Материал плохо проводящий тепло. Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое. Опыт со стеклом
Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).
Можно сказать проще, теплопроводность – это способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.
Примечательно, что количество электричества и тепла, которое может проводить диоксид ванадия, можно настроить, смешав его с другими материалами. Когда исследователи допировали монокристаллические образцы диоксида ванадия с металлическим вольфрамом, они понизили температуру фазового перехода, при которой двуокись ванадия превратилась в металлическую. В то же время электроны в металлической фазе стали лучшими теплопроводниками. Это позволило исследователям контролировать количество тепла, которое диоксид ванадия может рассеиваться, переключая его фазу из изолятора в металл и наоборот, при перестраиваемых температурах.
На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”. В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.
Такие материалы могут использоваться, чтобы помочь убрать или рассеять тепло в двигателях, или превратиться в оконное покрытие, которое улучшает эффективное использование энергии в зданиях, говорят исследователи. Диоксид ванадия имеет дополнительное преимущество: быть прозрачным ниже примерно 30 градусов Цельсия и поглощать инфракрасный свет выше 60 градусов Цельсия.
Ян отметил, что есть еще вопросы, на которые нужно ответить, прежде чем двуокись ванадия может быть коммерциализирована, но сказал, что в этом исследовании подчеркивается потенциал материала с «экзотическими электрическими и тепловыми свойствами». Хотя есть и другие материалы, помимо двуокиси ванадия, которые могут проводить электричество лучше тепла, это происходит при температурах сотни градусов ниже нуля, что делает его сложным для развития в реальных приложениях, говорят ученые.
Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.
Коэффициент теплопроводности.
Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.
Хун начал свою работу в качестве докторанта в Национальной лаборатории Ок-Ридж. Полный список авторов доступен в Интернете. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли рассматривает самые неотложные научные задачи в мире, продвигая устойчивую энергию, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной. Департамента энергетики. Лос-Анджелес: ученые определили металл, который проводит электричество, не проводя тепло, – невероятно полезное свойство, которое может проложить путь для систем, которые превращают отработанное тепло от двигателей и приборов в электрическую.
Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов
. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас в качестве материалов для утепления зданий наибольшее распространение получили утеплители из , и различных . Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами – .По их словам, результаты могут привести к широкому спектру применений, таких как термоэлектрические системы, которые превращают отработанное тепло от двигателей и приборов в электричество. Для большинства металлов соотношение между электрической и теплопроводностью регулируется Законом Видеманна-Франца, в котором говорится, что хорошие проводники электричества также являются хорошими проводниками тепла.
«Открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного электронного поведения новых проводников», – сказал Ву. Они обнаружили, что теплопроводность, приписываемая электронам, в десять раз меньше, чем ожидалось из закона Видеманна-Франца. Для электронов тепло является случайным движением. Нормальные металлы транспортируют тепло эффективно, потому что существует так много различных возможных микроскопических конфигураций, которые отдельные электроны могут прыгать между ними, – сказал Ву.
Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда) и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть
Количество электричества и тепла, которое может проводить диоксид ванадия, настраивается путем смешивания его с другими материалами. Когда исследователи допировали монокристаллические образцы диоксида ванадия с металлическим вольфрамом, они понизили температуру фазового перехода, при которой он стал металлическим.
Это позволило исследователям контролировать количество тепла, которое диоксид ванадия может рассеиваться путем переключения его фазы с изолятора на металл и наоборот, при перестраиваемых температурах. Теперь мы спрашиваем, как происходит перемещение тепла между веществами. 0-й Закон Термодинамики говорит нам, что тепло всегда переходит от более горячих веществ к более холодным.
Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.
Чаша горячего какао теряет свою жару в чашку и стол, на котором она сидит, и на воздух. Когда вы касаетесь холодного предмета, чувствуется холод, потому что тепло переходит от вашей руки к объекту. Когда вы касаетесь горячего объект, он чувствует себя горячим, потому что тепло движется от объекта в вашу руку. Вы когда-нибудь замечали, что даже в теплый день кусок металла при комнатной температуре будет прохладным? Если вы выйдете на улицу в холодный, сп
sporg.ru
Современные теплоизоляционные материалы.
В настоящее время, трудно себе представить какое либо жилое помещение без теплоизоляционных материалов. Теплоизоляционные материалы не только сохраняют оптимальную температуру в вашем доме, они еще помогают вам экономить деньги за счет того, что вам придется меньше отапливаться в зимнее время. Сейчас, на строительном рынке существуют множество самых различных теплоизоляционных материалов. Как правило, у каждого из них есть свои особенности и недостатки.
В основном теплоизоляционные материалы по способу теплоизоляции делятся на два вида: отражающая теплоизоляция и соответственно не отражающая. К отражающей теплоизоляции относятся материал, который за счет своих уникальных свойств отражает тепло, тем самым не дает ему выйти из помещения. К не отражающим относится материал, который практически не пропускает через себя тепло, тем самым сохраняя его в нужном месте. По своему составу такой утеплитель делится на органический и не органический.
К неорганической теплоизоляции можно отнести: стекловату, минеральную вату, пенно стекло, пенно бетон и минерала ватные плиты. В основном такую теплоизоляцию производят из базальтовых расплавов. Как правило, она не горюча, устойчива к высоким температурам, обладает высокими теплоизолирующими свойствами. Но есть у нее и недостаток. В основном неорганические теплоизоляционные материалы чрезмерно впитывают влагу, поэтому их необходимо обрабатывать специальным составом. Еще они сильно подержанны усадке.
На сегодняшний день самым популярным из неорганических теплоизоляционных материалов является пеностекло. Пеностекло, это, пожалуй, самый уникальный и перспективный теплоизоляционный материал. Оно, также как и самое обычное стекло не горит, совершенно не токсично, не впитывает влагу и совершенное не стареет. Благодаря своей технологии производства пеностекло имеет отличные теплоизоляционные характеристики, оно не подвержено механическим повреждениям, а срок его службы составляет не менее 100 лет.
Еще одним неорганическим теплоизоляционным материалом является пенно бетон. Пено бетон обладает практически такой же прочностью, как и обычный бетон, но имеет более высокие теплоизоляционные свойства. К тому же он гораздо легче обычного бетона. Как правило, пена бетон применяют для строительства небольших одноэтажных помещений.
