Сравнение теплопроводности утеплителей: Сравнение утеплителей по теплопроводности

Содержание

Сравнение пенопласта с другими материалами

Правильно подобрать утеплитель – значит гарантировать положительный результат намеченных работ по теплоизоляции элементов зданий и конструкций. Затем останется лишь выполнить необходимые работы без нарушений технологического процесса. В основе выбора лежит знание всех характеристик, отличительных свойств, особенностей применения каждого утеплителя, и проведение сравнительного анализа на основании этих данных.

Пенополистирол и минеральная базальтовая вата являются основными универсальными материалами в классе строительных теплоизоляторов.

Основные свойства

Теплоизолирующие материалы различаются по типу исходного сырья, механическим свойствам (прочность, способность держать форму), влагостойкости и другим качествам.

Теплопроводность. Главная характеристика, которая определяет эффективность утеплителя – коэффициент теплопроводности. Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизолирующие свойства материала. У эффективных пористых и волокнистых утеплителей коэффициент теплопроводности составляет от 0,03 до 0,06 Вт/(м К).

Влагопроницаемость. Теплоизоляционные материалы подвергаются воздействию паров влаги, которые всегда присутствуют в воздухе. Волокнистые утеплители (стеклянная и базальтовая вата) со временем впитывают влагу и утрачивают часть своих изолирующих свойств. Поэтому при их укладке необходимо использовать гидро- и пароизоляционные пленки. Пенопластовые и полистирольные плиты обладают практически нулевым влагопоглощением.

Толщина и вес материала. Минимальная толщина эффективного слоя зависит от вида утеплителя. Оптимальный слой утеплителя следует определять расчетно, в зависимости от конструктивных особенностей здания. Нужно учитывать, что чем толще слой теплоизоляции, тем выше нагрузка на ограждающие конструкции.

Пожаробезопасность. С точки зрения пожаробезопасности самый лучший утеплитель – базальтовая вата. Она не горит и не выделяет токсических веществ при нагревании. Стекловата при высоких температурах плавится. Пенопласт и полистирол относятся к горючим материалам.

Экономичность и простота монтажа. К бюджетным утеплителям относятся пенопласт и стекловата. Технологии монтажа всех рулонных и плитных теплоизоляционных материалов достаточно просты и доступны людям с минимальными строительными навыками.

Минеральная вата используется для утепления и звукоизоляции:

«Дышащих» фасадов.
Каркасных построек.
Мансард, чердаков, скатных крыш.
Перекрытий и полов по лагам.
Разделительных перегородок.

Виды теплоизоляции

К наиболее распространенным утеплителям относятся пенопластовые плиты, экструдированный полистирол, базальтовая и минеральная вата, материалы из вспененного полиэтилена.

Пенопласт. К достоинствам этого материала относятся невысокая цена, влагостойкость, небольшой вес. Плиты из пенопласта хорошо держат форму и не усаживаются со временем. Из значимых недостатков можно назвать высокую горючесть и привлекательность для грызунов.

Экструдированный пенополистирол (пеноплэкс). Теплопроводность пеноплэкса на треть ниже, чем у пенопластовых плит. Благодаря высокой плотности и жесткости, пенополистирол подходит для заливки в бетонную стяжку в качестве изоляции при укладке теплых полов. Купитьэкструдированный пенопласт можно для внутреннего и наружного утепления кровельных конструкций, несущих стен. Срок его службы – до 40 лет. К недостаткам пеноплэкса относится достаточно высокая цена и горючесть.

Базальтовая вата. Этот теплоизолятор полностью безопасен для здоровья человека, хорошо держит форму. Плотные разновидности (жесткие маты) обладают низким влагопоглощением. При качественной гидроизоляции базальтовая вата служит более 50 лет. Однако базальтовая вата очень привлекательна для грызунов – они любят устраивать в ней гнезда.

Минеральная вата (стекловата). Недорогой волокнистый утеплитель, который изготавливается из тончайших стеклянных волокон. Подходит для утепления кровельных и стеновых конструкций, полов, настланных по лагам. Стекловата нетоксична и не горюча, но при укладке стеклянные волокна ломаются и образуют мельчайшую пыль, которая может вызывать раздражение слизистых и аллергию.

Пенофол, изолон (вспененный полиэтилен с фольгированным покрытием). Этот изолятор выпускается в рулонах и в виде плит (толщина от 2 до 100 мм). Применяется для утепления перекрытий при укладке теплого пола, теплоизоляции стен, кровли. Обладает высокой эластичностью, что дает возможность оклеивать радиусные конструкции. Недостатки – высокая цена и необходимость бережного монтажа (важно сохранить целостность фольги).

Все эти изоляторы химически инертны, не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации. После завершения срока службы они могут быть использованы для вторичной переработки.

Сферы применения пенопласта

Пенопласт, сохраняющий свойства во влажной среде, подойдет для утепления:

Торговых точек, беседок, киосков, бань.
Эксплуатируемой плоской крыши.
Жилых домов, хозяйственных построек, цехов и специальных помещений снаружи.
Фундаментов.
Полов первого этажа, если в доме нет подвального помещения.
Балконов и лоджий.

Сравнение пенополистирола с некоторыми строительными материалами, например, с древесиной, кирпичом, бетоном и другими, является некорректным. Потому, что совершенно разные функции на них возлагаются. Но для демонстрации теплоизоляционных свойств пенопласта можно привести следующую статистику: эффект утепления стены в 2,5 кирпича плитами пенопласта с толщиной 30 мм равносилен увеличению ее толщины кирпичной кладкой – на 64 см; бетонированием – на 1,2 м; обшивкой деревом – на 11,3 см; кладкой из природного камня – на 1,8 м.

Если для работы нужен пенопласт, то обращение к надежному партнеру-производителю – беспроигрышное решение. Не откладывая обращайтесь по телефонам: +375(29)357-90-02 и +375(29)771-90-02.

теплопроводности и плотности, гигроскопичности и толщины Сопротивление теплопередаче утеплителей таблица

Мы живем далеко не в самой жаркой стране на Земле, а значит, свои жилища вынуждены обогревать, по крайней мере, большую часть года. Этим и объясняется такой высокий спрос на .

Из всех материалов, использующихся для утепления жилых и прочих объектов, особо популярными являются сейчас пенополиуретан, пенополистирол и минеральная вата. Поговорим о двух последних из них.

Минеральная вата

Минеральной ватой называется материал, основой которого является базальтовое волокно.

Применяться минеральная вата может не везде, так как имеет нижний температурный предел. К примеру, этот не может быть использован в холодильной камере.

Под воздействием низких температур минеральная вата становится хрупкой и деформируется, что недопустимо для утеплителя. Здесь, как показывает сравнение утеплителей по теплопроводности, преимущество на стороне пенополистирола, у которого нет нижнего температурного предела.

Что касается верхней температурной границы, тут все зависит от механических нагрузок во время воздействия высокой температуры и длительности этого воздействия. Если вам интересна теплопроводность утеплителей, таблица, которая есть на нашем сайте, поможет в получении информации об этом. В частности там приведен коэффициент теплопроводности минеральной ваты.

Минеральная вата пропускает пар и влагу. Это заметно снижает ее теплоизолирующие свойства. Также скопление влаги способствует развитию плесени и грибка, в утеплителе начинают селиться грызуны, заводятся гнилостные бактерии и пр.

Еще утеплитель из минеральной ваты гигроскопичен, из-за чего необходимо возводить вентилируемые стены и кровлю. Это в ряде случаев приводит к большому расходу денежных средств.

Утеплитель из минеральной ваты тяжелее своего аналога из в 1,5-3 раза. Отсюда более высокая стоимость его транспортировки. Также минус в том, что такой утеплитель может быть использован лишь тогда, когда фундамент сооружения, которое утепляется с его помощью, достаточно прочен. Разумеется, труднее производить погрузочно-разгрузочные и строительно-монтажные работы с использованием утеплителя большой массы.

Пенополистирол

По сравнению с вышеописанным утеплителем, утеплитель из пенополистирола имеет лучшие характеристики. Теплоизоляционные свойства этого материала высоки, в результате чего, применение его становится экономически выгодным.

Утеплитель из пенополистирола помимо хороших теплоизоляционных свойств, хорошо поглощает шум, противостоит бактериям и грибкам. Также этот материал устойчив к воздействию растворов спиртов, кислот и щелочей. Коэффициент теплопроводности пенополистирола и прочие его характеристики можно узнать, изучив «теплопроводность утеплителей таблица» на нашем ресурсе.

Одно из главных достоинств пенополистирола заключается в его способности выдерживать достаточно большую механическую нагрузку при минимальном значении плотности.

Нужно выделить преимущество пенополистирола перед минеральной ватой. Так как он имеет небольшую среднюю плотность, то не изменяет практически нагрузку на фундамент и несущие конструкции.

Сравнение утеплителей по теплопроводности показывает, что в зависимости от плотности коэффициент теплопроводности минеральной ваты – 0,048-0,07; – 0,038-0,05.

Другие свойства описываемых утеплителей

Утеплители из минеральной ваты не могут воспламеняться. Огнестойкость этих материалов определяется не только тем, каковы свойства материала, но и тем, в каких условиях они используются.

На степень огнестойкости большое влияние оказывает то, с какими материалами комбинируются утеплители. Также играет роль способ расположения защитных и покровных слоев.

Что касается пенополистирола, он относится к самозатухающим материалам. Поэтому стены, отделанные им, воспламеняются не так быстро. А если это все-таки происходит, пламя по их поверхности распространяется также медленнее, чем в случае с другими утеплителями.

Когда горит утеплитель из пенополистирола, тепла выделяется примерно 1000 МДж/м3, что в 7-8 раз меньше, чем при горении сухого дерева. Время самостоятельного горения пенополистирола – не больше секунды.

Минеральная вата относится к негорючим веществам. Поэтому воспламеняемость поверхностей, облицованных ей, равно как и распространяемость пламени по ним, минимальна. Так как основа этого утеплителя – базальт – является натуральным камнем, минеральная вата способна выдерживать температуру – до 1000 °C, а распространению огня способна противостоять – до трех часов.

Первый вопрос, который возникает, у того, кто решил построить собственный дом, – какой использовать для этого материал. От этого зависит выбор фундамента, в свою очередь,…

Пенополистирольные плиты, именуемые в просторечье пенопласт – это изоляционный материал, как правило, белого цвета. Изготавливают его из полистирола термального вспучивания. На вид пенопласт представлен в…

Сегодня производители теплоизоляционных материалов предлагают застройщикам действительно огромный выбор материалов. При этом каждый уверяет нас, что именно его утеплитель идеально подходит для утепления дома. Из-за такого разнообразия стройматериалов, принять правильное решение в пользу определенного материала действительно довольно сложно. Мы решили в данной статье сравнить утеплители по теплопроводности и другим, не менее важным характеристикам.

Стоит сначала рассказать об основных характеристиках теплоизоляции, на которые необходимо обращать внимание при покупке. Сравнение утеплителей по характеристикам следует делать, держа в уме их назначение. Например, несмотря на то, что экструзия XPS прочнее минваты, но вблизи открытого огня или при высокой температуре эксплуатации, стоит купить огнестойкий утеплитель для своей же безопасности.

Сравнение утеплителей по характеристикам

Теплопроводность . Чем ниже данный показатель у материала, тем меньше потребуется укладывать слой утеплителя, а значит, расходы на закупку материалов сократятся (в том случае если стоимость материалов находится в одном ценовом диапазоне). Чем тоньше слой утеплителя, тем меньше будет «съедаться» пространство.

Влагопроницаемость . Низкая влаго- и паропроницаемость увеличивает срок использования теплоизоляции и снижает отрицательное воздействие влаги на теплопроводность утеплителя при последующей эксплуатации, но при этом увеличивается риск появления конденсата на конструкции при плохой вентиляции.

Пожаробезопасность . Если утеплитель используется в бане или в котельной, то материал не должен поддерживать горение, а наоборот должен выдерживать высокие температуры. Но если вы утепляете ленточный фундамент или отмостку дома, то на первый план выходят характеристики влагостойкости и прочности.

Экономичность и простота монтажа . Утеплитель должен быть доступным по стоимости, иначе утеплять дом будет просто нецелесообразно. Также важно, чтобы утеплить кирпичный фасад дома можно было бы своими силами, не прибегая к помощи специалистов или, используя дорогостоящее оборудование для монтажа.

Экологичность . Все материалы для строительства должны быть безопасными для человека и окружающей природы. Не забудем упомянуть и про хорошую звукоизоляцию, что очень важно для городов, где важно защитить свое жилье от шума с улицы.

Сравнение утеплителей по теплопроводности

Какие характеристики важны при выборе утеплителя? На что обратить внимание и спросить у продавца? Только ли теплопроводность имеет решающее значение при покупке утеплителя, или есть другие параметры, которые стоит учесть? И еще куча подобных вопросов приходит на ум застройщику, когда приходит время выбирать утеплитель. Обратим внимание в обзоре на наиболее популярные виды теплоизоляции.

Пенопласт (пенополистирол)

Пенопласт – самый популярный сегодня утеплитель, благодаря легкости монтажа и низкой стоимости. Изготавливается он методом вспенивания полистирола, имеет низкую теплопроводность, легко режется и удобен при монтаже. Однако материал хрупкий и пожароопасен, при горении пенопласт выделяет вредные, токсичные вещества. Пенополистирол предпочтительно использовать в нежилых помещениях.

Экструдированный пенополистирол

Экструзия не подвержена влаге и гниению, это очень прочный и удобный в монтаже утеплитель. Плиты Техноплекса имеют высокую прочность и сопротивление сжатию, не подвергаются разложению. Благодаря своим техническим характеристикам техноплекс используют для утепления отмостки и фундамента зданий. Экструдированный пенополистирол долговечен и прост в применении.

Базальтовая (минеральная) вата

Производится утеплитель из горных пород, путем их плавления и раздува для получения волокнистой структуры. Базальтовая вата Роклайт выдерживает высокие температуры, не горит и не слеживается со временем. Материал экологичен, имеет хорошую звукоизоляцию и теплоизоляцию. Производители рекомендуют использовать минеральную вату для утепления мансарды и других жилых помещений.

Стекловолокно (стекловата)

При слове стекловата у многих появляется ассоциация с советским материалом, однако современные материалы на основе стекловолокна не вызывают раздражения на коже. Общим недостатком минеральной ваты и стекловолокна является низкая влагостойкость, что требует устройства надежной влаго- и пароизоляции при монтаже утеплителя. Материал не рекомендуется использовать во влажных помещениях.

Вспененный полиэтилен

Этот рулонный утеплитель имеет пористую структуру, различную толщину часто производится с нанесением дополнительного слоя фольги для отражающего эффекта. Изолон и пенофол имеет толщину в 10 раз тоньше традиционных утеплителей, но сохраняет до 97% тепла. Материал не пропускает влагу, имеет низкую теплопроводность благодаря своей пористой структуре и не выделяет вредных веществ.

Напыляемая теплоизоляция

К напыляемой теплоизоляции относится ППУ (пенополиуретан) и Экотермикс. К главным недостаткам данных утеплителей относится необходимость наличия специального оборудования, для их нанесения. При этом напыляемая теплоизоляция создает на конструкции прочное, сплошное покрытие без мостиков холода, при этом конструкция будет защищена от влаги, так как ППУ влагонепроницаемый материал.

Сравнение утеплителей. Таблица теплопроводности

Полную картину о том, какой следует использовать утеплитель в том или ином случае, дает таблица теплопроводности теплоизоляции. Вам остается только соотнести данные из этой таблицы со стоимостью утеплителя у разных производителей и поставщиков, а также рассмотреть возможность его использования в конкретных условиях (утепление кровли дома, ленточного фундамента, котельной, печной трубы и т.д.).

Сравнение утеплителей по теплопроводности

Сравнение утеплителей по теплопроводности. Мы решили в данной статье сравнить утеплители в таблице по теплопроводности и другим важным характеристикам.

Сравнение теплопроводности строительных материалов по толщине

В продаже доступно много строительных материалов, использующихся для повышения свойств сооружения сохранять тепло – утеплителей. В конструкции дома он может применяться практически в каждой ее части: от фундамента и до чердака. Далее пойдет речь об основных свойствах материалов, способных обеспечить необходимый уровень теплопроводности объектов различного назначения, а также будет приведено их сравнение, в чем поможет таблица.

Основные характеристики утеплителей

При выборе утеплителей нужно обращать внимание на разные факторы: тип сооружения, наличие воздействия высоких температур, открытого огня, характерный уровень влажности. Только после определения условий использования, а также уровня теплопроводности применяемых материалов для сооружения определенной части конструкции, нужно смотреть на характеристики конкретного утеплителя:

Теплопроводность. От этого показателя напрямую зависит качество проведенного утеплительного процесса, а также необходимое количество материала для обеспечения желаемого результата. Чем ниже теплопроводность, тем эффективнее использование утеплителя.
Влагопоглощение. Показатель особо важен при утеплении внешних частей конструкции, на которые может периодически воздействовать влага. К примеру, при утеплении фундамента в грунтах с высокими водами или повышенным уровнем содержания воды в своей структуре.
Толщина. Применение тонких утеплителей позволяет сохранить внутреннее пространство жилого сооружения, а также напрямую влияет на качество утепления.
Горючесть. Это свойство материалов особенно важно при использовании для понижения теплопроводной способности наземных частей сооружения жилых домов, а также зданий специального назначения. Качественная продукция отличается способностью к самозатуханию, не выделяет при воспламенении ядовитых веществ.
Термоустойчивость. Материал должен выдерживать критические температуры. К примеру, низкие температуры при наружном использовании.
Экологичность. Нужно прибегать к использованию материалов безопасных для человека. Требования к этому фактору может изменяться в зависимости от будущего назначения сооружения.
Звукоизоляция. Это дополнительное свойство утеплителей в некоторых ситуациях позволяет добиться хорошего уровня защиты помещения от шума, а также посторонних звуков.

Когда используется при сооружении определенной части конструкции материал с низкой теплопроводностью, то можно покупать самый дешевый утеплитель (если это позволят предварительные расчеты).

Важность конкретной характеристики напрямую зависит от условий использования и выделенного бюджета.

Сравнение популярных утеплителей

Давайте рассмотрим несколько материалов, применяемых для повышения энергоэффективности сооружений:

Минеральная вата. Производится из естественных материалов. Устойчива к огню и отличается экологичностью, а также низкой теплопроводностью. Но невозможность противостоять воздействию воды сокращает возможности использования.
Пенопласт. Легкий материал с отличными утеплительными свойствами. Доступный, легко устанавливается и влагоустойчив. Недостатки: хорошая воспламеняемость и выделение вредных веществ при горении. Рекомендуется его использовать в нежилых помещениях.
Бальзовая вата. Материал практически идентичный минвате, только отличается улучшенными показателями устойчивости к влаге. При изготовлении его не уплотняют, что значительно продлевает срок службы.
Пеноплэкс. Утеплитель хорошо противостоит влаге, высоким температурам, огню, гниению, разложению. Отличается отличными показателями теплопроводности, прост в монтаже и долговечен. Можно использовать в местах с максимальными требованиями способности материала противостоять различным воздействиям.
Пенофол. Многослойный утеплитель естественного происхождения. Состоит из полиэтилена, предварительно вспененного перед производством. Может иметь различные показатели пористости и ширины. Часто поверхность покрыта фольгой, благодаря чему достигается отражающие эффект. Отличается легкостью, простотой монтажа, высокой энергоэффективностью, влагостойкостью, небольшим весом.

Коэффициент теплопроводности размерность

Выбирая материал для использования в непосредственной близости с человеком, необходимо особое внимание уделять его характеристикам экологичности и пожаробезопасности. Также в некоторых ситуациях рационально покупать более дорой утеплитель, который будет обладать дополнительными свойствами влагозащиты или звукоизоляции, что в окончательном счете позволяет сэкономить.

Сравнение с помощью таблицы

Показатель теплопроводных свойств является основным критерием при выборе утеплительного материала. Остается только сравнить ценовые политики разных поставщиков и определить необходимое количество.

Утеплитель – один из основных способов получить сооружение с необходимой энергоэффективностью. Перед его окончательным выбором точно определите условия использования и, вооружившись приведенной таблицей, совершите правильный выбор.

Сравнение утеплителей по теплопроводности и по плотности материалов

Сравнение разных видов утеплителей

В прошлый раз мы определили самый дешевый утеплитель . Сегодня мы проведем сравнение утеплителей. Таблицу с общими характеристиками вы можете найти в итогах статьи. Мы выбрали самые популярные материалы, среди которых минвата, ППУ, пеноизол, пенопласт и эковата. Как видите, это универсальные утеплители с широким спектром применения.

Сравнение теплопроводности утеплителей

Чем выше теплопроводность, тем хуже материал работает как утеплитель.

Мы начинаем сравнение утеплителей по теплопроводности неспроста, так как это, несомненно, самая важная характеристика. Она показывает, сколько тепла пропускает материал не за определенный промежуток времени, а постоянно. Теплопроводность выражается коэффициентом и исчисляется в ваттах на метр квадратный. Например, коэффициент 0,05 Вт/м*К указывает, что на квадратном метре постоянные теплопотери составляют 0,05 Ватта. Чем выше коэффициент, тем лучше материал проводит тепло, соответственно, как утеплитель он работает хуже.

Ниже представлена таблица сравнения популярных утеплителей по теплопроводности:

Изучив вышеуказанные виды утеплителей и их характеристики можно сделать вывод, что при равной толщине самая эффективная теплоизоляция среди всех – это жидкий двухкомпонентный пенополиуретан (ППУ).

Толщина теплоизоляции имеет архиважное значение, она должна рассчитываться для каждого случая индивидуально. На результат влияет регион, материал и толщина стен, наличие воздушных буферных зон.

Сравнительные характеристики утеплителей показывают, что на теплопроводность влияет плотность материала, особенно для минеральной ваты. Чем выше плотность, тем меньше воздуха в структуре утеплителя. Как известно, воздух имеет низкий коэффициент теплопроводности, который составляет менее 0,022 Вт/м*К. Исходя из этого, при увеличении плотности растет и коэффициент теплопроводности, что негативно отражается на способности материала удерживать тепло.

Сравнение паропроницаемости утеплителей

Высокая паропроницаемость=отсутствие конденсата.

Паропроницаемость – это способность материала пропускать воздух, а вместе с ним и пар. То есть теплоизоляция может дышать. На этой характеристике утеплителей для дома последнее время производители акцентируют много внимания. На самом деле высокая паропроницаемость нужна только при утеплении деревянного дома . Во всех остальных случаях данный критерий не является категорически важным.

