинства строительных материалов. Например, с воздуха и плотного бетона равна
соответственно 1,04 и 0,92 кДж/(кг·°С). Удельная теплоемкость органических материалов значительно выше, чем минеральных. Так, у
древесно-волокнистых плит она в 3,2 раза, у пенопластов ‒ в 1,8 раза
выше, чем у минераловатных изделий.
Удельная теплоемкость жидкостей значительно выше, чем у
твердых и газообразных веществ. Так для воды она составляет почти
4 кДж/(кг·°С). Поэтому увлажнение материалов приводит к значительному повышению их теплоемкости.
В технологии строительных материалов вообще и теплоизоляционных материалов в частности в большинстве случаев применяют
увлажненные формовочные массы и тепловую обработку отформованных изделий. В данном случае снижение водосодержания формовочных масс является эффективным фактором уменьшения энергозатрат на тепловую обработку. Это обстоятельство стремятся широко
использовать на практике.
На эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, особенно при стационарных тепловых режимах, удельная теплоемкость существенно не влияет. Но теплоемкость ограждений, зависящая не только от величины с материала, из которого она выполнена,
сколько от массы этого материала в конструкции, играет существенную роль. Примером этому может служить конструкция стен периодически действующих обжиговых печей кирпичного производства.
В случае их исполнения из кирпичной кладки в соответствии с теплотехническим расчетом толщина стены принимается равной 1,5 м.
Следовательно, на 1 м3 стены расходуется 1,5 м3 кирпича, т.е. масса
1 м2 стены составляет около 2,7 т. Применяя керамвол со средней
плотностью 600 кг/м3, характеризующийся высокой теплоизолирующей способностью, уменьшают толщину стен печи до 0,3 м. При этом
масса 1 м2 стены уменьшается до 180 кг, т.е. в 15 раз. Учитывая незначительную разницу в значениях удельной теплоемкости для обоих ма-
36
териалов, можно считать, что теплоемкость стены из керамвола в
15 раз ниже теплоемкости стены из кирпича.
При периодическом режиме работы печи это обстоятельство
существенно сказывается на расходе теплоты, потребной для нагревания ограждений печи до заданной температуры.
Предельная температура применения – это свойство теплоизоляционных материалов характеризуется величиной tп, предельно допустимой для применения данного материала в условиях длительной эксплуатации. Эта температура несколько ниже температуростойкости материала, т.к. при ее назначении учитывают влияние деструктивных процессов, происходящих в материалах при длительном воздействии высоких температур. Так, в стеклообразных материалах (минеральной и стеклянной вате, ячеистом стекле и др.) в условиях длительного воздействия повышенных температур возможны образование и рост кристаллов, что приводит к резкому возрастанию внутренних напряжений в стекле вплоть до его разрушения. Направленно изменяя вещественный состав стекол, можно значительно повышать tп.
В полимерных или полимерсодержащих материалах происходит температурная деструкция высокомолекулярных соединений (обрыв цепей, образование поперечных связей), и результате чего прочность и эластичность полимерного связующего резко ухудшаются. В материалах на гидравлических вяжущих, а также в асбестосодержащих материалах при длительном воздействии повышенных температур происходит дегидратация минерального вяжущего и
асбеста, что приводит к сбросу прочности и повышению хрупкости
изделий.
Для материалов из органического сырья (камышит, торфяные
плиты, ДВП и т.п.) tп назначают с учетом возможности возгораемости
материалов в процессе эксплуатации. Ее можно повысить введением в
состав материалов антипиренов.
Значения tп для некоторых теплоизоляционных материалов:
минеральная вата ‒ 600, стеклянная вата ‒ 450, огнеупорная муллитокремнеземистая вата ‒ 1150, пеностекло ‒ 400, ячеистый бетон ‒
400‒700, минераловатные изделия ‒ 60‒180, торфоплиты ‒ 100, газонаполненные пластмассы ‒ 60‒180.
Пористость ‒ одна из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов, позволяющая оценивать долю (процентное со-
37
держание) газовой (воздушной) фазы в объеме материала. Приня-
Структура
Материалы
Пористость, %
истиная
открытая
закрытая
Ячеистая
Ячеистый бетон
Пеностекло
Пенопласты
85‒90
85‒90
92‒99
40‒50
2‒5
1‒55
40‒45
83‒85
45‒98
Волокнистая
Минераловатные
85‒92
85‒92
0
Зернистая
Перлитовые
85‒88
60‒65
22‒25
то подразделять пористость на истиную (общую), открытую и
закрытую.
