Навигация
ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ
О.А. Корчагина. В.Г. Однолько
Теплоизоляционные материалы: Метод. указ. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. 32 с.
Источник: www.tstu.ru/education/elib/pdf/2004/odnolko.pdf
Теплоизоляционные материалы предназначены для зашиты от проникновения тепла или холода. Это обычно очень пористые материалы, имеющие плотность не более 600 кг/м3 и низкую теплопроводность не более 0.18 Вт/(м.К). Теплопроводность - свойство материала передавать теплоту от одной поверхности другой. λвозд = 0,023 Вт/(м.К) меньше твердого вешества.
1. Механическая прочность, обеспечивающая надежность материалов при монтаже и эксплуатации.
2. Высокая износостойкость. исключающая гниение и порчу грызунами.
3. Химическая стойкость.
4. Материал в сухом состоянии должен быть негигроскопичен.
Увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности.
В материале стремятся создавать мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество теплоты, передаваемой конвекцией и излучением.
Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж). проходящей через материал толщиной 1 м. площадью 1 м: в течение 1 с. при разности температур на противоположных поверхностях материала 1°С.
Коэффициент теплопроводности зависит от химического состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры при которых происходит процесс передачи тепла (рис. 1. а -в).
Материалы слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам.
Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения.
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз больше чем воздух (рис. 1, в).
λводы = 0,59 Вт/(м.К),
λльда = 2,32 Вт/(м.К).
Гигроскопичность – это отношение массы влаги, поглощенной материалом, к массе сухого материала (в процентах). Гигроскопичность зависит от величины и характера пористости, температуры, влажности, дисперсности, их растворимости в воде.
Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как λ льда равна 2,3 Вт/(м.К), т.е. в 4 раза больше, чем у воды λвозд = 0,59 Вт/(м.К).
Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением температуры (рис. 1, е).
Теплопроводность материалов учитывается при теплотехнических расчетах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а так же при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников. Она связана с термическим сопротивлением слоя материала R (м2.К/Вт), которое определяется по формуле:
где R – термическое сопротивление, м2.К/Вт;
δ – толщина слоя материала, м;
λ – теплопроводность слоя материала, Вт/(м.К).
Теплоизоляционные материалы имеют плотность не больше 600 кг/м3,теплопроводность не больше 0,18 Вт/(м.К).
Теплоизолирующая способность материала зависит не только от количества, но и характера пор, их распределения, размеров, открыты они или замкнуты. Пористость теплоизоляционных материалов от 50 до 98 %.
Наиболее высокими теплоизоляционными свойствами обладают материалы содержащие, при всех прочих равных условиях, большое количество мелких и замкнутых пор заполненных воздухом. Основные способы образования высокопористого строения материалов:
1. способ создания волокнистого каркаса, основанный на механическом переплетении волокон (асбестовых, волокон минеральной ваты и стекловаты);
2. использование естественной пористости природного материала (диатомит, трепел);
3. введение пористых и волокнистых заполнителей (минераловатные изделия на синтетическом связующем, легкие жароупорные теплоизоляционные бетоны):
4. введение повышенного количества воды в формовочную массу (используется при производстве известково-кремнистых изделий);
5. введение выгораюшнх добавок (керамические теплоизоляционные изделия);
6. использование пены (пенобетон);
7. введение воздухововлекаюших добавок (перлитокерамические изделия);
8. введение газообразуюших добавок (газобетон, газосиликат, пеностекло, пенопласты);
9. способ перекристаллизации химических солей (совелит);
10. вспучивание при нагревании (керамзит, вспученный перлит, вермикулит).
При характеристике теплоизоляционных свойств материалов, применяемых в виде засыпок, большое значение имеет крупность зерен.
С уменьшением размера зерен теплозащитные свойства материалов улучшаются.
Сырье: те же материалы, что и для производства стекла: кварцевый песок, известняк или мел. сода или сульфат натрия, а также стеклянный бой.
Тонкое стеклянное волокно для текстильных материалов получают вытягиванием из расплавленной стекломассы.
