В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является поиск и создание возможностей экономного использования ресурсов, с помощью энергосберегающих мероприятий и инженерных решений по реализации тепло- и технологических процессов с минимальными тепловыми потерями. Большую роль в этом играет знание теплофизических свойств (ТФС) теплоизоляционных материалов и изделий, которые уже используются или только находятся на стадии разработки. Тепловая изоляция применяется не только во время технологического процесса на предприятиях, но также для изолирования труб и в быту для изоляции внутренних и наружных стен, потолков и пола. Она широко применяется в энергетике, ЖКХ, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

Утепление домов все чаще становится темой разговоров не только строителей и собственников недвижимости, но и обычных граждан, которые заботятся о комфортных условиях своего проживания. Недостаточная тепловая изоляция является причиной не только потери тепла, а вследствие этого – возрастающих затрат за отопление, но и риска повреждения стен из–за частого промерзания. Также очень важным является вопрос взаимодействия современной тепловой изоляции с окружающей средой, поиск материалов, которые будут отвечать экологическим требованиям и требованиям социального комфорта.

Основной целью работы является исследование теплотехнических и физикотехнических защитных свойств теплоизоляционных материалов и повышение энергоэффективности их использования. Одним из практических результатов исследований является составление характеристического уравнения, которое позволило бы в любой местности при любых климатических условий, для любого здания выбрать наиболее подходящий теплоизоляционный материал и рассчитать его оптимальную толщину. Это позволило бы значительно сократить время на поиски материалов, а также получить экономическую выгоду от закупки необходимого сырья без излишек.

Предполагаемая научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что теплоизоляция строительных конструкций должна быть запроектирована так, чтобы выполнять возложенные на нее функции в течение всего жизненного цикла конструкции.

2. При проектировании тепловой изоляции предлагается обязательно описывать способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. При этом изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.

3. Анализ состояния конструкций тепловой изоляции на натурных объектах показал, что слой теплоизоляционного материала с подветренной стороны здания необходимо защищать от ветра. Ветрозащитный слой должен покрывать весь изоляционный материал и быть настолько плотным, чтобы препятствовать проникновению в строительные конструкции или сквозь них воздушных потоков, существенно снижающих изоляционные свойства материала. Особое внимание следует обратить на места соединения наружных стен и стен фундамента, наружных стен и чердачных перекрытий, на углы наружных стен и коробки проемов.

4. Установлено, что если в многослойной ограждающей конструкции паропроницаемость слоёв уменьшается по мере движения от тёплой стороны к холодной, существует опасность накопления внутри конструкции конденсирующейся влаги. Для минимизации этого эффекта на теплой стороне ограждения устраивают специальный пароизоляционный барьер, паропроницаемость которого не менее чем в несколько раз выше, чем у наружных слоёв. Швы и соединения пароизоляционного барьера должны быть загерметизированы.

5. Разработаны рекомендации по выполнению ограждающих теплоизляционных конструкций зданий. Они должны быть спроектированы так, чтобы создать как можно более благоприятные условия для свободного выхода за их пределы паров неизбежно проникающей в изоляционный материал влаги. При необходимости защиты теплоизоляционных материалов от ветра или атмосферной влаги целесообразно использовать специальные "дышащие" мембраны, прозрачные для выхода водяных паров.

6. В результате натурных исследований установлено, что многие негативные явления, возникающие в многослойных ограждающих конструкциях (плесень, гниль, формальдегид, радон и др.), как правило, связаны с сыростью. Залог надёжной работы ограждающей конструкции - учёт на стадии проектировании всего комплекса вопросов тепломассопереноса.

Большой вклад в науку теплофизических исследований внесли ученые: В.Е. Микрюков, А.В. Лыков, Н.Ю. Тайц, В.В. Курепин, Г.Н. Дульнев, Г.М. Кондратьев, Е.С. Платунов, Л.П. Филиппов, П.В. Черпаков, А.Г. Шашков, С.Ф. Чистяков, Н.С. Мецик, В.В. Иванов, Г.П. Бойков, Ю.В. Видин, Г.А. Лущаев и многие другие. Их работы положены в основу разработки поставленного вопроса. К числу зарубежных ученых, труды которых были использованы при исследовании, относятся Берман и Уайт, Копп и Слек, Лаубитц, Мак-Элрой и Мур, Ангрстрем, Хоулинг, Мендоза, Циммерман, Грин, Коулес, Пауэл, Даниелсон, Сидлс, Флинп и многие другие.