Сравнение утеплителей для стен показало, что самой высокой степенью паропроницаемости обладают натуральные материалы, в то время как у полимерных утеплителей коэффициент крайне низок. Это свидетельствует о том, что такие материалы как ППУ и пенопласт обладают способностью задерживать пар, то есть выполняют функцию пароизоляции . Пеноизол – это тоже своего рода полимер, который изготавливается из смол. Его отличие от ППУ и пенопласта заключается в структуре ячеек, которые открытие. Иными словами, это материал с открытоячеистой структурой. Способность теплоизоляции пропускать пар тесно связан со следующей характеристикой – поглощение влаги.

На сегодняшний день газовое автономное отопление загородного дома – это самый дешевый вариант обогрева жилья.

Обзор гигроскопичности теплоизоляции

Высокая гигроскопичность – это недостаток, который нужно устранять.

Гигроскопичность – способность материала впитывать влагу, измеряется в процентах от собственного веса утеплителя. Гигроскопичность можно назвать слабой стороной теплоизоляции и чем выше это значение, тем серьезнее потребуются меры для ее нейтрализации. Дело в том, что вода, попадая в структуру материала, снижает эффективность утеплителя. Сравнение гигроскопичности самых распространенных теплоизоляционных материалов в гражданской строительстве:

Сравнение гигроскопичности утеплителей для дома показало высокое влагопоглощение пеноизола, при этом данная теплоизоляция обладает способностью распределять и выводить влагу. Благодаря этому, даже намокнув на 30%, коэффициент теплопроводности не уменьшается. Несмотря на то, что у минеральной ваты процент поглощения влаги низкий, она особенно нуждается в защите. Напитав воды, она удерживает ее, не давая выходить наружу. При этом способность предотвращать теплопотери катастрофически снижается.

Чтобы исключить попадание влаги в минвату используют пароизоляционные пленки и диффузионные мембраны. В основном полимеры устойчивы к длительному воздействию влаги, за исключением обычного пенополистирола, он быстро разрушается. В любом случае вода ни одному теплоизоляционному материалу на пользу не пошла, поэтому крайне важно исключить или минимизировать их контакт.

Организовать автономное газовое отопление в квартире возможно только при наличии всех разрешительных документов (список довольно внушающий).

Окупаемость альтернативного отопление частного дома водородом порядка 35 лет.

Монтаж и эффективность в эксплуатации

Монтаж ППУ – быстро и легко.

Сравнение характеристик утеплителей должно осуществляться с учетом монтажа, ведь это тоже важно. Легче всего работать с жидкой теплоизоляцией, такой как ППУ и пеноизол, но для этого требуется специальное оборудование. Также не составляет труда укладка эковаты (целлюлозы) на горизонтальные поверхности, например, при утеплении пола или чердачного перекрытия. Для напыления эковаты на стены мокрым методом также нужны специальные приспособления.

Пенопласт укладывается как по обрешетке, так и сразу на рабочую поверхность. В принципе, это касается и плит из каменной ваты. Причем укладывать плитные утеплители можно и на вертикальные, и на горизонтальные поверхности (под стяжку в том числе). Мягкую стекловату в рулонах укладывают только по обрешетке.

В процессе эксплуатации теплоизоляционный слой может претерпевать некоторых нежелательных изменений:

напитать влагу;
дать усадку;
стать домом для мышей;
разрушиться от воздействия ИК лучей, воды, растворителей и прочее.

Кроме всего вышеуказанного, важное значение имеет пожаробезопасность теплоизоляции. Сравнение утеплителей, таблица группы горючести:

Сегодня мы провели обзор утеплителей для дома, которые используются чаще всего. По результатам сравнения разных характеристик мы получили данные касательно теплопроводности, паропроницаемости, гигроскопичности и степени горючести каждого из утеплителей. В

Помимо этих характеристик, мы определили, что легче всего работать с жидкими утеплителями и эковатой. ППУ, пеноизол и эковата (монтаж мокрым методом) просто напыляются на рабочую поверхность. Сухая эковата засыпается вручную.

Таблица сравнения утеплителей для дома по теплопроводности

Таблица сравнения характеристик утеплителей для дома по теплопроводности. Обзор самых популярных видов теплоизоляционных материалов для стен по эффективности.

Таблица теплопроводности утеплителей и других материалов

Чтобы зимой наслаждаться теплотой и уютом в своем дома, нужно заранее позаботиться об его теплоизоляции. Сегодня сделать это совершенно несложно, ведь на строительном рынке имеется широкий ассортимент утеплителей. Каждый из них имеет свои минусы и плюсы, подходит для утепления при определенных условиях эксплуатации. При выборе материала очень важным остается такой критерий, как теплопроводность.

Что такое теплопроводность

Это процесс отдачи тепловой энергии с целью получения теплового равновесия. Температурный режим должен быть выровнен, главным остается скорость, с которой будет осуществлена эта задача. Если рассмотреть теплопроводность по отношению к дому, то чем дольше происходит процесс выравнивания температур воздуха в доме и на улице, то тем лучше. Говоря простыми словами, теплопроводность – это показатель, по которому можно понять, как быстро остывают стены в доме.

Этот критерий представлен в числовом значении и характеризуется коэффициентом тепловой проводимости. Благодаря ему можно узнать какое количество тепловой энергии за единицу времени сможет пройти через единицу поверхности. Чем выше значение теплопроводности у утеплителя, тем он быстрее проводит тепловую энергию.

Чем ниже значение коэффициента проводимости тепла, тем дольше материал сможет удерживать тепло в зимние дни, а прохладу в летние. Но имеется ряд других факторов, которые также нужно принимать во внимание при выборе изолирующего материала.

Пенополистирол

Этот теплоизолятор один из самых востребованных. А связано это с его низкой проводимостью тепла, невысокой стоимостью и простотой монтажа. На полках магазинов материал представлен в плитах, толщина которых 20-150 мм. Получают путем вспенивание полистирола. Полученные ячейки заполняют воздухом. Для пенопласта характерна разная плотность, низкая проводимость тепла и стойкость к влаге.

На фото – пенополистирол

Так как пенополистирол стоит недорого, он имеет широкую популярность среди многих застройщиков для утепления различных домов и построек. Но есть у пенопласта свои недостатки. Он является очень хрупким и быстро воспламеняется, а при горении выделяет в окружающую среду вредные токсины. По этой причине применять пенопласт лучше для утепления нежилых домов и ненагружаемых конструкций.

Экструдированный пенополистирол

Этот материал не боится влияния влаги и гниению. Он прочный и удобный в плане монтажа. Легко поддается механической обработке. Имеет низкий уровень водоплоглощения, поэтому при повышенной влажности экструдированный пенополистирол сохраняет свои свойства. Утеплитель относится к пожаробезопасным материалам, он имеет продолжительный срок службы и простоту монтажа.

На фото – экструдированный пенополистирол

Представленные характеристики и низкая проводимость тепла позволят назвать экструдированный пенополистирол самым лучшим утеплителем для ленточных фундаментов и отмосток. При установке лист с толщиной 50 мм можно заменить пеноблок с толщиной 60 мм по проводимости тепла. При этом утеплитель не пропускает вод, так что не нужно заботиться про вспомогательную гидроизоляцию.

Минеральная вата

Минвата – это утеплитель, который можно отнести к природным и экологически чистым. Минеральная вата обладает низким коэффициентом проводимости тепла и совершенно не поддается влиянию огня. Производится утеплитель в виде плит и рулонов, каждый из которых имеет свои показатели жесткости.

На фото – минеральная вата

Если нужно изолировать горизонтальную поверхностность, то стоит задействовать плотные маты, а для вертикальных – жесткие и полужесткие плиты. Что касается минусов, то минвата имеет низкую стойкость к влаге, так что при ее монтаже необходимо позаботиться про влаго-и пароизоляцию. Применять минвату не стоит для обустройства подвала, погреба, парилки в бане. Хотя если грамотно выложить гидроизоляционный слой, то минвата будет служить долго и качественно. А вот какова теплопроводность минваты, поможет понять информация из статьи.

Базальтовая вата

Этот утеплитель получают методом расплавления базальтовых горных пород с добавлением вспомогательных составляющих. В результате получается материал, имеющий волокнистую структуру и отличные водоотталкивающие свойства. Утеплитель не воспламеняется и совершенно безопасен для здоровья. Кроме этого, у базальта отличные показатели для качественной изоляции звука и тепла. Применять можно для утепления как снаружи, так и внутри дома.

На фото – базальтовая вата для утепления

При установке базальтовой ваты необходимо надевать средства защиты. Сюда относят перчатки, респиратор и очки. Это позволит защитить слизистые оболочки от попадания осколков ваты. При выборе базальтовой ваты сегодня большой популярностью пользуется марка Rockwool.

В ходе эксплуатации материала можно не переживать, что плиты будут уплотняться или слеживаться. А это говорит о прекрасных свойствам низкой теплопроводности, которые со временем не меняются.

Этот утеплитель производится в виде рулонов, толщина которых 2-10 мм. В основе материала положен вспененный полиэтилен. В продаже можно встретить теплоизолятор, на одной стороне которого имеется фольга для образования отражающего фона. Толщина материала в несколько раз меньше представленных ранее материалов, но при этом это совершенно не влияет на теплопроводность. Он способен отражать до 97% тепла. Вспененные полиэтилен может похвастаться продолжительным сроком службы и экологической чистотой.

На фото- утеплитель Пенофол:

Изолон совершенно легкий, тонкий и удобный в плане установки. Применяют рулонный теплоизолятор при обустройстве влажных комнат, куда можно отнести подвал, балкон. Кроме этого, применения утеплителя позволит сохранить полезную площадь помещения, если устанавливать его внутри дома.

Таблица теплопроводности материалов и утеплителей, сравнение

Таблица теплопроводности материалов и утеплителей. Сравнение утеплителей по теплопроводности. Сравнительная таблица теплопроводности материалов.

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Войлок шерстяной	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3	0,035	0,041	0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3	0,037	0,043	0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3	0,038	0,045	0,048
Стекловата 15 кг/м3	0,046	0,049	0,055
Стекловата 17 кг/м3	0,044	0,047	0,053
Стекловата 20 кг/м3	0,04	0,043	0,048
Стекловата 30 кг/м3	0,04	0,042	0,046
Стекловата 35 кг/м3	0,039	0,041	0,046
Стекловата 45 кг/м3	0,039	0,041	0,045
Стекловата 60 кг/м3	0,038	0,040	0,045
Стекловата 75 кг/м3	0,04	0,042	0,047
Стекловата 85 кг/м3	0,044	0,046	0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)	0,029	0,030	0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3	0,11	0,14	0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3	0,13	0,22	0,28
Пеностекло, крошка, 100 – 150 кг/м3	0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 – 200 кг/м3	0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 – 250 кг/м3	0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 – 400 кг/м3	0,085-0,1
Пеноблок 100 – 120 кг/м3	0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3	0,05-0,062
Пеноблок 171 – 220 кг/м3	0,057-0,063
Пеноблок 221 – 270 кг/м3	0,073
Эковата	0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3	0,029	0,031	0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3	0,035	0,036	0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3	0,041	0,042	0,04
Пенополиэтилен сшитый	0,031-0,038
Вакуум	0
Воздух +27°C. 1 атм	0,026
Ксенон	0,0057
Аргон	0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)	0,014-0,021
Шлаковата	0,05
Вермикулит	0,064-0,074
Вспененный каучук	0,033
Пробка листы 220 кг/м3	0,035
Пробка листы 260 кг/м3	0,05
Базальтовые маты, холсты	0,03-0,04
Пакля	0,05
Перлит, 200 кг/м3	0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3	0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3	0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3	0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3	0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3	0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3	0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3	0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Название материала, плотность	Коэффициент теплопроводности
	в сухом состоянии	при нормальной влажности	при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор)	0,58	0,76	0,93
Известково-песчаный раствор	0,47	0,7	0,81
Гипсовая штукатурка	0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3	0,21	0,33	0,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3	0,29	0,38	0,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3	0,23	0,39	0,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3	0,31	0,48	0,55
Оконное стекло	0,76
Арболит	0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3	1,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3	0,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3	0,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3	0,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3	0,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3	0,3-0,7
Керамическийй блок поризованный	0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3	0,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м3	0,14
Керамзитобетон, 600 кг/м3	0,16
Керамзитобетон, 800 кг/м3	0,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м3	0,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м3	0,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м3	0,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м3	0,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м3	0,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР	0,56	0,7	0,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)	0,35	0,47	0,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)	0,41	0,52	0,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)	0,47	0,58	0,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)	0,7	0,76	0,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот	0,64	0,7	0,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот	0,52	0,64	0,76
Известняк 1400 кг/м3	0,49	0,56	0,58
Известняк 1+600 кг/м3	0,58	0,73	0,81
Известняк 1800 кг/м3	0,7	0,93	1,05
Известняк 2000 кг/м3	0,93	1,16	1,28
Песок строительный, 1600 кг/м3	0,35
Гранит	3,49
Мрамор	2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м3	0,1	0,11	0,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м3	0,108	0,12	0,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м3	0,115-0,12	0,125	0,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м3	0,12	0,13	0,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м3	0,13	0,14	0,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м3	0,14	0,15	0,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м3	0,14	0,17	0,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м3	0,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3	0,35	0,50	0,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3	0,23	0,35	0,41
Глина, 1600-2900 кг/м3	0,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3	1,4
Керамзит, 200-800 кг/м3	0,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3	0,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3	0,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3	0,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 – 2000 кг/м3	0,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3	0,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3	1,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м3	0,15	0,19	0,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3	0,15	0,34	0,36
Фанера клеенная	0,12	0,15	0,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м3	0,06	0,07	0,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м3	0,08	0,11	0,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м3	0,11	0,13	0,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м3	0,13	0,19	0,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3	0,15	0,23	0,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3	0,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3	0,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3	0,2	0,29	0,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3	0,29	0,35	0,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3	0,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3	0,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м3	0,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3	0,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3	0,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3	0,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м3	0,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м3	1,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м3	0,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3	0,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3	0,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3	1,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Наименование	Коэффициент теплопроводности
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон	0,09	0,14	0,18
Сосна, ель вдоль волокон	0,18	0,29	0,35
Дуб вдоль волокон	0,23	0,35	0,41
Дуб поперек волокон	0,10	0,18	0,23
Пробковое дерево	0,035
Береза	0,15
Кедр	0,095
Каучук натуральный	0,18
Клен	0,19
Липа (15% влажности)	0,15
Лиственница	0,13
Опилки	0,07-0,093
Пакля	0,05
Паркет дубовый	0,42
Паркет штучный	0,23
Паркет щитовой	0,17
Пихта	0,1-0,26
Тополь	0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Название	Коэффициент теплопроводности	Название	Коэффициент теплопроводности
Бронза	22-105	Алюминий	202-236
Медь	282-390	Латунь	97-111
Серебро	429	Железо	92
Олово	67	Сталь	47
Золото	318

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Да, в нашей стране, в отличие от стран с жарким климатом, бывают лютые зимы. Именно поэтому нужно строиться из теплых материалов с использованием специальных утеплителей. В ином случае все дорогое тепло от котлов и печей будет уходить через стены и другие перекрытия.

Нам нужно точно знать, какие из современных популярных материалов для утепления наиболее эффективны.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность можно описать как процесс передачи тепловой энергии до наступления теплового равновесия. Температура, так или иначе, будет выровнена, вопрос только в скорости этого процесса. Если применить это понятие к дому, то ясно, что чем дольше температура внутри здания выравнивается с наружной, тем лучше. Проще говоря, насколько быстро дом остывает это вопрос того, какая теплопроводность его стен.

В числовой форме этот показатель характеризуется коэффициентом теплопроводности . Он показывает, сколько тепла за единицу времени проходит через единицу поверхности. Чем выше этот коэффициент у материала, тем быстрее он проводит тепло.

Теплопроводность утеплителей – это наиболее информативный показатель, и чем он ниже, тем материал эффективнее он сохраняет тепло (или прохладу в жаркие дни). Но существуют и другие показатели, которые влияют на выбор утеплителя.

Таблица теплопроводности утеплителей

В таблице указаны данные по наиболее широко применяемым утеплителям, которые используют в частном строительстве: минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана и пенопласта. Также приведены сравнительные данные по другим видам.

Таблица теплопроводности утеплителей

Сравнение «+» и «-» поможет определить, какой утеплитель выбрать для конкретных целей.

Полезные показатели утеплителей

На какие основные показатели нужно обратить внимание при выборе утеплителя:

Кто на свете всех теплей?

Цель такого тщательного изучения утеплителей одна – узнать, какой из них лучше всех. Однако, это палка о двух концах, ведь материалы с высокой термоизоляцией могут иметь другие нежелательные характеристики.

Пенополиуретан или экструдированный пенополистирол

Нетрудно определить по таблице, что чемпион по теплоизоляции – это пенополиуретан . Но и цена его гораздо выше, нежели у полистирола или пенопласта. Все потому что он обладает двумя наиболее востребованными в строительстве качествами: негорючесть и водоотталкивающие свойства. Его трудно поджечь, поэтому пожарная безопасность такого утепления высока, к тому же он не боится намокнуть.

Но у пенополиуретана появилась настоящая альтернатива – экструдированный пенополистирол. По сути это тот же пенопласт, но прошедший дополнительную обработку – экструдировку, которая улучшила его. Это материал с равномерной структурой и замкнутыми ячейками, который представлен в виде листов разной толщины. От обычного пенопласта его отличает усиленная прочность и способность выдерживать механическое давление. Именно поэтому его можно назвать достойным конкурентом пенополиуретану. Единственный недостаток монтажа отдельных плит – швы, которые успешно заделываются монтажной пеной.

А уж чем вам удобнее пользоваться – жидким утеплителем из баллончика или плитами, выбирать только вам. Но помните, что эти материалы не «дышат» и могут образовывать эффект запотевших окон, так что все утепление может уйти из форточки во время проветривания. Поэтому утеплять такими материалами нужно разумно.

Минеральная вата или пенопласт

Если сравнивать минеральную вату и пенопласт, то их теплопроводность находится на одном уровне ≈ 0,5. Поэтому выбирая между этими материалами, неплохо было бы оценить и другие качества, такие как водопроницаемость. Так, монтаж ваты в местах с возможным намоканием нежелательна, поскольку она теряет свойства теплоизоляции на 50% при намокании на 20%. С другой стороны, вата «дышит» и пропускает пар, так что не будет образовываться конденсата . В доме, который утеплен ватой из базальтового волокна, не будут запотевать окна. И вата, в отличие от пенопласта, не горит.

Другие утеплители

Весьма популярны сейчас эко-материалы, такие как опилки, которые смешивают с глиной и используют для стен. Однако, такой приятный по цене материал как опилки, имеет много недостатков: горит, намокает и гниет. Не говоря уже о том, что набирая влагу, опилки теряют теплоизоляционные свойства.

Также набирает популярности дешевое и экологичное пеностекло, которое можно применять только без нагрузок, поскольку он весьма хрупок.

Выбирая утеплитель

Цены на энергоносители растут, и вместе с тем растет популярность на утеплители. В нашей статье представлена таблица теплопроводности материалов для утепления и сравнительный анализ популярных видов утеплителей. Главное, что хотелось бы отметить – хорошие показатели вы получите, приобретая только качественный сертифицированный продукт. Выбор теплоизоляционных материалов на рынке весьма широк и один вид утеплителя предлагается более чем пятью производителями. Много из них могут вас огорчить своим качеством, поэтому ориентируйтесь на отзывы тех, кто испытал конкретные торговые марки на «своей шкуре».

Сегодня в данной статье мы рассмотрим актуальный в наше время вопрос о сроке службы утеплителей в таблице.

Как правило, дома, здания и другие сооружения утепляются на длительное время, поэтому и материалы нужны как можно надежнее и качественнее.Многие считают, что различного рода утеплители не служат более 30 лет. С учетом того, что стена, которая утепляется, стоит около 100 лет, приходим к выводу, что за это время процедуру необходимо проделать 2-3 раза. Если посчитать стоимость такого обновления, то она может далеко не порадовать.

Как и во всем, считается, что срок службы утеплителя зависит от его стоимости и качества. Производители недорогого вещества утверждают, что он может прослужить как минимум 50 лет. На практике эта цифра ничем не подтверждается, поэтому в сносках они пишут, что на сегодня нет стандартного времени эксплуатации утеплителей.

Кроме того, важно то, из чего сделан материал. Эксперты подтверждают, что искусственные волокна не могут дать гарантии более чем на 35 лет.За это время они усыхают и разрушаются. Но самое главное, что они теряют половину своих теплосберегающих свойств.

В то время как натуральные волокна не теряют своих первоначальных качеств и могут служить более длительный период.Согласно нормативным рекомендациям, после завершения строительства каждый дом должен подвергаться энергетическому аудиту. Такие проверки должны проводиться раз в 25 лет, чтобы можно было оценить уровень теплосберегающих свойств на данный момент. Но так как узнать точные цифры вследствие проверки нам не удается, мы пользуемся данными, которые приходят к нам из Европы.

Сравнительные характеристики сроков службы утеплителей таблица

Существует множество видов утеплителей, но сегодня мы подробно рассмотрим самые бюджетные и надежные варианты. К ним относятся:

Минеральная вата.Базальная вата.Пенопласт.

НаименованиеСрок службыМинеральная вата25-40 летБазальная вата40-50 летПенополистирол30-50 летПенополиуретан20-50 летПеностекло80-100 лет

Первый вид называется каменным.Он имеет достаточно высокий уровень качества, так как его производят из базальтового камня. Стоимость его значительно выше, но и качество, и период пригодности оправдывает ожидания.

Согласно статистике, больше всего в строительстве применяется минеральная вата.Продолжительность эксплуатации – около 50 лет. Но этот показатель все еще оспаривают, и он имеет несколько нюансов. На данный момент существует два вида минеральной ваты.

Второй является шлаковым. Это означает, что в него практически не может проникнуть вода, а сам материал достаточно плотный. Соответственно, он изготавливается из шлаков от металлургической промышленности.Он значительно уступает предыдущему и в цене, и в качестве, и в сроке службы.