Истиная пористость характеризует отношение общего объема
всех пор к объему материала (в долях или процентах):
Пи = Пз+Пк (4.5)
или
П
и =
= 1
100 % (4.6)
где ρ и ρср ‒ соответственно плотность и средняя плотность материала,
кг/м3, г/см3.
Открытая пористость Пк ‒ это отношение общего объема со-
общающихся пор к объему материала (определяется экспериментально путем водонасыщения).
Закрытая пористость ПЗ характеризует объем закрытых пор в
объеме материала и рассчитывается исходя из формулы (4.6), т.е.
Пи = Пз ‒ Пк (4.7)
Для зернистых материалов (засыпной теплоизоляции) введено
понятие пустотности V
, которая характеризует объем межзерновой
п.м
пористости:
V
= (1 – ρн/ρср) 100, (4.8)
п.м
где ρ и ρ
– соответственно насыпная и средняя плотность зерен мате-
ср
риала.
В табл. 4.2 приведены значения пористости для теплоизоляционных материалов различной пористой структуры.
Таблица 4.2
Значения пористости теплоизоляционных материалов
38
Объем истинной пористости определяется содержанием в материале каркасообразующих элементов (волокон, зерен, мембран, образующих межпоровые перегородки в ячеистых структурах), прочностью этих элементов и образованного ими каркаса. Чем выше прочность структурообразующего материала и чем прочнее связи между
элементами каркаса, тем больше может быть истиная пористость теплоизоляционного материала.
Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения истинной пористости не являются величинами постоянными, так
как даже при небольшой нагрузке Пи снижается за счет уплотняемости. После снятия нагрузки у волокнистых материалов возможно частичное восстановление Пи за счет упругого последействия волокон.
В технологии теплоизоляционных материалов применяют ряд
приемов для повышения Пи. Для материалов с волокнистой структурой
это достигается путем уменьшения диаметра волокон до предела,
обеспечивающего малую сминаемость минеральной ваты, снижением
содержания связующего в материале за счет повышения его адгезионных и когезионных свойств, а также путем направленного ориентирования волокон по отношению к нагрузке при эксплуатации материала.
Для материалов с зернистой структурой ‒ применением зерен монодисперсного гранулометрического состава, повышением их прочности, увеличением внутризерновой пористости, снижением раскола
связующего путем уменьшения его вязкости, поризацией связующего,
для материалов с ячеистой структурой ‒ повышением прочности межпоровых перегородок и уменьшением их толщины.
Повышение общей пористости может быть также достигнуто
конструкционными приемами, путем снижения эксплуатационной нагрузки на теплоизоляционный слой в конструкции.
Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства
теплоизоляционных материалов, являясь причиной проникновения
влаги и газов в глубь изделий. Это способствует резкому повышению
теплоемкости и теплопроводности теплоизоляции, интенсификации
химической и физической коррозии твердой фазы.
Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость строительной теплоизоляции. При производстве
теплоизоляционных материалов с ячеистой структурой Пз стремятся
увеличить. Это достигается оптимизацией процесса порообразования
путем направленного регулирования его кинетики и реологических
характеристик формовочных смесей.
39
Однако при устройстве высокотемпературной теплоизоляции
предпочтение отдается материалам с волокнистой структурой, они на
много лучше выдерживают резкие колебания температуры, таккак
элементы, слагающие их структуру, способны деформироваться без
разрушения каркаса и релаксировать за счет этого температурные напряжения.
Размер и форма пор оказывают существенное влияние не только на теплопроводность теплоизоляционных материалов, но и на их
прочностные характеристики. Снижение размера пор в материалах с
любой структурой до определенного предела в зависимости от прочности и степени связности каркасообразующего материала является
одним из эффективных приемов повышения прочности высокопористых изделий.
Форма пор также оказывает влияние на прочность теплоизоляционного материала. Наилучшие показатели по прочности имеют
ячеистые и зернистые материалы со сферическими порами и зернами.
Форма пор является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов. Материал с продолговатыми или эллиптическими
порами не равнопрочен. Его прочность ниже при приложении нагрузки параллельно короткой оси. Для теплопроводности же наблюдается
обратная зависимость.
4.2. Строительно-эксплуатационные свойства
теплоизоляционных материалов
Средняя плотность ρср, кг/м3 – физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества ко всему занимаемому
ими объему, включая имеющиеся в них пустоты и поры:
ρср = mc/V, (4.9)
где mc – масса материала в сухом состоянии.
Среднюю плотность материала в естественно-влажном состоянии определяют по формуле
ρ
ср·вл
=
(1+0,01)
, (4.10)
где W – влажность материала: mв – масса материала в естественновлажном состоянии.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]