Теплоизоляционные изделия – Огнеупорные материалы
Анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения показывает, что одним из наиболее эффективных путей ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий и сооружений, а также в промышленном оборудовании и тепловых сетях. Добиться этого можно путем применения высокоэффективных теплоизоляционных изделий. Перечень задач, для решения которых используются теплоизоляционные изделия, весьма широк. Это утепление фасадов, кровель, полов, перекрытий и подвалов зданий, различных видов коммуникаций и трубопроводов.
Теплоизоляционными называют строительные изделия, которые обладают малой теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования и агрегатов (промышленных печей, турбин, трубопроводов, камер холодильников). Теплоизоляционные изделия характеризуются пористым строением и, как следствие этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м*°С).
Эффективность и сфера использования теплоизоляционных изделий в конкретных строительных конструкциях определяются их техническими характеристиками, включающими следующие основные параметры: теплопроводность, плотность, сжимаемость, водопоглощение, паропроницаемость, огнеупорность, морозостойкость, биостойкость и отсутствие токсичных выделений при эксплуатации.
Основная техническая характеристика теплоизоляционных материалов – это теплопроводность, т.е. способность материала передавать тепло. Для количественного определения этой характеристики используется коэффициент теплопроводности, который равен количеству тепла, проходящему за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях 1°С. Теплопроводность выражается в Вт/(м К) или Вт/(м градус Цельсия). При этом величина теплопроводности теплоизоляционных материалов зависит от плотности материала, вида, размера, расположения пор и т.д. Также сильное влияние на теплопроводность оказывает температура и влажность материала.
Таким образом, можно констатировать, что теплопроводность является важнейшей технической характеристикой теплоизоляционных изделий.
От нее зависит напрямую термическое сопротивление ограждения R(терм), кв.мК/Вт
Самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах имеет меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество в конденсированном состоянии (твердом или жидком). Пористость теплоизоляционных материалов составляет до 90% и даже до 98%, а супертонкое стекловолокно имеет пористость до 99,5%. Между тем такие конструкционные материалы, как тяжелый цементный бетон, имеет пористость до 9…15%, гранит, мрамор –0,2…0,8%, керамический кирпич —25… 35%, сталь —0, древесина —до 70%. Поскольку пористость непосредственно влияет на величину средней плотности, обычно теплоизоляционные материалы различают не по пористости, а по средней плотности.
Огнеупорность является весьма важным свойством теплоизоляционных изделий, особенно при использовании их для изоляции промышленного оборудования, работающего при высоких температурах. Характеризуют огнеупорность материалов технической и экономической предельными температурами применения.
Под технической температурой понимают ту температуру, при которой материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств. Экономическая предельная температура применения определяется не только температуростойкостью материала, но и другими его показателями – теплопроводностью, стоимостью, условиями монтажа и т. д. Некоторые материалы с повышенной теплопроводностью нерационально, например, использовать для высокотемпературной изоляции, несмотря на их высокую техническую предельную температуру применения.
Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Материалы по сжимаемости мягкие М: деформация свыше 30%, полужесткие ПЖ: деформация 6-30%, жесткие Ж: деформация не более 6%. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала при сжатии под действием удельной 0,002 МПа нагрузки. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения отдельной ветрозащиты.
Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они могут применяться также в качестве ветрозащиты.
Водопоглощение значительно ухудшает теплоизоляционные свойства и понижает прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, например, пеностекло, имеют низкое водопоглощение (менее 1%). Для уменьшения водопоглощения, например, при изготовлении минераловатных изделий зачастую вводят гидрофобные добавки, которые позволяют уменьшить сорбционную влажность в процессе эксплуатации.
Газо- и паропроницаемость учитывают при применении теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях. Теплоизоляция не должна препятствовать воздухообмену жилых помещений с окружающей средой через наружные стены зданий. В случае повышенной влажности производственных помещений теплоизоляцию защищают от увлажнения с помощью надежной гидроизоляции, укладываемой с «теплой» стороны. Теплоизоляционные материалы с сообщающимися открытыми порами пропускают значительное количество водяного пара, почти столько же, сколько воздуха.
Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими пожарно-техническими характеристиками: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью. Согласно СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» строительные материалы подразделяются на негорючие (НГ) и горючие (Г). Горючие строительные материалы подразделяются на четыре группы: Г1 (слабогорючие), Г2 (умеренногорючие), Г3 (нормальногорючие), Г4 (сильногорючие).
Теплоизоляционные изделия классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.
По виду основного сырья теплоизоляционные изделия подразделяются на:
- органические — получаемые переработкой неделовой древесины и отходов деревообработки (древесноволокнистые плиты и древесностружечные плиты), сельскохозяйственных отходов (соломит, камышит и др.
), торфа (торфоплиты) и т. д., а также пластмассы (пенополиэтилен, пенополистирол, пеноглас, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.). Характерная особенность большинства органических теплоизоляционных изделий — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не свыше 100 °C, а также при дополнительной конструктивной защите негорючими материалами (штукатурные фасады, трехслойные панели, стены с облицовкой, облицовки с ГКЛ и т. п.) - неорганические – изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлака, стекла, асбеста). К этой группе относят минеральную, стеклянную вату и изделия из них, некоторые виды легких бетонов на пористых заполнителях (вспученном перлите и вермикулите), ячеистые теплоизоляционные бетоны, пеностекло, асбестовые и асбестосодержащие материалы, керамические и др. Эти материалы используют как для утепления строительных конструкций, так и для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов.
- смешанные — используемые в качестве монтажных, изготовляют на основе асбеста (асбестовые картон, бумага, войлок), смесей асбеста и минеральных вяжущих веществ (асбестодиатомовые, асбестотрепельные, асбестоизвестковокремнезёмистые, асбестоцементные изделия) и на основе вспученных горных пород (вермикулита, перлита).
), торфа (торфоплиты) и т. д., а также пластмассы (пенополиэтилен, пенополистирол, пеноглас, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.). Характерная особенность большинства органических теплоизоляционных изделий — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не свыше 100 °C, а также при дополнительной конструктивной защите негорючими материалами (штукатурные фасады, трехслойные панели, стены с облицовкой, облицовки с ГКЛ и т. п.)
По структуре теплоизоляционные материалы классифицируют на волокнистые (минераловатные, стекло – волокнистые), зернистые (перлитовые, вермикулитовые), ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло).
По плотности теплоизоляционные изделия делят на особо легкие (особо низкой плотности) плотностью 15…75 кг/м3, легкие (низкой плотности) — 100…175, средней плотности — 200…350 и плотные —400…600 кг/м3.
По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют на мягкие полужесткие, жесткие, повышенной жесткости и твердые. Для индустриализации строительных работ все большее применение находят жесткие крупноразмерные теплоизоляционные изделия. Мерой жесткости является величина их сжимаемости или относительной деформации сжатия. При удельной нагрузке 0,02 МПа жесткие материалы имеют относительное сжатие до 6%, полужесткие — 6…30 и мягкие — более 30%. В материалах повышенной жесткости и твердых при удельной нагрузке соответственно 0,04 и 0,1 МПа относительное сжатие не должно превышать 10%.
По теплопроводности теплоизоляционные материалы разделяются на классы: А – низкой теплопроводности до 0,06 Вт/(м-°С), Б – средней теплопроводности – от 006 до 0,115 Вт/(м-°С), В – повышенной теплопроводности -от 0,115 до 0,175 Вт/(м.°С).
По назначению теплоизоляционные изделия бывают теплоизоляционно- строительные (для утепления строительных конструкций) и теплоизоляционно – монтажные (для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов).
По форме и внешнему виду различают штучные и сыпучие теплоизоляционные материалы. К штучным материалам относят различного вида и формы изделия. Они могут быть плоскими — кирпичи, маты, блоки, плиты; фасонными — цилиндры, сегменты, скорлупы; и шнуровыми — шнуры, жгуты. Применение штучных материалов повышает качество теплоизоляции и уменьшает трудозатраты. К сыпучим относятся порошкообразные, волокнистые и зернистые рыхлые материалы. Их применяют для засыпки пустот в каркасных стенах, в междуэтажных перекрытиях. Но со временем они слеживаются, уплотняются и их теплоизоляционные свойства понижаются.
Некоторые порошки, затворенные водой, идут для приготовления мастичной изоляции (совелит, магнезит «ньювель», асбозурит), применяемой в основном для заделки швов между теплоизоляционными изделиями.
Органические теплоизоляционные изделия.
Органические теплоизоляционные материалы в зависимости от природы исходного сырья можно условно разделить на два вида: материалы на основе природного органического сырья (древесина, отходы деревообработки, торф, однолетние растения, шерсть животных и т. д.), материалы на основе синтетических смол, так называемые теплоизоляционные пластмассы.
Теплоизоляционные материалы из органического сырья могут быть жесткими и гибкими. К жестким относят древесносткужечные, древесноволокнистые, фибролитовые, арболитовые, камышитовые и торфяные, к гибким – строительный войлок и гофрированный картон. Эти теплоизоляционные материалы отличаются низкой водо – и биостойкостью.
Древесноволокнистые теплоизоляционные плиты получают из отходов древесины, а также из различных сельскохозяйственных отходов (солома, камыш, костра, стебли кукурузы и др.
). Древесноволокнистые плиты выпускают длиной 1200-2700, шириной 1200-1700 и толщиной 8-25 мм. По плотности их делят на изоляционные (150-250 кг/м3) и изоляционно-отделочные (250-350 кг/м3). Теплопроводность изоляционных плит 0,047-0,07, а изоляционно-отделочных-0,07-0,08 Вт/(м-°С). Древесностружечные плиты выпускают одно- и многослойными. Например, у трехслойной плиты пористый средний слой состоит из относительно крупных стружек, а поверхностные слои выполняют из одинаковых по толщине плоских тонких стружек. Для теплоизоляционных целей служат легкие плиты плотностью 250…500 кг/м3 и теплопроводностью 0,046… …0,093 Вт/(м°С). Полутяжелые и тяжелые плиты плотностью соответственно 500…800 и 800…1000 кг/м3 и прочностью при изгибе 5…35 МПа применяют как отделочный и конструкционный материал.
Древесноволокнистые плиты обладают высокими звукоизоляционными свойствами. Наряду с изоляционными применяют плиты изоляционно-отделочные, имеющие лицевую поверхность, окрашенную пли подготовленную к окраске.
Камышитовые плиты, или просто камышит, применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий HI класса, при постройке малоэтажных жилых домов, небольших производственных помещений, в сельскохозяйственном строительстве. Это теплоизоляционный материал, спрессованный из стеблей камыша в виде плит, которые затем скрепляются стальной оцинкованной проволокой. В зависимости от расположения стеблей камыша различают плиты с поперечным (вдоль короткой стороны плиты) и продольным расположением стеблей. По объемной массе плиты различают трех марок: 175, 200 и 250 с пределом прочности на изгиб – не менее 0,18-0,5 МПа, коэффициентом теплопроводности – 0,06-0,09 МПа, влажностью – не более 18% по массе. Камышитовые плиты производят длиной 2400-2800, шириной 550-1500 и толщиной 30-100мм.
Торфяные теплоизоляционные изделия изготовляют в виде плит, скорлуп и сегментов. Сырьем для их производства служит малоразложившийся верховой торф, имеющий волокнистую структуру, что благоприятствует получению из него качественных изделий путем прессования.
Плиты изготовляют размером 1000x500x30 мм путем прессования в металлических формах торфяной массы с добавками (или без них) и с последующей сушкой при температуре 120- 150° С. Торфяные изоляционные плиты по объемной массе делят на М 70 и 220 кг/м3 с пределом прочности па изгиб – 0,3 МПа, коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии 0,06 Вт/м-°С, влажностью не более 15%.
Торфяные теплоизоляционные изделия применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий 3‑го класса и поверхностей промышленного оборудования с рабочей температурой от -60 до +100 °С.
Цемёнтно-фибролитовые плиты представляют собой теплоизоляционный и теплоизоляционно-конструктивный материал, полученный из затвердевшей смеси портландцемента, воды и древесной шерсти. Древесная шерсть выполняет в фибролите роль армирующего каркаса. По внешнему виду тонкие древесные стружки длиной до 500, шириной 4-7, толщиной 0,25-0,5 мм приготовляют из неделовой древесины хвойных пород на специальных древесношерстяпых станках.
По объемной массе цементно-фибролитовые плиты делят на М 300, 350, 400 и 500 с пределом прочности при изгибе соответственно не менее 0,4 0,5, 0,7 и 1,2 МПа, коэффициентом теплопроводности-0,09-0,15Вт/м-°С, водопоглощением – не более 20%. Длина плит 2000-2400, ширина 500-550, толщина 50, 75, 100 мм.