К органическим теплоизоляционным материалам относятся: пенополистирол, пенополиуретан, пенополиэтилен, фольгированная теплоизоляция и так далее.
Пенополистирол это очень легкий материал. Как правило, он изготавливается путем вспенивания гранул полистирола нагретым воздухом или паром. Он имеет ячеистую структуру и на 90 процентов состоит из воздуха. Так как воздух является неплохим теплоизолятором, то пенополистирол отлично справляется со своей функцией теплоизолятора. В простонародье пенополистирол еще называют просто пенопласт. Пенопласт практически не горит, не портится со временем и совсем не впитывает влагу. Единственным минусом этого теплоизоляционного материала является то, что он достаточно хрупкий и может сломаться при небольшом воздействии физической силы. Ну а в целом пенополистирола неплохой теплоизоляционный материал, который часто используется в строительстве как жилых, так и любых других помещений.
Пенополиэтилен это полиэтилен, который вспенивают с помощью газа, а именно бутана. По своим свойствам Пенополиэтилен чем-то похож на пенопласт, но в отличие от него он очень прочен, гибок и его очень трудно сломать. Он так же как и пенопласт, практически не впитывает воду, совершенно не токсичен и имеет отличные теплоизоляционные качества. Также производство пенополиэтилена немного дешевле, чем производство других теплоизоляционных материалов. Все это делает пенополиэтилен самым практичным и распространенным теплоизоляционным материалом и его использование при утепление дома дает гарантированное тепло. Также на его основе изготавливается другой теплоизоляционный материал под названием ”фольгированная теплоизоляция”. Она изготавливается путем термического присоединения к пенополиэтилену алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга припаивается с обеих сторон пенополиэтилена, тем самым его теплоизоляционные свойства повышаются в несколько раз. Благодаря алюминиевой фольге, тепло не проходит и отталкивается от теплоизоляции, тем самым создается так называемый эффект термоса. Фольгированная теплоизоляция является сравнительно новым теплоизоляционным материалом, который стремительно завоевывает строительный рынок.
Еще одним органическим теплоизоляционным материалом является пенополиуретан. Пенополиуретан, так же как и пенополистирол и пенополиэтилен относится к ряду пенопластов, то есть газонаполненного пластмасса. Его получают при реакции полиизоционата и жидкого полиола. Он также имеет ячеистую структуру и на 95 процентов состоит из воздуха. Благодаря тому, что его получают при реакции двух компонентов, его можно наносить или же распылять еще в жидком виде в труднодоступные места. Он также имеет большой срок службы и не подвержен механическим повреждением, не боится влаги и не плесневеет. Часто пенополиуретаном утепляют канализационные трубы и другую сантехнику.
oborudka.ru
Физики нашли металл, проводящий электричество без нагревания
Недавно исследователи из США сообщили об открытии металла, который проводит электричество и при этом практически не проводит тепло – невероятно полезное свойство, которое совершенно не соответствует сложившемуся представлению о том, как работают проводники.
Существование такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца, который гласит, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Например, по этой причине моторы или различные электрические бытовые приборы нагреваются при их регулярном использовании и их необходимо охлаждать.
Исследователи показали, что такой закон совершенно не применим к двуокиси ванадия (VO2) – вещество, которое уже хорошо известно учёным благодаря странной способности “переключаться” между состояниями прозрачного диэлектрика и электропроводящего металла при температуре 67 градусов по Цельсию.
“Совершенно неожиданная находка, — говорит ведущий автор исследования материаловед Цзюньцяо У (Junqiao Wu) из Калифорнийского университета в Беркли. – Она демонстрирует серьёзное нарушение в хрестоматийном законе, который считался неопровержимым для обыкновенных проводников. Открытие имеет фундаментальное значение для понимания основ электронного поведения новых проводников”.
Примечательно, что исследование учёных не только поможет узнать больше о неожиданных свойствах проводников, но оно также может пригодиться и в быту. Например, такой металл однажды можно было бы использовать для преобразования отработанного тепла из двигателей или электронных приборов обратно в электричество, или создавать улучшенные оконные покрытия, которые смогут сохранять прохладу в зданиях.
Наличие такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца.
Специалисты уже знают о некоторых других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло. Но они демонстрируют такие свойства только при температурах в сотни градусов ниже нуля по Цельсию (что довольно непрактично для любого реального применения). В то же время двуокись ванадия является проводником только при температурах выше комнатной. Следовательно, ему можно найти больше применений на практике.
Отмечается, что учёные, изучая это странное свойство вещества, наблюдали за тем, как движутся электроны внутри кристаллической решётки двуокиси ванадия, а также определяли, сколько при этом вырабатывается тепла. Выяснилось, что теплопроводность VO2 была в десять раз меньше, чем значение, предсказанное законом Видемана-Франца.
Причина этому, как представляется, может крыться в том, что “электроны оксида ванадия двигались в унисон друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы в обыкновенных металлах”, считает У.
“Для электронов тепло – это случайное движение. Обыкновенные металлы эффективно переносят тепло, поскольку существует множество различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми отдельные электроны могут переключаться, — поясняет учёный. – Напротив, согласованное движение электронов в двуокиси ванадия пагубным образом сказывается на передаче тепла из-за меньшего количества конфигураций, между которыми электроны смогли бы “перепрыгивать”.
Исследователи также смешивали диоксид ванадия с другими металлами, чтобы таким образом “настроить” объём тока и тепла, которое вещество проводило. Такие возможности очень пригодились бы для будущих применений, добавляют учёные.
Например, когда специалисты добавляли металл вольфрам к двуокиси ванадия, они снижали температуру, при которой материал становился металлическим, а также делали его лучшим проводником тепла.
Но в любом случае учёным предстоит провести ещё много исследований прежде, чем интересный материал найдёт применение в обычной жизни. Первые результаты научной работы и описание необычных свойств двуокиси ванадия опубликованы в научном издании Science.
Добавим, что ранее оказалось, что графен проводит электричество в 10 раз лучше, чем предсказывала теория.
nauka.vesti.ru
Изобретен пластик, равномерно проводящий тепло — Naked Science
Пластмассы — превосходные теплоизоляторы, но это свойство является преимуществом в одних случаях и недостатком в других. Например, было бы очень полезно, если бы корпуса ноутбуков эффективно отводили тепло наружу.