К тому же, не стойкий к резким перепадам температуры и по истечении определенного времени может деформироваться. Но несмотря на это, его часто используют как оптимальный вариант в случае, если постройка будет временной или менее значимой.Безусловно, для сооружений более значительного масштаба рекомендуется использовать каменную вату. Пусть она и дороже, но, когда речь идет о безопасности и качестве, об экономии не может быть и речи.Стоит отметить, что данное вещество имеет два немаловажных преимущества:Негорючесть.Можно не беспокоиться о том, что материал не подвержен возгоранию от металлочерепицы, которая в сильную жару может нагреваться до высоких показателей.

А также другие воздействия высоких температур не станут угрозой для утеплителя, а соответственно и для вас.Паропроницаемость. Изовер обладает способностью «дышать», что также немаловажно.Материал без труда пропускает все пары через себя, но при этом они не скапливаются внутри. Это свойство делает минеральную вату экологически чистой, а в сочетании с теплоизоляцией это огромный плюс.

Кроме того, дополнительной обработки от конденсата не требуется.Базальная вата не уступает в продолжительности периода действия предыдущего вещества. Производители дают гарантию свыше 50 лет. Еще очень давно в строительстве стали использовать утеплитель, изготовленный из волокнистого материала.Но пик его эксплуатации приходится на последние пару десятилетий.

Это произошло благодаря интенсивному строительству загородных домов, а также повышению цен на отопление. Именно там материал пользуется огромной популярностью.Со временем качество базальной ваты значительно улучшилось. Теперь это экологически чистый и безопасный продукт.

Из основных плюсов можно выделить несколько аспектов:Пожаробезопасность. Материал без труда способен выдержать высокую температуру, не теряя при этом своих свойств.Низкая гидрофобность.Вещество отталкивает влагу, что заметно увеличивает срок эксплуатации утепления.Сжимаемость. Базальная вата является очень стойкой и не подвергается деформации.Химическая стойкость.

Гниение, грибок, грызуны, плесень и вредоносные микроорганизмы больше не станут угрозой для вашего жилья.Несмотря на стечение обстоятельств, материалы имеют отличное качество, не деформируются и не рассыпаются. Вещества используются повсеместно и имеют множество положительных отзывов. С таким утеплением ваши стены смогут простоять более 100 лет.

Срок службы пенопласта как утеплителя

Еще одним из часто используемых материалов для утепления является пенопласт. Принято считать, что срок годности пенополистирола достигает несколько десятков лет.

Производители дают гарантию на стойкость материала в течение 50 лет. Однако при правильной процедуре утепления этот срок может быть увеличен в два раза. Это одна из основных причин, по которым он так популярен.

Следует учитывать, что существует несколько видов утеплителей, изготовленных из пенопласта:

Полистирол. Материал, который делают в виде поролона. Подходит для защиты помещения с внутренней стороны.

Имеет очень высокие эксплуатационные характеристики.Поливинилхлоридные веществаявляются очень эластичными. Имеют очень высокий показатель стойкости.Пенополиуретан. Он считается выносливой теплоизоляцией, которая прослужит довольно долгое время, быстро застывает, образовывая очень крепкую защиту, способную выдержать множество внешних воздействий.

Исходя из вышеперечисленных материалов, можно сделать вывод, что срок службы пенопласта является очень долгим и полностью оправдывает ожидания.

Сегодня производители теплоизоляционных материалов предлагают застройщикам действительно огромный выбор материалов.

При этом каждый уверяет нас, что именно его утеплитель идеально подходит для утепления дома. Из-за такого разнообразия стройматериалов, принять правильное решение в пользу определенного материала действительно довольно сложно. Мы решили в данной статье сравнить утеплители по теплопроводности и другим, не менее важным характеристикам.

Стоит сначала рассказать об основных характеристиках теплоизоляции, на которые необходимо обращать внимание при покупке. Сравнение утеплителей по характеристикам следует делать, держа в уме их назначение. Например, несмотря на то, что экструзия XPSпрочнее минваты, но вблизи открытого огня или при высокой температуре эксплуатации, стоит купить огнестойкий утеплитель для своей же безопасности.

Сравнение утеплителей по характеристикам

Теплопроводность. Чем ниже данный показатель у материала, тем меньше потребуется укладывать слой утеплителя, а значит, расходы на закупку материалов сократятся (в том случае если стоимость материалов находится в одном ценовом диапазоне). Чем тоньше слой утеплителя, тем меньше будет «съедаться» пространство.

Теплопотери частного дома через конструкции

Влагопроницаемость. Низкая влаго- и паропроницаемость увеличивает срок использования теплоизоляции и снижает отрицательное воздействие влаги на теплопроводность утеплителя при последующей эксплуатации, но при этом увеличивается риск появления конденсата на конструкции при плохой вентиляции.

Пожаробезопасность. Если утеплитель используется в бане или в котельной, то материал не должен поддерживать горение, а наоборот должен выдерживать высокие температуры. Но если вы утепляете ленточный фундаментили отмостку дома, то на первый план выходят характеристики влагостойкости и прочности.

Экономичность и простота монтажа. Утеплитель должен быть доступным по стоимости, иначе утеплять дом будет просто нецелесообразно. Также важно, чтобы утеплить кирпичный фасад дома можно было бы своими силами, не прибегая к помощи специалистов или, используя дорогостоящее оборудование для монтажа.

Характеристики керамзита фракции 20-40 мм

Экологичность. Все материалы для строительства должны быть безопасными для человека и окружающей природы. Не забудем упомянуть и про хорошую звукоизоляцию, что очень важно для городов, где важно защитить свое жилье от шума с улицы.

Какие характеристики важны при выборе утеплителя? На что обратить внимание и спросить у продавца?

Только ли теплопроводность имеет решающее значение при покупке утеплителя, или есть другие параметры, которые стоит учесть? И еще куча подобных вопросов приходит на ум застройщику, когда приходит время выбирать утеплитель. Обратим внимание в обзоре на наиболее популярные виды теплоизоляции.

Пенопласт (пенополистирол)

Пенопласт – самый популярный сегодня утеплитель, благодаря легкости монтажа и низкой стоимости.

Изготавливается он методом вспенивания полистирола, имеет низкую теплопроводность, легко режется и удобен при монтаже. Однако материал хрупкий и пожароопасен, при горении пенопласт выделяет вредные, токсичные вещества. Пенополистирол предпочтительно использовать в нежилых помещениях.

Утепление пеноплексом отмостки и цоколя дома

Экструдированный пенополистирол

Экструзия не подвержена влаге и гниению, это очень прочный и удобный в монтаже утеплитель.

Плиты Техноплекса имеют высокую прочность и сопротивление сжатию, не подвергаются разложению. Благодаря своим техническим характеристикам техноплексиспользуют для утепления отмостки и фундамента зданий. Экструдированный пенополистирол долговечен и прост в применении.

Базальтовая (минеральная) вата

Производится утеплитель из горных пород, путем их плавления и раздува для получения волокнистой структуры.

Базальтовая вата Роклайт выдерживает высокие температуры, не горит и не слеживается со временем. Материал экологичен, имеет хорошую звукоизоляцию и теплоизоляцию. Производители рекомендуют использовать минеральную вату для утепления мансарды и других жилых помещений.

Утепление кровли минватой Роклайт ТехноНИКОЛЬ

Стекловолокно (стекловата)

Вспененный полиэтилен

Этот рулонный утеплитель имеет пористую структуру, различную толщину часто производится с нанесением дополнительного слоя фольги для отражающего эффекта. Изолон и пенофолимеет толщину в 10 раз тоньше традиционных утеплителей, но сохраняет до 97% тепла. Материал не пропускает влагу, имеет низкую теплопроводность благодаря своей пористой структуре и не выделяет вредных веществ.

Утепление ленточного фундамента снаружи ППУ

Напыляемая теплоизоляция

Сравнение утеплителей. Таблица теплопроводности

Сравнение утеплителей по теплопроводности

При строительстве нового дома или капитальном ремонте возникает вопрос о выборе оптимального способа утепления. Для того чтобы после окончания работ не возникало чувство горького сожаления о потраченных впустую средствах и времени, вариант теплоизоляции необходимо подбирать, основываясь на его характеристиках, основных достоинствах и недостатках.

При проектировании дома, необходимо так же задумать и о его теплоизоляции.

Каким требованиям должен отвечать качественный утеплитель для дома?

На современном строительном рынке представлено огромное многообразие материалов для утепления. Они подразделяются на утеплители для стен, пола, крыши, дверей, качества. Распространенное мнение, что главным критерием при выборе данного стройматериала является плотность, является ошибочным.

Средняя плотность теплоизоляционных материалов достаточна низка в сравнении с большинством строительных материалов, так как значительный объем занимают поры. Плотность современных утеплителейнаходится в диапазоне от 17 до 400 кг/м 3.

Таблица эффективности применения утеплителей.

Она учитывается, при сравнении характеристики утеплителей, предназначенных для теплоизоляции полов, фундамента и внешней облицовки, для которой не предусмотрен отделочно-декоративный дополнительный защитный слой. Помимо этого, эта характеристика влияет на выбор несущей конструкции и способ крепежа. Все различные материалы могут иметь одинаковую плотность, но обладать разной теплопроводностью.

Важным показателем, который должен повлиять на выбор, является водопоглощение.

Само помещение и стены как обычного, так и деревянного дома всегда содержат некоторое количество влаги, которая может конденсироваться и пагубно влиять на качество теплоизоляции. Сорбционная влажность – характеристика, показывающая предельный массовый объем влаги в стройматериале, впитываемый из атмосферного слоя или домашнего воздуха. Особенно коэффициент водопоглощения важен при выборе утеплителя, предназначенного для помещений с повышенной влажностью (ванной, санузла, бани и сауны).

Этот показатель обязательно следует учесть при выполнении внешней теплоизоляции зданий, расположенных на заболоченной местности или имеющих высокое залегание грунтовых вод. К примеру, экструдированный пенополистирол отличается высокой плотностью, но при этом низким водопоглощением. Значительно снизить водопоглощение минераловатных и стекловолокнистых теплоизоляционных материалов позволяет их гидрофобизация, например, путем введения кремнийорганических добавок.

Высококачественные утепляющие материалы всегда обладают хорошей звукоизоляцией.

Характеристики минеральной ваты.

На долговечность конструкции покрытия влияют также химическая стойкость теплоизоляционного материала (это, как правило, следует учитывать при выборе материалов для утепления покрытий производственных зданий) и его биологическая стойкость.

Также стоит рассмотреть такие физические свойства, как:

Паропроницаемость. Этот параметр приобретает значение при монтаже энергосберегающей облицовки в домах с повышенной влажностью и при утеплении крыши;Воздухопроницаемость.

Характеристика приобретает значение, если утепляющий материал будет монтироваться в несколько слоев и особенно при теплоизоляции внутри помещения (стены, пол и потолок) и балкона.Горючесть. Необходимо учитывать, если утепляющая облицовка не предусматривает декоративно-защитной отделки. Это правило регламентируется инструкцией по пожарной безопасности.

Сравнение теплопроводности строительных материалов

Точные данные позволит получить таблица теплопроводности строительных материалов. Правильное возведение зданий способствует оптимальным климатическим параметрам в помещении.

Строительство каждого объекта лучше начинать с планировки проекта и тщательного расчета теплотехнических параметров. Точные данные позволит получить таблица теплопроводности строительных материалов. Правильное возведение зданий способствует оптимальным климатическим параметрам в помещении. А таблица поможет правильно подобрать сырье, которое будут использоваться для строительства.

Назначение теплопроводности

Теплопроводность является показателем передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов в помещении к предметам с более низкой температурой. Процесс теплообмена производится, пока температурные показатели не уравняются. Для обозначения тепловой энергии используется специальный коэффициент теплопроводности строительных материалов. Таблица поможет увидеть все требуемые значения. Параметр обозначает, сколько тепловой энергии пропускается через единицу площади в единицу времени. Чем больше данное обозначение, тем качественнее будет теплообмен. При возведении зданий необходимо применять материал с минимальным значением тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности это такая величина, которая равна количеству теплоты, проходящей через метр толщины материала за час. Использование подобной характеристики обязательно для создания лучшей теплоизоляции. Теплопроводность следует учесть при подборе дополнительных утепляющих конструкций.

Что оказывает влияние на показатель теплопроводности?

Теплопроводность определяется такими факторами:

• Пористость определяет неоднородность структуры. При пропуске тепла через такие материалы процесс охлаждения незначительный;

• Повышенное значение плотности влияет на тесные соприкосновения частиц, что способствует более быстрому теплообмену;

• Повышенная влажность увеличивает данный показатель.

Использование значений коэффициента теплопроводности на практике.

Материалы представлены конструкционными и теплоизоляционными разновидностями. Первый вид обладает большими показателями теплопроводности. Они применяются для строительства перекрытий, ограждений и стен.

При помощи таблицы определяются возможности их теплообмена. Чтобы данный показатель был достаточно низким для нормального микроклимата в помещении стены из некоторых материалов должны быть особенно толстыми. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать дополнительные теплоизолирующие компоненты.

Показатели теплопроводности для готовых построек. Виды утеплений.

При создании проекта нужно учитывать все способы утечки тепла. Оно может выходить через стены и крышу, а также через полы и двери. Если вы неправильно проведете расчеты проектирования, то придется довольствоваться только тепловой энергией, полученной от отопительных приборов. Здания, построенные из стандартного сырья: камня, кирпича либо бетона нужно дополнительно утеплять.

Дополнительная теплоизоляция проводится в каркасных зданиях. При этом деревянный каркас придает жесткости конструкции, а утепляющий материал прокладывается в пространство между стойками. В зданиях из кирпича и шлакоблоков утепление производится снаружи конструкции.

Выбирая утеплители необходимо обращать внимание на такие факторы, как уровень влажности, влияние повышенных температур и типа сооружения. Учитывайте определенные параметры утепляющих конструкций:

• Показатель теплопроводности оказывает влияние на качество теплоизолирующего процесса;

• Влагопоглощение имеет большое значение при утеплении наружных элементов;

• Толщина влияет на надежность утепления. Тонкий утеплитель помогает сохранить полезную площадь помещения;

• Важна горючесть. Качественное сырье имеет способность к самозатуханию;

• Термоустойчивость отображает способность выдерживать температурные перепады;

• Экологичность и безопасность;

• Звукоизоляция защищает от шума.

В качестве утеплителей применяются следующие виды:

• Минеральная вата устойчива к огню и экологична. К важным характеристикам относится низкая теплопроводность;

• Пенопласт – это легкий материал с хорошими утеплительными свойствами. Он легко устанавливается и обладает влагоустойчивостью. Рекомендуется для применения в нежилых строениях;

• Базальтовая вата в отличие от минеральной отличается лучшими показателями стойкости к влаге;

• Пеноплэкс устойчив к влажности, повышенным температурам и огню. Имеет прекрасные показатели теплопроводности, прост в монтаже и долговечен;

• Пенополиуретан известен такими качествами, как негорючесть, хорошие водоотталкивающие свойства и высокая пожаростойкость;

• Экструдированный пенополистирол при производстве проходит дополнительную обработку. Обладает равномерной структурой;

• Пенофол представляет из себя многослойный утепляющий пласт. В составе присутствует вспененный полиэтилен. Поверхность пластины покрывается фольгой для обеспечения отражения.

Для теплоизоляции могут применяться сыпучие типы сырья. Это бумажные гранулы или перлит. Они имеют стойкость к влаге и к огню. А из органических разновидностей можно рассмотреть волокно из древесины, лен или пробковое покрытие. При выборе, особое внимание уделяйте таким показателям как экологичность и пожаробезопасность.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! При конструировании теплоизоляции, важно продумать монтаж гидроизолирующей прослойки. Это позволит избежать высокой влажности и повысит сопротивляемость теплообмену.

Таблица теплопроводности строительных материалов: особенности показателей.

Таблица теплопроводности строительных материалов содержит показатели различных видов сырья, которое применяется в строительстве. Используя данную информацию, вы можете легко посчитать толщину стен и количество утеплителя.

Как использовать таблицу теплопроводности материалов и утеплителей?

В таблице сопротивления теплопередаче материалов представлены наиболее популярные материалы. Выбирая определенный вариант теплоизоляции важно учитывать не только физические свойства, но и такие характеристики как долговечность, цена и легкость установки.

Знаете ли вы, что проще всего выполнять монтаж пенооизола и пенополиуретана. Они распределяются по поверхности в виде пены. Подобные материалы легко заполняют полости конструкций. При сравнении твердых и пенных вариантов, нужно выделить , что пена не образует стыков.

Значения коэффициентов теплопередачи материалов в таблице.

При произведении вычислений следует знать коэффициент сопротивления теплопередаче. Данное значение является отношением температур с обеих сторон к количеству теплового потока. Для того чтобы найти теплосопротивление определенных стен и используется таблица теплопроводности.

Все расчеты вы можете провести сами. Для этого толщина прослойки теплоизолятора делится на коэффициент теплопроводности. Данное значение часто указывается на упаковке, если это изоляция. Материалы для дома измеряются самостоятельно. Это касается толщины, а коэффициенты можно отыскать в специальных таблицах.

Коэффициент сопротивления помогает выбрать определенный тип теплоизоляции и толщину слоя материала. Сведения о паропроницаемости и плотности можно посмотреть в таблице.

При правильном использовании табличных данных вы сможете выбрать качественный материал для создания благоприятного микроклимата в помещении. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление – мы вместе изменяем мир! © econet

Теплопроводность – обзор

2.4.3.2 Композитная проводимость гидрат-отложений

Значения теплопроводности для песка, сланца, воды и гидрата составляли 7,0, 1,9, 0,6 и 0,45 Вт / (м · К) соответственно. используется Henninges et al. (2005) в моделях закона смешения для оценки комплексной проводимости гидратосодержащих отложений. Для этого использовались эффективные значения электропроводности минералов наряду с истинными значениями воды и гидрата.

Важное значение для разведки и добычи гидратов имеет теплопроводность гидрата in situ и окружающих его минеральных матриц.Некоторые репрезентативные составные значения представлены в таблице 2.8.

Таблица 2.8. Типичные значения теплопроводности гидратосодержащих отложений

Материал	Температура (K)	Теплопроводность гидрат-осадка [Вт / (м · K)]	Ссылки
Зона субдукции Перу, DSDP Зона 688	275–298	0,89	Hyndman et al. (1992)
Нанкайский желоб, площадка 808	275–299	1.08	Hyndman et al. (1992)
Маллик, Северо-западные территории, Канада	280	2,24	Рутквист и др. (2009)
Маунт-Эльберт, Аляска	276	3,1	Рутквист и др. (2009)
Южный гидратный хребет, Орегон	284–289	1.0	Лю и Флемингс (2006), Trehu et al. (2003)
Типичное образование диспергированных гидратов	275–288	2-4	Kurihara et al.(2011b)
Соляной купол, Мексиканский залив	На месте	3,01	Селиг и Валлик (1966)

По кернам на окраине Нанкай, Hyndman et al. (1992) определили теплопроводность отложений; температура забоя скважины и температура морского дна измерялись термозондами, вставленными в скважину ODP Leg 131. На площади около 400 м гидратной зоны теплопроводность k линейно уменьшалась с глубиной в соответствии с эмпирическим уравнением 2.5, действительно для Зоны 808:

(2,5) k = 0,91 + 0,0017Dbsf

, где k , теплопроводность [Вт / (м · К)]; D _bsf, глубина ниже морского дна (mbsf).

Обратите внимание, что уравнение 2.5 предсказывает диапазон теплопроводности от примерно 0,9–1,6 Вт / (м · К) до 400 мбф гидратной зоны. Среднее значение теплопроводности по интервалу составляет 1,08 Вт / (м · К).

Для оценки комплексной теплопроводности гидратосодержащих отложений используется общее уравнение 2.6 может использоваться в компьютерных моделях для моделирования добычи (Moridis et al., 2005):

(2.6) kθ = SH + SWkSW – kSd + kSd

, где k _θ, композитная теплопроводность гидрата -содержащий песок; к _Sd, теплопроводность сухого песка; к _SW, теплопроводность водонасыщенного песка; S _W, жидкая водонасыщенность в порах; S _H, гидратонасыщенность в порах.Moridis et al. (2005) обнаружили, что это выражение приемлемо аппроксимирует композитную теплопроводность гидратосодержащей пористой среды.

При возможной добыче гидратного газа естественный тепловой поток за счет теплопроводности в газогидратную зону должен быть максимальным для эффективного извлечения гидратного газа; то есть проводимость составного коллектора важна для рентабельности процесса. Тепловой поток q является функцией теплопроводности k и геотермического градиента dT / dz (Grevemeyer and Villinger, 2001), как указано в уравнении 2.7.