Фибролитовые плиты на портландцементе применяют в качестве теплоизоляционного, теплоизоляционно-конструктивного и акустического материала для стен, перегородок, перекрытий и покрытий зданий.
Пробковые теплоизоляционные материалы и изделия (плиты, скорлупы и сегменты) применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, холодильников и поверхностей холодильного оборудования трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей от минус 150 до плюс 70 °С, для изоляции корпуса кораблей. Изготовляют их путем прессования измельченной пробковой крошки, которую получают как отход при производстве закупорочных пробок из коры пробкового дуба или так называемого бархатного дерева, растущего в Дальневосточном крае, в Амурской области и на Сахалине.
Пробка вследствие высокой пористости и наличия смолистых веществ является одним из наилучших теплоизоляционных материалов. Пробковые теплоизоляционные материалы и изделия по объемной массе в сухом состоянии делят на М 150-350 с пределом прочности при изгибе соответственно 0,15-0,25 МПа, коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии при температуре 25° С-0,05-0,09 Вт/м-°С.
К положительным свойствам плит следует отнести также то, что они не горят, с трудом тлеют, не подвержены заражению домовым грибком и не разрушаются грызунами. Пробковые материалы упаковывают в клетки объемом 0,25- 0,5 м3 и хранят в сухом закрытом помещении, а перевозят в крытых вагонах.
Теплоизоляционные изделия на основе полимеров в виде газонаполненных пластмасс и изделий, а также минераловатных и стекловатных изделий производят на полимерном связующем.
Поризация полимеров основана на применении специальных веществ, интенсивно выделяющих газы и вспучивающих размягченный при нагревании полимер. Такие вспучивающиеся вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Плиты, скорлупы и сегменты из пористых пластмасс применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре до 70° С. Изделия из пористых пластмасс на суспензионном полистироле по объемной массе в сухом состоянии делят на М 25 и 35 с пределом прочности на изгиб не менее 0,1-0,2 МПа, коэффициентом теплопроводности – 0,04 Вт/м °С, влажностью – не более 2% по массе. Такие же изделия па эмульсионном полистироле по объемной массе имеют М 50-200 предел прочности на изгиб соответственно – не менее 1,0-7,5 МПа, коэффициент теплопроводности -не более 0,04-0,05, влажность не более 1% по массе. Плиты из пористых пластмасс изготовляют длиной 500-1000, шириной 400-700, толщиной 25-80 мм.
В зависимости от структуры теплоизоляционные пластмассы могут быть разделены на две группы: пенопласты и поропласты.
Пенопластами называют ячеистые пластмассы с малой плотностью и наличием несообщающихся между собой полостей или ячеек, заполненных газами или воздухом.
Поропласты – пористые пластмассы, структура которых характеризуется сообщающимися между собой полостями. Наибольший интерес для современного индустриального строительства представляют пенополистпрол, пенополивинилхлорид, пенополиуретан и мипора.
Изоляционные и изоляционно – отделочные плиты применяют для тепло- и звукоизоляции стен, потолков, полов, перегородок и перекрытий зданий, акустической изоляции концертных залов и театров (подвесные потолки и облицовка стен).
Неорганические теплоизоляционные изделия.
К неорганическим теплоизоляционным изделиям относят штучные, рулонные, шнуровые, рыхлые материалы и изделия с волокнистой и ячеистой структурой, предназначенные для утепления, главным образом, ограждающих конструкций и сооружений: минеральная вата, стеклянное волокно, пеностекло, вспученный перлит и вермикулит, асбестосодержащие теплоизоляционные изделия, ячеистые бетоны и др.
Минеральная вата волокнистый теплоизоляционный материал, получаемый из силикатных расплавов.
Сырьем для ее производства служат горные породы (известняки, мергели, диориты и др.), отходы металлургической промышленности (доменные и топливные шлаки) и промышленности строительных материалов (бой глиняного и силикатного кирпича). В зависимости от плотности минеральная вата подразделяется на марки 75, 100, 125 и 150. Минеральная вата хрупка, и при ее укладке образуется много пыли, поэтому вату гранулируют т.е. о превращают в рыхлые комочки – гранулы. Их используют в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий. Сама минеральная вата является как бы полуфабрикатом, из которого выполняют разнообразные теплоизоляционные минераловатные изделия: войлок, маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты и др.
Отличительными чертами изделий из минеральной ваты являются высокая тепло- и звукоизолирующая способность, устойчивость к температурным деформациям, химическая и биологическая стойкость, экологичность и легкость выполнения монтажа. Но наиболее ценным свойством минеральной ваты, отличающим ее от других теплоизоляционных материалов, является негорючесть.
По требованиям пожарной безопасности изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов (НГ). Более того, они эффективно препятствуют распространению пламени и применяются в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты. Также изделия из минеральной ваты могут быть использованы в условиях очень высоких температур. Минеральные волокна способны выдерживать температуру выше 1000°С. Даже после разрушения связующего компонента при температуре 250°С, волокна остаются неповрежденными и связанными между собой, сохраняя прочность и создавая защиту от огня.
Применяют минеральную вату для теплоизоляции как холодных (до -200 °С), так и для горячих (до +600 °С) поверхностей, чаще всего в виде изделий – войлока, матов, попужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов. Минеральную вату используют также в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и покрытий, для этого ее гранулируют (превращают в рыхлые комочки).
На основе минерального сырья производят минераловатные маты, полужесткие и жесткие плиты, а также скорлупы, сегменты, цилиндры и другие изделия.
Маты прошивные минераловатные изготовляют длиной 2000, шириной 900-1300 и толщиной 60 мм. По объемной массе в сухом состоянии выпускают маты М 150, коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии -не более 0,046 Вт/м-°С. Теплоизоляционные маты на основе минерального волокна предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов тепловых сетей. Отечественная промышленность производит несколько видов минераловатных матов. Маты минераловатные прошивные применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре до 400° С.
Стеклянная вата – материал, состоящий из беспорядочно расположенных стеклянных волокон, полученных из расплавленного сырья. Сырьем для производства стекловаты служит сырьевая шахта для варки стекла (кварцевый песок, кальцинированная сода и сульфат натрия) или стекольный бой.
В зависимости от назначения вырабатывают текстильное и теплоизоляционное (штапельное) стекловолокно.
Средний диаметр текстильного волокна 3-7 мкм, а теплоизоляционного 10-30 мкм.
Стеклянное волокно значительно большей длины, чем волокна минеральной ваты и отличается большими химической стойкостью и прочностью. Плотность стеклянной ваты 75-125 кг/м3, теплопроводность 0,04-0,052 Вт/(м/°С), предельная температура применения стеклянной ваты 450 °С.
В настоящее время наша промышленность производит шесть видов изделий из стеклянного волокна. Это в основном плиты и маты.
Теплоизоляционные изделия из стекловолокна применяются в системах наружного утепления «мокрого» типа, в навесных вентилируемых фасадах, в системах с утеплителем с внутренней стороны ограждающей конструкции, в системах с утеплителем внутри ограждающей конструкции. Для изделий из стекловаты предельная температура применения – около 450°С.
Пеностекло – теплоизоляционный материал ячеистой структуры. Сырьем для производства изделий из пеностекла (плит, блоков) служит смесь тонкоизмельченного стеклянного боя с газообразоватслем (молотым известняком).
Пеностекло обладает рядом ценных свойств, выгодно отличающих его от многих других теплоизоляционных материалов: пористость пеностекла 80-95 %, размер пор 0,1-3 мм, плотность 200-600 кг/м3, теплопроводность 0,09-0,14 Вт/(м, /(м* °С), предел прочности при сжатии пеностекла 2-6 МПа. Кроме того, пеностекло характеризуется водостойкостью, морозостойкостью, несгораемостью, хорошим звукопоглощением, его легко обрабатывать режущим инструментом. Пеностекло в виде плит длиной 500, шириной 400 и толщиной 70-140 мм используют в строительстве для утепления стен, перекрытий, кровель и других частей зданий, а в виде полуцилиндров, скорлуп и сегментов – для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей, где температура не превышает 300 °С. Кроме того, пеностекло служит звукопоглощающим и одновременно отделочным материалом для аудиторий, кинотеатров и концертных залов.
К материалам и изделиям из асбестового волокна без добавок или с добавкой связующих веществ относят асбестовые бумагу, шнур, ткань, плиты и др.
Асбест может быть также частью композиций, из которых изготовляют разнообразные теплоизоляционные материалы (совелит и др). В рассматриваемых материалах и изделиях использованы ценные свойства асбеста: температуростойкость, высокая прочность, волокнистость и др.
Гладкую асбестовую бумагу применяют в качестве теплоизоляционных прокладок при изоляции трубопроводов. Гофрированную бумагу используют для производства ячеистого асбестового картона, асбестовый картон – для теплоизоляции трубопроводов с температурой эксплуатации до 500 °С, а также для покрытия деревянных и других легковоспламеняющихся предметов и изделий с целью повышения огнестойкости. В виде плит асбестовый картон применяется для теплоизоляции плоских поверхностей, в виде полуцилиндрических покрышек – для изоляции трубопроводов, асбестовый шнур – для теплоизоляции промышленного оборудования и теплопроводов. При отсутствии в составе шнура органического волокна его можно применять при температуре до 500 °С, при наличии волокна – не более 200 °С, Асбесто-магнезиальный порошок применяют для тепловой изоляции промышленного оборудования при температуре до 350 °С.
Порошок используют не только в виде засыпной теплоизоляции, но и для приготовления мастик, плит, сегментов.
Алюминиевая фольга (альфоль) – новый теплоизоляционный материал, представляющий собой ленту гофрированной бумаги с наклеенной на гребне гофров алюминиевой фольгой. Данный вид теплоизоляционного материала в отличие от любого пористого материала сочетает низкую теплопроводность воздуха, заключенного между листами алюминиевой фольги, с высокой отража- тельной способностью самой поверхности алюминиевой фольги. Алюминиевую фольгу для целей теплоизоляции выпускают в рулонах шириной до 100, толщиной 0,005- 0,03 мм.
Практика использования алюминиевой фольги в теплоизоляции показала, что оптимальная толщина воздушной прослойки между слоями фольги должна быть 8-10 мм, а количество слоев должно быть не менее трех. Плотность такой слоевой конструкции из алюминиевой (фольги 6-9 кг/м3, теплопроводность – 0,03 – 0,08 Вт/(м* С ).
Алюминиевую фольгу употребляют в качестве отражательной изоляции в теплоизоляционных слоистых конструкциях зданий и сооружений, а также для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре 300 °С.
Большое распространение в отечественном строительстве также получили теплоизоляционные бетоны – газонаполненные (пенобетон, ячеистый бетон, газобетон) и на основе легких заполнителей (керамзитобетон, перлитобетон, полистиролбетон и т. п.). Этому способствует простота технологии, позволяющая производить пенобетон прямо на стройплощадке, а также доступность сырьевых материалов и относительно невысокая стоимость. Однако, несмотря на то, что пенобетоны вследствие высокой огнестойкости могут быть использованы для огнезащитных барьеров и подобных конструкций, их теплоизоляционные свойства, по сравнению с перечисленными выше материалами, значительно ниже.
Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет повысить степень индустриализации работ, поскольку они обеспечивают возможность изготовления крупноразмерных сборных конструкций и деталей, снизить массу конструкций, уменьшить потребность в других строительных материалах (бетон, кирпич, древесина и др.), сократить расход топлива на отопление зданий, уменьшить потери тепла в промышленных агрегатах.
Теплоизоляционные материалы обеспечивают надлежащий комфорт в жилых помещениях, улучшают условия труда на производстве, снижают случаи травматизма.
Хороший эффект дает использование теплоизоляционных материалов для изоляции тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов, что позволяет снизить расход топлива за счет уменьшения теплопотерь.
Очень важным считается использование теплоизоляционных материалов в различных холодильных установках для снижения потерь холода (стоимость получения единицы холода примерно в 20 раз выше получения единицы тепла).
Многие теплоизоляционные изделия вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.
Приобрести теплоизоляционные строительные изделия Вы можете на нашем сайте.
В компании представлен широкий ассортимент теплоизоляционных изделий различных марок по выгодным ценам.
|
При всем многообразии представленных на рынке материалов ВСЕ теплоизоляционные материалы должны обладать определенными свойствами, позволяющими ограждающим конструкциям успешно выполнять свои функции в течение длительного срока. |
Эти свойства необходимо учитывать при выборе, какой материал стоит использовать в том или ином случае. Какие же это свойства? Низкая теплопроводность Это основное свойство, которым должен обладать теплоизоляционный материал. Количество теплоты, которое передается за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, называется теплопроводностью (коэффициентом теплопроводности). Теплопроводность λ измеряют в Вт/(м×К). Методики и условия испытаний теплопроводности материалов в различных странах могут значительно отличаться, поэтому при сравнении теплопроводности различных материалов необходимо указывать при каких условиях, в частности температуре, проводились измерения. На величину теплопроводности пористых материалов, каковыми являются теплоизоляционные материалы, оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твердых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поры, вид и давление газа, заполняющего поры.