Группа инженеров Массачусетского технологического института разработала полимерный материал, способный рассеивать тепло на порядок эффективнее, чем существующие образцы. Разработчик Сюй Янфей (Yanfei Xu) поясняет:
«Обычные полимеры не проводят электричество и тепло. Открытие и дальнейшее развитие электропроводных полимеров дали возможность разработки таких устройств, как гибкие дисплеи и носимые биосенсоры. Наш полимер может проводить и удалять тепло гораздо эффективнее. Мы считаем, что полимеры следующего поколения можно применять для корпусов электронных приборов».
Почему обычный полимер не является проводником? Его структура представляет собой длинные запутанные нити, соединенные между собой. Представьте себе кастрюлю хорошо перемешанных спагетти. Частицы-теплоносители не могут свободно перемещаться через «хаотичный порядок» и оставляют тепловую энергию внутри полимерной детали.
Ученые давно хотели преодолеть этот фактор, поскольку полимеры очень важны для электроники: они легкие, гибкие, химически инертные и хорошие изоляторы электричества. Однако ранее наиболее успешным было «выпрямление» нитей полимерной структуры в одном направлении, вдоль цепи мономеров. Для того чтобы создать полимер, проводящий тепло во всех направлениях, задействовали не только внутримолекулярные, но и межмолекулярные связи.
Специалисты разработали технологию — окислительное химическое осаждение паров. Два вещества, мономер и окислитель, в виде пара одновременно подаются отдельно друг от друга в камеру, где заранее находится подложка, на которой они и взаимодействуют. В результате реакции с одновременным осаждением на подложке образуется пленка, состоящая из жестких, а не скрученных цепочек. В качестве подложки использовали кремний и стекло. Первые же лабораторные опыты позволили получить относительно крупные образцы — размером около двух квадратных сантиметров.
Способность переносить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности λ (Wt/m·K). Для алюминия, отличного проводника тепла, λ = 200 Wt/m·K, а для обычного пластика λ = 0.15 Wt/m·K.
Полученные образцы способны проводить тепло примерно в 10 раз лучше, чем обычные полимеры: λ = 2 Wt/m·K. При этом строение полимера изотропно, материал одинаково хорошо проводит тепло во всех направлениях, что повышает его теплоотдающий потенциал.
Результаты измерения теплопроводности / © Сюй Янфей и др., Массачусетский технологический институт
Теплопроводность полученного полимера зависит от температуры (см. график).
Разработчики сразу отметили перспективность использования теплорассеивающих полимеров при производстве солнечных батарей, органических полевых транзисторов и светодиодов. В планах — дальнейшее изучение структуры полученных материалов и разработка методов промышленного получения.
naked-science.ru
Свойства теплоизоляционных материалов — Теплоизоляционные и огнеупорные материалы
Автор Admin На чтение 7 мин. Просмотров 70 Опубликовано
Объемная масса теплоизоляционных материалов имеет непосредственную связь с их пористостью, выражающуюся соотношением, %L..,~
где Пи — общая пористость материала, %; ?и— плотность материала ? абсолютно плотном состоянии, г/см3; ?к — объемная масса материала, г/см3.
Так как плотность материала ?и не зависит от его структуры и является величиной постоянной, характеризующей плотность упаковки кристаллической решетки вещества, то Пи=f(?к). Поэтому приближенной характеристикой качества теплоизоляционных материалов обычно служит их объемная масса. Чем меньше объемная масса, тем выше пористость и как следствие этого выше качество теплоизоляционных материалов. Максимальное значение объемной массы для теплоизоляционных материалов установлено ГОСТ 17177—71 и равно 600 кг/м3. Самые легкие современные теплоизоляционные материалы — газонаполненные пластмассы — имеют объемную массу, равную 10— 15 кг/м3.
Высокая пористость теплоизоляционных материалов обусловливает их меньшую прочность по сравнению с другими строительными материалами: чем выше пористость, тем ниже прочность.
Прочность теплоизоляционных материалов характеризуется показателями пределов прочности: при сжатии Rсж, изгибе Rизг и растяжении Rраст. Обычно при определении прочности теплоизоляционных материалов ячеистого строения ограничиваются одним показателем прочности—значением Rсж, при определении прочности изделий волокнистого строения — значением Rизг или Rраст.
Небольшая прочность теплоизоляционных материалов не позволяет использовать их в качестве несущих строительных конструкций. Для этой цели могут быть использованы только некоторые материалы, имеющие прочность 50 кгс/см2 (5 МПа) и выше. Такие материалы называют теплоизоляционно-конструкционными.
Теплопроводность, характеризует способность материала проводить тепло и является главным показателем качества теплоизоляционных материалов. Чем меньше теплопроводность материала ?, тем выше его теплоизоляционные свойства (методика определения теплопроводности приведена в гл. I).
Высокопористые материалы можно рассматривать как двухфазные системы, состоящие из твердого вещества, образующего межпоровые перегородки, или каркас материала, и воздуха, заполняющего поры.
Наименьшей теплопроводностью обладают газы в «спокойном», т. е. неподвижном, состоянии. Теплопроводность воздуха в неподвижном состоянии очень мала, при 20°С она равна 0,026 Вт/(м-К). Находящийся а мелких порах материала воздух может считаться «спокойным». Теплопроводность материалов, содержащих большое количество воздушных пор, незначительна. Доля тепла, передаваемого твердой фазой (каркасом) высокопористого материала, составляет 10—20% общей теплопроводности. Поэтому пористость материала является главным фактором, определяющим его теплопроводность.
На теплопроводность материала влияют также размер пор, характер распределения их по объему материала и форма.
Мелкопористые материалы хуже проводят тепло, чем крупнопористые. Это объясняется уменьшением передачи тепла конвекцией и излучением в общем процессе передачи тепла в пористом материале. Материалы, в которых преобладают замкнутые поры, при прочих равных условиях хуже проводят тепло, чем материалы с открытыми сообщающимися порами.
Помимо структурных факторов, на теплопроводность материалов в значительной степени влияют его температура, влажность и объемная масса. Теплопроводность материалов резко возрастает при увлажнении. Это объясняется тем, что теплопроводность воздуха и воды сильно отличается друг от друга. Так, ? воды равна 0,58 Вт/(м-К), т. е. примерно в 20 раз больше, чем воздуха. Еще больше разница между теплопроводностью воздуха и льда. Теплопроводность льда равна 2,33 Вт/(м-К), т. е. примерно в 80 раз больше, чем воздуха. Из сказанного следует, что для обеспечения эффективности работы теплозащитных материалов и конструкций их следует всемерно предохранять от увлажнения.