Теплопроводность – обзор

Минералы кремнезема
Кварц — α	7,69 (CH), 7,69 (CR), 7,7 (B)	0,70 (CR), 0,74 (M )
Кварц – аморфный	1,36 (CH)
Кварц – средний	6,5 (Ca)
Орто- и кольцевые силикаты
Оливин – форстерит	5,03 ± 0,18 (CH), 6 (M), 5.06 (CR)	0,68 (M),
Оливин-фаялит	3,16 (CH), 3 (M), 3,16 (CR)	0,55 (CR), 0,84 (M)
Гранаты – альмандин	3,31 (CH), 3,3 (M), 3,31 (CR)
Гранаты – гроссулярит	5,48 ± 0,21 (CH), 5,48 (CR)
Циркон	5,54 (CH ), 5,7 (М)	0,61 (CR)
Титанит (сфен)	2,34 (CH), 2,33 (CR)
Al ₂ SiO _{5 Группа} – андалузит	7 .58 (CH), 7,57 (CR)	0,77 (CR)
Al ₂ SiO _{5 Группа} – силлиманит	9,10 (CH), 9,09 (CR)	0,7 (M), 0,74 ( CR)
Al ₂ SiO ₅ группа – кианит	14,16 (CH), 14,2 (CR)	0,78 (M), 0,70 (CR)
Epidote	2,83 ± 0,21 ( CH), 2,82 (CR)
Цепные силикаты
Пироксен-энстатит	4.47 ± 0,30 (CH), 4,8 (M), 4,34 (CR)	0,7–0,75 (M), 0,80 (CR)
Пироксен-диопсид, авгит	4,66 ± 0,31 (CH), 4,1–5,1 (M)	0,67 (M), 0,69 (CR)
Амфибол-роговая обманка	2,81 ± 0,27 (CH), 2,9–3,0 (M)	0,75 (M)
Листовые силикаты
Слюда-мусковит	2,28 ± 0,07 (CH), 2,32 (CR)	0,76 (M)
Слюда-биотит	2.02 ± 0,32 (CH), 0,7–1,6 (M)	0,78 (M)
Тальк	6,10 ± 0,90 (CH), 6,10 (CR)	0,87 (CR)
Хлорит	5,15 ± 0,77 (CH), 4,2 (M), 5,14 (CR)	0,6 (M)
Серпентин	3,53 ± 1,28 (CH), 1,8–2,9 (M)	0,65
Смектит	1,9 (Б)
Иллит	1,9 (Б)
Каолинит	2.6 (B)	0,93
Смешанные слои	1,9 (B)
Минералы глины (среднее значение)	2,9 (Q), 1,7 (Ca)
Силикаты каркаса – полевой шпат
Полевой шпат – среднее значение	2,3 (H), 2,0 (DJ)
Ортоклаз	2,31 (CH), 2,31 (CR), 2,40 (DJ)	0,63–0,75 (M) , 0,61 (CR)
Микроклин	2.49 ± 0,08 (CH), 2,9 (M), 2,49 (CR)	0,67–0,69 (M), 0,68 (CR)
Альбит	2,14 ± 0,19 (CH), 2,31 (CR)	0,71 (CR)
Анортит	1,69 (CH), 1,68 (CR)	0,71 (CR)
Нефелин	1,73 (CR)
Оксиды
Магнетит	5,10 (CH), 4,7–5,3 (M), 5,1 (CR)	0,6 (M), 0,60 (CR)
Гематит	11.28 (CH), 11,2–13,9 (M),	0,62 (M), 0,61 (CR)
Ильменит	2,38 ± 0,18 (CH), 2,2 (M)	0,77 (M)
Шпинель	9,48 (CH), 8–13 (M), 9,48 (CR)	0,82 (M)
Рутил	5,12 (CH), 7,0–8,1 (M)	0,74–0,94 ( M)
Сульфиды
Пирит	19,21 (CH), 19,2 (CR)	0,5–0,52 (M), 0,5 (CR)
Пирротин	4.60 (CH)	0,58–0,60 (M)
Galena	2,28 (CH), 2,28 (CR)	0,21 (M), 0,207 (CR)
Сульфаты
Барит	1,31 (CH), 1,5–1,8 (M), 1,33 (CR)	0,48–0,6 (M), 0,45 (CR)
Ангидрит	4,76 (CH), 4,76 (CR), 5,4 (Ca)	0,55–0,62 (M), 0,52 (CR)
Гипс	1,26 (CH), 1,0–1,3 (M)	1.07 (M)
Карбонаты
Кальцит	3,59 (CH), 3,25–3,9 (M)	0,8–0,83 (M), 0,79 (CR)
Доломит	5,51 (CH), 5,5 (CR), 5,3 (B)	0,86–0,88 (M), 0,93 (CR)
Арагонит	2,24 (CH), 2,23 (CR)	0,78–0,79 (M) , 0,78 (CR)
Магнезит	5,84 (CH), 4,6 (M), 5,83 (CR)	0,88 (M), 0,86 (CR)
Сидерит	3.01 (CH), 3,0 (M), 3,0 (B), 3,0 (CR)	0,72–0,76 (M), 0,68 (CR)
Фосфаты
Апатит	1,38 ± 0,01 ( CH), 1,4 (M), 1,37 (CR)	0,7 (M)
Галогениды
Галит, каменная соль	5,55 ± 0,18 (CH), 5,3–7,2 (D)	0,79 –0,84 (M)
Сильвит	6,40 (CH), 6,7–10 (M)	0,55–0,63 (M)
Флюорит	9.51 (CH), 9–10,2 (M), 9,5 (CR)	0,9 (M), 0,85 (CR)
Органические материалы	0,25 (Q), 1,0 (B)

Сравнение теплопроводности различных материалов

Энергия, передаваемая при нагревании

Энергия и теплофизика

Сравнение теплопроводности различных материалов

Практическая деятельность для 14-16

Демонстрация

В этом эксперименте используется имеющееся в продаже устройство для сравнения теплопроводности различных металлов.

Аппараты и материалы

Аппарат Ingenhousz или аналогичный (см. Диаграмму ниже)
Парафин

Примечания по охране труда и технике безопасности

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Устройство имеет несколько стержней, каждый из которых сделан из разного металла. Сопровождающая информация идентифицирует их.

Стержни необходимо покрыть воском.Это можно сделать одним из следующих способов:

Выньте стержни из емкости для воды и положите их в охлажденную жестяную емкость с расплавленным парафином. Быстро удалите, держите вертикально, чтобы излишки воска стекали, и толкните их обратно в резервуар для воды.
Держите удочки в резервуаре для воды. Покрасьте каждый стержень кистью, смоченной горячим расплавленным воском. При этом образуется неровное толстое покрытие из воска, которое затем необходимо разбавить, обдувая стержень пламенем Бунзена.(Это плохой метод, успешный только в очень умелых руках.)

Простой и легкий в использовании набор полос электропроводности теперь доступен по адресу:

Timstar

Четыре стержня из разных металлов установлены на одной пластиковой опоре. Каждая полоса имеет жидкокристаллическую полоску, показывающую изменения температуры вдоль полоски.

Поставщики лабораторий Timstar, банк Маршфилд, Крю, Чешир. CW2 8UY Телефон: 01270 250459 Электронная почта: [email protected]

Процедура

Наполните водяную баню горячей водой.Обратите внимание на то, как далеко расплавился воск на стержнях, когда прибор перейдет в устойчивое состояние.

Доступны различные исполнения. Обычно для нагрева стержней используют ванну с горячей водой.

Учебные заметки

Обратите внимание, что скорость, с которой конкретная температура (например, точка плавления парафина) движется вдоль стержня , когда один конец нагревается, по существу является скоростью температурных волн .Это включает в себя удельную теплоемкость и плотность, а также проводимость. Таким образом, свинцовый стержень быстро стартует в гонке, хотя он является плохим проводником, но плавление воска не продвинется далеко, когда будет достигнуто устойчивое состояние.
Энергия рассеивается (термически сохраняется в окружающей среде) на поверхности каждого стержня. Если в установившемся режиме расстояние от нагретого конца до точки плавления парафина в два раза больше для стержня A, чем для стержня B, тогда стержень A имеет только половину градиента температуры, но в два раза больше площади поверхности для тепловых потерь.Таким образом, стержень A должен иметь проводимость в четыре раза больше, чем стержень B.
Доступные в настоящее время версии этого аппарата – статические с теплой водой. В предпочтительной форме пар непрерывно проходит через устройство. Это осталось для достижения устойчивого состояния. Ползунковые кольца показывают процесс плавления воска.

Этот эксперимент был проверен на безопасность в январе 2007 г.

Тепловой перенос в твердых телах, сжатых ударной волной, с использованием импульсного лазерного нагрева: Review of Scientific Instruments: Vol 85, No. 7

I.ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыборВверх страницыАБСТРАКТИ.ВВЕДЕНИЕ << II.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОДIII.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫIV.АНАЛИЗ.ОБСЛУЖИВАНИЕВИ. РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ССЫЛКИ СТАТЬИ, приводимые в действие магнитом на сжатие, взрывные пластинки

, являются лабораторными методами, доступными для создания высоких напряжений (> 10 ГПа) в миллиметровых или больших образцах. Возможность определения термодинамического состояния (напряжения, объема, температуры и т. Д.)) в этих экспериментах представляет большой интерес для сообщества высокого давления. В эксперименте по динамическому сжатию внутреннее продольное напряжение и объем образца, подвергшегося удару, обычно рассчитываются на основе измерений скорости поверхностей и границ раздела. Однако было сложнее измерить температуру внутри непрозрачных материалов, таких как металлы, в основном потому, что тепловое уравновешивание с калибровочным материалом или даже с поверхностью образца вряд ли произойдет в масштабе времени динамического эксперимента. обычно длится менее 1 мкс.Поэтому большинство методов измеряют температуру, которая не находится в равновесии с внутренней температурой.

Оптическая пирометрия – наиболее широко используемый экспериментальный метод получения динамических измерений температуры. В типичном пирометрическом эксперименте на непрозрачном материале динамически сжатый образец снабжен прозрачным окном, которое удерживает границу раздела образец-окно при повышенном напряжении и температуре до прихода краевого разрежения или других волн высвобождения. Тепловое излучение, излучаемое границей раздела образец-окно ¹ 1.Оптическая толщина твердого металлического образца обычно составляет несколько десятков нанометров. регистрируется пирометром, а закон Планка используется для связи спектра яркости с температурой границы раздела. Комбинируя измерения яркости и излучательной способности, температуры границ раздела были определены с погрешностью 20 К с помощью пирометрического метода в экспериментах по динамическому сжатию. ² 2. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л.R. Veeser, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 Однако именно температура внутри образца является наиболее полезной для термодинамических исследований, а температура поверхности раздела отличается от внутренней температуры по нескольким причинам. ^3–5 3. Р. Гровер, П. А. Уртью, J. Appl. Phys. 45, , 146 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1662949 4. Х. Тан и Т. Дж. Аренс, High Pressure Res. 2 , 159 (1990).https://doi.org/10.1080/089579501036 5. Х. Тан и Ч. Дай, High Pressure Res. 21 , 183 (2001). https://doi.org/10.1080/08957950108201023 Одна из причин заключается в том, что взаимодействие ударных волн на шероховатой поверхности или в зазоре на границе раздела может нагревать поверхность до температур выше, чем внутри. Вторая причина, которая рассматривается в этой статье, заключается в том, что различные термодинамические свойства подвергнутого удару образца и окна заставляют их иметь разные температуры вблизи границы раздела после прохождения ударной волны.Следовательно, через границу течет тепло, и температура поверхности раздела будет промежуточным значением между температурой объемного образца и температурой окна. Нейтронно-резонансная спектроскопия (nRS) ^6,7 6. В. В. Юань, Дж. Д. Боуман, Д. Дж. Функ, Г. Л. Морган, Р. Л. Рэби, К. Э. Раган, Дж. П. Кинтана и Х. Л. Стейси, Phys. Rev. Lett. 94 , 125504 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.125504 7. Д. К. Свифт, А. Зайфтер, Д. Б. Холткамп, В. В. Юань, Дж. Д. Боуман, Д.А. Кларк, Phys. Ред. B 77 , 0

(2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.0

может напрямую измерять внутреннюю температуру металла, подвергшегося шоку, без проблем с уравновешиванием, но этот метод вряд ли получит широкое распространение из-за сложности экспериментов и стоимости. Аналогичным образом, динамические температуры внутренних поверхностей металла были определены с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии, ^8,9 8. Б. Яакоби, Т. Р. Бёли, Д. Д. Мейерхофер, Т. Дж. Б. Коллинз, Б. А.Ремингтон, П. Г. Аллен, С. М. Поллейн, Х. Э. Лоренцана, Дж. Х. Эггерт, Phys. Rev. Lett. 95 , 075501 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.075501 9. Y. Ping, F. Coppari, D. G. Hicks, B. Yaakobi, D. E. Fratanduono, S. Hamel, J. H. Eggert, J. R. Rygg, R. F. Smith, D. C. Swift, D. G. Braun, T. R. Boehly и G. W. Collins, Phys. Rev. Lett. 111 , 065501 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.065501 рентгеновское рассеяние Томпсона и дифракция рентгеновских лучей, но эти методы еще не применялись к толстым образцам и позволяют получить только один моментальный снимок.Гровер и Уртьев ³ 3. Р. Гровер, П. А. Уртью, J. Appl. Phys. 45, , 146 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1662949 были первыми, кто исследовал теплопроводность при пирометрических измерениях температуры ударно-сжатых твердых тел. После ударного взаимодействия с идеальной границей раздела без дефектов и пустот образец будет иметь температуру T _S, а окно (или клей, который прикрепляет окно) – T _W.Интерфейс будет иметь промежуточную температуру T _I, задаваемую

TI = TS − TS − TW1 + κSρSCSκWρWCW1 / 2,

(1)

, где κ – теплопроводность, ρ – плотность, а C – удельная теплоемкость при постоянном давлении; индексы S и W обозначают образец и окно (или клей) соответственно. Термическая эффузия ( κρC ) ^1/2, таким образом, является ключевым свойством теплопереноса, необходимым для установления связи между температурой поверхности раздела и внутренней температурой.Для некоторых экспериментов разница между T _I и T _S может составлять до 20% от температуры металла. ¹⁰ 10. C. S. Yoo, N. C. Holmes, M. Ross, D. J. Webb, C. Pike, Phys. Rev. Lett. 70 , 3931 (1993). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3931 Однако, поскольку эффузивность материалов обычно неизвестна при повышенных температурах и напряжениях динамического эксперимента, взаимосвязь между T _I и T _S неточно.Измерения теплопередачи проводились ранее в попытке скорректировать эффект теплопроводности через границу раздела в экспериментах по динамическому сжатию. Группа, возглавляемая Аренсом ^11–13 11. К. Г. Галлахер и Т. Дж. Аренс, Ударные волны, Материалы 20-го Международного симпозиума по ударным волнам, под редакцией Б. Стертеванта, Дж. Э. Шепарда и Х. Г. Хорнунга (World Scientific, 1997), Vol. 2. С. 1401–1406. 12. Т. Дж. Аренс и К. Г. Холланд, AIP Conf. Proc. 429 , 133 (1998).https://doi.org/10.1063/1.55518 13. К. Г. Холланд, Т. Дж. Аренс, Geophys. Monogr. Сер. 101 , 335 (1998). использовали метод, основанный на осаждении из паровой фазы металлической пленки, зажатой между окнами из фторида лития (LiF) или сапфира. Когда сборка подвергалась ударному сжатию, металлическая пленка нагревалась до более высоких температур, чем окружающие окна, а затем охлаждалась за счет теплопроводности в окна. Температурную предысторию пленки измеряли пирометром, а скорость охлаждения использовали для определения свойств теплопередачи окон.Этот метод металлического сэндвича имеет несколько ограничений, как обсуждали Тан и Дай. ⁵ 5. Х. Тан и Ч. Дай, High Pressure Res. 21 , 183 (2001). https://doi.org/10.1080/08957950108201023 Основное ограничение заключается в том, что количество тепла, выделяемого в пленку в результате взаимодействия ударных волн, должно быть рассчитано очень точно, и эти расчеты основаны на уравнениях состояния материалов (EOS). Кроме того, между пленкой и одним из окон есть небольшой зазор, и этот зазор должен быть известен точно, поскольку он вызывает дополнительный нагрев из-за цикла сброса-повторного удара, когда ударная волна проходит через эту границу раздела.³ 3. Р. Гровер, П. А. Уртью, J. Appl. Phys. 45, , 146 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1662949 В дополнение к экспериментам с температурой ударной волны для определения УС, измерения теплопереноса материалов под высоким давлением и температурой также важны для моделей физики Земли и планет. По этой причине исследователи измерили теплопроводность каминных минералов в условиях давления и температуры, соответствующих внутренним пространствам планеты. ¹⁴ 14.П. Бек, А. Ф. Гончаров, В. В. Стружкин, Б. Милицер, Х. Мао, Р. Дж. Хемли, Appl. Phys. Lett. 91 , 181914 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2799243 В этих исследованиях ячейка с алмазной наковальней (DAC) используется для создания статических высоких давлений; Для нагрева образцов и измерения теплопереносных свойств использовались различные методы. ¹⁵ 15. Обзор этих методов см. В A. M. Hofmeister, Proc. Natl. Акад. Sci. США 104 , 9192 (2007). https: // doi.org / 10.1073 / pnas.0610734104 Эксперименты по теплопроводности ЦАП осложняются их небольшими размерами образцов (измерения транспортировки в экспериментах по динамической нагрузке на больших (> 1 мм) и потенциально непрозрачных образцах в дополнение к существующим данным ЦАП. Здесь мы сообщаем о методе для Измерение теплопереносных свойств взрывоопасных образцов.Метод использует импульсный лазер для быстрого нагрева поверхности ударно-сжатого образца, представляющего интерес, на его границе с прозрачным окном, прикрепленным с помощью клея.Избыточное тепло вызывает кратковременное повышение температуры поверхности с последующим повторным уравновешиванием внутренней температуры посредством одномерной (1D) термодиффузии. Температурный импульс, внезапное увеличение и затухание, регистрируется пирометрией, а термическая эффузия металла извлекается из амплитуды и формы температурного импульса. Этот метод преодолевает главный недостаток метода металлических сэндвичей, который использовался в предыдущих исследованиях ударных волн, в том, что можно измерять и контролировать количество избыточного тепла, выделяемого на границе раздела.Здесь метод демонстрируется на взрывозащищенном олове, для которого ранее были исследованы высокие механические и температурные свойства при сжатии ударной волной. ^2,16,17 2. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 16. C. Mabire и P. L. Hereil, AIP Conf. Proc. 505 , 93 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1303429 17. P. L. Hereil, C. Mabire, J. Phys. IV Пт. 10 , Pr9–799 (2000). https://doi.org/10.1051/jp4:20009132

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI.INTRODUCTIONII.EXPERIMENTAL METHODIII.EXPERIMENTAL RESULTS << IV.ANALYSISV.DISCUSSIONVI.SUMMESMRUSION AND CONCLUSION ... REFERENCESCITING ARTICLEST. ; Результаты пикового напряжения, максимальной температуры и коэффициента теплового излучения сведены в Таблицу II.Сигналы сияния от Expt. 1 показаны на рис. 3. Клей и LiF не испускают заметного излучения при этих температурах; поэтому считается, что это тепловое излучение от поверхности олова при условии, что лазерный свет не достигает пирометров. Мы записали сигналы окружающего давления и температуры перед динамическим экспериментом, чтобы получить базовый отклик детекторов на лазерный импульс. Детекторы не способны измерять температуры ниже ~ 800 К, а лазер не нагревает поверхность до температур выше ~ 500 К в условиях окружающей среды.Следовательно, любой сигнал в записях окружающей среды не является тепловым. Сигналы, зарегистрированные каждым детектором в условиях окружающей среды, показаны на рис. 3 и указывают на небольшое загрязнение лазерным светом в канале 1500 нм и некоторое загрязнение электрическими шумами в канале 750 нм. Внешние сигналы были вычтены из динамических сигналов на рис. 3, чтобы удалить небольшие нетепловые вклады лазерного импульса. История скорости интерфейса, записанная с помощью PDV, также показана на рисунке 3.

Таблица II. Результаты экспериментов по измерению теплопереноса олова, сжатого ударной волной.

Искл. Название (Expt. No.)	Пиковое напряжение на границе раздела олова-LiF (ГПа)	Пиковая температура на границе раздела олово-LiF (K)	Термическая эффузия олова на границе раздела (кДж · м ⁻² K ⁻¹ с ^−1/2)
Искл. 1 (131017)	25,9 ± 0.5	1317 ± 26	23,0 ± 6,0
Искл. 2 (130916)	25,0 ^a	1289 ± 30	17,4 ± 4,5
Среднее значение	25,0 ± 0,5	1303 ± 20	20,2 ± 6,0

Основная форма сияния История имитирует форму истории напряжений на границе раздела, как это наблюдалось ранее для взрывно сжатого олова. ² 2. Б. М. Ла Лон, Г.Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Иверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 Яркость резко возрастает в момент времени = 0 мкс, когда приход ударной волны вызывает почти прерывистое повышение температуры поверхности. Сразу после прихода ударной волны происходит постепенное уменьшение яркости, вызванное зависящим от времени высвобождением волны Тейлора при напряжении, которое снижает общую температуру образца олова. Записанный профиль скорости также имитирует форму снятия напряжения.Это лежащее в основе снижение температуры и напряжения характерно для взрывных ударных волн и не вызвано теплопроводностью. Лазерный импульс достигает 0,09 мкс и вызывает дополнительный нагрев поверхности олова, что приводит к резкому увеличению теплового излучения с последующим уменьшением яркости по мере того, как тепло от поверхности передается в металлический образец. преобразованы в температуры с использованием методов и значений коэффициента излучения для высоких напряжений, описанных в La Lone et al. ² 2. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 Температуры поверхности олова, зарегистрированные обоими каналами детектора из Expt. 1 показаны на рис. 4 и хорошо согласуются в течение первых 350 нс после прихода ударной волны. Соглашение показывает, что в каждый момент времени яркость поверхности олова следует планковскому распределению для одной температуры.В более позднее время сигнал на детекторе 750 нм невелик по сравнению с шумом и вызывает некоторые расхождения между двумя каналами. Качественно профили температура-время аналогичны профилям яркости и имитируют историю напряжений на границе раздела. Температуры границ раздела после прихода ударной волны для обоих экспериментов составляли около 1300 К. Температурный импульс от лазерного нагрева отчетливо виден, начиная примерно через 0,09 мкс после прихода ударной волны. Плотность энергии лазера составляет 120 ± 27 мДж / см ² в этом эксперименте и нагревает поверхность максимум примерно на 110 К над фоном, с 1260 до 1370 К.Избыточное тепло на поверхности диффундирует внутрь образца, и температура спадает, в результате чего получается профиль, подобный по форме расчетам, показанным на рис. 2. Expt. 2 имел флюенс лазерного импульса 62 ± 14 мДж / см ², что давало всплеск температуры 70 К.

IV. АНАЛИЗ

Раздел:

ВыбратьВерх страницыАБСТРАКТИКИ.ВВЕДЕНИЕII.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОДIII.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫIV.АНАЛИЗ << V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... СПРАВОЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ Проведенные эксперименты были сопоставлены с результатами моделирования импульсного нагрева и определения тепловой проводимости с результатами моделирования импульсного нагрева и определения тепловой проводимости. термическая эффузия динамически сжатого олова.Смоделированные температуры показаны вместе с экспериментальными записями на рис. 4. Используя теплопроводность окружающей среды и теплоемкость для олова, моделирование завышает амплитуду температурных импульсов для обоих экспериментов примерно в два раза, что указывает на то, что термическая эффузия в шоковом состоянии больше, чем в условиях окружающей среды. Наилучшее соответствие экспериментальным данным, при условии, что клей остается хорошим теплоизолятором, привело к эффузивности ( κρC ) ^1/2 = 23.0 ± 6,0 кДж м ⁻² K ⁻¹ с ^−1/2 для Expt. 1 (120 мДж / см ² тепла лазера) и 17,4 ± 4,5 кДж м ⁻² K ⁻¹ с ^−1/2 для Expt. 2 (62 мДж / см ²). Поскольку условия температурно-стрессового воздействия для двух экспериментов были номинально одинаковыми, предполагались идентичные значения эффузивности, и они действительно согласуются в пределах оцененной неопределенности. Эти значения эффузии почти в два раза выше, чем ожидалось, исходя из свойств теплопереноса олова в окружающей среде, (kρC) ^1/2 = 11.3 кДж м ⁻² K ⁻¹ с ^−1/2 (ρ = 9500 кг / м ³ при высоких напряжениях). В оценках большой неопределенности для динамической эффузивности олова преобладают погрешности в профиле лазерного излучения, которые составляют около 23% от измеренных значений плотности энергии. Профиль лазерного луча имеет номинально плоскую форму вершины, но с пространственными вариациями миллиметрового размера, которые различаются по плотности энергии на целых 30% от среднего значения. Неопределенность экспериментальной плотности потока энергии лазерного луча представляет собой комбинацию неопределенности юстировки пирометрического зонда относительно неоднородностей луча и погрешности калибровки камеры, каждая из которых составляет> 10% неопределенности плотности энергии лазерного излучения.