При длительном пребывании образца в воздушной среде с постоянными относительной влажностью воздуха и температурой в материале остается неизменное (равновесное) количество влаги, которую называют сорбционной влагой. Низкое водопоглощение Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах влагу при непосредственном соприкосновении с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала. Поглощение влаги материалом ведет, прежде всего, к увеличению теплопроводности материала. Объясняется это тем, что вода может занимать в материале часть объёма ячеек и пор, вытесняя из них газ. Так как теплопроводность воды λ = 0,58 Вт/(м×К) примерно в 25 раз больше теплопроводности неподвижного воздуха, то наличие воды в материале вызывает существенное повышение теплопроводности теплоизоляционного материала. При низких температурах вода в порах материала может замёрзнуть, что приведет к ещё большему возрастанию теплопроводности материала, так как теплопроводность льда λ = 2,2 Вт/(м×К) почти в 100 раз больше теплопроводности неподвижного воздуха.
Частично снизить водопоглощение минераловатных и стекловолокнистых теплоизоляционных материалов позволяет их гидрофобизация, например, путем введения кремнийорганических добавок. Материалы должны обладать свойством гидрофобности (плохо увлажняться при соприкосновении с водой). Продукция инофирм, поставляемая на наш рынок, является гидрофобизированной, а отечественная — за небольшим исключением является негидрофобизированной. Морозостойкость Морозостойкость — способность материала в насыщенном состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ. Прочность К механическим свойствам теплоизоляционных материалов относят прочность (на сжатие, изгиб, растяжение, сопротивление трещинообразованию). Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению под действием внешних сил, вызывающих деформации и внутренние напряжения в материале.
Прочность теплоизоляционных материалов зависит от структуры, прочности его твёрдой составляющей (остова) и пористости. Жесткий материал с мелкими порами более прочен, чем материал с крупными неравномерными порами. Долговечность Сохранение эксплуатационных характеристик при старении – долговечность, является одним из важнейших показателей любого материала, предназначенного для использования в строительстве. На долговечность теплоизоляционного слоя влияют в большей или меньшей степени все вышеперечисленные свойства теплоизоляционных материалов. На долговечность влияют также химическая стойкость теплоизоляционного материала (это, как правило, следует учитывать при выборе материалов для утепления покрытий производственных зданий), способность выдерживать многократные циклы размораживания-замораживания (переход через 0º С) и его биологическая стойкость. НегорючестьТеплоизоляционный материал для применения в покрытиях выбирается с учётом его горючести, способности к дымообразованию и возможности выделения токсичных газов при горении.
Выбор теплоизоляционного материала определяется с учётом требований СНиП на кровли, пожарную безопасность и т. д.Теплоизоляция: основные характеристики
Теплоизоляционными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность. Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет снизить вес конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). Теплоизоляционные материалы существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплоизоляции строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания. Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов (ТИМ).
С 2000 года нормативные требования по расчётному сопротивлению теплопередачи ограждающих конструкций в России увеличены в среднем в 3,5 раза и практически сравнялись с аналогичными нормативами в Финляндии, Швеции, Норвегии, Северной Канаде, других северных странах. Соответственно выросло значение (ТИМ).
Основные технические характеристики
Свойства теплоизоляционных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами. Важнейшей технической характеристикой ТИМ является теплопроводность – способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу, так как именно от нее напрямую зависит термическое сопротивление ограждающей конструкции. Количественно определяется коэффициентом теплопроводности λ, выражающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на противолежащих поверхностях 1°С за 1 ч. Коэффициент теплопроводности в справочной и нормативной документации имеет размерность Вт/(м·°С).
На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д.Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность. Методики измерения теплопроводности в различных странах значительно отличаются друг от друга, поэтому при сравнении теплопроводностей различных материалов необходимо указывать, при каких условиях проводились измерения.
Плотность – отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3).
Прочность на сжатие – это величина нагрузки (КПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.
Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 КПа.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой.
Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.
Сорбционная влажность – равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.
Морозостойкость – способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ.
Паропроницаемость – способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/м2·ч· Па).
Паропроницаемость ТИМ во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом. В свою очередь последний является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление ограждающей конструкции. Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.
Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты. При устройстве теплоизоляции наружных стен и других вертикальных конструкций, подвергающихся напору ветра, следует помнить, что при скорости ветра 1 м/с и выше целесообразно оценить необходимость ветрозащиты.
Огнестойкость – способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств. По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.
Общие принципы устройства теплоизоляции
1. Теплоизоляция строительных конструкций должна быть запроектирована так, чтобы выполнять возложенные на нее функции в течение всего жизненного цикла конструкции.
2. В проекте должны быть описаны способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. Изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.
3. Слой теплоизоляционного материала с подветренной стороны здания необходимо защищать от ветра.
Ветрозащитный слой должен покрывать весь изоляционный материал и быть настолько плотным, чтобы препятствовать проникновению в строительные конструкции или сквозь них воздушных потоков, существенно снижающих изоляционные свойства материала. Особое внимание следует обратить на места соединения наружных стен и стен фундамента, наружных стен и чердачных перекрытий, на углы наружных стен и коробки проемов.
4. Если в многослойной ограждающей конструкции паропроницаемость слоёв уменьшается по мере движения от тёплой стороны к холодной, существует опасность накопления внутри конструкции конденсирующейся влаги. Для минимизации этого эффекта на теплой стороне ограждения устраивают специальный пароизоляцонный барьер, паропроницаемость которого не менее чем в несколько раз выше, чем у наружных слоёв. Швы и соединения пароизоляционного барьера должны быть загерметизированы.
5. Ограждающая конструкция должна быть спроектирована так, чтобы создать как можно более благоприятные условия для свободного выхода за её пределы паров неизбежно проникающей в неё влаги.
При необходимости защиты теплоизоляционных материалов от ветра или атмосферной влаги целесообразно использовать специальные “дышащие” мембраны, прозрачные для выхода водяных паров.
6. Исследования показали, что многие негативные явления, возникающие в многослойных ограждающих конструкциях (плесень, гниль, формальдегид, радон и др.), как правило, связаны с сыростью. Залог надёжной работы ограждающей конструкции – учёт на стадии проектировании всего комплекса вопросов тепломассопереноса. В проекте должны быть описаны способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. Изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.
136. Факторы, влияющие на теплопроводность теплоизоляционных материалов.
Теплопроводность материала — это
стационарные процессы внутри него и
способность передавать тепло сквозь
свою толщу.
Теплопроводностью в чистом
виде обладают лишь твердые тела. Теплота
передается от одного материала к другому
только при непосредственном их контакте.
Согласно нормативным требованиям,
теплоизоляционными считаются материалы
теплопроводность которых не более 0,175
8т/(м»*С) при температуре 25вС и плотность
не более 600 кг/м3.
Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности X Вт/(м»°С), который выражает количество тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях ГС за 1 час. Теплопроводность строительных материалов напрямую зависит от их плотности, пористости, структуры и формы пор, температуры, влажности, фазового состава влаги и других факторов.
Увеличение количества мелких и замкнутых
пор всегда существенно снижает
теплопроводность. В крупных порах, а
особенно в сообщающихся между собой,
возникают конвективные потоки воздуха,
снижающие теплоизоляционный эффект
пористости.
Заметную роль играют не
только общая пористость, но и форма,
размер и ориентация пор, поскольку
направление потока тепла и излучения
внутри пор оказывают большое влияние
на общую теплопроводность материала.
Существенное значение для теплопроводности имеет химическая природа веществ, входящих в состав материала. Причем, чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы материала, тем слабее они между собой связаны и тем меньше теплопроводность материала.
Свойства теплоизоляционных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами.
Важнейшей технической характеристикой
ТИМ являетсятеплопроводность–
способность материала передавать
теплоту сквозь свою толщу, так как именно
от нее напрямую зависит термическое
сопротивление ограждающей конструкции.
Количественно определяется коэффициентом
теплопроводности λ, выражающим количество
тепла, проходящее через образец материала
толщиной 1 м и площадью 1 м2при
разности температур на противолежащих
поверхностях 1°С за 1 ч.
Коэффициент
теплопроводности в справочной и
нормативной документации имеет
размерность Вт/(м·°С).
На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д. Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность.
Методики измерения теплопроводности в различных странах значительно отличаются друг от друга, поэтому при сравнении теплопроводностей различных материалов необходимо указывать, при каких условиях проводились измерения.
Плотность– отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3).
Прочность на сжатие– это величина нагрузки (КПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.
Сжимаемость– способность материала
изменять толщину под действием заданного
давления. Сжимаемость характеризуется
относительной деформацией материала
под действием нагрузки 2 КПа.
Водопоглощение– способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала.
Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.
Сорбционная влажность– равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.
Морозостойкость– способность
материала в насыщенном влагой состоянии
выдерживать многократное попеременное
замораживание и оттаивание без признаков
разрушения. От этого показателя
существенно зависит долговечность всей
конструкции, однако, данные по
морозостойкости не приводятся в ГОСТ
или ТУ.
Паропроницаемость– способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара.
Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/м2·ч· Па). Паропроницаемость ТИМ во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом. В свою очередь последний является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление ограждающей конструкции.
Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.
Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие
свойства тем выше, чем ниже
воздухопроницаемостьТИМ.
Мягкие изоляционные материалы настолько
хорошо пропускают воздух, что движение
воздуха приходится предотвращать путем
применения специальной ветрозащиты.
Жесткие изделия, в свою очередь, обладают
хорошей воздухонепроницаемостью и не
нуждаются в каких-либо специальных
мерах.
Они сами могут применяться в
качестве ветрозащиты.
При устройстве теплоизоляции наружных стен и других вертикальных конструкций, подвергающихся напору ветра, следует помнить, что при скорости ветра 1 м/с и выше целесообразно оценить необходимость ветрозащиты.
Огнестойкость– способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств.
По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.
В отличие от многих других строительных материалов, марка теплоизоляционного материала отражает величину не прочности, а средней плотности, которая выражается в кг/м3 (р0). Согласно этому показателю ТИМ имеют следующие марки:
особо низкой плотности (ОНП) 15, 25, 35, 50, 75,
низкой плотности (НП) 100, 125, 150, 175,
средней плотности (СП) 200, 250, 300, 350,
плотные (ПЛ) 400, 450, 500.
Марка теплоизоляционного материала обозначает верхний предел его средней плотности. Например, изделия марки 100 могут иметь р0=75—100 кг/м3.
Свойства теплоизоляционных материалов — Теплоизоляционные и огнеупорные материалы
Автор Admin На чтение 7 мин. Просмотров 70 Опубликовано
Объемная масса теплоизоляционных материалов имеет непосредственную связь с их пористостью, выражающуюся соотношением, %L..,~
где Пи — общая пористость материала, %; ?и— плотность материала ? абсолютно плотном состоянии, г/см3; ?к — объемная масса материала, г/см3.
Так как плотность материала ?и не зависит от его структуры и является величиной постоянной, характеризующей плотность упаковки кристаллической решетки вещества, то Пи=f(?к). Поэтому приближенной характеристикой качества теплоизоляционных материалов обычно служит их объемная масса. Чем меньше объемная масса, тем выше пористость и как следствие этого выше качество теплоизоляционных материалов.
Максимальное значение объемной массы для теплоизоляционных материалов установлено ГОСТ 17177—71 и равно 600 кг/м3. Самые легкие современные теплоизоляционные материалы — газонаполненные пластмассы — имеют объемную массу, равную 10— 15 кг/м3.
Высокая пористость теплоизоляционных материалов обусловливает их меньшую прочность по сравнению с другими строительными материалами: чем выше пористость, тем ниже прочность.
Прочность теплоизоляционных материалов характеризуется показателями пределов прочности: при сжатии Rсж, изгибе Rизг и растяжении Rраст. Обычно при определении прочности теплоизоляционных материалов ячеистого строения ограничиваются одним показателем прочности—значением Rсж, при определении прочности изделий волокнистого строения — значением Rизг или Rраст.
Небольшая прочность теплоизоляционных материалов не позволяет использовать их в качестве несущих строительных конструкций. Для этой цели могут быть использованы только некоторые материалы, имеющие прочность 50 кгс/см2 (5 МПа) и выше.