С повышением температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и в редких случаях уменьшается, как, например, у магнезитовых и корундовых огнеупоров.
Зависимость теплопроводности высокопористого материала от ряда факторов в наиболее универсальном виде выражают уравнением Леба:
где ?? — теплопроводность материала; ?, — теплопроводность твердой фазы материала; Pс—количество пор, находящихся в сечении, перпендикулярном потоку тепла; PL—количество пор, находящихся в сечении, параллельном потоку тепла; ? — радиальная постоянная; ? — излучаемость; ? — геометрический фактор, влияющий на излучение внутри пор; Tт — средняя абсолютная температура; d — средний диаметр пор.
Увлажнение теплоизоляционных материалов ухудшает их свойства.
Влажность характеризует степень увлажнения материала. Содержание влаги в материалах выражают в процентах по массе или по объему. Для того чтобы перейти от значения одной влажности к другой, пользуются соотношениями:
где Wоб-объемная влажность материала, %; Wm — влажность но массе, %; ?к — объемная масса материала, кг/м.
Различают абсолютную и относительную влажность материала по массе.
Абсолютная влажность Wa — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к его массе в абсолютно сухом состоянии.
Относительная влажность W?? — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе его во влажном состоянии.
Для пересчета относительной влажности в абсолютную и обратно используют следующие формулы:
Для теплоизоляционных материалов, объемная масса которых может колебаться в очень широких пределах, объемная влажность Wo6 дает более правильное представление о степени увлажненности материала, так как представляет собой отношение массы воды, заключено и в порах материала, к постоянной величине — единице объема этого материала.
Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является водопоглощение.
Водопоглощение — степень заполнения объема материала водой. Водопоглощение, как и влажность, выражают в процентах по массе или по объему. Большое водопоглощение не является отрицательной характеристикой теплоизоляционных материалов, так как изделия, используемые для тепловой изоляции различных тепловых установок, как правило, не подвергаются непосредственному воздействию влаги. Но для материалов, которые могут увлажняться в условиях эксплуатации, например конструкции наружных стен зданий, большое водопоглощение сильно влияет на их прочностные и теплозащитные свойства.
Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при увлажнении. Водостойкость строительных материалов оценивают коэффициентом размягчения kp, представляющим собой отношение прочности ма — риала в насыщенном водой состоянии к прочности того же материала, но в сухом состоянии:
Материалы считаются водостойкими, если kp>0,75.
Биостойкость материала характеризует способность его сопротивляться разрушающему действию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых: муравьев, термитов и др. Биостойкость строительных материалов может быть повышена путем обработки их антисептиками.
Морозостойкость — способность насыщенного водой материала выдерживать неоднократное замораживание и оттаивание без значительного снижения прочности. Требование высокой морозостойкости, предъявляемое к. теплоизоляционным материалам, которые используют для тепловой изоляции наружных стен зданий и холодильников, является одним из важнейших. Потеря прочности материала и нередко полное его разрушение при замораживании в насыщенном водой состоянии объясняется тем, что вода, замерзая в порах материала и увеличиваясь в объеме примерно на 9%, создает в нем растягивающие напряжения.
Пористое строение теплоизоляционных материалов и наличие в них сообщающихся пор создают благоприятные условия для насыщения таких материалов водой и вместе с тем способствуют повышению их морозостойкости. Все поры в материале не могут быть заполнены водой из-за защемленного в них воздуха. Та часть пор, которая занята защемленным воздухом, называется резервной пористостью. В материалах с резервной пористостью расширение воды при замерзании не вызывает разрушающих напряжений. При расширении воды в момент ее замерзания резервные поры играют роль своеобразных амортизаторов.
Температуростойкость — способность материала сохранять свои свойства при нагревании до определенной температуры. Это понятие применимо как к теплоизоляционным материалам органического, так и неорганического происхождения. Температуростойкость теплоизоляционных материалов, так же как и огнеупоров, характеризуется обычно предельной температурой применения.
Возгораемость — свойство, присущее лишь органическим материалам. По степени возгораемости все строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
(К несгораемым относятся все неорганические материалы, к сгораемым— все органические, а к трудносгораемым— неорганические на различных органических связках или с органическим наполнителем и частично органические, обработанные антипиренами — особыми веществами, снижающими горючесть материала.
Многие теплоизоляционные материалы благодаря особенности строения обладают способностью поглощать звук. Такие материалы применяют для акустической отделки различных общественных и промышленных зданий.
По акустическим свойствам материалы делятся на звукопоглощающие и звукоизоляционные.
Механизм поглощения звука пористыми телами заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность пористого тела, проникают в его поры, возбуждая в них колебания воздуха. Благодаря вязкому трению воздуха при его колебаниях в порах материала часть энергии колебаний преобразуется в тепловую энергию, что и является причиной поглощения звука материалом. Способность материала поглощать звук оценивается коэффициентом звукопоглощения — отношением доли звуковой энергии, поглощаемой материалом, ко всей звуковой энергии, падающей на поверхность этого материала. Коэффициент звукопоглощения выражают в долях единицы. Материалы, коэффициент звукопоглощения которых не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, считаются звукопоглощающими и могут применяться для акустической отделки с целью снижения Уровня шума в помещении.
Назначение звукоизоляционных материалов—не допустить распространение звуковой волны по конструкциям зданий. Такие материалы применяют в виде звукоизоляционных прокладок (например, при устройстве «плавающих» полов). Эффективность применения звукоизоляционных материалов в большой степени зависит от способа укладки их и сочетания с другими строительными материалами в ограждающих конструкциях зданий.
arxipedia.ru
Способность одежды проводить тепло
При подборе тканей, трикотажа или нетканых материалов для тех или иных видов одежды и в процессах их влажно-тепловой обработки имеют особое значение теплозащитные свойства (теплоемкость, температуропроводность и теплостойкость), которые характеризуют отношение этих материалов к действию на них тепловой энергии.