Мы провели численное моделирование, в котором свойства термопереноса клея менялись, а значения олова оставались фиксированными. Наше моделирование показывает, что свойства клея и олова в некоторой степени взаимосвязаны. Если бы свойства клея резко изменились, измерение олова было бы ошибочным, но небольшие изменения клея, вплоть до порядка или величины, не повлияли бы на измерение олова. Увеличивая теплопроводность или теплоемкость клея в 10 раз ² –10 ³, мы можем согласовать пиковые амплитуды экспериментальных температурных импульсов.При некоторых одновременных изменениях механических свойств клея можно хотя бы приблизительно воспроизвести форму импульса. В качестве альтернативы, простое увеличение эффузии олова в два раза хорошо объясняет данные. Таким образом, мы полагаем, что измеренная высота и форма температурного импульса во многом определяются теплопереносными свойствами олова при высоких напряжениях. Однако, поскольку мало что известно о механических и термических свойствах клея при ударном сжатии, мы не можем исключить возможность того, что клей влияет на амплитуду температурных импульсов.Для решения этой проблемы необходимы дальнейшие экспериментальные работы.

На протяжении всего анализа мы предполагали, что излучательная способность поверхности олова остается постоянной во время импульса нагрева, так что измеренные изменения теплового излучения связаны только с изменениями температуры. Однако коэффициент излучения олова может зависеть от температуры. По нашим оценкам, если излучательная способность уменьшится на 30% во время лазерного импульса, это будет объяснять более низкую, чем ожидалось, амплитуду импульса яркости (а не изменение термической эффузии, приводящее к более низкой, чем ожидалось, амплитуде излучения). температурный импульс, наша текущая гипотеза).Хотя это возможно, такое большое изменение излучательной способности при изменении температуры на ~ 200 К кажется маловероятным при отсутствии фазового перехода. В будущем мы планируем исследовать температурную зависимость излучательной способности динамически сжатого олова.

V. ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

Выбрать верх страницы АБСТРАКТЫ.ВВЕДЕНИЕII.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОДIII.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫIV.АНАЛИЗ.ОБСУЖДЕНИЕ << VI. РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ССЫЛКИ из интерфейса Статья 10 испытывает однократное ударное сжатие до 35 ГПа с последующим немедленным сбросом изоэнтропического давления до 25 ГПа, когда ударная волна отражается от окна LiF с более низким импедансом.После отражения ударной волны внутреннее состояние температуры и давления олова существует на изэнтропе, которая начинается на скачке Гюгонио при 35 ГПа. Измеренная температура границы раздела отличается от внутренней температуры олова после выпуска по двум причинам. Одна из причин заключается в том, что многократные волновые реверберации внутри клеевого слоя выделяют дополнительное тепло вблизи границы раздела. ² 2. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl.Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 Вторая причина заключается в том, что слой клея подвергается сотрясениям при более низкой температуре, чем олово, что приводит к перетеканию тепла из олова в клей. Следовательно, граничная температура олово-клей ниже, чем внутренняя температура олова, и соотношение между этими температурами приведено в формуле. (A1). Используя значения окружающей среды для теплопереносных свойств олова и клея и расчетную температуру клея ∼600 K, уравнение. (A1) предсказывает, что температура границы раздела примерно на 20 К ниже, чем внутренняя температура олова.Используя измеренное значение эффузии для динамически сжатого олова из настоящей работы и предполагая, что клей остается хорошим теплоизолятором, эта расчетная разница уменьшается примерно до 10 К, что меньше, чем температурная погрешность в наших экспериментах по динамическому сжатию. ² 2. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764 Хотя в этой работе поправка мала, измеренные изменения эффузивности могут иметь более выраженное влияние на измерения температуры, выполненные с оконными материалами, отличными от клея, контактирующего с оловом.Такие окна, как LiF, сапфир и алмаз, имеют гораздо более высокую термическую эффузию, чем клей, что приводит к большей разнице температур между поверхностью раздела олова и внутренним оловом. Металлы с более низкой эффузивностью также будут иметь большую коррекцию. Отметим, что, поскольку термическая эффузия клея не измерялась, фактические температурные поправки от теплопроводности все еще имеют некоторую небольшую неопределенность. В этих экспериментах олово претерпевает фазовый переход от β к объемноцентрированному тетрагональному (bct) от ударной волны сжатие и считается, что он находится в фазе ОЦТ на протяжении всего измерения импульсного нагрева.В фазе ОЦТ при повышенных температурах теплоемкость, вероятно, останется около Dulong-Petit ³⁰ 30. 3R / M, где R – газовая постоянная, 8,32 Дж / (моль K), а M – молекулярная масса, 118,7 г / моль для олова. значение 210 Дж / (кг · К). Следовательно, наблюдаемое увеличение термической эффузии при динамическом сжатии, вероятно, связано с увеличением теплопроводности в 2-4 раза. Большое увеличение теплопроводности может быть результатом фазового превращения для олова, а может и не быть. быть представителем металлов без фазового перехода.Квантовая молекулярная динамика (КМД) ранее проводилась для жидкого олова в диапазоне давлений 10–50 ГПа. ³¹ 31. Дж. Д. Кресс, Л. А. Коллинз, С. Мазевет, Д. А. Хорнер, AIP Conf. Proc. 955 , 1433 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2889032 Их моделирование показало умеренно более высокую (∼10%) оптическую отражательную способность по сравнению с окружающим оловом, что предполагает увеличение теплопроводности жидкости. ³² 32. Дж. Д. Кресс и Л. А. Коллинз, частное сообщение (2014).Однако QMD-моделирование твердого тела bct еще не проводилось. Отметим, что в настоящих экспериментах напряженное и температурное состояние олова близко к ожидаемой границе расплава, ¹⁶ 16. C. Mabire и P. L. Hereil, AIP Conf. Proc. 505 , 93 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1303429, который экспериментально не определен. Следовательно, мы не можем исключить возможность того, что олово находится в смешанной фазе ОЦТ / жидкая фаза во время импульса лазерного нагрева в наших экспериментах по эффузивности.Смешанное фазовое состояние для олова на границе раздела могло бы объяснить более низкий, чем ожидалось, температурный импульс в этих измерениях, а также увеличение отражательной способности, наблюдаемое в [4]. 22. Б. М. Ла Лон, Г. Д. Стивенс, В. Д. Терли, Д. Б. Холткамп, А. Дж. Айверсон, Р. С. Хиксон и Л. Р. Визер, J. Appl. Phys. 114 , 063506 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4817764. Эксперименты при более низких температурах, в которых олово обязательно находится в фазе ОЦТ, необходимы, чтобы исключить возможность того, что наблюдаемые нами эффекты вызваны частичным расплавлением олова.

VI. РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Раздел:

ВыбратьВверх страницы АБСТРАКТЫ.ВВЕДЕНИЕII.Экспериментальный методIII.Экспериментальные результаты.Анализ.ОБСЛУЖИВАНИЕ I. РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ … << ЛИТЕРАТУРА Разработан метод определения импульсного теплового нагрева ИЗДЕЛИЙ 9000. сжатые металлы. Метод позволяет определять изменения термической эффузии ( κρC ) ^1/2 металла в его ударно-сжатом состоянии.Термическая эффузия является полезной величиной для измерения температуры ударной волны, поскольку она связывает измеренную температуру поверхности с внутренней температурой образца, которая различается из-за теплового потока через границу раздела. Эксперименты по импульсному лазерному нагреву были выполнены на олове, которое было сжато с помощью взрывчатых веществ до напряжения и температуры 25 ГПа и 1300 К. В этом состоянии измерения показывают, что термическая эффузия была почти в два раза больше, чем значение для олова в окружающей среде.Используя это новое значение термической эффузии, мы оцениваем, что разница между температурой границы раздела олово-клей и внутренней температурой олова составляет около 10 К, что меньше, чем предыдущие оценки. Наблюдаемое увеличение термической эффузии, вероятно, вызвано увеличением в 2–4 раза теплопроводности олова. Другие возможные объяснения наших наблюдений заключаются в том, что клей подвергся значительному (10 ² –10 ³) увеличению теплопроводности или теплоемкости или что олово находится рядом или находится на границе расплава при напряжениях и температурах. в наших экспериментах.

В будущих работах мы планируем использовать этот метод в экспериментах с пластиной на газовых пушках, где напряженное состояние за фронтом ударной волны является устойчивым и могут возникать более высокие напряжения. Кроме того, мы планируем изучить прозрачные твердые тела, используя тонкий металлический слой в качестве поглотителя лазера и излучающий слой для пирометрических измерений температуры. Мы планируем использовать конфигурации без клея, так как ожидается, что клей станет непрозрачным и выделяющим при более высоких ударных нагрузках. С этими модификациями метод будет применим к большинству типов твердых образцов в экспериментах по ударному сжатию.

БЛАГОДАРНОСТИ

Мы благодарим Нила Холмса из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса за предложение этой экспериментальной техники, а также Майка Гровера и Эрика Ларсона из National Security Technologies, LLC за их экспериментальную помощь. Эта работа проводилась под эгидой Национальной администрации по ядерной безопасности США. Эта рукопись была написана компанией National Security Technologies, LLC в соответствии с контрактом № DEAC52-06NA25946 с Министерством энергетики США и при поддержке Программы исследований и разработок, ориентированных на объект.Правительство Соединенных Штатов сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что правительство Соединенных Штатов сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. Итак, для целей правительства США.

Одновременное определение теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости в sI гидрате метана | Международный геофизический журнал

Сводка

Теплопроводность, температуропроводность и удельная теплоемкость sI гидрата метана были измерены как функции температуры и давления с использованием метода игольчатого зонда.Температурная зависимость была измерена между -20 ° C и 17 ° C при 31,5 МПа. Зависимость от давления измерялась в диапазоне от 31,5 до 102 МПа при 14,4 ° C. Наблюдались лишь слабые зависимости от температуры и давления. Теплопроводность гидрата метана отличается от теплопроводности воды менее чем на 10 процентов, что слишком мало для точного измерения содержания гидрата в водонасыщенных системах. Однако коэффициент температуропроводности гидрата метана более чем в два раза выше, чем у воды, а его удельная теплоемкость примерно вдвое меньше, чем у воды.Таким образом, при бурении в богатые гидратами отложения или сквозь них тепло из скважины может повысить температуру пласта более чем на 20 процентов быстрее, чем если бы поровое пространство пласта содержало только воду. Термические свойства гидрата метана следует учитывать при оценке безопасности и экономических показателей гидратосодержащих отложений.

Введение

Газовые гидраты представляют собой твердые кристаллические вещества, в которых молекулы «гостевых» видов занимают и стабилизируют клетки, образованные молекулами воды.Метан, CH ₄, является наиболее часто встречающимся в природе гостевым видом; Гидрат CH ₄ обнаружен в неглубокой вечной мерзлоте и отложениях континентальных окраин по всему миру (Kvenvolden 2000). Только в Соединенных Штатах имеется от 5665 Tm ³ (Sloan 2004) до 9000 Tm ³ (Collett 1995) связанного в гидрате CH ₄. Хотя только часть общего метана в гидрате, вероятно, будет экономически доступна в качестве энергетического ресурса (Kerr 2004), огромное количество и геопространственная протяженность гидрата метана в сочетании с чувствительной зависимостью стабильности гидрата CH ₄ от температуры дают поднимаются до экологических соображений местного, регионального и глобального масштаба (см. ссылки в Xu & Germanovich 2006).

Реакция гидрата CH ₄ на изменение термической среды контролируется его теплопроводностью, λ, температуропроводностью, κ и удельной теплоемкостью, c _p . Эти свойства кратко описаны Briaud & Chaouch (1997): «Высокое значение теплопроводности означает, что тепло легко проходит через материал; высокое значение удельной теплоемкости означает, что для повышения температуры материала требуется много тепла; а высокое значение коэффициента диффузии означает, что для повышения температуры в материале потребуется немного времени ».

На локальных масштабах длины, температуропроводность и удельная теплоемкость гидрата CH ₄ важны не только для моделирования контролируемого производства CH ₄ из гидрата (Ji et al. 2003; Pooladi-Darvish 2004; Hong & Pooladi -Darvish 2005; Kurihara et al. 2005; Moridis et al. 2005), но для уменьшения опасности при традиционной добыче углеводородов, которая может дестабилизировать гидратное основное производственное оборудование (Briaud & Chaouch 1997; Moridis & Kowalsky 2006).В местном и региональном масштабе теплопроводность гидратов используется в измерениях теплового потока (Grevemeyer & Villinger 2001; Henninges & Huenges 2005). В глобальном масштабе термические свойства гидратов необходимы для связи изменчивости климата с высвобождением CH ₄ из гидрата (Dickens et al. 1995; Revil 2000).

Опубликован CH ₄ Измерения тепловых свойств гидратов, однако, редки, и редко сообщаются для температур, подходящих для земных залежей гидратов.Мы предоставляем подходящие уравнения для λ, κ и c _p , измеренных в гидрате CH ₄ в значимых для Земли диапазонах от −20 ° C до 17 ° C и от 31,5 до 102 МПа. Затем мы сравниваем влияние гидрата CH ₄ порового пространства по сравнению с водой на объемные термические свойства осадка.

Методы

Теория

Метод одновременного определения λ, κ и c _p приведен в Waite et al. (2006), наряду с измерениями игольчатым зондом, показывающими ожидаемые литературные результаты, получены в пределах заявленной нами неопределенности для гидрата тетрагидрофурана (THF) льда Ih и sII. Здесь мы резюмируем нашу технику измерения игла-зонд, являющуюся расширением техники фон Герцена и Максвелла (1959). Постоянный ток I подается на провод нагревателя с сопротивлением R на метр. Мощность нагревательного провода на метр, Q , определяется из Q = 2 I ² R , где коэффициент 2 учитывает, что нагревательный провод представляет собой петлю, проходящую по длине игольчатого зонда.Согласно Blackwell (1954), выходной сигнал нагревательного провода вызывает изменение температуры, измеренной внутри зонда, Δ T , которое изменяется следующим образом: 1, где t – время в секундах, прошедшее с момента начала нагрева пробой зонда. Теплопроводность λ рассчитывается по формуле. (1) наклон, A : 2 Коэффициент теплопроводности, κ, рассчитывается по формуле. (1) наклон, A , и точка пересечения, B : 3, где r _p – радиус зонда, 0,8 мм, а γ – постоянная Эйлера, 0.5772. H описывает тепловой контакт между зондом и образцом, определяемый из: 4, где Z ₁ и Z ₂ – подходящие параметры для начальной переходной зависимости Δ T от времени (Blackwell 1954): 5

Обычно t = 0 принимается за момент первой подачи тока на провод нагревателя. Уравнение 5, однако, предполагает t = 0, когда зонд впервые начинает нагревать образец. Поскольку начальное переходное изменение температуры в гидрате длится всего ~ 2 с, конечную временную задержку между подачей тока на провод нагревателя игольчатого зонда и моментом, когда зонд начинает нагревать образец, нельзя игнорировать (Hammerschmidt 2005).Эта задержка должна определяться посредством калибровки, как описано в Waite et al. (2006).

После измерения λ и κ, удельная теплоемкость, c _p , вычисляется путем решения определения κ (Kittel & Kroemer 1980) для c _p : 6, где ρ – объемная плотность образца.

Аппарат

Мы используем игольчатый зонд с эпоксидной смолой и оболочкой из нержавеющей стали с внешним диаметром 1,6 мм, содержащей термистор 4 кОм и проволочную петлю нагревателя с сопротивлением R = 350 Ом / м.Зонд длиной 160 мм проходит через уплотнительное кольцо в торцевой крышке резервуара из нержавеющей стали с максимальным рабочим давлением 105 МПа (рис. 1). Сосуд высокого давления погружают в ванну с денатурированным спиртом, соединенную с циркуляционным насосом ванны, который поддерживает изотермические условия при выбранных температурах во время эксперимента (± 0,002 ° C).

Рис. 1.

Схема сосуда высокого давления и игольчатого датчика, с игольчатым датчиком, увеличенным для отображения деталей. Диаметр зонда – 1.6 мм, диаметр образца 41 мм, длина образца 133 мм, термистор расположен на 50 мм ниже верха образца. Игольчатый зонд плотно прилегает к уплотнительному кольцу в верхней торцевой крышке и удерживается на месте внешней скобой (не изображена).

Рис. 1.

Схема сосуда высокого давления и игольчатого зонда, с игольчатым зондом, увеличенным для отображения деталей. Диаметр зонда 1,6 мм, диаметр образца 41 мм, длина образца 133 мм, термистор расположен на 50 мм ниже верха образца.Игольчатый зонд плотно прилегает к уплотнительному кольцу в верхней торцевой крышке и удерживается на месте внешней скобой (не изображена).

Образец покрыт тефлоновым вкладышем толщиной 0,1 мм и может быть уплотнен в радиальном направлении вокруг осевого зонда путем повышения давления в пространстве вокруг вкладыша силиконовым маслом с помощью автоматического насоса до 34,5 МПа и с помощью ручного насоса для уплотнения. давление до 105 МПа. Во время измерения тепловых свойств источник постоянного тока подает постоянный ток на провод нагревателя, в то время как блок сбора данных регистрирует источник тока и выходной сигнал термистора.

Пробоподготовка

Мы формируем чистый гидрат CH ₄ непосредственно в измерительной камере, медленно нагревая гранулированный (180–250 мкм) лед H ₂ O в атмосфере под давлением CH ₄, как описано Stern et al. (1996, 1998). Этот воспроизводимый метод дает гидрат CH ₄ с валовым составом: CH ₄ · (5,89 ± 0,01) · H ₂ O при резком охлаждении после синтеза под высоким давлением (Stern et al. 2000).

Мы проверяем полную реакцию на гидрат CH ₄, понижая температуру образца ниже точки льда. Если более 2 процентов начального затравочного льда остается в виде воды, датчик давления определяет увеличение давления порового газа из-за расширения воды при замерзании. Тепло, выделяющееся при замерзании воды, является дополнительным, более чувствительным индикатором наличия непрореагировавшей воды рядом с шариком термистора. В этой работе объемы льда ниже наших уровней обнаружения.

После гидратного синтеза пористость образца составляет ~ 34%.Для уменьшения пористости силиконовое масло закачивается между стенками сосуда и тефлоновым вкладышем для образца, выдерживая давление уплотнения ~ 102 МПа при 14,4 ° C в течение 4 дней. Криогенные SEM-изображения извлеченного образца показывают плотный мелкозернистый гидрат (размер зерна от ~ 5 до 50 мкм). Пористость трудно оценить по SEM-изображениям образца без давления, но ожидается, что она будет меньше 5%, исходя из предыдущего опыта с образцами, уплотненными в осевом направлении при 105 МПа (Helgerud 2001). Согласованность этого метода синтеза и уплотнения очевидна по нашим результатам по тепловым свойствам, которые показывают, что колебания теплопроводности от образца к образцу составляют менее 3%.Температуропроводность и удельная теплоемкость изменяются на ~ 5%.

После уплотнения при 14,4 ° C мы измеряли зависимость термических свойств гидрата CH ₄ от давления от 102 МПа до нашего рабочего давления в ограничении 31,5 МПа. Это давление обеспечивает стабильность гидрата CH ₄ в диапазоне от –20 ° C до 17 ° C.

Результаты

Теплопроводность, λ

В соответствии с ур. (1), нагрев игольчатого зонда вызывает изменение температуры гидрата CH ₄, которое изменяется линейно с естественным логарифмом времени, измеренным в секундах (рис.2). Использование ~ 900 точек в линейной аппроксимации на рис. 2 для получения λ дает стабильную, хорошо воспроизводимую меру λ, как показано на рис. 3 (светлые кружки, минимум четыре отдельных измерения нанесены на график для каждой температуры). Вариации при заданной температуре невелики по сравнению с изменчивостью образец-образец, составляющей около ± 3% (нанесенная в виде полосы погрешности на рис. 3 при 10 ° C для нашей работы). Подгонки по температуре и давлению для λ приведены в таблицах 1 и 2. Зависимости слабые: λ изменяется только на 1,6% между –20 ° C и 17 ° C и 1.5% от 31,5 до 102 МПа.

Рис. 2.

Измеренное изменение температуры гидрата CH ₄ при 9,6 ° C, показывающее каждую 20-ю точку данных из почти 900 точек, использованных в линейной аппроксимации. Из этого графика времени, теплопроводность рассчитывается по линейному наклону, A . Экстраполированный линейный отрезок B используется для определения температуропроводности.

Рисунок 2.

Измеренное изменение температуры для гидрата CH ₄ при 9.6 ° C, показывая каждую 20-ю точку данных из почти 900 точек, использованных при линейной аппроксимации. Из этого графика времени, теплопроводность рассчитывается по линейному наклону, A . Экстраполированный линейный отрезок B используется для определения температуропроводности.

Рисунок 3.

Температурная зависимость теплопроводности гидратов sI (светлые символы), гидратов sII (закрашенные символы и жирная линия) и воды (крестики). Полоса погрешности при 10 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 0.02 Wm ^-1 К ^-1. По теплопроводности гидрат метана ближе к воде, чем у льда; последний имеет теплопроводность, превышающую 2,2 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ (Waite et al. 2006).

Рисунок 3.

Температурная зависимость теплопроводности гидратов sI (светлые символы), гидратов sII (темные символы и жирная линия) и воды (крестики). Полоса ошибок при 10 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 0,02 Вт · м ^-1 K ^-1.По теплопроводности гидрат метана ближе к воде, чем у льда; последний имеет теплопроводность, превышающую 2,2 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ (Waite et al. 2006).