Согласно анализу результатов исследований, полученных этими и многими другими авторами, к перспективным направлениям развития тепловой изоляции следует отнести следующее:

1 Внедрение в практику проектирования и строительства новых эффективных теплоизоляционных материалов и конструктивных технических решений, которые обеспечивают снижение тепловых потерь в ограждающих конструкциях зданий. В конструкциях тепловой изоляции необходимо расширять применение современных высокоэффективных теплоизоляционных изделий. Сравнительно высокая стоимость, например, пенополиуретановой изоляции, компенсируется высокой теплотехнической эффективностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью.

2 Разработка методик и проведение исследований по определению эксплуатационной надежности и долговечности теплоизоляционных материалов и конструкций. Долговечность и эксплуатационная надежность теплоизоляционных материалов в конструкциях тепловой изоляции в защищающих конструкциях зданий должна определяться в зависимости от вида конструкций и условий эксплуатации на основании долгодействующих наблюдений и обследований эксплуатируемых конструкций.

3 Усовершенствование нормативной базы в области промышленной и строительной тепловой изоляции; ускорение разработки «Технических регламентов» и «Национальных стандартов в области тепловой изоляции и теплоизоляционных материалов»; гармонизация с международными стандартами. Разработка общих требований и проведение испытаний материалов по идентичным методикам будет оказывать содействие более эффективному их использованию как в Украине, так и за границей.

4 Организация систематического контроля за выполнением требований нормативной документации в области тепловой изоляции в промышленности и строительстве. Расширения номенклатуры употребительных теплоизоляционных материалов и увеличение количества проектных, строительных и монтажных организаций, которые выполняют теплоизоляционные работы, требуют внедрения системы организации контроля эффективности принимаемых технических решений и качества выполняемых работ. Необходимо организовать мониторинг объектов с тепловой изоляцией, проведение натурных наблюдений, сбор, анализ и обобщения информации об эксплуатационных свойствах новых теплоизоляционных материалов, используемых в конструкциях тепловой изоляции.

В конце следует сказать, что повышение энергоэффективности изолированных объектов, усовершенствование нормативной базы, а также методов и средств расчета и проектирования тепловой изоляции, расширение номенклатуры и повышение качества применяемых теплоизоляционных материалов является реальным вкладом в решение проблем энергосбережения и экономии топливно-энергетических ресурсов в энергетике, промышленности и ЖКХ Украины.

Теплоизоляционные материалы (ТИМ) - это строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основная особенность теплоизоляционных материалов - их высокая пористость, как следствие - малая средняя плотность и низкая теплопроводность.

Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет снизить массу конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). ТИМ существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплоизоляции строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания.

Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью ТИМ.

Основные технические характеристики
Свойства теплоизоляционных материалов характеризуются следующими основными параметрами. Важнейшей технической характеристикой теплоизоляционных материалов является теплопроводность - способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу, так как именно от нее напрямую зависит термическое сопротивление ограждающей конструкции. Количественно определяется коэффициентом теплопроводности λ. На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д. Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и особенно его влажность. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется опытным путем. Известен ряд методов экспериментального определения коэффициента теплопроводности. Большинство из них основано на измерении теплового потока и градиента температур в заданном веществе. Коэффициент теплопроводности при этом определяется из соотношения

Из уравнения следует, что коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.

Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом теле температура будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной:

где λ₀ – значение коэффициента теплопроводности при температуре t₀;

b – постоянная, определяемая опытным путем

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается (см. рисунок 1). Как правило, для материалов с большой объемной плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение. Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности. Из–за пористости строения теплоизоляционных материалов применение закона Фурье к таким телам является в известной мере условным. Наличие пор в материале не позволяет рассматривать такие тела как сплошную среду. Условной является также величина коэффициента теплопроводности пористого материала. Эта величина имеет смысл коэффициента теплопроводности некоторого однородного тела, через которое при одинаковой форме, размерах и температурах на границах проходит то же количество тепла, что и через данное пористое тело. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел сильно зависит от их объемной плотности. Например при возрастании плотности от 400 до 800 кг/м³ коэффициент теплопроводности асбеста увеличивается от 0,105 до 0,248 Вт/м•град. Такое влияние плотности на коэффициент теплопроводности объясняется тем, что теплопроводность заполняющего поры воздуха значительно меньше, чем твердых компонентов пористого материала.

λ, Вт/м•град

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

Эффективный коэффициент теплопроводности пористых материалов сильно зависит также от влажности. Для влажных материалов коэффициент теплопроводности чем для сухого и воды в отдельности. Например, для сухого кирпича, λ=0,35, для воды λ=0,60, а для влажного кирпича λ=1,0 вт/м•град. Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом теплоты, возникающему благодаря капиллярному движению воды внутри пористого материала и частично тем, что абсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.

Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов имеют значения, лежащие примерно в пределах от 0,023 до 2,9Вт/м•град. Материалы с низким значением теплопроводности обычно и применяются для тепловой изоляции и называются теплоизоляционными.