Такие материалы называют теплоизоляционно-конструкционными.
Теплопроводность, характеризует способность материала проводить тепло и является главным показателем качества теплоизоляционных материалов. Чем меньше теплопроводность материала ?, тем выше его теплоизоляционные свойства (методика определения теплопроводности приведена в гл. I).
Высокопористые материалы можно рассматривать как двухфазные системы, состоящие из твердого вещества, образующего межпоровые перегородки, или каркас материала, и воздуха, заполняющего поры.
Наименьшей теплопроводностью обладают газы в «спокойном», т. е. неподвижном, состоянии. Теплопроводность воздуха в неподвижном состоянии очень мала, при 20°С она равна 0,026 Вт/(м-К). Находящийся а мелких порах материала воздух может считаться «спокойным». Теплопроводность материалов, содержащих большое количество воздушных пор, незначительна. Доля тепла, передаваемого твердой фазой (каркасом) высокопористого материала, составляет 10—20% общей теплопроводности.
Поэтому пористость материала является главным фактором, определяющим его теплопроводность.
На теплопроводность материала влияют также размер пор, характер распределения их по объему материала и форма.
Мелкопористые материалы хуже проводят тепло, чем крупнопористые. Это объясняется уменьшением передачи тепла конвекцией и излучением в общем процессе передачи тепла в пористом материале. Материалы, в которых преобладают замкнутые поры, при прочих равных условиях хуже проводят тепло, чем материалы с открытыми сообщающимися порами.
Помимо структурных факторов, на теплопроводность материалов в значительной степени влияют его температура, влажность и объемная масса. Теплопроводность материалов резко возрастает при увлажнении. Это объясняется тем, что теплопроводность воздуха и воды сильно отличается друг от друга. Так, ? воды равна 0,58 Вт/(м-К), т. е. примерно в 20 раз больше, чем воздуха. Еще больше разница между теплопроводностью воздуха и льда. Теплопроводность льда равна 2,33 Вт/(м-К), т.
е. примерно в 80 раз больше, чем воздуха. Из сказанного следует, что для обеспечения эффективности работы теплозащитных материалов и конструкций их следует всемерно предохранять от увлажнения.
С повышением температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и в редких случаях уменьшается, как, например, у магнезитовых и корундовых огнеупоров.
Зависимость теплопроводности высокопористого материала от ряда факторов в наиболее универсальном виде выражают уравнением Леба:
где ?? — теплопроводность материала; ?, — теплопроводность твердой фазы материала; Pс—количество пор, находящихся в сечении, перпендикулярном потоку тепла; PL—количество пор, находящихся в сечении, параллельном потоку тепла; ? — радиальная постоянная; ? — излучаемость; ? — геометрический фактор, влияющий на излучение внутри пор; Tт — средняя абсолютная температура; d — средний диаметр пор.
Увлажнение теплоизоляционных материалов ухудшает их свойства.
Влажность характеризует степень увлажнения материала.
Содержание влаги в материалах выражают в процентах по массе или по объему. Для того чтобы перейти от значения одной влажности к другой, пользуются соотношениями:
где Wоб-объемная влажность материала, %; Wm — влажность но массе, %; ?к — объемная масса материала, кг/м.
Различают абсолютную и относительную влажность материала по массе.
Абсолютная влажность Wa — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к его массе в абсолютно сухом состоянии.
Относительная влажность W?? — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе его во влажном состоянии.
Для пересчета относительной влажности в абсолютную и обратно используют следующие формулы:
Для теплоизоляционных материалов, объемная масса которых может колебаться в очень широких пределах, объемная влажность Wo6 дает более правильное представление о степени увлажненности материала, так как представляет собой отношение массы воды, заключено и в порах материала, к постоянной величине — единице объема этого материала.
Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является водопоглощение.
Водопоглощение — степень заполнения объема материала водой. Водопоглощение, как и влажность, выражают в процентах по массе или по объему. Большое водопоглощение не является отрицательной характеристикой теплоизоляционных материалов, так как изделия, используемые для тепловой изоляции различных тепловых установок, как правило, не подвергаются непосредственному воздействию влаги. Но для материалов, которые могут увлажняться в условиях эксплуатации, например конструкции наружных стен зданий, большое водопоглощение сильно влияет на их прочностные и теплозащитные свойства.
Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при увлажнении. Водостойкость строительных материалов оценивают коэффициентом размягчения kp, представляющим собой отношение прочности ма — риала в насыщенном водой состоянии к прочности того же материала, но в сухом состоянии:
Материалы считаются водостойкими, если kp>0,75.
Биостойкость материала характеризует способность его сопротивляться разрушающему действию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых: муравьев, термитов и др. Биостойкость строительных материалов может быть повышена путем обработки их антисептиками.
Морозостойкость — способность насыщенного водой материала выдерживать неоднократное замораживание и оттаивание без значительного снижения прочности. Требование высокой морозостойкости, предъявляемое к. теплоизоляционным материалам, которые используют для тепловой изоляции наружных стен зданий и холодильников, является одним из важнейших. Потеря прочности материала и нередко полное его разрушение при замораживании в насыщенном водой состоянии объясняется тем, что вода, замерзая в порах материала и увеличиваясь в объеме примерно на 9%, создает в нем растягивающие напряжения.
Пористое строение теплоизоляционных материалов и наличие в них сообщающихся пор создают благоприятные условия для насыщения таких материалов водой и вместе с тем способствуют повышению их морозостойкости.
Все поры в материале не могут быть заполнены водой из-за защемленного в них воздуха. Та часть пор, которая занята защемленным воздухом, называется резервной пористостью. В материалах с резервной пористостью расширение воды при замерзании не вызывает разрушающих напряжений. При расширении воды в момент ее замерзания резервные поры играют роль своеобразных амортизаторов.
Температуростойкость — способность материала сохранять свои свойства при нагревании до определенной температуры. Это понятие применимо как к теплоизоляционным материалам органического, так и неорганического происхождения. Температуростойкость теплоизоляционных материалов, так же как и огнеупоров, характеризуется обычно предельной температурой применения.
Возгораемость — свойство, присущее лишь органическим материалам. По степени возгораемости все строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
(К несгораемым относятся все неорганические материалы, к сгораемым— все органические, а к трудносгораемым— неорганические на различных органических связках или с органическим наполнителем и частично органические, обработанные антипиренами — особыми веществами, снижающими горючесть материала.
Многие теплоизоляционные материалы благодаря особенности строения обладают способностью поглощать звук. Такие материалы применяют для акустической отделки различных общественных и промышленных зданий.
По акустическим свойствам материалы делятся на звукопоглощающие и звукоизоляционные.
Механизм поглощения звука пористыми телами заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность пористого тела, проникают в его поры, возбуждая в них колебания воздуха. Благодаря вязкому трению воздуха при его колебаниях в порах материала часть энергии колебаний преобразуется в тепловую энергию, что и является причиной поглощения звука материалом. Способность материала поглощать звук оценивается коэффициентом звукопоглощения — отношением доли звуковой энергии, поглощаемой материалом, ко всей звуковой энергии, падающей на поверхность этого материала. Коэффициент звукопоглощения выражают в долях единицы. Материалы, коэффициент звукопоглощения которых не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, считаются звукопоглощающими и могут применяться для акустической отделки с целью снижения Уровня шума в помещении.
Назначение звукоизоляционных материалов—не допустить распространение звуковой волны по конструкциям зданий. Такие материалы применяют в виде звукоизоляционных прокладок (например, при устройстве «плавающих» полов). Эффективность применения звукоизоляционных материалов в большой степени зависит от способа укладки их и сочетания с другими строительными материалами в ограждающих конструкциях зданий.
Использование современных технологий для исследования физико-механических свойств и эффективности теплоизоляционных материалов.
Использование современных технологий для исследования физико-механических свойств и эффективности теплоизоляционных материалов.
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Козловская Т.И. 1
1ГБОУ лицей 179
Бова Н.Л. 1
1ГБОУ лицей 179
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Введение.
В настоящее время очень остро стоит вопрос рационального использования тепловых и энергетических ресурсов. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики, как страны, так и каждой отдельной семьи. Если подумать над тем, какими свойствами и качествами должно обладать жилое помещение, то ответ будет один. В своем жилище человеку должно быть уютно, комфортно. Само понятие комфорта в доме у каждого человека свое, но одно обязательно – в доме должно быть тепло. Сделать дом теплым поможет тщательно продуманная теплоизоляция.
Применение современных теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет значительно повысить теплозащиту жилых домов и производственных зданий, сделать их более энергоэффективными.
В связи с этим, актуальной проблемой является повышение энергосбережения зданий различного назначения путем использования современных теплоизоляционных материалов. Использование теплоизоляционных материалов позволяет не только значительно сократить затраты энергии на производство, передачу и сохранение тепла, а также уменьшить загрязнение окружающей среды, что всегда имеет место при производстве тепловой энергии. Выбор теплоизоляционных материалов очень большой, поэтому необходимо знать их свойства и использовать наиболее эффективные.
Цель работы: установить связь между физико-механическими свойствами теплоизоляционных материалов и их эффективностью, используя современные технологии.
Задачи:
Изучить физические основы теплопередачи.
Изучить структуру теплоизоляционных материалов теоретически и практически с пользованием цифрового микроскопа.
Исследовать теплопроводность некоторых теплоизоляционных материалов, используя тепловизор, сравнить результаты тепловизионного обследования с табличными значениями коэффициентов теплопроводности.
Доказать влияние структуры теплоизоляционных материалов на их теплопроводность.
Получить экспериментальные результаты, позволяющие установить связь между физико-механическими свойствами теплоизоляционных материалов и их эффективностью.
Методы исследования: в качестве основных методов исследования использовались аналитический, экспериментальный и инструментальный – цифровой микроскоп и тепловизионная съемка.
Объект исследований – теплоизоляционные материалы, используемые в строительстве.
Предмет исследований — измерение теплотехнических параметров теплоизоляционных материалов и уровня их тепловой защиты в зависимости от их структуры.
Практическая значимость – представлены рекомендации по выбору теплоизоляционных материалов для строительных целей.
2. Литературный обзор.
2.1.Теплоизоляционными называют материалы, которые обладают малой теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования с целью уменьшения тепловых потерь в окружающую среду.
Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства.
Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.
Теплоизоляционные материалы классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.
К функциональным свойствам теплоизоляционных материалов относятся пористость и теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, теплостойкость, т.е. те свойства, которые обеспечивают тепловую изоляцию. Чем меньше теплопроводность материала, тем лучше он сохраняет тепло. Поэтому теплопроводность является их паспортной характеристикой, а необходимость в её измерении является актуальной.
2.
2. Из курса физики известно, что теплопроводность – это явление передачи энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. [3]. Передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы).
Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если надо утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты, проходящее за единицу времени через 1 м3 материала при разности температур на его противоположных поверхностях равной 1 градусу.
[2] И, следовательно, чем ниже коэффициент теплопроводности – тем лучше теплоизоляция.
Основным теплоизолятором в любой теплоизоляции является воздух (в обычном или разреженном состоянии).Чем больше воздуха в материале и чем лучше этот воздух изолирован от наружного воздуха (чем сложнее воздуху перетекать внутри материала ) – тем лучше (ниже) коэффициент теплопроводности материала.
2.3. На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твёрдых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поры, вид и давление газа, заполняющего поры. Теплопроводность сильно зависит от влажности материала, т.к. вода проводит тепло в 25 раз лучше, чем воздух, то есть материал не будет выполнять свою теплоизолирующую функцию, если он мокрый.
Наилучший коэффициент теплопроводности у сухого воздуха (неподвижного), он равен 0,023 Вт/(м·°С), другими словами молекулы медленнее всего движутся в сухом воздухе. Поэтому, при производстве строительных материалов используют основной принцип – удержание воздуха в порах или ячейках материала.
Пористость является основным признаком теплоизоляционных материалов. [2] От характера пористости зависят основные свойства материалов, определяющие их пригодность для применения в строительных конструкциях: теплопроводность, сорбционная влажность, водопоглощение, морозостойкость, прочность. Пористость – доля объема пор в общем объеме материала, это показатель, характеризующийся объемом газа (воздуха) в единице объема материала, выраженное в %. Поры по размерам разделяют на макропоры с размером >0,2 мм, видимые невооруженным глазом, и микропоры, обнаруживаемые с помощью микроскопа. Для теплоизоляции пористость начинается от 50% и до 90.
..98% (например, у ячеистых пластмасс). Она определяет основные свойства теплоизоляции: плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и др. Важно равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Крупнопористое, раковистое строение материала с вытянутыми порами создает условия для возникновения конвекционных потоков воздуха, что вызывает усиление передачи тепла через материал. Чем меньше объем воздуха, заключенного в порах, тем меньше его подвижность и тем лучше изолирующие свойства. Наилучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с равномерно расположенными мелкими порами.