Таблица 1.

CH ₄ Зависимость тепловых свойств гидрата от температуры, измеренная при ограничивающем давлении 31,5 МПа.

Таблица 1.

CH ₄ Зависимость тепловых свойств гидрата от температуры, измеренная при ограничивающем давлении 31,5 МПа.

Таблица 2.

CH ₄ Зависимость тепловых свойств гидрата от давления, измеренная при 14,4 ° C между 31,5 и 102 МПа ограничивающим давлением.

Таблица 2.

Два потенциальных источника погрешности измерения можно оценить непосредственно из рис. 3: загрязнение образца непрореагировавшим H ₂ O и временные изменения λ из-за отжига или старения (Huang & Fan 2005).Плавный линейный переход λ от температуры ниже к температуре выше точки замерзания воды подтверждает наше утверждение о незначительных уровнях непрореагировавшего H ₂ O в системе. Поскольку λ _льда примерно в 4 раза больше, чем у CH ₄ гидрата (Sloan 1998; Waite и др. 2006), а λ _воды немного меньше, чем у CH ₄ гидрата, непрореагировавшего H ₂ O в системе вызывает скачкообразный скачок теплопроводности по температуре перехода вода / лед.Отсутствие такого шага в наших результатах означает, что вклад непрореагировавшего H ₂ O ниже наших уровней обнаружения тепловых свойств.

Для оценки эффектов старения были измерены термические свойства гидрата CH ₄ с шагом ∼5 ° C от 15 ° C до −20 ° C, затем с шагом ∼5 ° C от −17,5 ° C до + 17 ° C, обеспечивая полный профиль с шагом ∼2,5 ° C. Циклически изменяя температуру таким образом, мы подтверждаем, что отрицательный наклон λ с температурой является свойством материала гидрата sI CH ₄, а не артефактом старения или отжига в образце.Отклонения λ между точками, взятыми в начале и в конце полного цикла, составляют менее 0,5%.

Наши измерения λ показаны на рис. 3 относительно опубликованных результатов для гидратов sI, гидратов sII и чистой воды. Наборы данных, показанные на рис. 3, измерены при разных давлениях, но учет разницы давлений не устраняет различия между наборами данных. Например, наши измерения sI гидрата метана проводились при 31,5 МПа, тогда как Хуанг и Фан (2004) работали при 2 МПа (перевернутые треугольники).Основываясь на нашей измеренной зависимости давления, наши результаты должны быть уменьшены на ∼0,003 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ (∼0,5%), чтобы быть прямо сопоставимыми с результатами sI по гидрату метана из Huang & Fan (2004). Однако такое уменьшение составляет лишь ~ 5% от средней разницы между двумя наборами данных. Росс и Андерссон (1982) измерили еще меньшую зависимость от давления ∼0,005% МПа ^-1 для λ в гидрате sII THF. Мы применяем эту поправку к давлению к их измерениям при 100 МПа, понижая их результаты на 0.0025 Wm ^-1 K ^-1, чтобы получить сплошную линию на рис. 3 для сравнения с измерениями гидрата ТГФ при 2 МПа, проведенными Waite et al. (2006) (сплошные кружки на рис.3).

Вариабельность между наборами данных, показанными на рис. 3, более вероятно, определяется факторами, зависящими от измерений; для краткости мы сосредоточимся только на результатах по гидрату CH ₄. Чистота гидратов плохо ограничена в работе Cook & Leaist (1983) (открытый треугольник при -57 ° C), которые оценивают 43% их гидрата, диссоциированного на лед, и вычисляют λ _гидрат, принимая λ _льда до быть 2.65 Wm ⁻¹ K ⁻¹ при −57 ° C. Huang & Fan (2004) (перевернутые открытые треугольники) образовали гидрат метана путем объединения газообразного метана с раствором воды и додецилсульфата натрия (SDS). Они удалили газонаполненную пористость путем уплотнения образца под нагрузкой 2 МПа. Гидрат CH ₄ сопротивляется уплотнению, требуя нагрузки, превышающей 100 МПа, для достижения полного уплотнения в измерениях скорости акустических волн, проведенных Helgerud (2001). Мы наблюдаем быстрое увеличение теплопроводности из-за уменьшения пористости при давлении уплотнения до 35–40 МПа, что позволяет нам полагать, что наши измерения выше, чем у Хуанга и Фана (2004), по крайней мере частично потому, что наше конечное давление уплотнения 102 МПа. уменьшил пористость, наполненную газом, с низкой теплопроводностью ниже уровня, полученного при использовании уплотняющей нагрузки 2 МПа по Huang & Fan (2004).

Температуропроводность, κ

В отличие от λ, для которого приблизительно 900 точек данных, охватывающих более минуты времени нагрева, используются для получения необходимых параметров подгонки, переходный нагрев, регулируемый κ, требует нелинейного подбора в уравнении. (5) до менее чем 20 точек данных, охватывающих начальные несколько десятых секунды нагрева (рис. 4). Небольшое количество точек данных и нелинейная аппроксимация, необходимые для расчета κ из H (уравнения 3 и 4) Δ T (уравнение.5) приводит к большей дробной неопределенности κ по сравнению с λ. Неопределенность в κ увеличивается по мере уменьшения скорости сбора данных и, следовательно, количества доступных точек данных. Эта точка проиллюстрирована на рис. 5 (светлые кружки). При температуре выше 0 ° C сопротивление термистора игольчатого датчика падает ниже 10 кОм, обеспечивая скорость сбора данных 27,8 изм. с ⁻¹, по сравнению с 18,2 изм. с ⁻¹ ниже 0 ° C. Хотя разброс повторных измерений при температуре выше 0 ° C может достигать ± 3%, погрешность измерения контролируется изменчивостью от образца к образцу примерно ± 7% (полоса погрешности на рис.5 при 10 ° C для нашей работы).

Рис. 4.

Переходное изменение начальной температуры гидрата CH ₄ при 9,6 ° C. Короткая продолжительность переходного режима нагрева ограничивает доступные данные (светлые кружки) для нелинейной аппроксимации (сплошная кривая), требуемой для параметра теплового контакта, H (уравнение 5). Низкая скорость сбора данных дополнительно ограничивает количество точек данных, снижая точность, с которой можно оценить H и κ (см. Рис. 5).

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Температурная зависимость температуропроводности гидрата sI CH ₄.Повышенная погрешность наших измерений (светлые кружки) при температуре выше 0 ° C обусловлена увеличением на 50% скорости сбора данных для измерений при температуре выше 0 ° C. Полоса ошибок при 10 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 0,2 × 10 ⁻⁷ м ² с ⁻¹ Сплошная линия соответствует нашим данным выше 0 ° C (см. Таблицу 2 ). Пунктирная линия представляет собой экстраполированную аппроксимацию данных deMartin (2001) от −128 ° C до −106 ° C. Образцы Kumar et al. (2004) и Turner et al. (2005) включают ~ 30% пористости, заполненной газом метана (алмазы).

Рис. 5.

Температурная зависимость температуропроводности гидрата sI CH ₄. Повышенная погрешность наших измерений (светлые кружки) при температуре выше 0 ° C обусловлена увеличением на 50% скорости сбора данных для измерений при температуре выше 0 ° C. Полоса ошибок при 10 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 0,2 × 10 ⁻⁷ м ² с ⁻¹ Сплошная линия соответствует нашим данным выше 0 ° C (см. Таблицу 2 ).Пунктирная линия представляет собой экстраполированную аппроксимацию данных deMartin (2001) от −128 ° C до −106 ° C. Образцы Kumar et al. (2004) и Turner et al. (2005) включают ~ 30% пористости, заполненной газом метана (алмазы).

В отличие от нашей методики, данные, с которыми мы сравниваем наши результаты, получены путем измерения времени прохождения фронта нагрева (или охлаждения) между датчиками температуры с известным разделением в образце. Пунктирная линия на рис. 5 представляет собой экстраполированную аппроксимацию результатов измерений, проведенных deMartin (2001) в диапазоне от -128 ° C до -106 ° C (от 145 до 167 K) при 7 МПа на уплотненном гидрате CH ₄.Гидрат образуется из гранулированного льда в соответствии с методом Stern et al. (1996), затем прессовали в осевом направлении до ~ 105 МПа при -20 ° C с использованием аппарата, описанного Helgerud (2001). Подгонка для образца деМартина дается κ _deMartin = 1,43 × 10 ⁻⁷ + 4,58 × 10 ⁻⁵ T ⁻¹ (K), где T ⁻¹ (K) – обратная величина. температуры в Кельвинах. Сплошная кривая представляет собой аппроксимацию той же формы, рассчитанную по нашим измерениям при температуре выше 0 ° C (см. Таблицу 1).Согласие между нашим подходом и подходом deMartin (2001) предполагает, что измерения κ, выполненные с низкой скоростью сбора данных, не имеют одинакового разброса выше и ниже ожидаемого значения. Самые низкие значения разброса, по-видимому, лучше всего представляют κ в гидрате CH ₄.

Сплошные ромбы на рис. 5 представляют результаты для пористого гидрата CH ₄, измеренные между 4,35 и 7,65 МПа Kumar et al. (2004), переиздано с добавлением данных в Turner et al. (2005). Их гидрат образуется из гранулированного льда в соответствии с методом Stern et al. (1996). Принимая их начальную объемную долю льда равной 0,6 (Тернер, личное сообщение, 2006), плотность льда и пустую решетку гидрата sI равняется 917 и 790 кг м ⁻³ соответственно (Дворкин и др. 2000 ), полученная фракция гидрата составляет ∼0,7 при пористости ∼30%. Согласие между их результатами по пористости и нашим уплотненным гидратам можно понять из ур.(6). Поскольку c _p – это теплоемкость на единицу массы материала, устранение газонаполненной пористости незначительно изменяет массу образца, и c _p остается практически постоянной. Устранение газонаполненной пористости с низкой плотностью и низкой теплопроводностью увеличивает как ρ, так и λ, эффекты которых имеют тенденцию нейтрализовать друг друга в уравнении. 6, в результате чего κ лишь слабо зависит от пористости, заполненной газом.

Согласование наборов данных, представленных на рис. 5, полученных с использованием трех различных методов измерения, дает согласованный результат для κ в sI гидрате метана.Подходящие значения температуры и давления для κ, основанные на наших результатах выше 0 ° C, приведены в таблицах 1 и 2. Зависимости сильнее, чем для λ, при этом κ уменьшается на 7,4% между -20 ° C и 17 ° C, и 15,1 процентов от 31,5 до 102 МПа.

Удельная теплоемкость,

c _p Мы вычисляем c _p из наших измерений λ и κ, используя уравнение. (6), для которой плотность ρ является единственным требуемым дополнительным параметром. Мы вычисляем ρ из объема элементарной ячейки, V _o и массы элементарной ячейки, предполагая стехиометрию CH ₄ · n H ₂ O, с n = 5.89 (см. Раздел 2.3). Гидрат CH ₄ имеет кубическую структуру, поэтому V _o принимается за куб параметра решетки a _I , измеренного как функция температуры Шпаковым и др. (1998). Экстраполяция к нашему диапазону измерения температуры от -20 ° C до + 17 ° C дает: 7

Мы принимаем n = 5,89, потому что наши диапазоны измерений находятся в пределах диапазона стабильности давления и температуры для гидрата CH ₄.Для образцов, отожженных вдоль границы равновесия, n слегка эволюционирует до CH ₄ · (5,99 ± 0,07) H ₂ O (Circone et al. 2005). Однако плотность не сильно зависит от выбора n , снижаясь менее чем на 0,25% для n из 6, а не 5,89.

Поскольку c _p вычисляется из κ, разброс в c _p пропорционален разбросу в κ, что приводит к повторяемости измерений при температуре выше 0 ° C ± 3%, а образец – вариабельность от образца к образцу ± 5% (отображается как полоса ошибок на рис.6 при 0 ° C). Когда скорость сбора данных низкая, высокие значения c _p являются наиболее репрезентативными значениями (см. Рис. 6, ниже 0 ° C). Эти высокие значения c _p точек данных являются точками, рассчитанными с помощью уравнения. (6) из низких значений κ, показанных в предыдущем разделе, чтобы быть наиболее репрезентативными для температуропроводности. Мы рассчитываем нашу линейную аппроксимацию по точкам выше 0 ° C (см. Таблицы 1 и 2). Между -20 и 17 ° C c _p увеличивается 11.1 процент. При 14,4 ° C c _p увеличивается на 5,9% между 31,5 и 102 МПа.

Рисунок 6.

Температурная зависимость теплоемкости гидрата sI CH ₄. Неопределенность в наших измерениях (светлые кружки) в первую очередь связана с неопределенностью температуропроводности (см. Рис. 5). Полоса ошибок при 0 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 100 Дж · кг ^-1 K ^-1. Сплошная линия соответствует нашим данным выше 0 ° C (см. Таблицу 1).Пунктирная линия представляет собой кубическое соответствие, представленное Handa (1986) для гидрата CH ₄, измеренное между -188 ° C и -3 ° C (ромбы).

Рисунок 6.

Температурная зависимость теплоемкости sI CH ₄ гидрата. Неопределенность в наших измерениях (светлые кружки) в первую очередь связана с неопределенностью температуропроводности (см. Рис. 5). Полоса ошибок при 0 ° C представляет нашу изменчивость от образца к образцу ± 100 Дж · кг ^-1 K ^-1. Сплошная линия соответствует нашим данным выше 0 ° C (см. Таблицу 1).Пунктирная линия представляет собой кубическое соответствие, представленное Handa (1986) для гидрата CH ₄, измеренное между -188 ° C и -3 ° C (ромбы).

Ханда (1986) предположил стехиометрию гидрата CH ₄ · 6H ₂ O и измерил удельную теплоемкость c _pHanda, полученную по формуле: 8

Измерение разницы давлений между 31,5 МПа, использованных в нашей работе. а значение ∼3 МПа, используемое Хандой (1986), составляет половину 4-процентного расхождения между полученными нами значениями c _p и прямым измерением Ханда c _p с помощью прецизионной калориметрии.Однако, исходя из нашей вариабельности от образца к образцу, составляющей ± 5%, различия между нашими измерениями и измерениями Ханды не считаются значимыми.

Применение в природных системах

Мы сообщаем о тепловых свойствах чистого гидрата CH ₄, но гидрат CH ₄ часто существует в природе как компонент порового пространства в формации, содержащей и отложения, и воду. Чтобы получить представление о количестве гидратов, необходимом для значительного изменения тепловых свойств водонасыщенного пласта, мы сосредотачиваемся на двух управляющих параметрах: пористости осадка, ø, и гидратонасыщенности этого порового пространства, S _h .Типичные значения пористости и гидратонасыщенности для пяти типичных сред приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Типичная пористость осадка, φ, и гидратонасыщенность, S _h , для участков, на которых проводится сравнительное исследование.

Таблица 3.

Типичная пористость отложений φ и гидратонасыщенность S _h для участков, на которых проводится сравнительное исследование.

Исследовательская скважина газовых гидратов Маллик 5L-38, расположенная в районе вечной мерзлоты на северном побережье Северо-Западной территории Канады, была местом производственных испытаний 2002 года для получения метана из гидрата и представляет собой конечный вариант с высокой гидратонасыщенностью. (Даллимор и Коллетт 2005).Маржа Каскадия, система аккреционной окраины у берегов Ванкувера, Канада (Expedition 311 Scientists 2005), и континентальный склон Конго (Sultan et al. 2004), оба имеют приповерхностные гидраты с индикаторами выхода газа на морское дно. Блейк-Ридж, пассивная окраина на шельфе Южной Каролины, США, имеет хорошо развитый сейсмический индикатор свободного газа, лежащего под гидратосодержащими отложениями, по которому каротаж показывает пиковую гидратонасыщенность, сопоставимую с континентальным склоном Конго, и фоновую гидратонасыщенность всего на несколько процентов. (Helgerud et al. 1999).

Мы дополнительно упрощаем сравнение влияния гидратов на термические свойства в природных системах, предполагая, что температура пласта равна 8 ° C, температуре, использованной при исследованиях скважины Маллик 5L-38 (Moridis et al. 2005). Предполагается, что вмещающий осадок представляет собой кварц с плотностью ρ _кварц = 2650 кг · м ⁻³, теплопроводностью λ _кварц = 8 Вт · м ⁻¹ K (Beck 1976) и удельной теплоемкостью c _pquartz = 943 Дж · кг ⁻¹ K (Sultan et al. 2004). Предполагается, что поровая жидкость представляет собой чистую воду. Без учета влияния давления и солености, плотность и термические свойства воды даны как функции температуры, T (° C), по (Weast 1987):

Для нашей предполагаемой гидратной стехиометрии CH ₄ · 5,89H ₂ O, мы рассчитываем плотность, как объяснялось ранее, с использованием данных объема гидратной решетки из Shpakov et al. (1998). Тепловые свойства гидрата CH ₄ взяты из таблицы 1.

Теплопроводность

Связь между тепловым потоком и геотермическим градиентом определяется эффективной теплопроводностью λ _eff. Revil (2000) дает всестороннюю оценку моделей смешивания и представляет надежную модель, учитывающую многие недостатки ранее существовавших моделей. Для системы песок + вода + гидрат CH ₄ λ _eff рассчитывается по модели смешения по (Revil 2000): 13 где, и. Индексы s и f относятся к песку и жидкости соответственно, ø – пористость осадка, а показатель цементации м взят из Revil (2000) как 2.

С целью сравнения эффектов пористости и гидратонасыщения на тепловые свойства в отложениях предполагается, что гидрат является частью порового флюида, и закон двухфазного смешения из Revil (2000) применяется дважды, чтобы получить λ _eff для гидратосодержащий осадок. На первом этапе эффективная теплопроводность поровой жидкости рассчитывается по формуле. 13, предполагая, что гидрат представляет собой твердую фазу, вода представляет собой поровый флюид, а φ представляет собой объемную долю воды по отношению к гидрату (1 – S _h ).На втором этапе ур. (13) применяется в предположении, что λ _s – это теплопроводность кварца, а λ _f – эффективная теплопроводность, рассчитанная на этапе 1. Пористость приведена в таблице 3.

Из трех тепловых свойств Обсуждаемые здесь, гидрат метана и вода наиболее похожи по теплопроводности. На рис. 7 показано увеличение в процентах λ для водо- и гидратосодержащего песка с гидратонасыщенностью, S _h , по сравнению с песком, насыщенным только водой.Каждая кривая представляет пористость участка из Таблицы 3.

Рис. 7.

Изменение эффективной теплопроводности, λ _eff, по мере замещения поровой воды гидратом метана. Увеличение пористости осадка ø (см. Таблицу 3) усиливает влияние гидрата на λ _eff, но этот эффект составляет менее ∼8% даже в полностью гидратонасыщенном высокопористом осадке. Гидрат не оказывает значительного влияния на теплопроводность отложений.

Рисунок 7.

Изменение эффективной теплопроводности λ _eff при замене поровой воды гидратом метана. Увеличение пористости осадка ø (см. Таблицу 3) усиливает влияние гидрата на λ _eff, но этот эффект составляет менее ∼8% даже в полностью гидратонасыщенном высокопористом осадке. Гидрат не оказывает значительного влияния на теплопроводность отложений.

Максимальное увеличение теплопроводности гидратонасыщенного песка по сравнению с водонасыщенным песком составляет всего ~ 8%, даже в высокопористой системе поверхностных отложений, такой как континентальный склон Конго с пористостью 74%.Для более типичных значений пористости и гидратонасыщенности эффект еще меньше. Для сравнения, Henninges & Huenges (2005) утверждают, что 7-процентные вариации λ _eff невозможно измерить с доступными геотермальными данными. Исследование Grevemeyer & Villinger (2001), проведенное в рамках программы Ocean Drilling Program по скважинам в морских гидратных системах, аналогичным образом пришло к выводу, что ошибки измерения геотермического градиента составляют в лучшем случае ~ 10%, а вклад гидрата CH ₄ в λ _eff гидратов – несущий осадок незначительный.

Температуропроводность

Температуропроводность важна при описании движения теплового фронта в системе. Briaud & Chaouch (1997) моделируют повышение температуры в отложениях, происходящее, когда высокотемпературные углеводороды поднимаются через скважину на морское дно. Они обнаружили, что для заданного расстояния от скважины время, необходимое для повышения температуры пласта до заданного значения, пропорционально ¹ / κ _eff, где κ _eff – эффективный коэффициент температуропроводности.Температуропроводность гидрата CH ₄ более чем в два раза выше, чем у воды, что означает, что гидрат κ оказывает большее влияние на κ _eff, чем λ _гидрат оказывает на λ _eff.

В отсутствие систематических исследований моделей температуропроводности смешения, мы количественно оцениваем влияние κ _{гидрата} на κ _eff, используя определение температуропроводности, откуда мы вывели c _p в ур. (6) (Kittel & Kroemer 1980): 14

Для расчета κ _eff системы песок + вода + CH ₄ гидрат, мы используем эффективную теплопроводность λ _eff из уравнения.(13). Эффективная плотность ρ _eff и удельная теплоемкость c _peff рассчитываются в разделе 4.3 (уравнения 15 и 16 соответственно).

Игнорирование влияния гидрата метана и предположение, что поры насыщены только водой, может привести к более чем 10-процентному завышению оценки времени нагрева в коллекторах с 35-процентной гидратонасыщенностью и 35-процентной пористостью (Рис. 8). В пористых приповерхностных отложениях окраины Каскадия или континентального склона Конго гидратонасыщенность всего 19–22% приводит к более чем 10-процентному сокращению времени нагрева по сравнению с отложениями без гидратов.Гидраты следует учитывать в приложениях с переходными тепловыми потоками, такими как оценка безопасности при бурении в гидратосодержащих отложениях или сквозь них (Ji et al. 2003; Pooladi-Darvish 2004).

Рис. 8.

Изменение эффективного коэффициента температуропроводности, κ _eff, по мере замещения поровой воды гидратом метана. Даже для пористости отложений φ (см. Таблицу 3) и гидратонасыщенности Sh , равной 35%, гидрат метана увеличивает κ _eff более чем на 10%.Гидрат может значительно увеличить скорость распространения теплового фронта от источника тепла, такого как обычная углеводородная скважина, потенциально снижая прочность близлежащих отложений (Briaud & Chaouch 1997).

Рис. 8.