Более грубое волокно, применяемое для тепловой изоляции, изготавливают дутьевым или центробежным способом. Такое волокно называют стеклянной ватой. Плотность ваты 125 кг/м3 , теплопроводность 0,052 Вт/(м.К). Промышленность выпускает супертонкое стекловолокно плотностью до 25кг/м3 и λ около 0,03 Вт/(м.К).
Свойства: стеклянная вата практически не дает усадки в конструкциях, волокна ее не разрушаются при длительных сотрясениях и вибрации. Она плохо проводит и хорошо поглощает звук, малогигроскопична. морозостойка, химически стойка. Связующими для нее являются водорастворимые синтетические смолы с пластифицирующими добавками.
Стекловатные маты, полужесткие и жесткие плиты, а также фасонные изделия на связующих из синтетических смол имеют плотность 20 – 200 кг/м3, λ = 0,05 Вт/(м.К).
Они применяются для теплоизоляции ограждающих конструкций производственных зданий, печей, трубопроводов, оборудования, аппаратуры, различных средств транспорта при температуре изолируемых поверхностей от - 60 до + 180oС.
Пеностекло (ячеистое стекло) получают из измельченного в порошок стекла путем спекания и вспучивания газообразователями и последующего обжига. Пеностекло в виде плит имеет плотность не более 300 кг/м3, теплопроводность менее 0,093 Вт/(м.К).
Пеностеклом называют стекло, имеющее пористую (ячеистую) структуру. Пористость составляет 80 – 95%. Пеностекло имеет высокие теплоизоляционные качества: теплопроводность 0.058...0.128 Вт/(м.К), высокую прочность и водостойкость, полную несгораемость, морозостойкость и легкость механической обработки: легко пилится, режется, сверлится, в него можно вбивать гвозди. Температуростойкость300 – 400oС, для бесщелочного стекла – 800 – 1000oС.
Размеры отдельных пор в ячеистом стекле колеблется от десятых долей миллиметра до 3 мм. Объемная масса пеностекла 100 – 200 кг/м3.
Стекло не тонет в воlе и его называют плавающим пеностеклом. Марки D 400, 800, 1000. 1200, водопоглощение 0,05; 0,04; 0,03 г/см3, Мрз 25 – 35 циклов.
Ячеистое стекло изготавливают из тонкой измельченного боя стекла с добавками порообразующих материалов (газообразователя). например, молотого известняка, угля, антрапита. Полученную смесь нагревают. При температуре 800 – 900oС частицы боя стекла начинают сплавляться, а газы, выделяемые газообразователями, вспучивают стекломассу, образуя в ней большое количество замкнутых пор. При охлаждении массы получают прочный материал ячеистой структуры.
Применение; блоки и плиты, получаемые в формах. Для изоляции стен и перекрытий, утепле¬ния полов и кровель промышленных и гражданских зданий, а также для изоляции камер холодильников и горячих поверхностей тепловых установок.
Получают путем грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС). Сначала производят гранулят. который затем вспучивают нагревом при температуре 320 – 360oС, плотность 15 – 120 кг/м3, λ = 0,028 – 0,05 Вт/(м.К).
В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции.
Сыпучий пористый материал в виде чешуйчатых частиц золотистого цвета, получаемых ускоренным обжигом до вспучивания (900 – 1000oС) вермикулита - гидрослюды, содержащей между элементарными слоями связанную воду. Пар, образующийся из этой воды, раздвигает пластинки слюды, увеличивая первоначальный объем зерен в 15 - 20 раз и более. Температура плавления вермикулита 1300oС.
При крупности зерен 5 – 15 мм плотность 80 – 150 кг/м3. При более мелких зернах она увеличивается до 400 кг/м3. Теплопроводность до 100oС равна 0,048 – 0,10 Вт/(м.К), а при 400oС равна 0,14 – 0,18 Вт/(м.К).