С пористостью непосредственно связана средняя плотность. Чем больше его пористость, тем меньше средняя плотность материала. Теплоизоляционные материалы имеют небольшую среднюю плотность – не выше 600 кг/м, что достигается повышением пористости. Чем меньше плотность вещества, тем меньше теплопроводность. Теплопроводность материалов возрастает с повышением температуры, однако большее влияние в условиях эксплуатации оказывает влажность.
С повышением влажности теплоизоляционных материалов резко повышается их теплопроводность. Если поверхность этих пор будет покрыта пленкой воды или поры будут заполнены водой, то теплоизоляционные свойства материалов резко снижаются. Это происходит потому, что вода имеет большую теплопроводность, нежели воздух (примерно в 25 раз). Поэтому при эксплуатации теплоизоляционные материалы необходимо защищать от увлажнения.
Благодаря новым технологиям появляется все больше различных современных утеплительных материалов, имеющих улучшенные характеристики. Одна из сравнительно новых разработок – жидкая теплоизоляция.
Тепло может передаваться тремя способами – это конвекция, теплопроводность материала и излучение. Жидкий керамический теплоизоляционный материал разработан с таким условием, чтобы сдерживать тепло сразу по трем направлениям. (рис. 1) Теплопроводность снижается за счет того, что в этом процессе задействовано всего 20% материала – именно столько связующего вещества используется в составе данного материала.
С конвекцией борются пустотелые шарики, которые благодаря создаваемому ими замкнутому пространству прерывают этот процесс. Внутри данного утеплителя конвекция практически полностью исключена. После высыхания на поверхности жидкой теплоизоляции образуется некоторое подобие теплоотражающего слоя – в этом процессе задействованы алюмосиликатные шарики и диоксид титана. Именно они помогают отражать от поверхности до 90% тепла. С остальными десятью процентами достаточно просто справляется наполнитель в виде керамических пустотелых сфер. (рис.2.)
Рис.1 Рис. 2 Компьютерная модель
Керамические микросферы представляют из себя полые шарики, стенки которых состоят из синтетической керамики с вакуумом внутри. Силиконовые сферы представляют собой воздухонаполненные пузырьки, изготовленные из полимера. Такая структура слоя покрытия позволяет ему эффективно работать в отношении снижения всех видов теплообмена.
Таким образом, слой сверхтонкой жидкой теплоизоляции толщиной 1 мм состоит из 40-50 слоев микросфер, каждый из которых является тепловым барьером.
3. Для экспериментального исследования были взяты три вида теплоизоляционных материалов: каменная вата (пример волокнистых теплоизоляционных материалов), экструдированный пенополистирол (или пенопласт) и жидкая теплоизоляция.
Для изучения структуры материалов использовался цифровой микроскоп MicroLife VL-12-1,3. Для изучения теплопроводности использовался тепловизор.
4. Экспериментальная часть.
4.1. С помощью цифрового микроскопа изучалась структура исследуемых материалов. Было определено, в каких материалах самая большая пористость. Как видно на фотографиях (рис.3,4), что у каменной ваты сам материал (стенки ячеек или волокна) занимает минимум места, главная их задача «задержать» воздух.
Воздушные пустоты занимают до 95% объема.
Рис. 3 каменная вата Рис. 4 пенополистирол
Экструдированный пенополистирол -теплоизоляция представляет собой лист пластика с закрытой пористой структурой, с диаметром внутренних ячеек до 0,2 мм, прочно соединенных между собой. Ячейки герметичны, практически, не пропускают жидкость, воздух и газы. Закрытые, наполненные газом ячейки, делают утеплитель легким, обеспечивают низкое водопоглощение и теплопроводность.
С помощью микроскопа, можно увидеть изображение структуры слоя сверхтонкой жидкой теплоизоляции, состоящей из микросфер разного диаметра (Рис.5). Более крупные микросферы – это силиконовые воздухонаполненные пузыри, более мелкие – это вакуумированные керамические микросферы.
Рис. 5 Жидкая теплоизоляция
Как было сказано выше, такая структура слоя покрытия позволяет ему эффективно работать в отношении снижения всех видов теплообмена.
4.2. Со структурой материала неразрывно связана плотность. В ходе работы, измерив объем и массу образцов, вычислили их плотность:
|
Образец |
Объем (см3) |
Масса (г) |
Плотность (г/см3) |
|
каменная вата |
56,7 |
2 |
0. |
|
пенополистирол |
60 |
2,4 |
0,04 |
035По результатам видно, что плотности данных материалов примерно равны.Разброс значений плотности минеральной ваты очень большой (от 30 до 220 кг/м³) [1]. Соответственно, значительно разнятся и ее физико-технические характеристики. Но есть общая закономерность: чем больше плотность, тем большую распределительную нагрузку плиты минеральной ваты могут выдерживать.
4.3. Изучение теплопроводности проводилось с помощь тепловизора. Тепловизионное обследование — это вид теплового контроля с использованием тепловизора (оптико-электронного измерительного прибора, который работает в инфракрасной области электромагнитного спектра).
Он обеспечивает переход теплового излучения всех исследуемых объектов в видимую область, т.е. позволяет получить «тепловую картинку» поверхности, определить с высокой точностью распределение температуры по поверхности обследуемого объекта. Тепловизионное обследование позволяет определить качество теплоизоляции.
Из образцов была создана модель, имитирующая закрытое помещение, в котором стены и потолок были обшиты теплоизоляционными материалами.
Внутри в качестве нагревателя использовалась лампа 200Вт на подставке, температура внутри измерялась термометром, снаружи – с помощью тепловизора.
Для исследования зависимости теплопроводности от влажности, образцы увлажнялись и проводились повторные измерения температуры.
Образец до увлажнения
|
IR017774. Образец после увлажнения |
Изображение в видимом свете |
IS2Результаты измерений:
|
Образец |
t° внутри модели |
t° снаружи модели |
После увлажнения |
|
|
t° внутри модели |
t° снаружи модели |
|||
|
каменная вата |
95°С |
26. |
95°С |
29,4°С |
|
пенополистирол |
95°С |
27,1°С |
95°С |
26,6С |
1°СИзмерения показали: теплопроводность у минеральной ваты немного меньше, т.е. теплоизоляционные свойства немного лучше. После увлажнения наблюдается повышенная эксфильтрация (просачивание, пропитывание, проникновение тепла (теплого воздуха) через ограждающие конструкции в несвойственную ему среду из помещения) через утеплитель каменная вата.
Теплоизолирующие свойства каменной ваты стали хуже.
4.4. Влажность оказывает сильное влияние на теплопроводность, поэтому было проведено измерение водопоглощения. Измерялась масса образцов, затем они были погружены в воду на 2 часа, после чего снова измерялась масса.
|
Образец |
Масса до увлажнения |
Масса после увлажнения |
|
каменная вата |
1 г |
4 г |
|
пенополистирол |
1 г |
1 г |
Измерения показали: каменная вата имеет способность впитывать и удерживать воду, следовательно, увеличивается теплопроводность.
Пенополистирол практически воду не впитывает, поэтому для теплоизоляции фундамента лучше подходит пенопласт — недорогой и достаточно жесткий материал, не пропускающий воду. Каменную (минеральную вату) чаще всего используют для наружного утепления стен, чердачных перекрытий и крыши.
4.5. Изучение теплопроводности жидкой изоляции:
|
IR017954.IS2 |
Изображение в видимом свете |
Для опыта была использована стеклянная тара. Один сосуд снаружи покрыли слоем жидкой теплоизоляции толщиной 1 мм. Налили горячей воды в оба сосуда, температура источника тепла (горячая вода) составляла 82°С.
Произвели тепловизионную съемку данных сосудов. По результатам тепловизионного контроля видно, что температура на поверхности сосуда покрытого жидкой теплоизоляцией ниже на 18-20°С чем на сосуде без теплоизоляции. Можно сделать вывод:благодаря своему строению, жидкая теплоизоляция обладает низкой теплоотдачей с поверхности самого покрытия, что играет очень важную роль в теплофизике этого материала. Эффективность жидкой теплоизоляции зависит от толщины слоя только в определенных рамках – от 1 до 6 мм, последующее увеличение слоя покрытия практически не влияет на его эффективность.
Выводы:
Исследование физических свойств теплоизоляционных материалов убедительно доказало, что именно они оказывают первостепенное влияние на теплоизоляционные свойства и эффективность теплоизоляции.
Теплопроводность традиционных теплоизоляторов незначительно отличается, материалы отличаются в основном по структуре, плотности, что влияет в первую очередь на сфере их применения.
Жидкая теплоизоляция – это инновационный материал, благодаря перечисленным выше свойствам жидкая теплоизоляция является не столько утеплителем, сколько теплоизолятором.
Знание физических законов позволяет разрабатывать новые, более совершенные теплоизоляционные материалы.
Заключение:
Знания — это тоже деньги. Поэтому, чтобы не потратить свои деньги на некачественное или недостаточное устройство теплоизоляции, надо потратить немного времени и ознакомиться хотя бы в основных чертах с физико-технологическими характеристиками выбранного вами материала для утепления. Это будет для вас лучшей гарантией того, что данный материал прослужит вам долго и эффективно. Тепла и уюта вашему дому!
6. Список используемой литературы:
1. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шойхет Б.М., Петухова Е.Ю. БОБРОВ, Е.Г. ОВЧАРЕНКО, Б.М. ШОЙХЕТ, Ю. ПЕТУХОВА Теплоизоляционные материалы и конструкции. Учебник для средних профессионально-технических учебных заведений. Москва ИНФРА-М, 2003г.
2. Зарубина Л.П. Теплоизоляция зданий и сооружений. Материалы и технологии. “Атомпроф” , 2012г
3. А.В.Перышкин. Физика. 8 класс.
4. Интернет ресурсы. http://www.educationspb.ru/fizika/37209.html#.XEjHTs1Ldc8
http://strport.ru/izolyatsionnye-materialy/utepliteli/teploizoly
Просмотров работы: 99
Теплопроводность изоляции – C-Therm Technologies Ltd.
Измерение теплопроводности изоляционных материалов
Теплоизоляционные материалы предназначены для уменьшения или предотвращения передачи тепла в местах их применения. Такие материалы широко используются в таких областях, как упаковка, строительство, автомобилестроение, космические корабли, одежда и многие другие.
Важнейшим эксплуатационным свойством изоляционного материала является его теплопроводность. Материалы, обладающие низкой теплопроводностью, имеют высокое тепловое сопротивление.
Для ускоренного определения характеристик анализатор теплопроводности C-Therm Trident предлагается с рядом методов переходных процессов, включая метод модифицированного плоскостного источника переходных процессов (MTPS). Метод MTPS обеспечивает быстрый, простой и точный способ измерения теплопроводности образцов изоляции без подготовки образца или контактных веществ. Он предлагает дополнительные средства проверки характеристик изоляции за короткое время, что делает его пригодным для быстрого тестирования НИОКР и контроля качества. Кроме того, благодаря одностороннему методу тестирования запатентованного датчика этот метод позволяет тестировать образцы в более широком диапазоне условий, например, температура, влажность, давление, перчаточный ящик и т. д.
Аэрогели все чаще применяются в качестве теплозащитного материала в аккумуляторных батареях для электромобилей из-за их чрезвычайно низкой теплопроводности. Метод C-Therm Trident MTPS обеспечивает эффективное быстрое определение характеристик теплопроводности аэрогелей.
Датчик MTPS Проверка теплопроводности пенополистирола
Прибор для измерения теплопроводности C-Therm Trident
Основные примеры
Измерение теплопроводности образцов вспененного полистирола: сравнение с традиционной технологией защищенной нагревательной плиты и применением контроля качества
Вспененный полистирол (вспененный пенополистирол) – широко используемый пластик для упаковки и изоляции зданий. Он имеет очень низкую теплопроводность и поэтому является идеальным материалом для теплоизоляции.
На приведенной ниже диаграмме I показаны результаты TCi для сертифицированного эталонного образца материала EPS, предоставленного Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), измеренные с помощью метода защищенной горячей пластины (GHP). GHP — это очень точный и надежный метод измерения теплопроводности, но для анализа образца требуется несколько часов, а время ожидания результатов — в сочетании с обременительными требованиями к размеру образца — может создать значительную нагрузку для некоторых пользователей.
Как графически представлено на Диаграмме I, средние результаты испытаний, полученные с помощью анализатора теплопроводности C-Therm TCi на эталонном образце NIST, составляют 0,0329.Вт/мК с относительным стандартным отклонением 0,19%. Это представляет собой разницу в 2,13% от заявленного значения NIST, измеренного с GHP 0,0337 Вт/мК. Все испытания проводились примерно при 24°C.