Изменение эффективного коэффициента температуропроводности κ _eff, когда поровая вода заменяется гидратом метана. Даже для пористости отложений φ (см. Таблицу 3) и гидратонасыщенности Sh , равной 35%, гидрат метана увеличивает κ _eff более чем на 10%.Гидрат может значительно увеличить скорость распространения теплового фронта от источника тепла, такого как обычная углеводородная скважина, потенциально снижая прочность близлежащих отложений (Briaud & Chaouch 1997).

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость, мера тепла, накопленного в системе, является контролирующим параметром во время диссоциации гидрата. Диссоциация гидратов – это эндотермический процесс, и скорость диссоциации может быть ограничена, если на фронте диссоциации доступно недостаточное количество тепла (Hong & Pooladi-Darvish 2005).Удельная теплоемкость гидрата CH ₄ составляет менее половины, чем у воды, что означает, что присутствие гидрата может значительно снизить удельную теплоемкость гидратосодержащего осадка по сравнению с водонасыщенным осадком.

Количественная оценка влияния c _{гидрата} на c _peff требует общей плотности, ρ _eff: 15, где φ – пористость, S _h – гидратонасыщенность порового пространства, а нижний индекс «порода», «вода» и «гидрат» относится к вмещающему отложениям, поровой воде и гидрату CH ₄ соответственно.Используя то же соглашение о нижнем индексе, удельная теплоемкость формации, c _peff, определяется по формуле (Sultan et al. 2004): 16

Плотность породы в каждом примере дана как плотность кварца, 2650 кг м ^{– 3}. Для сравнения, c _prock во всех трех примерах будет принято равным 943 Дж кг ⁻¹ K ⁻¹ (Sultan et al. 2004). Свойства воды приведены в уравнениях 9–12. CH ₄ Плотность гидрата рассчитывается по ур.7, а его удельная теплоемкость взята из таблицы 1. Относительно водонасыщенного песка процентное уменьшение c _peff показано как функция фракции гидрата на рис. 9. Пористости приведены в таблице. 3.

Рис. 9.

Изменение эффективной удельной теплоемкости, c _peff, поскольку поровая вода заменяется гидратом метана. Для пористости отложений φ (см. Таблицу 3), превышающей 35 процентов, и гидратонасыщенности, S _h , более 40 процентов, гидрат метана уменьшается на c _peff более чем на 10 процентов.Гидрат может значительно уменьшить тепло, накопленное в гидратосодержащих отложениях, которое доступно для диссоциации гидрата, снижая тем самым скорость диссоциации. Это особенно очевидно при высокой гидратонасыщенности, характерной для вероятных целей добычи метана из гидратов, и должно учитываться в производственных моделях (Moridis et al. 2005).

Рис. 9.

Изменение эффективной удельной теплоемкости, c _peff, поскольку поровая вода заменяется гидратом метана.Для пористости отложений φ (см. Таблицу 3), превышающей 35 процентов, и гидратонасыщенности, S _h , более 40 процентов, гидрат метана уменьшается на c _peff более чем на 10 процентов. Гидрат может значительно уменьшить тепло, накопленное в гидратосодержащих отложениях, которое доступно для диссоциации гидрата, снижая тем самым скорость диссоциации. Это особенно очевидно при высокой гидратонасыщенности, характерной для вероятных целей добычи метана из гидратов, и должно учитываться в производственных моделях (Moridis et al. 2005).

Участки-кандидаты для добычи CH ₄ из гидрата, такие как гидратосодержащие слои, используемые для производственных испытаний в скважине Маллик 5L-38, с пористостью ∼35%, ∼80% насыщенными гидратом метана (Collett et al. al. 2005), особенно подвержены влиянию гидрата. Этот эффект обнаружен в моделировании производственных испытаний Mallik 5L-38, проведенном Курихарой и др. (2005) и Moridis et al. (2005), но эффект> 10% даже при умеренной гидратонасыщенности.

Сравнивая рисунки 8 и 9, можно увидеть, что влияние гидрата CH ₄ на κ _eff примерно вдвое превышает влияние на c _peff, хотя оба свойства отличаются от свойств воды примерно в раз. два. Во многом это связано с артефактом сравнения. Рисунки 8 и 9 представляют собой графики процентного изменения свойства относительно водонасыщенных отложений. Что касается температуропроводности, увеличение коэффициента диффузии гидратосодержащего осадка делится на меньший коэффициент диффузии водонасыщенного осадка.Однако для удельной теплоемкости уменьшение делится на большую удельную теплоемкость водонасыщенного песка, приглушая влияние гидрата на частичное уменьшение удельной теплоемкости с насыщением гидратом. Величина изменения удельной теплоемкости была бы аналогична изменению температуропроводности, если бы фиг. 9 был представлен как процентное изменение удельной теплоемкости относительно насыщенного гидратами песка, когда вода заменяет гидрат в поровом пространстве.

Выводы

Наши одновременные измерения λ, κ и c _p дают исчерпывающее описание тепловых свойств чистого гидрата sI CH ₄, которое близко согласуется с ограниченными доступными результатами, измеренными с использованием других методов, и связывает их вместе.Обладая достаточно высокой скоростью сбора данных, этот метод игольчатого зонда может использоваться при испытаниях рыхлого осадка и других материалов, которые могут проникать или образовываться в тесном контакте с зондом.

По сравнению с поровой водой вклад гидратов в теплопроводность гидратосодержащих отложений невелик и, вероятно, не обнаруживается при полевых измерениях. Однако для отложений с пористостью, превышающей ~ 30%, с гидратонасыщенностью, превышающей ~ 10%, вклад гидратов в температуропроводность и удельную теплоемкость может быть значительным, особенно в областях добычи углеводородов и стабильности отложений, для которых необходимо решать вопросы безопасности и экономической целесообразности.

Благодарности

Эта работа была поддержана Проектом газовых гидратов Программы прибрежной и морской геологии Геологической службы США в дополнение к контракту Министерства энергетики DE-AI21–92MC29214. Рукописи значительно помогли обсуждения с докторами К. Руппелем и Р. Уильямсом.

Список литературы

1976

Усовершенствованный метод расчета теплопроводности заполненных флюидом осадочных пород

Geophysics

133

–

144

1954

Метод неустановившегося потока для определения термических постоянных изоляционных материалов в массе

J. app. Phys.

(

137

–

144

1997

Таяние гидратов в почве вокруг теплопровода

Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии

123

(

645

–

653

2005

Прямое измерение состава гидрата метана вдоль границы равновесия гидрата

J. Phys. Chem. В

109

9468

–

9475

1995

. Ресурсы газовых гидратов США. В: Д. Л. Готье и Г. Л. Долтон (редакторы), Национальная оценка ресурсов нефти и газа США (CD-ROM) , стр. 78 + CD.

2005

Каротажные и керновые исследования скважин на добычу газовых гидратов Маллик 5Л-38

. В: (Редакторы),

, Научные результаты Программы исследования скважин по добыче газовых гидратов Маллик 2002, Дельта Маккензи, Северо-Западные территории

Канада

Геологическая служба Канады, Бюллетень 585

1981

Теплопроводность двух клатратных гидратов

Proc. 17-й Int. Конференция по теплопроводности.

, стр.

1983

Разведочное исследование теплопроводности гидратов метана

Geophys. Res. Lett.

(

397

–

399

2005

Краткое изложение и последствия программы исследования скважин по добыче газовых гидратов Маллик 2002

. В:

Научные результаты программы исследования скважин по добыче газовых гидратов Маллик 2002, Дельта Макензи, Северо-Западные территории

Канада

Геологическая служба Канады, Бюллетень 585

2001

. Лабораторные измерения теплопроводности и температуропроводности гидрата метана в смоделированных in situ условиях. Магистерская диссертация, Технологический институт Джорджии, Атланта, Джорджия, 135 стр.

1995

Диссоциация океанических гидратов метана как причина выброса изотопов углерода в конце палеоцена

Палеоокеанография

(

965

–

972

2000

Введение в физические свойства и модели упругости

. В: (ред.),

Гидрат природного газа в океанической среде и среде вечной мерзлоты

Kluwer Academic Publishers

Дордрехт, Нидерланды (NLD)

, стр.

245

–

260

Экспедиция 311 Ученые

2005

Приграничные газовые гидраты Cascadia. Предварительные отчеты IODP, 311

: doi:.

2001

Устойчивость газовых гидратов и оценка теплового потока через континентальные окраины

Geophys. J. Int.

145

(

647

–

660

1999

Определение упругих свойств газовых гидратосодержащих отложений на хребте Блейк

J. geophys Res.

104

(

17781

–

17795

2005

Одновременное измерение теплопроводности, теплопроводности и объемной удельной теплоемкости

Теплопроводность

313

–

327

1986

Составы, энтальпии диссоциации и теплоемкости в диапазоне от 85 до 270 К для клатратных гидратов метана, этана и пропана, а также энтальпия диссоциации изобутанового гидрата, определенная калориметром теплового потока

Дж.Chem. Термодинамика

915

–

921

1999

Скорость упругих волн в морских отложениях с газовыми гидратами: моделирование эффективной среды

Geophys. Res. Lett.

(

2021

–

2024

2005

Внутрипластовая теплопроводность газогидратосодержащих отложений скв. Маллик 5Л-38

Дж.геофизики. Res.

110

B11206

, DOI:.

2005

Численное исследование добычи газа с постоянным дебитом из газогидрата на месте при разгерметизации

. В: (Редакторы),

, Научные результаты программы исследования скважин по добыче газовых гидратов Маллик 2002, Дельта Макензи, Северо-Западные территории

Канада

Геологическая служба Канады, Бюллетень 585

2004

Теплопроводность гидрата метана, образованного из раствора додецилсульфата натрия

Journal of Chemical and Engineering Data

1479

–

1482

2005

Измерение и моделирование теплопроводности газогидратсодержащих песков

J. geophys. Res.

110

B01311

, DOI:.

2003

Добыча природного газа с постоянной скоростью из скважины в гидратном коллекторе

Преобразование энергии и управление

2403

–

2423

2004

Ресурсы газовых гидратов: меньше, но раньше

Science

303

946

–

947

1980

Теплофизика

. С.

473

W. H. Freeman & Co.

Нью-Йорк

2004

Измерение температуропроводности пористого гидрата метана и смесей гидрат-осадок

Дж.геофизики. Res.

109

B01207

, DOI:.

и другие. ,

2005

Анализ JAPEX / JNOC / GSC et al. Тестирование теплопродукции газогидрата Маллик 5л-38 посредством численного моделирования

. В: (Редакторы),

Канада

Геологическая служба Канады, Бюллетень 585

2000

Природный газ гидрат; введение и история открытия

. В: (Редакторы),

Гидрат природного газа в океанической среде и среде вечной мерзлоты

Kluwer Academic Publishers

Дордрехт, Нидерланды (NLD)

, стр.

–

2005

Анализ и интерпретация тепловых испытаний диссоциации газовых гидратов в исследовательской скважине

по добыче газовых гидратов JAPEX / JNOC / GSC Mallik 5L-38.В: (Редакторы),

Канада

Геологическая служба Канады, Бюллетень 585

2006

Реакция океанических гидратоносных отложений на термические напряжения, документ OTC 18193

Offshore Technology Conference

Houston, Texas

2004

Добыча газа из запасов гидратов и ее моделирование

J. Petr.

(

–

2000

Теплопроводность рыхлых отложений для геофизических приложений

J. geophys. Res.

105

16749

–

16768

1982

Клатрат и другие твердые фазы в системе тетрагидрофуран-вода: теплопроводность и теплоемкость под давлением

Кан.Journ. Chem.

881

–

892

1998

Расчет модулей упругости и нестабильность в структуре I гидрат клатрата метана

Chemi. Physi. Lett.

282

(

107

–

114

1998

Клатратные гидраты природных газов

Marcel Dekker Inc.

Нью-Йорк

705

стр.

2004

Вводный обзор: развитие знаний о гидратах

Американский минералогист

1155

–

1161

1996

Особенности образования гидрата клатрата метана и твердотельной деформации, включая возможный перегрев водяного льда

Science

273

(

5283

1843

–

1848

1998

Поликристаллический гидрат метана: синтез из перегретого льда и низкотемпературные механические свойства

Energy and Fuels

(

201

–

211

2000

Лабораторный синтез чистого гидрата метана, пригодного для измерения физических свойств и поведения при разложении

. В: (Редактор),

Гидрат природного газа в океанической среде и среде вечной мерзлоты

Kluwer Academic Publishers

Нидерланды

, стр.

323

–

348

1979

Физические свойства отложений, содержащих газовые гидраты

J. geophys. Res.

1629

–

1634

и другие. ,

2004

Динамика газовых гидратов: случай континентального склона Конго

Морская геология

206

(

–

), 1–

2005

Новый метод измерения температуропроводности гидратов

Int. J. Thermophysics

(

1681

–

1691

1959

Измерение теплопроводности глубоководных отложений игольчатым зондом

J. geophys. Res.

1629

–

1634

2006

Оценка температуропроводности и теплоемкости по данным теплопроводности игольчатого датчика

Review of Scientific Instruments

044904

, doi:.

1987

CRC Справочник по химии и физике

CRC Press, Inc.

Бока Ратон

2006

Избыточное поровое давление в результате диссоциации гидрата метана в морских отложениях: теоретический подход

Дж.геофизики. Res.

111

B01104

, DOI:.

Знать о применении слюды в системах термического контроля и регулирования температуры

Нагревательные элементы

Mica довольно популярны в промышленных системах отопления. Слюда используется в ленточных нагревателях, пластинчатых нагревателях и интегрированных системах контроля и мониторинга температуры, разработанных для промышленного применения. Слюда приобрела значительную популярность в промышленных системах отопления благодаря своим типичным свойствам и является неотъемлемой частью нескольких высокотемпературных промышленных систем отопления.Что делает слюду популярным нагревательным элементом? В этом посте обсуждаются различные свойства слюды и ее значение в качестве нагревательного элемента в промышленных системах отопления.

Свойства слюды

Слюда – природный минерал в виде тонких пластин. Этот минерал содержит различные концентрации калия, алюминия, железа, магния и воды. Он очень популярен в температурно-ориентированных операциях из-за его высокой удельной мощности и высоких температур.Слюда обеспечивает стабильность кристаллов во влажных местах и предлагает отличные изоляционные свойства; поэтому он очень популярен в электронных системах отопления.

Термические свойства слюды – не единственная причина ее популярности. Его электрические, химические и механические свойства также делают этот материал востребованным в промышленности. Следующие указатели помогут вам лучше понять его свойства.

Электрические свойства: Слюда предлагает широкий спектр электрических свойств, таких как равномерная емкость, низкие потери мощности, высокая диэлектрическая прочность, высокое электрическое сопротивление и низкий тепловой коэффициент.Эти свойства позволяют слюде оставаться стабильной при электрическом воздействии, что делает ее пригодной для использования в системах электрического отопления.
Химические свойства: Слюда – стабильный минерал. Он не вступает в реакцию с водой, щелочами, кислотами, маслами и т. Д. Поскольку слюда сохраняет свою стабильность при химических взаимодействиях, она отлично подходит для тактического промышленного применения.
Термические свойства: Слюда выдерживает температуру до 1000 ° C. Он обладает высокой термической стабильностью, поскольку он негорюч, а его низкая теплопроводность делает его отличным теплоизолятором.
Механические свойства: Слюда обладает механическими свойствами, такими как высокая прочность на разрыв, ударная вязкость, эластичность и т. Д. Это означает, что слюду можно легко обрабатывать на станке или резать вручную, сохраняя при этом гибкость материала.

Различные применения слюды в системах термического и температурного контроля

Mica находит широкое применение в различных отраслях промышленности, где требуются тепловые системы. Ниже приведены несколько примеров.

Нагреватели слюды используются в различных отраслях промышленности, таких как химическое обнаружение, полупроводники, коммерческое и промышленное терморегулирование и устройства контроля. Они также используются в различных сложных системах теплопромышленности.
Полоски слюды или пластинчатые нагреватели также используются в устройствах контроля и мониторинга температуры в различных отраслях промышленности.

Хотя слюда имеет большое значение и имеет широкую область применения во всех отраслях промышленности, ее характеристики зависят от качества используемой слюды и производства.Эти факторы влияют на эффективность систем обогрева на основе слюды. Вот почему промышленные нагревательные системы на основе слюды должны закупаться у проверенных производителей, таких как Birk Manufacturing, Inc. Компания предлагает высококачественные слюдяные нагреватели, пластинчатые нагреватели и ленточные нагреватели для различных промышленных целей. Продукция Birk соответствует стандартам ISO9001, ISO13485 и AS9100.

Эмпирическая проверка теплопередачи Моделирование бетонных материалов из графита / ПКМ для термоактивированной строительной системы

Для увеличения теплоемкости легких строительных материалов в элементы здания может быть введен материал с фазовым переходом (ПКМ).Термически активированная строительная система (TABS) с бетонной пустотной плитой из графита / ПКМ предлагается в качестве энергоэффективной технологии для смещения и снижения пиковой тепловой нагрузки в зданиях. Оценка характеристик аккумулирования и рассеивания тепла TABS в бетоне из графита / ПКМ была проведена с использованием динамического моделирования, но эмпирическая проверка необходима для приемлемого прогнозирования теплового поведения бетона из графита / ПКМ. Это исследование было направлено на подтверждение теплового поведения бетона из графита / ПКМ с помощью трехмерного моделирования переходной теплопередачи.Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными результатами предыдущих исследований бетона и бетона графит / ПКМ. Было обнаружено, что общее термическое поведение обоих материалов аналогично результатам экспериментов. Ограничения в имитационном моделировании, которые включали определение коэффициента теплопередачи в помещении, предположение о постоянной теплопроводности в зависимости от температуры и предположение об однородности образца, привели к небольшим различиям между измеренными и смоделированными результатами.

1.Введение

Современные легкие конструкции, такие как навесная стена или конструкция со стальным каркасом, неизбежно имеют меньшую теплоемкость, чем более тяжелые материалы. Кроме того, здания с большой площадью окон и внутренней нагрузкой могут создавать очень высокие пиковые нагрузки по охлаждению, что требует технологического решения по перемещению и снижению пиковой нагрузки [1]. Термически активируемая строительная система (TABS) является одной из таких технологий для сдвига и уменьшения пиковой нагрузки. Это система лучистого отопления и охлаждения здания, в которой трубы, встроенные в массивную бетонную конструкцию, подают горячую и холодную воду [2].Поскольку система TABS способна осуществлять низкотемпературный обогрев и высокотемпературное охлаждение с использованием новой и возобновляемой энергии, она считается энергоэффективной системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зеленых зданиях.

Для применения TABS необходима массивная конструкция с высокой тепловой инерцией, такая как бетонная стена или плита. Поскольку TABS применяется к бетонной конструкции с большой теплоемкостью, время пиковой нагрузки нагрева и охлаждения может быть смещено, а пиковая дневная нагрузка может быть уменьшена при интеграции с традиционной системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.Однако в облегченных конструкциях применение ТАБС затруднено из-за недостаточной теплоемкости конструкции. Для решения этой проблемы может быть введен материал с фазовым переходом (PCM), который может увеличить теплоемкость легких конструкций, таких как плиты перекрытия, бетонные плиты с пустотелым сердечником или внешние навесные стены.

Были проведены обширные исследования методов хранения скрытой теплоты с использованием ПКМ в зданиях [3–7]. Среди исследованных методов – высокопроизводительный ПКМ со стабилизированной формой (SSPCM), в котором используется пропитка ПКМ пористым материалом.В некоторых из этих исследований SSPCM из вспененного графита (xGnP), который выполняет вакуумную пропитку определенного типа PCM в материалы xGnP, смешивается с такими материалами, как бетон и строительный раствор [8–10].

Характеристики аккумулирования и рассеивания тепла TABS с использованием бетона графит / PCM, которые показывают температуру фазового перехода, отличаются от TABS в обычном бетоне. Следовательно, необходимы различные стратегии эксплуатации и рекомендации по проектированию бетонных материалов графит / ПКМ.Тем не менее, было проведено не так много исследований по характеристикам TABS применительно к бетону из графита / ПКМ. Кроме того, поскольку PCM имеет разные температуры фазового перехода в зависимости от типа, важно найти наиболее подходящий PCM для охлаждения и обогрева в зданиях. Компьютерное моделирование может эффективно определить подходящий PCM и понять его характеристики.

Чтобы оценить эффективность охлаждения и обогрева TABS, необходимо сначала понять различные проектные переменные, такие как температуры подаваемой и обратной воды, а также нагрузки по обогреву или охлаждению.Проверка результатов моделирования для проверки точного прогноза динамического поведения материала с фазовым переходом и его характеристик аккумулирования и рассеивания тепла необходима до того, как эти проектные переменные будут определены с помощью моделирования. В частности, поскольку SSPCM смешивается с бетоном в виде бетона из графита / PCM, важна валидация имитационной модели с результатами экспериментов.

Целью данного исследования является проверка имитационной модели для прогнозирования характеристик аккумулирования и рассеивания тепла в бетоне из графита / ПКМ.Для этого результаты моделирования были проанализированы и сопоставлены с экспериментальными данными из предыдущего исследования [10]. Кроме того, обсуждаются основные факторы, влияющие на прогноз производительности при моделировании TABS в бетоне из графита / ПКМ, а также ограничения моделирования.

2. Термические свойства графита / ПКМ

2.1. Краткое изложение эксперимента для проверки

Жидкий PCM может вытекать из конструкции здания из-за характеристики PCM перехода твердой и жидкой фаз.SSPCM – это метод стабилизации жидкого ПКМ, который пропитывает ПКМ пористым материалом. Для изготовления ССПКМ использовались различные пористые материалы. Kim et al. [8] предложили SSPCM н-октадекан / xGnP и проверили его термические свойства. Он может быть изготовлен путем вакуумной пропитки октадеканового ПКМ в xGnP, в котором используется пористый наноуглерод для увеличения теплопроводности ПКМ. Кроме того, Kim et al. [11] предоставили соответствующее соотношение смеси бетона и н-октадекана / xGnP SSPCM и проверили структурные характеристики бетона, смешанного с n-октадеканом / xGnP SSPCM.

Jeong et al. [10] провели эксперименты с бетоном графит / ПКМ, в которых кубоидные образцы размером 100 × 100 × 50 мм были изготовлены из бетона и бетона графит / ПКМ, смешанного с 10% масс., 20% масс. И 30% масс. SSPCM, как показано на рисунке 1. Нагревательные пластины были установлены под образцом, чтобы нагреть его до 40, 50 и 60 ° C, а датчики температуры были установлены вверху, посередине и внизу каждого образца.