Получают путем обжига перлита. Для изготовления вспученного перлита сырьем служат вулканические стеклообразные породы (перлит, обсидиан), содержащие небольшое количество гидратной воды (3...5 %). Перлит – водосодержащее кислое вулканическое стекло. При быстром нагреве 3...5 мин. до температуры 900 – 1200oС вода переходит в пар и вспучивает размягченную породу: она распадается на отдельные шарообразные зерна с увеличением в объеме в 5 - 10 раз и более (пористость зерен 80...90 %). Насыпная плотность перлитового песка колеблется от 75 до 250 кг/м3,. щебня до 500 кг/м3. Теплопроводность при 25oС составляет 0,046...0,08 Вт/(м.К).
Применение: Вспученный вермикулит и перлит используют в виде теплоизоляционных засыпок при температуре изолируемых поверхностей соответственно от минус 260 до 1100oС (вермикулит) и 800oС (перлит). На их основе в смеси с вяжущим веществом получают растворные и бетонные смеси, из которых формуют теплоизоляционные изделия (плиты, скорлупы, сегменты, кирпич) или выполняют теплоизоляционные, звукопоглощающие и декоративные штукатурки. На основе перлитового песка и щебня получают конструктивно-теплоизоляционные материалы.
Применяют в сочетании с минеральными и органическими связующими, изготавливают на портландцементе, жидком стекле, синтетических смолах, битуме, различных клеях.
Безобжиговые изделия на неорганических связующих изготавливают полусухим прессованием и формованием в формах. Изделия формуют из смесей либо пластической консистенции (без избыточной воды) – полусухое прессование, либо из гидросмесей (мокрый способ). Эти схемы отличаются способами изготовления смесей и формованием изделий. При полусухом прессовании увлажненные компоненты смешивают в растворомешалках, снабженных рыхлителем не более 50...60 с во избежание разрушения и измельчения вспученных зерен. Консистенция смеси должна обеспечить пластичность, необходимую для хорошего заполнения форм (В / Т = 3 – 4,5). Для получения изделий низкой плотности формовочные смеси готовят при В / Т = 7 – 10 по массе.
Обжиговые изделия получают на связке из огнеупорной глины или диатомита. Свойства изделий зависят от вида вяжущего. Плотность 200 – 500 кг/м3 при 25oС λ от 0,05 до 0,2 Вт/(м.К). Изделия на битумной связке применяют при температуре эксплуатации до 60oС, на цементном связующем и жидком стекле (стеклоперлит) – до 600oС, на керамической связке (керамоперлит) до 900 – 1200oС.
Диатомит – аморфный кремнезем в заде минерала опала SiO2.n Н2O (70...95 %) и 3...8 % гидратной воды, органогенная порода, образованная из панцирей диатомитовых водорослей. Цементирующее вещество ил и глина. Пористость до 85 %.
Теплоизоляционная керамика в отличие от строительной обладает высокой пористостью до 75 %. которая достигается различными способами.
Керамика ячеистого строения.
Производство. В разжиженную глину - шликер вводят пенообразующие вещества и взбивают смесь до образования пенистой массы. Затем добавляют гипсовый порошок и выливают в деревянные формы. Затвердевшие изделия освобождают из формы и обжигают.
Сырье: диатомиты, трепелы. Ячеистую структуру получают с помощью выгорающих добавок. Для повышения их пластичности в смесь добавляют небольшое количество глины. Пенообразователи. Выгорающие добавки – древесные опилки, торф. Температура обжига пенодиатомитовых изделий 800 – 850oС.
Применение: для изоляции промышленных печей, паровых котлов и тепловых сетей.
Асбест - основное сырье для производства теплоизоляционных материалов. Асбестовые материалы эффективно защищают поверхности с высокой температурой: котлы, автоклавы, трубопроводы и другое оборудование.
Сырье: хризотил-асбест 3МgО. SiO2.n Н2O. Асбест - минерал, имеющий волокнистое строение и при механическом воздействии способен распадаться на тончайшие волокна. Существующие в природе виды асбеста можно разделить на две группы - кислотостойкие и некислотостойкие.