Через материалы для одежды тепло передается главным образом теплопроводностью. Теплопроводностью называется способность любого вещества проводить тепло:
Степень теплопроводности материала численно характеризуется коэффициентом теплопроводности %:
Коэффициент теплопроводности показывает количество тепла, которое проходит за 1 ч через 1 м2 однородного слоя толщиной в 1 м при разности температур на ее поверхностях в 1°С.
О теплозащитных свойствах материалов при их фактической толщине судят по коэффициенту теплопередачи К, определяемого по формуле :
Материалы для одежды не являются однородными слоями, а представляют собой систему из большого количества волокон, отделенных друг от друга порами различной формы и размеров, заполненных воздухом.
Рис. 11-63. Зависимость теплопроводности от числа слоев в одежде
Передача тепла в таких материалах слагается из передачи тепла теплопроводностью через порообразующий волокнистый слой, теплопроводностью и конвекцией через поры и излучением между стенками пор. Количество тепловой энергии, передающейся любым из этих способов, приблизительно пропорционально разности температур (t1—t2) двух прилегающих изотермических поверхностей.Для материалов одежды, величина коэффициента теплопроводности К изменяется приблизительно в пределах 0,033—0,070 ккал/м ч град, а для воздуха составляет 0,020 ккал/м – ч-град. Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является постоянной, а. может изменяться в зависимости от объемного веса материала, влажности, температуры, воздухопроницаемости и направления теплового потока.
Из графика видно, что с увеличением количества слоев одежды теплопроводность снижается и повышаются ее теплозащитные свойства.
Чем больше тепловое сопротивление материала, тем выше его теплоизоляционные свойства. Тепловое сопротивление сложного слоя равно сумме сопротивлений каждого из составляющих слоев, т. е.
Ткани, трикотаж и нетканые материалы представляют собой дисперсную систему, в которой волокна относительно равномерно распределены в дисперсной среде (воздухе). Основной особенностью структуры этих материалов является высокая пористость и сравнительно малая величина контактных площадей между отдельными волокнами в материале. Поэтому теплопередача в материалах одежды осуществляется в значительной степени через слой сравнительно неподвижного воздуха, заключенного в материале.
Таблица 11-15. Коэффициент теплопроводности различных материалов при различном объемном весе.
Материалы | Объемный вес В кг/см3 | Коэффициент теплопроводности в ккал/м-ч-град |
Сукно | 0,25 | 0,045 |
Шерстяной войлок | 0,15 | 0,050 |
Хлопчатобумажный войлок | 0,30 | 0,050 |
Вата хлопчатобумажная | 0,05 | 0,046 |
Пух гагачий | 0,02 | 0,056 |
Тепловое сопротивление текстильных материалов представляет собой некоторую среднюю величину от теплового сопротивления волокна и воздуха, находящегося в порах. В табл. 11-15 представлены данные о коэффициенте теплопроводности различных материалов при разном объемном весе
Как видно из таблицы, различные материалы при резко отличающемся объемном весе имеют близкий по значению коэффициент теплопроводности. Однако объемный вес материалов для одежды не оказывает существенного влияния на их тепловое сопротивление только в определенном интервале значений. При дальнейшем увеличении объемного веса и уменьшении пористости тепловое сопротивление уменьшается, а теплопроводность увеличивается. Так, при увеличении объемного веса ткани (бобрика) в 2,5 раза ее тепловое сопротивление снизилось более чем на 45%.
Рис. 11-64. Зависимость теплового сопротивления тканей от их толщины (в условиях спокойного воздуха)
Рис. 11-65. Влияние избыточной влажности пакета одежды на его тепловое сопротивление
Исходя из этого, сделаны выводы: 1) ткани с меньшим объемным весом являются более теплозащитными; 2) структура ткани при заданной толщине в условиях неподвижного воздуха непосредственно не влияет на тепловое сопротивление. Зато структура ткани оказывает существенное влияние на ее толщину и воздухопроницаемость, которые тоже непосредственно влияют на тепловое сопротивление материалов для одежды. Толщина ткани является одним из главных факторов, влияющих на тепловое сопротивление одежды независимо от ее волокнистого состава и плотности (рис. 11-64). С увеличением толщины материалов одежды пропорционально возрастает и их тепловое сопротивление. С повышением влажности материалов для одежды резко падает их тепловое сопротивление. На рис. 11-65 представлена зависимость теплового сопротивления материалов одежды от их влажности.
Резкое падение теплового сопротивления материалов одежды от их влажности объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды, проникающей в поры материала, равен 0,5 ккал/м-ч-град (в 20 раз больше, чем воздуха в порах среднего размера). Кроме того, наличие воды в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между волокнами материала, что также оказывает влияние на снижение теплового сопротивления.
Рядом исследователей установлено, что увеличение коэффициента теплопроводности прямо пропорционально увеличению влажности. Степень влияния влажности текстильных материаллов на их теплопроводность неодинакова для различных тканей и зависит от рода волокон и объемного веса тканей. Так, теплопроводность тканей хлопчатобумажных более резко увеличивается с увеличением влажности, чем шерстяных тканей. Зависимость коэффициента теплопроводности тканей от их влажности может быть выражена следующей формулой:
где λвл — коэффициент теплопроводности влажной ткани; λСух — коэффициент абсолютно сухой ткани; W — объемная влажность ткани в %;
а —постоянный коэффициент, равный, приблизительно, для шерстяных тканей 0,0024 и для хлопчатобумажных — 0,0039. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса волокнистого материала приведена в табл. 11-16.