Плотность - отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м³).

Прочность на сжатие - это величина нагрузки (КПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.

Сжимаемость - способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 КПа.

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Сорбционная влажность - равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ.

Паропроницаемость - способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/м²•ч•Па). Паропроницаемость теплоизоляции (ТИМ) во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом. В свою очередь последний является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление ограждающей конструкции. Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.

Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты. При устройстве теплоизоляции наружных стен и других вертикальных конструкций, подвергающихся напору ветра, следует помнить, что при скорости ветра 1 м/с и выше целесообразно оценить необходимость ветрозащиты.

Огнестойкость - способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств.

По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.

ВЫВОДЫ

1. Тепловая изоляция определяет техническую возможность и экономическую эффективность реализации большинства технологических процессов. Она широко применяется в энергетике, ЖКХ, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

2. Оптимальное использование теплоизоляционных материалов невозможно без достоверной информации об их свойствах, в том числе теплофизических. Одной из важных характеристик является коэффициент теплопроводности – фундаментальная характеристика веществ и материалов.

3. Разработка нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии являются первым звеном в деле проведения целенаправленной энергосберегающей политики и упорядочения тарифов для населения. Сложившаяся система нормирования не позволяет учитывать ряд факторов, определяющих эффективность работы систем теплоснабжения. Более правильным в современных условиях представляется переход к практике гибкого нормирования, учитывающего конъюнктуру цен на тепловую энергию и теплоизоляционные материалы в данной области, а также специфику условии эксплуатации теплоизоляционных конструкций. В работе получено уравнение совокупных затрат (Z), в которое вошли все экономические, эксплуатационные и климатические факторы, а также удельные тепловые потери (q) на 1 м² изолируемой стены здания.

В результате научно-исследовательской работы были собраны и изучены материалы по вопросам, связанным с темой магистерской работы: рассмотрены вопросы использования теплоизоляционных материалов различного типа, исследованы их теплофизические характеристики и свойства в зависимости от различных эксплуатационных и климатических факторов, также идет разработка и изготовление экспериментальной установки для получения собственных результатов в данной области.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Energy Management Handbook by Wayne C. Turner/ - 2nd ed./Shcool of Industrial Engineering and Management/Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma. - 627p.

2. Мацевитий Ю.М. Теплофізичні характеристики композиційних матеріалів у широких діапазонах температур і швидкостей нагріву: Автореферат дисертації наукового ступеня доктора технічних наук, Д 26.224.01. - Захищена 7.11.06. - Київ, 2006.

3. Кісіль І.С. Розробка засобів контролю теплопровідності матеріалів для теплоізоляції та тепловідводу: Автореферет дисертації на здобуття наукового ступеня кандидита технічних наук, Д 35.052.04. - Захищена 29.07.00. - Львів, 2000.

4. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности. Уч. пособие для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1982г.

5. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Под ред. Лыкова А.В. - М., «Энергия», 1973г.

6. Чиркин В.С. Теплопроводность промышленных материалов. Изд-е 2-е, переработанное и дополненное МАШГИЗ. - М.,1962. - 247 стр.

7. Теория и техника теплофизического эксперимента: Уч. пособие для ВУЗов/ Ю.Ф.Гортышев, Ф.Н.Дресвянников. - М.: Энергоатомиздат, 1985.- 360с.

8. Хижняков С.В. Практические расчеты тепловой изоляции: (Для промышленного оборудования и трубопроводов)/ С.В.Хижняков. - 3-е изд., перераб. - М.: «Энергия», 1976г. - 200с.

9. ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования УДК 61484:006.354 Дата введения 01.07.92

10. ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения Утверждён: 12.12.1989

11. ГОСТ Р 12.3.047-98 Пожарная безопасность технологических процессов Утверждён: 01.01.1998

12. ГОСТ 30244-94 Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть. Дата введения с 1 января 1996 г.

13. ГОСТ 30247-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

14. СНиП 2.04.14-88 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.

15. ДБН Д.2.2.26-99. Теплоизоляционные работы.

16. ДБН Д 2.4-19-2000. Изоляционные работы.

17. Минеральная (каменная) вата - лидеры рынка Rockwool и Paroc: плюсы и минусы http://www.arma-team.ru/article4.html] 23 11 2008 19 50

18. Маты из минеральной ваты-Энергосбережение, обеспечение, независимость-Строительство и архитектура http://www.first-realty.com.ua/art/11/509.html 20-20, 23.11.2008

© DonNTU 2009 Pigildina Victoriya.

Биография    Автореферат    Библиотека  Каталог ссылок     Индивидуальное задание