При тестировании в пределах 2,13 % от заявленного эталонного значения результаты испытаний находятся в пределах погрешности 2,4 %, указанной в сертификате NIST для эталонного стандартного материала. Эти результаты испытаний иллюстрируют высокую точность, которой обычно достигают клиенты при определении характеристик широкого спектра образцов материалов с помощью анализатора теплопроводности C-Therm TCi.
Следующие результаты испытаний подчеркивают применение TCi для контроля качества изоляционных материалов. Образец EPS был получен из местного магазина Home Depot во Фредериктоне, Нью-Брансуик. Образец TrueFoam™ был испытан в 10 различных местах для оценки как общего качества изоляционного материала, так и однородности образца. На диаграмме II эти результаты нанесены на график — обратите внимание, что на этот раз по оси X отложены разные точки измерения, в отличие от приведенной выше диаграммы I, на которой показаны несколько измерений в одном и том же месте. Результаты испытаний показывают, что продукт обеспечивает превосходное качество изоляции со средней теплопроводностью 0,033 Вт/мК и очень однороден по своим характеристикам в различных местах с относительным стандартным отклонением 0f 0,6%. Поскольку характеристики продукта лучше, чем 0,0363 Вт/мК, компания C-Therm обнаружила, что изоляция превосходит заявленные технические характеристики продукта. Все испытания были завершены в течение 10 минут (каждое измерение занимало менее 3 секунд с 60-секундным интервалом между измерениями).
При производстве анализатор теплопроводности C-Therm TCi дает дополнительную информацию, позволяя точно и быстро измерять теплопроводность продуктов, чтобы производство могло понять, соответствуют ли они техническим требованиям. В этом примере результаты испытаний оказались лучше заявленной теплопроводности, а материал образца имеет превосходную консистенцию.
Теплопроводность высокотемпературного изоляционного материала
Измерения теплопроводности при высоких температурах важны для исследования и оценки характеристик материалов, существующих в высокотемпературных средах. Изоляционные материалы, такие как изоляция печи и трубопроводы с высоким содержанием жидкости, предназначены и используются для предотвращения выхода тепла из системы в окружающую среду в такой среде.
Точное измерение теплопроводности при высоких температурах с использованием переходных методов традиционно было очень трудным делом, главным образом из-за ограничений материалов датчика. В традиционных датчиках используются стеклянные или пластиковые диэлектрические покрытия и герметики на основе силикона для защиты чипа датчика, но они могут размягчаться при высокой температуре, повреждая датчик и/или неточно измеряя теплопроводность материалов. В некоторых традиционных переходных методах используется изоляционный материал на основе слюды, который очень хрупок и часто ограничивает использование сенсора только один раз. Высокотемпературный модуль анализатора теплопроводности Trident компании C-Therm для изоляционных материалов является передовым подходом к проведению измерений теплопроводности до 500°C, поскольку в нем используется специальный сенсорный чип с диэлектриком из оксида алюминия и керамическим герметиком, чтобы гарантировать отсутствие размягчения и правильную работу при повышенные температуры. Кроме того, уникальная прочная односторонняя конструкция и сенсорный чип из оксида алюминия защищают датчик от механических повреждений при стандартном использовании и не подвержены расслаиванию или поломке при обычном обращении, что позволяет использовать датчик неограниченное количество раз.
Рис. 1. Керамическая изоляционная плита высокой плотности, использованная в этом исследовании
Возможности высокотемпературного датчика TCi были продемонстрированы путем измерения теплопроводности керамической плиты высокой плотности (рис. 1) в диапазоне от 300 до 500 °С. Керамическая плита ранее была охарактеризована в соответствии со стандартом ASTM C201, стационарным методом, разработанным для определения характеристик термических огнеупоров, который в принципе похож на защищенный прибор для измерения теплового потока. В стандарте ASTM C201 образец помещается в нагревательную камеру, а медный калориметр используется для измерения теплового потока, при этом сохраняется заданная разница температур на горячей и холодной сторонах образца. В качестве стационарного метода сбор данных требует использования большого образца, обработанного в соответствии с точными спецификациями, а сбор данных для анализа может занять часы или дни. Анализатор теплопроводности TCi имеет несколько ключевых преимуществ по сравнению со стационарными методами: TCi выполняет измерение за одну-три секунды, в отличие от тридцати минут или более для стационарных методов, что позволяет собирать больше данных за тот же объем времени. время. Используя меньшие образцы с большей гибкостью, чем обычные методы стационарного режима, TCi также требует меньше времени для достижения температуры, чем типичный метод стационарного режима, и не требует точной обработки, что позволяет быстрее и проще собирать данные для высокотемпературных применений изоляции. .
. измерять точную теплопроводность материалов при повышенных температурах. Измерения полностью соответствовали ожидаемому значению для керамической изоляционной плиты в диапазоне от 300 до 500°C (точность лучше 3%). Такое быстрое и точное измерение теплопроводности при высоких температурах имеет решающее значение при выборе материалов и исследованиях для высокотемпературных применений.
Быстрая оценка характеристик теплопроводности аэрогелей
Аэрогели — это относительно новый класс сверхлегких пористых материалов, обычно получаемых из геля. В аэрогеле жидкий компонент геля заменен газом (обычно воздухом). Из-за своей очень легкой природы большинство образцов аэрогеля имеют полупрозрачный голубоватый вид. Пористость аэрогелей обычно превышает 98% (это означает, что на единицу объема> 98% объема аэрогеля составляет объем пор). Аэрогели могут быть изготовлены из различных химических соединений.
Источник изображения: NASA/JPL-Caltech
Аэрогели известны своей чрезвычайно низкой теплопроводностью, которая часто ниже, чем у воздуха. В этом отношении теплопроводность материала аэрогеля обычно определяется как критическая характеристика характеристик. Эта низкая теплопроводность делает аэрогелевые материалы привлекательными для исследований в области изоляции, где инженеры постоянно стремятся повысить энергоэффективность без увеличения веса.
Три имеющихся в продаже образца аэрогеля были недавно предоставлены клиентом для получения данных об их характеристиках в сравнении со спецификацией. Образцы были проанализированы с помощью анализатора теплопроводности C-Therm Trident с использованием метода модифицированного плоскостного источника переходных процессов (MTPS). Результаты показаны ниже:
Можно видеть, что измеренные характеристики теплопроводности хорошо согласуются с указанной теплопроводностью этих имеющихся в продаже образцов аэрогеля. Согласие с указанным значением во всех трех случаях было лучше 4%.
Характеристика теплопроводности материалов-кандидатов для применения в биоизоляции
Строительные изоляционные материалы образуют тепловую оболочку здания и снижают теплопередачу. Они входят в состав сложных конструктивных элементов стены или крыши. Следовательно, изоляционные материалы являются незаменимыми частями при проектировании и строительстве зданий.
Бамбук является устойчивым материалом, и изделия из него считаются строительными материалами для тех же целей, что и древесина: полы, потолки, стены и ограждающие конструкции зданий как в элементах внешнего, так и внутреннего дизайна. Кроме того, бамбуковые материалы обладают большими преимуществами, среди которых низкая стоимость и привлекательный эстетический вид; поэтому они являются идеальной альтернативой традиционным материалам для устойчивого строительства.
Исследователи из Университета Савойя-Монблан, Вьетнамского национального университета и Университета Тон Дык Тханг изготовили новые, экологически безопасные изоляционные древесноволокнистые плиты из бамбуковых волокон и костного клея на белковой основе с помощью термопрессования на нагретом гидравлическом прессе. В своем исследовании они исследовали взаимосвязь между теплопроводностью и плотностью, количеством белков, уровнями влажности и изменением содержания влаги.
Теплопроводность образцов определяли с помощью анализатора теплопроводности TCi с использованием метода модифицированного плоскостного источника переходного процесса (MTPS) при 25 °C, который был установлен внутри RH-Box (рис. 1).
Рис. 1. Фотографии образцов и измерение теплопроводности внутри RH-Box при 25 °C.
Испытываемые образцы (50 ± 1 мм) предварительно кондиционировали при относительной влажности 57 % и температуре 25 °C до достижения постоянной массы. Во-первых, теплопроводность этих образцов оценивалась при относительной влажности 57%, затем при относительной влажности 75%; теплопроводность регулярно измеряли до достижения постоянной массы. После достижения постоянной массы при относительной влажности 75% эти образцы оценивали при относительной влажности 33%; также регулярно измерялась теплопроводность до достижения постоянной массы. Это измерение повторяли в трех циклах для каждого уровня относительной влажности (33% и 75%). Изменение теплопроводности можно измерить в зависимости от плотности, относительной влажности и изменения содержания влаги в материалах.
Рис. 2. Зависимости теплопроводности от количества клея (а) и плотности (б) бамбуковых древесноволокнистых плит при относительной влажности 57 % и температуре 25 °C
Рис. три цикла между 75% и 33% относительной влажности при 25 °C внутри RH-Box.
Рис. 4. Изменение теплопроводности древесноволокнистых плит в зависимости от влажности при 25 °C (относительная влажность: 57%→ 75%).
В заключение следует отметить, что теплопроводность бамбуковых древесноволокнистых плит при различных соотношениях клея довольно низкая и варьируется от 0,0582 до 0,0812 (Вт·м-1K-1) при 25 °C и относительной влажности 57 %. Теплопроводность зависит от относительной влажности и содержания влаги.
Ресурсы
- Влияние аэрогеля/кремнеземной пыли при способах отверждения на свойства растворов на цементной основе
- Инновационные пеностеклокерамические материалы, полученные щелочной активацией и реактивным спеканием глины, содержащей цеолит (порода с низким содержанием цеолита) и опилки для теплоизоляции
- Trident™ Особенности применения теплопроводности: Ускоренные испытания аэрогелей на теплопроводность с помощью MTPS
- Масштабируемое производство гидрофобной, механически стабильной и теплоизоляционной лигноцеллюлозной пены с воздушной сушкой
- Экспресс-тестирование аэрогелей
- Исследование термической реакции вспучивающегося покрытия при высокой температуре: экспериментальное и численное исследование
- Сшитые аэрогели ПВС Ice-Template, модифицированные дубильной кислотой и альгинатом натрия
- Эластичные агарозные нанопроволочные аэрогели для разделения нефти и воды и теплоизоляции
- Изготовление «сверху вниз» анизотропных, легких, суперамфифобных и теплоизолирующих аэрогелей из ротанга
- Получение, характеристика и физико-механические свойства стеклокерамических пен на основе щелочной активации и спекания бедной цеолитом породы и яичной скорлупы
- Характеристика характеристик изоляции
- Теплопроводность биоизоляции
- Натриево-силикатная изоляционная пена, армированная обработанной кислотой летучей золой
- Целлюлозные аэрогели, приготовленные из рисовой соломы
- Пеностекло, полученное из стекла и отходов Yerba Mate (Ilex paraguarinensis)
- Быстрая оценка характеристик теплопроводности аэрогелевого покрытия
- Переработка автомобильных стеклянных отходов для получения устойчивого пеностекла с использованием процесса отверждения-спекания
- Тепловая защита за счет интеграции вакуумной изоляционной панели в систему активного терморегулирования с жидкостным охлаждением для электронного блока, подверженного тепловому излучению
- Экологически чистое производство аэрогелей на биологической основе из кокосового волокна для теплоизоляции и удаления масла
- Прозрачный, прочный и поддающийся механической обработке аэрогель из гибридного кремнезема с комбинированной структурой «жестко-гибкая» для теплоизоляции, отделения масла/воды и самоочищения
- Энергосберегающий вклад термохромного покрытия наружных стен в жаркую летнюю и холодную зимнюю зону
УПРОЩЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Запросить ценуИсследование теплопроводности теплоизоляционного цемента в геотермальной скважине
1 Введение
Геотермальная энергия является чистой и устойчивой и широко используется для производства электроэнергии, отопления и сельского хозяйства (Bildirici and Gökmenoğlu, 2017; Wang et al. , 2017). ; Хэмм и Меткалф, 2019 г.; Ян и др., 2021 г.). В последние годы в связи с возросшей потребностью в возобновляемых источниках энергии в Китае широкое развитие получили разведка и использование средне-низкотемпературных геотермальных ресурсов (Ma et al., 2016; Zhao and Fu, 2019).). Однако разница температур между высокотемпературным геотермальным флюидом и низкотемпературными пластами приводит к тому, что температура в устье скважины ниже, чем в реальном резервуаре (Hasan and Kabir, 2002). Это неблагоприятно для применения геотермальной энергии, особенно для геотермальных скважин, характеризующихся высокой температурой забоя или низким дебитом жидкости (Канев и др., 1997; Тот, 2006).