Таблица 11-16. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса материала
Материалы | Суммарное тепловое сопротивление в м2Ч-град1ккал при объемном весе в г/см3 | ||||||
0,0055 | 0,011 | 0,002 | 0,044 | 0,066 | 0,088 | 0,110 | |
Шерсть | 0,4340 | 0,462 | 0,636 | 0,647 | 0,646 | 0,618 | 0,623 |
Хлопок | 0,4590 | 0,475 | 0,538 | 0,546 | 0,556 | 0,548 | 0,467 |
Хлорин | 0,5990 | 0,603 | 0,628 | 0,635 | 0,614 | 0,601 | 0,603 |
Капрон | 0,5000 | 0,501 | 0,601 | 0,617 | 0,536 | 0,537 | 0,536 |
Натуральный шелк | 0,4920 | 0,466 | 0,503 | 0,505 | 0,493 | 0,505 | 0,500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
При оценке теплозащитных свойств одежды ее воздухопроницаемость является одним из решающих факторов. При большой воздухопроницаемости одежда не может быть теплой независимо от ее толщины и веса. В условиях умеренного климата температура окружающего воздуха обычно ниже температуры человеческого тела. Ткань со стороны тела согревается, а с внешней охлаждается. При этом, если ткань имеет незначительную плотность, и особенно, если она выработана из гладких крученых нитей, которые не создают в ткани замкнутые воздушные прослойки, конвекционный поток устремляется наружу и в результате происходит непрерывная смена воздушных прослоек. Теплозащитные свойства таких тканей меньше, чем более плотных и подвергавшихся валке или начесу, и не имеющих открытых пор. Скорость проникания воздуха через материал зависит не только от величины отверстий между нитями, образующими материал, и разности температур его противоположных поверхностей, но и от скорости движения окружающего воздуха. С увеличением скорости воздушного потока тепловое сопротивление тканей резко снижается. При этом интенсивность снижения теплового сопротивления зависит от степени воздухопроницаемости ткани (табл. II-17).
Из таблицы ясно, что в условиях подвижного воздуха тепловое сопротивление более толстого материала при большей воздухопроницаемости меньше по сравнению с более тонким и менее воздухопроницаемым материалом. Известно, что в условиях неподвижного воздуха воздушная прослойка в пределах определенной толщины между телом и материалом увеличивает общее тепловое сопротивление ткани. Однако в условиях подвижного воздуха в результате усиления конвекционного теплообмена под образцом ткани общее тепловое сопротивление снижается и тем больше, чем больше воздухопроницаемость ткани.
www.otkani.ru
Вакуумная теплоизоляция
В странах Северной Европы наблюдается устойчивая тенденция повышения требований к теплозащите зданий. Эта задача решается в основном увеличением толщины слоя теплоизоляции, что, однако, усложняет выполнение работ и уменьшает полезную площадь сооружений. Поэтому создание высокоэффективного теплоизоляционного материала является в настоящее время актуальной задачей в строительстве.
Современные перспективы улучшения качества теплоизоляции связывают с использованием вакуумированных материалов. Как известно, теплопроводность различных материалов может быть значительно снижена при помещении их в вакуум. Во многих работах для обеспечения высокого термического сопротивления ограждающих конструкций предлагается использовать полые вакуумные изоляционные панели. В пространстве между стенками панели создается высокий вакуум, и перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью воздуха, практически исключается. За счет применения ряда технических решений толщину стенок панели площадью 1 м2 удалось снизить до 0,2 мм. Однако обеспечить высокую степень вакуума в межстеночном пространстве панели в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления (10−4 –10−5 бар) приводит к существенному (на порядки) ухудшению теплоизоляции. К тому же значительная доля тепла в таких панелях передается через достаточно толстые стенки металлической оболочки.
Более перспективным направлением является вакуумная теплоизоляция, то есть создание вакуумных изоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов – мелких порошков или аэрогелей. Физические принципы данного типа теплоизоляции разработаны еще в 60-е годы прошлого столетия, однако использовалась они лишь в технике глубокого охлаждения.
Современная технология изготовления пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию с вакуумированием для массового применения в строительстве. Коэффициент теплопроводности данных изделий может достигать значения 0,002 Вт/(м•К), что более чем на порядок ниже традиционно используемых в строительстве утеплителей.
Физические принципы создания теплоизоляции с вакуумированием порошковых материалов
Фото 1. Вакуумная теплоизоляционная панель рядом с блоками традиционных утеплительных материалов – пенополистирола и пенополиуретана с такими же теплопроводящими свойствами наглядно демонстрирует преимущество с точки зрения уменьшения слоя утеплителя.
Для понимания высоких теплоизоляционных свойств вакуумной теплоизоляции необходимо вспомнить механизмы переноса тепла. Основной механизм переноса тепла в твердых телах – это теплопроводность. При нагревании одного из концов металлического стержня поток тепла движется к его другому концу.
Путем теплопроводности тепло может переноситься и через газы. При этом быстрые молекулы теплого слоя газа сталкиваются с медленными молекулами соседнего холодного слоя. В результате возникает поток тепла. Газы из легких молекул (водород) проводят тепло лучше, чем тяжелые газы (азот).
Путем конвекции теплоперенос осуществляется только в газах и жидкостях и основан на том, что при нагревании газа его плотность уменьшается. При неравномерном нагревании более легкие слои поднимаются, тяжелые опускаются. Вертикальный поток теплоты, связанный с этим движением, как правило, значительно превышает поток, связанный с теплопроводностью.
Излучение – это механизм передачи теплоты электромагнитными волнами. Таким путем происходит нагревание солнцем поверхности земли. Способность тела излучать и поглощать электромагнитные волны определяется его атомной структурой.
|
|
Рис 2. Строительные материалы с вакуумированием сохраняют свои теплоизоляционные свойства даже при высоком давлении. |
Вакуумная технология позволяет исключить все три механизма передачи тепла. Сосуд Дьюара, или термос, – широко известный пример вакуумной изоляции. В пространстве между двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум порядка 10−2 Пa. Из-за этого перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, практически полностью устранен, и теплопроводность исключительно мала – 10−3 – 10−4Вт/(м•К). Необходимость создания глубокого вакуума значительно ограничивает возможности выбора формы сосуда и конструкционных материалов. Поскольку разгерметизация сосуда способна нарушить теплоизоляцию, его стенки должны быть абсолютно газо- и влагонепроницаемы. С целью снижения радиационного переноса тепла между стенками сосуда Дьюара перечень используемых материалов ограничен металлом и стеклом с металлическим напылением.
Известно, что теплопроводность газов практически не зависит от давления до тех пор, пока длина свободного пробега молекулы газа не становится сравнимой с размерами полости, в которой находится газ. Это обстоятельство требует создания глубокого вакуума для существенного снижения теплопроводности прослойки между разделяемыми средами, но в то же время, данное свойство послужило основой для применения мелкопористых материалов в качестве теплоизоляции.
Использование мелкодисперсных пористых материалов позволяет решить задачу создания утеплителей с чрезвычайно малым значением коэффициента теплопроводности при гораздо менее жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.