(a) Раздел
(b) План
(a) Раздел
(b) План

В этом исследовании экспериментальные данные были получены для подтверждения из предыдущего исследования [10], в котором нагревательная пластина была нагрета до 40 ° C в образцах из бетона и бетона графит / ПКМ, смешанного с 30 мас.% SSPCM, как показано на рисунке 2.Нагревательная пластина работала в режиме нагрева в течение 4 ч, затем 20 ч с выключенной нагревательной пластиной и охлаждением. Измеренные температуры внизу были самыми высокими в обоих случаях из-за близости к нагревательной пластине. Измеренные температуры в верхней части были самыми низкими в обоих случаях из-за расстояния от нагревательной пластины и потерь тепла в окружающую среду. В случае бетона графит / ПКМ, температуры были медленнее как повышаться во время периода нагрева, так и понижаться в период отсутствия нагрева по сравнению с обычным бетоном.

2.2. Тепловые свойства бетона и бетона из графита / ПКМ
Удельная теплоемкость бетона и бетона из графита / ПКМ рассчитывается по результатам анализа методом дифференциального сканирующего калориметра (ДСК) [10]. Удельная теплоемкость каждого бетона показана на рисунке 3. Для обычного бетона точка пика удельной теплоемкости не была показана на графике, что указывает на то, что бетон не проявляет характеристики аккумулирования скрытой теплоты. Бетон графит / ПКМ показывает быстрое увеличение удельной теплоемкости в диапазоне температур от 22 до 30 ° C.Теплопроводность и плотность каждого бетона были дополнительно измерены [10] и показаны в таблице 1. Теплопроводность была измерена с использованием TCi для дополнительного образца бетона с расчетной прочностью 50 МПа. Теплопроводность самого SSPCM составила 1,36 Вт / м · К, что меньше теплопроводности бетона, 2,01 Вт / м · К. Средняя теплопроводность бетона графит / ПКМ составляла 1,60 Вт / м · К. Аналогичным образом измерялась и плотность. Плотность бетона (2.44 г / см ³) была на 17,6% выше, чем плотность бетона графит / ПКМ (2,01 г / см ³).
900 Бетон графит / ПКМ
Теплопроводность Плотность
Бетон 2,01 Вт / м · K 2,44 г / см ³
1,60 Вт / м · K 2,01 г / см ³

3.Валидация моделирования теплопередачи
Для стационарного моделирования TABS, ISO 11855-Часть 2 Приложение D [12] документирует метод проверки программ моделирования FEM и FDM. В этом документе представлены граничные условия, свойства материала и геометрия модели TABS, расчетная температура поверхности должна быть в пределах 0,3 K, а расчетный тепловой поток – в пределах 3% от значений, приведенных в таблицах Приложения D для приемлемой проверки. Аналогичные рекомендации по моделированию для расчетов переходных процессов TABS с использованием материалов PCM должны быть разработаны и проверены.Поэтому в данном исследовании сравнительный анализ результатов экспериментов и моделирования был проведен для имитационной модели бетона графит / ПКМ с теми же граничными условиями и тепловыми свойствами, что и в эксперименте. Образцы бетона и бетона из графита / ПКМ, упомянутые в разделе 2, были смоделированы в Physibel Voltra 7.0w [13]. Трехмерный переходный анализ теплопередачи с использованием метода конечных дифференциалов был доступен в этой программе и показал свою надежность в предыдущих исследованиях.Однако проверка прогнозируемого теплового поведения в бетоне графит / ПКМ проводилась редко. Таким образом, сравнивая результаты моделирования с результатами экспериментов, была оценена прогностическая способность имитационной модели для бетона графит / ПКМ.
3.1. Имитационные модели для валидации
3.1.1. Описание случаев моделирования
На рис. 4 показана имитационная модель, которая идентична экспериментальному образцу в разделе 2. Моделирование проводилось с использованием двух случаев: модели из обычного бетона и одной из бетона графит / ПКМ.Граничные условия имитационной модели для проверки делятся на нижнюю, боковую и верхнюю части, как показано на рисунке 4 и в таблице 2.
Местоположение Граничные условия
Температура Коэффициент теплопередачи / сопротивление теплопередаче
Верхняя поверхность модели Измеренные температуры воздуха в помещении (Рисунок 5 (a)) (a) Бетон: 7.0 Вт / м ² K
(b) Бетон графит / ПКМ: 7,0 Вт / м ² K
Сторона модели Адиабатическая Нет
Нижняя поверхность модели Измеренная температура поверхности тепловой плиты (Рисунок 5 (b)) (a) Бетон: 0,067 м ² K / W
(b) Бетон из графита / PCM: 0,077 м ² K / W

Точки измерения температуры расположены в центре верхней поверхности, центре нижней поверхности и внутреннем центре образцов (см. Рисунок 4).На температуру верхней поверхности образца влияли температура в помещении, а также коэффициенты конвективной и радиационной теплоотдачи, в то время как на температуру нижней поверхности влияли температура нагревательной пластины и контактное термическое сопротивление между образцом и нагревательной пластиной.
Используемые температуры взяты из значений, измеренных во время эксперимента. Коэффициент конвективной и радиационной теплопередачи верхней поверхности был определен эмпирически для более точной температуры поверхности путем проведения предварительного моделирования.Точно так же были проведены другие предварительные моделирования для определения подходящего значения контактного термического сопротивления между образцом и нагревательной пластиной, поскольку для этого нет соответствующего стандарта. Благодаря предварительному моделированию, когда смоделированная температура поверхности в нижней точке наиболее точно приближалась к температуре эксперимента, использовалось соответствующее контактное термическое сопротивление. Результирующие контактные термические сопротивления на нижней поверхности бетона и бетона графит / ПКМ были установлены по-разному, 0.067 и 0,077 м ² К / Вт соответственно. В эксперименте фактические контактные термические сопротивления между каждым образцом и нагревательной пластиной, скорее всего, будут различаться.
Тепловые свойства были получены из Раздела 2. Измеренные температуры в помещении и температуры нагревательной пластины показаны на Рисунке 5, который использовался в качестве граничных условий. Таким образом, моделирование может отражать периоды нагрева и отсутствия нагрева так же, как и эксперимент.

(а) Бетон
(б) Бетон из графита / ПКМ
(а) Бетон
(б) Бетон из графита / ПКМ
3.2. Сравнение характеристик теплопередачи
Усилия по моделированию характеристик аккумулирования и рассеивания тепла в бетоне из графита / ПКМ были сосредоточены на определении: эксперимент и (2) может ли моделирование точно предсказать конкретные тепловые характеристики, возникающие в результате накопления скрытой теплоты в диапазоне температур плавления и замерзания бетона из графита / ПКМ.
Для первой оценки было проведено сравнение результатов моделирования и экспериментов для верхней, средней и нижней точек бетона и бетона из графита / ПКМ следующим образом: во-первых, пиковая температура, время достижения максимальной температуры в каждой точке. точки во время периода нагрева и времени достижения температуры окружающей среды во время периода охлаждения определялись и сравнивались. Затем были рассчитаны и проанализированы средние абсолютные ошибки результатов экспериментов и моделирования в период нагрева и в период отсутствия нагрева.
Для оценки прогнозируемых характеристик аккумуляции скрытой теплоты, температуры в средней точке бетона графит / ПКМ были разделены на пять часовых поясов в соответствии с точками плавления и замерзания SSPCM. Впоследствии средние абсолютные ошибки между измеренными и смоделированными значениями были проанализированы для каждого из этих часовых поясов. Температуры в средней точке были выбраны для анализа, чтобы минимизировать влияние граничных условий и тепловых свойств поверхности.
3.2.1. Прогнозирование тепловых характеристик бетона и бетона с графитом / ПКМ
На рисунках 6 и 7 показано сравнение измеренных и смоделированных температур в верхней, средней и нижней точках образцов бетона и графита / ПКМ соответственно. В случае бетона на Рисунке 6 температурные кривые были одинаковыми во всех трех точках. Это было особенно верно в средней точке, в то время как некоторые температуры наблюдались в верхней и нижней точках. Эти различия объясняются неизвестными тепловыми свойствами поверхности, такими как коэффициенты конвективной и лучистой теплопередачи и контактное тепловое сопротивление.В случае бетона графит / ПКМ на рисунке 7, температуры в нижней и средней точках показали хорошее соответствие между моделированием и экспериментом. Распределение температуры в средней точке несколько отличалось в период фазового перехода, и об этом будет сказано ниже.
В обоих случаях на распределение температуры нижней точки влияло контактное термическое сопротивление между образцом и нагревательной пластиной. Это неизвестное значение, для которого необходимо принять значение во время моделирования, и, следовательно, ожидается, что будут различия между экспериментальными и смоделированными значениями.
Моделируемое изменение температуры в верхней точке отличалось от измеренных значений в обоих случаях. В частности, бетон графит / ПКМ показал большую разницу в верхней части по сравнению с двумя нижними точками. На температуру в верхней точке влияли не только характеристики фазового перехода, но также коэффициенты лучистой и конвективной теплопередачи верхней поверхности. На лучистую и конвективную теплопередачу между поверхностью образца и окружающими поверхностями, такими как стены и потолки, обычно влияют несколько параметров, таких как форма окружающей среды, стратификация внутреннего воздуха и скорость воздуха.Поскольку коэффициенты конвективного и лучистого теплообмена между поверхностью нагрева и охлаждения и помещением имеют разное физическое поведение и рассчитываются с разными эталонными температурами, очень важно определить соответствующую эталонную температуру при расчете общего коэффициента теплопередачи. Однако во время экспериментов или в реальных условиях здания коэффициент теплопередачи внутренней поверхности трудно измерить, и часто принимаются расчетные значения из справочных материалов, таких как ASHRAE [14].Наблюдаемая разница температур в верхней точке, вероятно, является результатом этого предположения.
В таблице 3 показаны пиковые температуры, время достижения максимальной температуры и время достижения температуры окружающей среды в каждой точке для двух корпусов с материалами. В случае бетона не было значительной разницы между экспериментальными и смоделированными значениями пиковой температуры в средней точке, поскольку они различались всего на 0,5 ° C. Пиковые температуры в верхней и нижней точках были выше из эксперимента на 2.9 и 4,5 ° C, соответственно, так как точные свойства поверхности было трудно получить для моделирования. Что касается времени достижения пиковой температуры, моделирование заняло на 1 минуту больше в нижней точке, на 2 минуты дольше в средней точке и на 3 минуты дольше в верхней точке по сравнению с экспериментом. Что касается времени возврата к температуре окружающей среды, разница между экспериментальными и имитационными значениями во всех трех точках составляла приблизительно от 16 до 24 минут до достижения 22 ° C.
Корпус Пиковая температура Время достижения максимальной температуры Время достижения температуры окружающей среды
Экспериментальный Моделирование Экспериментальное Моделирование Экспериментальное Моделирование
Бетон Верх 36.0 ° C 38,9 ° C 3,35 ч 3,42 ч 7,70 ч 7,98 ч
Средний 40,8 ° C 40,3 ° C 3,22 ч 3,18 ч 8,45 h 8,05 h
Нижняя часть 46,9 ° C 42,4 ° C 3,08 h 3,10 h 8,88 h 9,15 h
Графит / PCM бетон Верх 31.7 ° C 34,8 ° C 3,95 ч 3,98 ч 9,52 ч 9,75 ч
Средний 35,7 ° C 35,9 ° C 3,97 ч 3,98 ч 10,23 h 9,87 h
Низ 38,4 ° C 37,4 ° C 3,97 h 3,97 h 10,07 h 9,83 h
Внутри В случае бетона графит / ПКМ наблюдалась незначительная разница между экспериментальными и расчетными значениями пиковой температуры в средней точке, 0.2 ° С. Пиковая температура в верхней и нижней точках была выше в эксперименте на 3 и 1 ° C соответственно. Время достижения максимальной температуры во всех трех точках показало ошибку в пределах 2 мин. Что касается времени возврата к температуре окружающей среды, то между экспериментальными и смоделированными значениями наблюдались различия от 14 до 21 мин. Эти результаты показали, что использованное моделирование может эффективно прогнозировать характеристики аккумулирования и рассеивания тепла, за исключением мест, на которые влияют тепловые свойства поверхности.
Таблица 4 показывает средние абсолютные погрешности экспериментальных и смоделированных значений в каждой точке для двух случаев материала. В обоих случаях температуры в средней точке показали аналогичное поведение. Абсолютные ошибки составляли 0,3 ° C для периодов нагрева и охлаждения для бетона, в то время как для бетона графит / ПКМ средние абсолютные ошибки составляли 0,7 и 0,6 ° C для периодов нагрева и охлаждения, соответственно. Средние абсолютные погрешности в верхней и нижней частях во время периода нагрева были выше, чем в середине, особенно в верхней части бетона графит / ПКМ.
Случай Средняя абсолютная погрешность
Верх Средний Низ
Бетон
Нагрев период 1,3 ° C 0,3 ° C 1,3 ° C
Период без нагрева 0,4 ° C 0,3 ° C 0.3 ° C
Бетон из графита / ПКМ
Период нагрева 3,1 ° C 0,7 ° C 1,2 ° C
Период без нагрева 0,7 ° C 0,6 ° C 0,5 ° C
3.2.2. Прогнозирование тепловых характеристик из-за скрытого накопления тепла для бетона из графита / ПКМ
Для оценки точности прогноза характеристик аккумулирования и рассеивания тепла для бетонного материала графит / ПКМ результаты моделирования были разделены на пять часовых поясов, как показано на рисунке 8, исходя из диапазона температур плавления и замерзания [см. «A» и «b» на рисунке 3].Во время периода нагрева, когда температура образца повышается, «a» на рисунке 3 относится к точке, в которой начинает увеличиваться удельная теплоемкость SSPCM, точка плавления, а «b» на рисунке 3 относится к точке при котором удельная теплоемкость возвращается к нормальному диапазону, точке замерзания. Напротив, во время периода охлаждения, когда температура образца снижается, «b» на рисунке 3 относится к точке плавления, а «a» на рисунке 3 относится к точке замерзания.

В таблице 5 показаны средние, максимальные и минимальные абсолютные ошибки для каждого часового пояса.указывает зону от начала моделирования до точки замерзания SSPCM во время периода нагрева. В хорошем соответствии с экспериментальными значениями, смоделированные значения показали точное предсказание теплоемких характеристик SSPCM. Среднее значение для экспериментальных и смоделированных значений составило 26,6 и 26,8 ° C соответственно. Средняя абсолютная ошибка составила 0,2 ° C, что является наименьшей из всех пяти зон. была начата от точки замерзания SSPCM и достигнута к концу периода нагрева.Экспериментальные и смоделированные значения имеют среднее значение 32,7 и 33,9 ° C, соответственно, со средней абсолютной ошибкой 1,2 ° C.
Часовой пояс Экспериментальный Моделирование Абсолютная ошибка (° C)
Среднее значение Среднее значение Среднее значение Максимальное значение Минимум
95
26,6 ° C 26.8 ° C 0,2 ° C 0,6 ° C 0,0 ° C
32,7 ° C 33,9 ° C 1,2 ° C 2,2 ° C 0,2 ° C
33,0 ° C 33,3 ° C 0,2 ° C 0,5 ° C 0,0 ° C
27,3 ° C 26,6 ° C 1,1 ° C 2,4 ° C 0,0 ° C
21,8 ° C 21,7 ° C 0.4 ° C 2,1 ° C 0,0 ° C
начинается в начале периода охлаждения и заканчивается в точке плавления SSPCM. В этой зоне средние экспериментальные и смоделированные температуры составляли 33,0 и 33,3 ° C, соответственно, со средней абсолютной ошибкой 0,2 ° C, и между ними наблюдаются аналогичные распределения температуры. начинается при температуре плавления SSPCM во время периода охлаждения и заканчивается при температуре замерзания SSPCM.В отличие от этого, распределение экспериментальных и смоделированных значений показало существенные различия. Средние экспериментальные и смоделированные значения составили 27,3 и 26,6 ° C соответственно с абсолютной погрешностью 1,1 ° C. Температура в эксперименте постоянно поддерживалась на уровне приблизительно 27,0 ° C, что является максимальной точкой удельной теплоемкости, в то время как смоделированная температура показывала постепенное снижение в диапазоне плавления и замерзания. Однако в конце часового пояса температуры сошлись, и, следовательно, общее время рассеяния было одинаковым.указывает на конец эксперимента со средними экспериментальными и смоделированными значениями 21,8 и 21,7 ° C, соответственно, и средней абсолютной ошибкой 0,4 ° C, что хорошо согласуется.
3.3. Обсуждение
Для проверки было сложно установить граничные условия, идентичные эксперименту для теплового сопротивления нижней поверхности, контактирующей с нагревательной пластиной, и коэффициента конвективной и лучистой теплоотдачи верхней поверхности, контактирующей с воздухом в помещении. . В результате температура верхней и нижней поверхности показала большую разницу между экспериментальными и смоделированными значениями, чем средняя точка.Это говорит о том, что тепловые свойства поверхности существенно повлияли на тепловое поведение, и соответствующие значения должны быть определены при прогнозировании тепловых характеристик TABS посредством моделирования теплопередачи.
В общем моделировании для TABS коэффициент конвективной и лучистой теплопередачи поверхности нагрева или охлаждения обычно выводится из существующих справочных документов, таких как REHVA [2], ASHRAE [14] или национального стандарта [15]. В этих ссылках указаны значения для нагревающей или охлаждающей поверхности, как показано в Таблице 6.
Ссылка Категория Общий коэффициент теплопередачи
Нагрев Охлаждение
[2] (низкотемпературный нагрев и высокотемпературное охлаждение , Справочник номер 7, REHVA) Тип поверхности Пол 11 Вт / м ² K 7 Вт / м ² K
Стена 8 Вт / м ² K 8 Вт / м ² K
Потолок 6 Вт / м ² K 11 Вт / м ² K
[14] (ASHRAE Ch.26 Контроль тепла, воздуха и влаги в строительных конструкциях – свойства материалов) Направление теплового потока Вверх 9,26 Вт / м ² K
По горизонтали 8,29 Вт / м ² K
Вниз 6,13 Вт / м ² K
[15] (Кодекс энергоэффективного проектирования зданий в Южной Корее) Тип поверхности Пол / потолок 11.63 Вт / м ² K
Стенка 9,09 Вт / м ² K
По данным Jin et al. В [16], в которой проанализированы некоторые уравнения для расчета коэффициентов поверхностной теплопередачи, основными параметрами для коэффициента конвективной теплопередачи являются температура и скорость в помещении, а также форма поверхности, а для коэффициента радиационной теплопередачи – площадь поверхности и температура, а также усредненная температура неотапливаемой поверхности (AUST).Для этого исследования было использовано постоянное значение 7,0 Вт / м ² K для верхней поверхности путем проведения предварительного моделирования. Однако он может иметь ограничения для прогнозирования приемлемых температур поверхности, поскольку форма поверхности, скорость воздуха у поверхности и усредненная температура неотапливаемой поверхности не были полностью учтены. Это ограничение также проявляется в коэффициенте теплопередачи нижней поверхности. Следовательно, дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на определении надлежащих тепловых свойств поверхности при моделировании.
Средняя точка не оказывала влияния на тепловые свойства близлежащей поверхности, а температуры в ней были достаточно хорошо предсказаны с помощью моделирования. Смоделированные тепловые характеристики бетона были очень похожи на экспериментальные результаты с точки зрения формы распределения температуры. В частности, расчетная температура в средней точке, на которую не влияют неизвестные термические свойства поверхности, считалась точной со средней абсолютной ошибкой в пределах 0,3 ° C.Тепловые характеристики бетона графит / ПКМ несколько отличались от эксперимента в диапазоне плавления и замерзания SSPCM с максимальной разницей 2,4 ° C и средней разницей 1,1 ° C.
Эти различия связаны с теплопроводностью и плотностью, а не с удельной теплоемкостью. Другими словами, теплопроводность обычно вводится в модели как постоянная величина, независимо от температуры, тогда как в действительности теплопроводность изменяется в зависимости от температуры.Следовательно, можно предположить, что постоянная теплопроводность могла вызвать наблюдаемые различия в распределении температуры модели в периоды быстрого изменения удельной теплоемкости. Кроме того, в этом исследовании теплопроводность и плотность измеряются с использованием дополнительного образца, который отличается от экспериментальных образцов и может отличаться от теплопроводности и плотности реального образца. В отличие от имитационной модели, которая предполагала однородное твердое тело, образец в эксперименте состоял из различных и неоднородных материалов, таких как гравий и песок, что могло частично повлиять на характеристики аккумулирования и рассеивания тепла.Следовательно, для более точного моделирования бетона SSPCM в будущем необходимо дополнительно проанализировать влияние вводимых значений теплопроводности и плотности на удельные тепловые характеристики.
4. Выводы
Это исследование направлено на подтверждение теплового поведения бетона, смешанного с SSPCM, с помощью программы моделирования трехмерной переходной теплопередачи. В этом исследовании имитационные модели бетона и бетона графит / ПКМ сравнивались для прогнозирования характеристик аккумулирования и рассеивания тепла бетона графит / ПКМ.Для этого были сравнены и проанализированы измеренные и смоделированные результаты, и были обсуждены основные факторы, влияющие на прогноз производительности посредством моделирования TABS в бетоне из графита / ПКМ, а также ограничения моделирования. Результаты исследования следующие.
Результаты проверки показали, что общие термические характеристики как эксперимента, так и моделирования бетона и бетона графит / ПКМ были схожими. Особенно для бетона, если граничные условия могут быть согласованы с экспериментом, ожидается довольно высокая точность прогноза.Однако на верхней поверхности бетона графит / ПКМ трудности с определением точного коэффициента теплопередачи внутренней поверхности привели к большим расхождениям. Кроме того, смоделированное распределение температуры в течение периода фазового перехода SSPCM также немного отличалось от экспериментальных значений, поскольку теплопроводность бетона графит / ПКМ принималась как однородная, так и постоянная величина, но фактически будет зависеть от температуры материала. . Другие причины могут включать различия в плотности и однородности образца между экспериментом и моделированием.
В качестве дальнейшего исследования будет проведена оценка эффективности нагрева и охлаждения для TABS, применяемого к бетонным пустотным плитам из графита / ПКМ, с использованием трехмерного анализа теплопередачи. Кроме того, путем проведения анализа чувствительности в отношении основных переменных, влияющих на тепловые характеристики бетона из графита / ПКМ, будет предоставлено руководство по моделированию.