Устьевая температура геотермальной жидкости является одним из наиболее важных параметров, определяющих режимы использования и прикладную эффективность геотермальной энергии (Канев и др., 1997; Текин и Акин, 2011 г.; Чжоу и Чжан, 2013 г.; Горман и др., 2014). Следовательно, повышение этой температуры жизненно важно для исследования и использования геотермальной энергии. В последнее время все больше и больше исследований сосредоточено на цементной оболочке, поскольку она играет большую роль в передаче тепла (Янг и др., 2013; Вон и др., 2015). Между тем была предложена теория о том, что снижение теплопроводности цемента может значительно снизить потери тепла (Ichim et al., 2016, Ichim et al., 2018; Li et al., 2017; Zhao, 2020). На основе этой теории были подтверждены метод расчета и факторы влияния (например, водоцементное отношение, температура испытаний и добавки) на теплопроводность цемента (Ichim et al., 2018; Won et al., 2015; Fang et al. , 2020). Эти результаты выявили изменение законов теплопроводности с макроскопической точки зрения. Изучение влияющих факторов не является всеобъемлющим, и микрокосмические механизмы остаются неясными.
Эта статья направлена на подтверждение законов изменения и соответствующих микрокосмических механизмов теплопроводности для цемента. Для выбранных репрезентативных теплоизоляционных материалов был использован точно разработанный стационарный метод. На основании этого исследования задокументировано, что теплопроводность и прочность на сжатие зависят от различных влияющих факторов (например, водоцементного отношения, содержания теплоизоляционных материалов, температуры отверждения и испытаний). В сочетании с результатами микрокосмического анализа (тест на пористость и сканирующий электронный микроскоп) предлагается метод интерпретации изменений теплопроводности и прочности на сжатие с помощью микрокосмических взглядов. Результаты исследования могут стать теоретической основой для эффективного использования геотермальной энергии.
2 Материалы и методы
2.1 Материал
В этом исследовании в качестве основного материала использовался цемент класса G, поскольку он обычно используется в геотермальных скважинах. Одновременно в качестве изоляционных материалов были выбраны плавающие шарики с полой структурой и вспученный перлит с сотовой структурой. Результаты химического состава и физических свойств цемента класса G приведены в таблицах 1, 2. Свойства этих двух теплоизоляционных материалов представлены в таблице 3.
ТАБЛИЦА 1 . Состав цемента класса G.
ТАБЛИЦА 2 . Физические свойства цемента класса G.
ТАБЛИЦА 3 . Свойства теплоизоляционных материалов.
2.2 Методы
В этом исследовании для чистого цементного раствора были выбраны четыре различных (0,5, 0,55, 0,6 и 0,7) водоцементных отношений (водоцементное отношение). Массовое соотношение теплоизоляционных материалов к цементу класса Г составляет 5 %, 10 %, 15 % и 20 % соответственно. Кроме того, для теплоизоляционного тампонажного раствора было выбрано фиксированное водоцементное отношение (0,7), а для сохранения его реологических свойств применялись гидроредуцирующие присадки. Проведено сравнение чистого цемента с В/Ц отношением 0,7 (ВЦ = 0,7) и теплоизоляционного цемента с различным содержанием теплоизоляционных материалов. Между тем, стационарный метод использовался для точного расчета теплопроводности цемента. Инструменты, предназначенные для изготовления образцов цемента в этом исследовании, показаны на рис. 1. В процессе проектирования соотношение между диаметром образца и толщиной превышало 8.
РИСУНОК 1 . Отверждение форм и пробных образцов. (A) Чертеж сборки формы для вулканизации. (B) Образец для испытаний на теплопроводность.
Цементный порошок и теплоизоляционные материалы смешивались перед изготовлением теплоизоляционного цемента. Затем смесь выливали в водоносную мешалку с низкой скоростью перемешивания. При этом процесс заливки был завершен за 15 с. Затем суспензию отверждали в камере отверждения при температуре отверждения 60°C, 90°C и 120°C в течение 24 часов, а давление отверждения было установлено на уровне 10 МПа.
После отверждения теплопроводность образца цемента была проверена высокоточным измерителем теплопроводности ДРПЛ-Ⅲ (диапазон измерения 0,001–3 Вт/(м·К), точность измерения составила 1 %. В данном исследовании мы использовали « температура горячей плиты — температура холодной плиты» для представления комбинации температур испытания. Когда температура горячей плиты составляет 70 ° C, а температура холодной плиты составляет 30 ° C, это выражается как «70–30 ° C». Были установлены два условия. для анализа теплопроводности чистого цемента.Температуру горячей плиты устанавливали равной 70°C с различными соотношениями вода/цемент (т.е. 0,5, 0,55, 0,6 и 0,7) и температурой отверждения (т.е. 60°C, 90°С и 120°С). Другой устанавливал температуру отверждения на уровне 60°C с различными соотношениями вода/цемент (т. е. 0,5, 0,55, 0,6 и 0,7) и температурами горячей пластины (т. е. 50°C, 70°C и 90°C). Более того, анализ теплопроводности теплоизоляционного цемента также проводился в двух разных условиях. В одном из них была установлена температура нагревательной плиты на уровне 70 °C с различным содержанием теплоизоляционных материалов (т. °С). В другом была установлена температура отверждения на уровне 60 °C с различными соотношениями вода/цемент (т. 0°С).
Микроструктуры чистого цемента и теплоизоляционного цемента исследовали с помощью Nova NanoSEM 450 и AxioCam MRc5. Для испытаний на прочность на сжатие использовалась автоматическая машина для опрессовки YAW-300B. Максимальное испытательное значение этого устройства составляет 300 кН, а погрешность испытаний находится в пределах 1 %. Во время испытания скорость нагружения поддерживалась на уровне 71,7 ± 7,2 кН/мин. Сухая плотность и средний размер порового канала цемента были достигнуты с помощью AutoPore Ⅳ 9505. Испытательное давление было установлено на уровне 1,0 МПа, а выбранная температура испытания составляла 20°C. Rigaku Ultima Ⅳ использовали для проверки изменений в типах минералов и содержании цемента. Все оборудование калибруется перед использованием.
3 Результаты и обсуждение
3.1 Чистый цемент
3.1.1 Микроструктура и связанные параметры
Микроструктура чистого цемента под микроскопом и сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) показана на рисунках 2A–D. По мере увеличения соотношения В/Ц с 0,5 до 0,7 количество и размер первичных макропор и микропор в чистом цементе значительно увеличивается, тогда как количество мелких трещин на единицу объема уменьшается (рис. 2А-Г).
РИСУНОК 2 . Микроструктура и связанные с ней параметры чистого цемента. (A) Микроструктура чистого цемента (в/ц = 0,5) под микроскопом. (B) Микроструктура чистого цемента (в/ц = 0,7) под микроскопом. (C) Микроструктура чистого цемента (вес/цемент = 0,5) при СЭМ. (D) Микроструктура чистого цемента (вес/цемент = 0,7) при СЭМ. (E) Сухая плотность и средний радиус порового канала чистого цемента.
Результаты испытаний плотности в сухом состоянии и медианного радиуса порового канала чистого цемента при различных соотношениях вода/цемент показаны на рисунке 2E. С увеличением водоцементного отношения плотность в сухом состоянии постепенно снижается, тогда как средний радиус порового канала постепенно увеличивается (рис. 2Е). Одним словом, скорость изменения сухой плотности и медианного радиуса порового канала постепенно снижалась. То есть, когда соотношение вода/цемент составляет 0,6, плотность в сухом состоянии и средний радиус порового канала составляют 1,37 г/см 9 .0245 3 и 53 мкм соответственно, что составляет 67,9 и 61,3% от общего снижения. Увеличение количества и размера первичных макропор является основной причиной изменений сухой плотности и среднего радиуса порового канала.
Результаты XRD чистого цемента с различными соотношениями В/Ц (0,5 и 0,7) показаны на рисунке 3. Как показано на рисунке, увеличение соотношения В/Ц или температуры отверждения может эффективно улучшить степень гидратации C 3 S, C 2 S и C 4 AF, что приведет к явному увеличению содержания CH и CSH (рис. 3A–D).
РИСУНОК 3 . Результаты рентгеноструктурного анализа чистого цемента с водоцементным отношением 0,5 и 0,7. (A) Результаты XRD чистого цемента с водоцементным отношением 0,5 и 0,7. Температура отверждения 60°С. (B) Статистика минерального содержания панели (A) результатов. (C) Результаты XRD чистого цемента (вес/цемент = 0,7) при различных температурах отверждения. (D) Статистика минерального содержания панели (С) результатов.
3.1.2 Теплопроводность
Теплопроводность, полученная при различных температурах отверждения и нагрева плиты, показана в таблице 4 и представлена на рисунках 4A,B. Примечательно, что по мере увеличения содержания плавающих гранул теплопроводность сначала быстро снижается, а затем скорость восстановления становится относительно медленной 90–195 (90–196, рис. 4A, B). Теплопроводность чистого цемента (вес/ц = 0,7) на 21,2 %, 25,0 % и 25,6 % соответственно ниже, чем у чистого цемента (вод/ц = 0,5) при трех различных температурах отверждения (т. е. 60°C, 90°С, 120°С) (Фиг.4А). В том же случае процент снижения превышает 20,1% при трех различных температурах нагревательной плиты (рис. 4В). Считается, что улучшение степени гидратации частиц цемента и пористость цемента являются двумя основными факторами, которые приводят к снижению теплопроводности. Кроме того, поскольку водоцементное отношение ниже 0,55, большая часть добавляемой воды участвует в гидратации частиц цемента, а небольшое их количество используется для образования пор. В этом процессе повышенная степень гидратации частиц цемента будет преобразовывать больше C 3 S и C 3 A в CSH с относительно слабой теплопроводностью, что является основной причиной снижения теплопроводности цементного каркаса (Qomi et al., 2014; Kumar and Mitra, 2021). Когда соотношение В/Ц составляет от 0,55 до 0,6, скорость увеличения степени гидратации частиц цемента постепенно снижается, и увеличенные поры становятся основным результатом увеличения соотношения В/Ц. При этом теплопроводность воздуха значительно ниже, чем у цементного каркаса. Следовательно, увеличенные поры могут эффективно уменьшить площадь поперечного сечения и продлить путь теплопередачи в цементе. Приведенные выше три результата являются основным способом снижения теплопроводности чистого цемента. Когда водоцементное отношение выше 0,6, свободная вода, необходимая для гидратации частиц цемента, достигает насыщения, и основной функцией повышенного содержания свободной воды является улучшение пористости. Однако по мере того, как соотношение между добавляемой впоследствии свободной водой и общим объемом цементного раствора продолжает уменьшаться, количество свободной воды, которая может быть распределена на единицу объема цементного раствора, также продолжает уменьшаться. Это приводит к более медленному изменению пористости и теплопроводности.
ТАБЛИЦА 4 . Теплопроводность и прочность цемента на сжатие.
РИСУНОК 4 . Результаты испытаний на теплопроводность и прочность на сжатие чистого цемента в различных условиях. (A) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах отверждения. Комбинация температур испытаний составляет 70–30°C. (B) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах нагревательной плиты. Температура отверждения 60°С. (К) Результаты испытаний прочности на сжатие при различных температурах отверждения.
Согласно рис. 4А теплопроводность значительно снижается по мере повышения температуры отверждения. При соотношении в/ц = 0,5 и трех различных температурах отверждения (т. е. 60°С, 90°С, 120°С) теплопроводность составляет 0,909 Вт/(мК), 0,880 Вт/(мК) и 0,863 Вт/(мК) соответственно. Однако при изменении отношения вода/цемент до 0,7 теплопроводность снижается до 0,716 Вт/(мК), 0,660 Вт/(мК) и 0,642 Вт/(мК) соответственно. Следовательно, при повышении температуры отверждения с 60 до 120°С снижение теплопроводности составляет 5 % (вес/ц = 0,5) и 10,3 % (вес/ц = 0,7) соответственно. Обобщая, можно определить, что основными причинами снижения теплопроводности являются увеличение степени гидратации частиц цемента и содержания веществ с низкой теплопроводностью, вызванное повышением температуры твердения.
Как показано на рисунке 4B, по мере повышения температуры нагревательной пластины теплопроводность явно увеличивается. Когда температура нагревательной пластины повышается до 90°C, теплопроводность составляет 0,948 Вт/(мК), 0,816 Вт/(мК) и 0,757 Вт/(мК), что соответствует водоцементному отношению 0,5, 0,6 и 0,7 соответственно. Эти значения на 8,6% выше, чем у температуры нагревательной плиты, установленной на 50°C. Результаты в основном связаны с тем, что повышение температуры горячей плиты может увеличить интенсивность вибрации нагретого скелета. При этом также усилился конвективный теплообмен газа в соединительных порах цемента.