Требования к свойствам материалов для вакуумной теплоизоляции и основы расчета теплоизоляционных систем указанного типа также разработаны в 60-е годы прошлого века, в том числе в исследованиях советских ученых.
Основную роль в процессе передачи тепла в пористых порошковых структурах играет газ, находящийся в порах. Чем меньше размеры пор или пустот материала и разветвленнее его структура, тем раньше в нем достигается условие высокого вакуума и лучше его теплофизические свойства. Так, в микропористом материале с размером пор 10−8 м механизм передачи тепла через молекулы воздуха практически исключается уже при давлении 100 Па. Все материалы наполнителей вакуумных изоляционных панелей при высоких уровнях вакуума имеют сравнимые характеристики, значительная разница между ними появляется при увеличении внутреннего давления до 10–100 Па.
В таблице 1 приведены расчетные и экспериментальные значения коэффициента эффективной теплопроводности ряда дисперсных материалов, находящихся в воздушной среде с различной степенью разрежения.
Таблица 1.
|
Заметим, что все материалы наполнителей обладают сравнимыми характеристиками при высоких уровнях вакуума до 1 Па. Значительная разница между ними появляется при небольшом увеличении внутреннего давления.
Из приведенных в таблице материалов наиболее перспективными представляются кремнегели с размером частиц 5•10−3 мм и пористостью до 95%, а также перлит с высокой степенью пористости (до 95%). Коэффициент теплопроводности этих материалов не превышает 0,003 Вт/(м•К) до значений давления газа 100 Па для кремнегеля и 10 Па для перлита, что на порядок ниже, чем у традиционно используемых теплоизоляционных материалов.
Представленные в публикации немецких авторов за 1999 год зависимости влияния внутреннего давления на теплопроводность для вакуумной панели на основе Porextherm Vacupor-наполнителя в сравнении с панелями, сделанными на основе других наполнительных материалов, имеют хорошее совпадение с представленными в таблице числовыми данными.
Технологические аспекты изготовления и использования порошковой теплоизоляции с вакуумированием
Теплоизолирующие свойства и продолжительность жизни вакуумной изоляционной панели определяются многими факторами: свойствами наполнителя; начальным уровнем вакуума в панели; проницаемостью оболочки; количеством и эффективностью поглотителя остатков газа; размером и толщиной панели; условиями ее работы.
|
|
Рис 3. Схема теплоизоляции пола с применением вакуумных теплоизоляционных панелей. |
Вакуумная теплоизоляционная панель состоит из пористого материала-наполнителя, помещенного в непроницаемую оболочку. Воздух в панели откачивается до давления от 0,1 до 100 Па, после чего оболочка герметизируется. На рис. 1 (фото автора) представлена вакуумная теплоизоляционная панель рядом с блоками традиционных утеплительных материалов – пенополистирола и пенополиуретана с такими же теплопроводящими свойствами. Наглядно видно преимущество нового материала с точки зрения уменьшения слоя утеплителя, что очень важно в строительстве.
Роль наполнителя сводится к следующему:
- поддержание стенки панели – внешнее давление 105 Па означает, что атмосферный столб весом почти 1 т давит на оболочку панели размером 30 см2;
- ограничение движения газовых молекул – чем меньше величина пор наполнителя, тем более вероятно, что молекулы будут сталкиваться с его частицами, а не между собой; тем самым снижаются требования к начальному уровню разрежения в пакете;
- исключение радиационного механизма передачи тепла через наполнитель – для этого в его состав часто вводят вещества (например, диоксид титана), рассеивающие и поглощающие ИК-электромагнитные волны.
В настоящее время коммерческие материалы для вакуумных панелей включают пенополистирол, пенополиуретан, дымный кремнезем и осажденный кремнезем, аэрогели. Дымный кремнезем и аэрогели превосходят все типы наполнителей даже при относительно высоких давлениях (до 1000 Па) внутри пакета. Возможность сравнительно высокого начального давления обеспечивает увеличение продолжительности жизни теплоизоляционного пакета.
Оболочки для вакуумных пакетов состоят из нескольких слоев и содержат очень тонкую металлическую пленку (алюминий), на которую для придания механической прочности с обеих сторон наносят слой пластика. Они имеют отличные барьерные характеристики, но могут проводить заметное количество тепла через торцы. Этот «краевой эффект» значительно снижает эффективность панелей. С целью его уменьшения до минимума некоторые оболочки изготавливают по технологии тонкопленочного напыления (осаждения), позволяющей сделать слой алюминия еще тоньше.
Существует достаточно много коммерчески доступных пленок. Чтобы сформировать оболочку (пакет) для наполнителя, пленка заваривается по краям. Тонкий слой пластика с низкой температурой плавления обычно наносится на внутреннюю поверхность пленки, после чего она может быть заварена под воздействием температуры и давления. Проницаемость сварных соединений пластика для газа и влаги гораздо лучше, чем проницаемость остальной поверхности оболочки. Для минимизации этого отрицательного эффекта производители пытаются уменьшить толщину сварного соединения и сделать его шире.
Для увеличения продолжительности эксплуатации панелей используют поглотители влаги и газов. Важно, чтобы количество и тип поглотителя соответствовали наполнителю и типу оболочки панели, а также времени ее эксплуатации. Наполнитель на основе пенопластиков не может адсорбировать ни газов, ни влаги. В этом случае его необходимо вводить в оболочку панели. Мелкопористые наполнители на основе кремнезема сами по себе являются естественными адсорбентами или поглотителями. Следовательно, поглотитель в панелях на основе этих материалов не требуется даже при эксплуатационном периоде 10–20 лет, если используется соответствующий материал оболочки. Поглотители могут значительно увеличить стоимость панели и, как правило, включают соли тяжелых металлов, небезопасные для окружающей среды.
Большинство материалов, помещенных в оболочку с низким давлением, выделяют газы. Их тип и количество, как и время выделения, изменяются от материала к материалу. Выделенные газы могут внести существенный вклад в увеличение внутреннего давления (или снижение вакуума в панели). В некоторых случаях скорость выделения газов из материалов наполнителя и оболочки превышает скорость, с которой они проникают извне. Есть материалы, не выделяющие газа вообще, во многих этот процесс не прекращается никогда. Газовые молекулы проникают как через оболочку, так и через сварное соединение.
|
|
Рис 4. Схема наружного утепления здания с применением вакуумных теплоизоляционных панелей. |
Чем больше панель, тем больше соотношение между ее поверхностью и поверхностью сварного шва и наоборот. Таким образом, выбор подходящего материала оболочки требует, чтобы ее свойства и свойства шва соответствовали типу и размеру панелей. Более заметное влияние на их эффективность оказывает толщина. Ее уменьшение в 2 раза во столько же раз сокращает время службы панелей, поскольку размер поверхности и сварных соединений остается прежним, а изоляционный объем уменьшается вдвое. Хотя скорость проникновения газов через оболочку и сварное соединение такое же, давление внутри оболочки будет расти в 2 раза быстрее, так как ее объем в 2 раза меньше.
Условия эксплуатации влияют как на величину ее срока, так и на пригодность (Пригодность – это возможность использовать панель для данных условий эксплуатации). Пенопласты имеют ограниченный температурный диапазон, вне которого могут возникать деформации, делающие панель практически бесполезной. Например, верхний предел для пенополистирола 88 °С, панели с кремнеземным наполнителем используются при температурах до 500 °С.
Если применена подходящая оболочка, условия эксплуатации влияют на срок службы изделий, поскольку проницаемость их оболочки и сварного соединения для водяных паров и газов изменяется с температурой. Высокие температуры увеличивают проницаемость, а при низких движение молекул замедляется. Следствием высокой концентрации газа в окружении панели является повышение со временем его концентрации внутри оболочки и, следовательно, увеличение теплопроводности. Чем меньше молекула газа, тем быстрее она проникает внутрь панели и сильнее влияет на теплопроводность. Так, если поместить панель в полиуретановую оболочку (такой метод применяется в холодильниках), время жизни изделия возрастет, поскольку во внутреннюю полость тяжелые молекулы, выделяемые пластиком, проникают с трудом. Из-за большого размера они не становятся таким же хорошим переносчиком теплоты, как молекулы азота или кислород. Аналогично для водяных паров: чем выше влажность воздуха вокруг панели, тем быстрее внутрь ее проникает влага и тем выше будет концентрация водяных паров, когда достигается равновесие.
Использование вакуумной теплоизоляции в строительстве
Если в предыдущие десятилетия порошковая теплоизоляция с вакуумированием употреблялась преимущественно в криогенной технике, то современные способы производства упаковочных и мелкопористых материалов дают возможность массового использования данной технологии утепления в строительстве.
В 1999 году впервые в строительной практике достаточно большая площадь (около 40 м2) фасада лабораторного здания в г. Вюрцбург (Германия) была утеплена вакуумными панелями, наполнителем в которых служил микропористый кремнезем. Из представленного графика (рис. 2) видно, что изделия из данного материала сохраняют свои теплоизолирующие свойства (0,002 λ 0,008 Вт/(м•К)) до давления газа внутри панели около 10000 Па, что составляет 0,1 атмосферного.
Исследования, проведенные после года эксплуатации, показали устойчивость свойств панелей. Давление внутри их выросло за это время на 100 Па.
Следовательно, при данном исходном давлении изделие будет сохранять свои теплоизолирующие свойства как минимум 100 лет. Применение в вакуумной панели более крупнопористого материала (например, пенополистирола с открытой пористостью) приводит к увеличению значения коэффициента теплопроводности до этого же значения уже при давлении внутри панели на уровне 200 Па (рис. 2), то есть изделия из данного материала сохранят свои свойства на протяжении не более 2 лет.
При использовании вакуумных теплоизоляционных панелей необходимо учитывать обязательное требование сохранения их герметичности. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию систем утепления и первостепенные сферы применения таких изделий, в частности в трехслойных стеновых панелях. Если в их современной конструкции необходим слой утеплителя не менее 15 см, то благодаря вакуумным панелям его толщина уменьшится до 2 см. При этом изделие будет защищено с двух сторон от механических повреждений слоями бетона. Упростится конструкция системы утепления, так как снизятся требования к прочности гибких связей между слоями бетона. Возможно использование вакуумных панелей между слоями кирпичной кладки, а также для утепления перекрытий верхнего и пола первого этажей.
Существуют примеры применения вакуумных теплоизоляционных панелей для утепления фасада здания при его санировании, а также пола в помещении в области балкона пассивного здания. На рис. 3 представлена схема теплоизоляции пола. На бетонную плиту укладывается полиэтиленовая пленка, затем плита экструдированного пенополистирола (2 см), на которой лежат два слоя вакуумных панелей толщиной по 2 см каждая, что необходимо для устранения мостиков холода через стыки панелей. Затем еще одна плита экструдированного пенополистирола, покрытая полиэтиленовой пленкой. Общее термическое сопротивление системы составляет 11,8 м2•К/Вт.
Для высотного строительства с целью уменьшения толщины наружных стен рядом исследователей предложено использование вакуумных панелей в трехслойной конструкции, где наружным слоем служит стекло, а внутренним – металлический лист. Имеются также примеры применения данных изделий в различных строительных конструкциях. Так, с помощью вакуумной теплоизоляции выполнялась тепловая модернизация старого здания. Для устранения перегрева его восточной части в летнее время использовалась размещенная между внутренней стеной здания и наружной облицовкой из кирпича полупрозрачная ширма с электродвигателем, выдвигающим ее перед окном. Между ширмой и внутренней стеной здания с целью устранения теплопотерь установлена вакуумная теплоизоляционная панель. Схема наружного утепления здания с применением вакуумных теплоизоляционных панелей представлена на рис. 4.
Таким образом, современное состояние техники упаковочных материалов позволяет реализовать вакуумную теплоизоляцию на основе порошковых материалов. Эта технология сегодня успешно продвигается на рынках Западной Европы и находит применение как в новом строительстве, так и при выполнении работ по тепловой модернизации зданий. По сравнению с традиционными, преимущества нового теплоизоляционного материала неоспоримы. Он позволяет уменьшить толщину слоя утеплителя при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.
Сегодня, на наш взгляд, имеется настоятельная необходимость организации серийного выпуска вакуумной теплоизоляции для массового использования в строительстве. Производство необходимых упаковочных материалов по западным технологиям может быть освоено как в России, так и в Беларуси. Установки для создания вакуума любой степени имеются на предприятиях радиотехнического профиля, выпуск аэрогелей в состоянии наладить отечественная химическая промышленность.
library.stroit.ru