3.1.3 Прочность на сжатие
Результаты испытаний на прочность на сжатие показаны в таблице 3 и представлены на рисунке 4C. С увеличением водоцементного отношения прочность цемента на сжатие, по-видимому, снижается. Тем не менее, он показывает противоположную тенденцию к возрастающей температуре отверждения (рис. 4C). По мере постепенного повышения температуры отверждения прочность цемента на сжатие (вес/ц = 0,7) составляет 39,2, 45,0 и 63,9 МПа соответственно, что на 38,6%, 46,6% и 41,3% ниже, чем у цемента (вес/ц = 0,7). 0,5). Точно так же прочность на сжатие составляет 108,8, 87,8 и 63,9.МПа, что соответствует водоцементному соотношению 0,5, 0,6 и 0,7 соответственно при температуре отверждения 120°C. Эти результаты показывают, что прочность на сжатие увеличилась на 70,3%, 93,8% и 63,0% по сравнению с температурой отверждения, равной 60°C. Анализ показывает, что увеличение количества и размеров первичных макропор и микропор является основной причиной снижения прочности на сжатие (рис. 2). Повышение температуры отверждения способствует увеличению содержания CSH. Повышение содержания CSH является основным фактором, ведущим к повышению прочности на сжатие.
Увеличение водоцементного отношения может эффективно улучшить размер и количество первичных макропор и микропор, а также степень гидратации частиц цемента. Это может привести к снижению теплопередающей способности цементного каркаса и площади теплообмена. Однако путь теплопередачи, по-видимому, имеет противоположную тенденцию. Точно так же повышение температуры отверждения и температуры горячей пластины также может изменить теплопроводность. Кроме того, увеличение количества и размера первичных макропор и микропор является основной причиной значительного снижения прочности на сжатие.
3.2 Теплоизоляционный цемент с плавающими шариками
3.2.1 Микроструктура и связанные параметры
Макропоры и микропоры теплоизоляционного цемента показаны на рисунках 5A,B,E,F. Микроструктура плавающих шариков в цементе показана на рисунках 5C,D. Плотность в сухом состоянии и средний радиус порового канала показаны в таблице 5 и представлены на рисунке 5G.
РИСУНОК 5 . Микроструктура и связанные с ней параметры теплоизоляционного цемента с плавающими шариками. (A) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 10% плавающих шариков под микроскопом. (B) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 20% плавающих шариков под микроскопом. (C, D) Микроструктура плавающих шариков при СЭМ. (E) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 10% плавающими шариками при РЭМ. (F) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 20% плавающими шариками при РЭМ. (G) Плотность в сухом состоянии и средний радиус порового канала теплоизоляционного цемента с плавающими шариками.
ТАБЛИЦА 5 . Сухая плотность и средний радиус порового канала цемента.
Плавающие шарики равномерно распределяются в цементе (рис. 5А, В). Поверхность может быть тесно связана с цементным каркасом, а его полая структура может эффективно заменить скелет (рис. 5C, D). Увеличение содержания плавающих шариков может не только значительно увеличить количество и размер макропор, но и эффективно уменьшить количество микропор и увеличить плотность скелета (Тайлор, 19).97; Фигуры 5А,В,Е,F).
Сухая плотность и средний радиус порового канала уменьшаются по мере увеличения количества плавающих шариков. Кроме того, скорость сокращения постепенно замедляется (рис. 5G). В то же время большинство плавающих валиков могут оставаться закрытыми, поэтому это не влияет на распределение внутренних сообщающихся пор в цементе. Таким образом, снижение плотности в сухом состоянии в основном связано с увеличением количества плавающих шариков. Однако уменьшение размеров первичных макропор и микропор в цементе приводит к уменьшению медианного радиуса порового канала. Кроме того, анализ показывает, что при содержании плавающих шариков 0–5 % их основной функцией является замещение первичных макропор и сжатие микропор. Следовательно, изменения плотности в сухом состоянии относительно малы, в то время как средний радиус порового канала сильно различается. При изменении дозировки флотирующих шариков на 5% на уменьшение значения сухой плотности и медианного радиуса порового канала приходится 18,2 и 52,6% общего снижения соответственно. Поскольку дозировка варьируется от 5 до 15%, основная функция плавающих шариков заключается в дополнительной замене цементного скелета и сжатии первоначальных пор. Это приведет к тому, что скорость снижения плотности в сухом состоянии изменится больше, чем средний радиус порового канала. Когда дозировка флотирующих шариков достигает 15%, уменьшение сухой плотности и среднего размера частиц порового канала составляет 81,8 и 89%.0,5% от общего снижения соответственно. Кроме того, при дозировке 15–20 % значительно снижается отношение плавающих шариков к общему объему цементного раствора, поэтому значительно снижается и снижение плотности в сухом состоянии.
Результаты СЭМ плавающих валиков и скелета в теплоизоляционном цементе показаны на рисунках 6A,B. Среди них точки спектрограммы 1 и спектрограммы 2 выбраны с поверхности плавающих шариков, а спектрограммы 3 – с цементного скелета. Результаты рентгеновской дифракции чистого цемента (в/ц = 0,7) и теплоизоляционного цемента с 20% плавающими шариками показаны на рисунках 6C,D.
РИСУНОК 6 . Анализ энергетического спектра и результаты рентгеноструктурного анализа теплоизоляционного цемента с плавающими шариками. (A) Выбранные точки спектрограмм. (B) Статистика атомного числа по результатам анализа энергетического спектра. (C) Результаты рентгеновского дифракционного анализа чистого цемента (вес/цемент = 0,7) и теплоизоляционного цемента с 20% плавающих шариков. (D) Статистические данные о содержании минералов по результатам XRD-анализа.
Результат спектрограммы 1 может дополнительно подтвердить, что в основном два типа оксидов, т. е. SiO 2 и алюминий 2 O 3 , существуют на поверхности флоат-шариков. Сравнивая спектрограмму 2 со спектрограммой 3, можно обнаружить, что на некоторых участках поверхности плавающего шарика содержание кальция увеличилось. Он может образовываться в результате реакции между оксидами и кальцийсодержащими веществами в цементном растворе (рис. 6А, Б). Кроме того, исследования XRD показывают, что добавление плавающих шариков снизит содержание Ca(OH) 2 и повысит содержание CSH в цементе (рис. 6C,D). Это может еще больше подтвердить мнение о том, что оксиды, существовавшие на поверхности плавающих шариков, могут вступать в реакцию с Ca(OH) 9 . 0249 2 и в конце сформируйте CSH (уравнение 1, 2).
xCa(OH)2+SiO2+mh3O→xCaO·SiO2·mh3O(1)
yCa(OH)2+Al2O3+mh3O→yCaO·SiO2·mh3O(2)
3.2.2 Теплопроводность
результаты испытаний теплопроводности теплоизоляционного цемента с плавающими шариками приведены в таблице 4 и представлены на рисунках 7А,В. Теплопроводность постепенно снижается с увеличением количества плавающих шариков. В частности, скорость снижения теплопроводности сначала постепенно увеличивается, а затем постепенно снижается (рис. 7А, В). Это похоже на правило изменения плотности в сухом состоянии, так как эффект плавающих шариков варьируется при разных дозировках.
РИСУНОК 7 . Результаты испытаний теплопроводности и прочности на сжатие теплоизоляционного цемента с плавающими шариками в различных условиях. (A) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах отверждения. Комбинация температур испытаний составляет 70–30°C. (B) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах нагревательной плиты. Температура отверждения 60°С. (C) Результаты испытаний прочности на сжатие при различных температурах отверждения.
Повышенная температура отверждения может эффективно снизить теплопроводность (рис. 7А). При температуре отверждения 60°C, 90°C и 120°C теплопроводность теплоизоляционного цемента с 20% поплавковыми шариками составляет 0,5922 Вт/(мК), 0,5713 Вт/(мК) и 0,5591 Вт/( мК) соответственно. По сравнению с чистым цементом (в/ц = 0,7) теплопроводность снижается на 17,3%, 13,4% и 12,9%. Кроме того, для теплоизоляционного цемента с плавающими шариками 20 % коэффициент снижения теплопроводности составляет 4,5 и 6,1 % соответственно, что соответствует температурам твердения 60–90 и 120°С. Для теплоизоляционного цемента с 10% плавающими шариками при повышении температуры отверждения скорость снижения теплопроводности составляет 3,5 и 5,6%. Результаты испытаний ясно показывают, что скорость снижения теплопроводности постепенно снижается, что вызвано повышением температуры отверждения. Увеличение пористости и степени гидратации частиц цемента являются основными факторами снижения теплопроводности.
Теплопроводность увеличивается с повышением температуры нагревательной пластины (рис. 7B). Более того, законы изменения теплопроводности при трех разных температурах нагревательной пластины одинаковы. Теплопроводность теплоизоляционного цемента с плавающими шариками 10 и 20 % составляет 0,59.66 Вт/(мК) и 0,5335 Вт/(мК) соответственно, при температуре нагревательной плиты 50°C. При повышении температуры нагревательной пластины до 70°C скорость увеличения теплопроводности составляет 9,3 и 11,0% соответственно. Повышенный коэффициент теплопроводности составляет 12,9 и 14,4% соответственно, при этом температура нагревательной плиты установлена на уровне 90°С. По мере увеличения температуры нагревательной пластины скорость увеличения теплопроводности уменьшается. На основании этих результатов можно сделать вывод, что повышение температуры нагревательной пластины может повысить конвективную силу газа внутри плавающих шариков. Это отличается от усиления потока газа в связанных порах чистого цемента.
3.2.3 Прочность на сжатие
Прочность на сжатие теплоизоляционного цемента с плавающими шариками показана в таблице 4 и представлена на рисунке 7C. Увеличение содержания плавающих шариков снизит теплопроводность, но эффект от повышения температуры отверждения будет противоположным (рис. 7С). Прочность на сжатие теплоизоляционного цемента с 20% плавающих шариков при различных температурах отверждения (т.е. 60°C, 90°C и 120°C) составляет 22,5, 38,4 и 45,4 МПа соответственно, что составляет 42,6%, 14,7% и 28,9% ниже, чем чистый цемент при том же водоцементном соотношении. Кроме того, при повышении температуры отверждения до 90 и 120°С увеличение прочности на сжатие для теплоизоляционного цемента с 20 % поплавков составляет 70,7 и 101,8 %. Как правило, прочность на сжатие теплоизоляционного цемента может поддерживаться на относительно высоком уровне. Исследования микроструктуры цемента показывают, что хотя добавление плавающих шариков может эффективно уменьшить количество и размер первичных пор, полая структура плавающих шариков может значительно увеличить пористость цемента. Это основная причина снижения прочности на сжатие. Кроме того, прочность плавающих шариков, полученных из более толстой оболочки (рис. 5C), и гидратация активных веществ могут эффективно повысить прочность окружающего цементного скелета. Это важный фактор для поддержания высокой прочности на сжатие.
Таким образом, добавление плавающих шариков может эффективно снизить теплопроводность цемента и сохранить его прочность на сжатие. В частности, увеличение пористости является основной причиной снижения теплопроводности. Однако другими причинами являются удлинение пути теплопроводности и гидратация активных веществ на поверхности плавающих шариков. Более того, повышение степени гидратации частиц цемента, более толстая оболочка плавающих шариков, а также увеличение прочности окружающего цементного скелета являются важными факторами для сохранения прочности цемента на сжатие.
3.3 Теплоизоляционный цемент с вспученным перлитом
3.3.1 Микроструктура и связанные параметры
Результаты анализа макропор и микропор для теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом показаны на рисунках 8A,B,E,F. Микроструктура вспученного перлита в цементе под РЭМ показана на рисунках 8C,D. Плотность в сухом состоянии и средний радиус порового канала показаны в Таблице 5 и на Рисунке 8G.
РИСУНОК 8 . Микроструктура и связанные с ней параметры теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом. (А) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 10% вспученного перлита под микроскопом. (B) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 20% вспученного перлита под микроскопом. (C,D) Микроструктура вспученного перлита при СЭМ. (E) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 10 % вспученного перлита при РЭМ. (F) Микроструктура теплоизоляционного цемента с 20 % вспученного перлита при РЭМ. (G) Сухая плотность и средний радиус порового отверстия теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом.
Добавление вспученного перлита может заметно заменить первичные макропоры и сжать микропоры. В результате с добавлением вспученного перлита количество и размер первичных макропор и микропор постепенно уменьшаются (рис. 8А,Б,Д,Е). В конечном итоге это приводит к постоянному уменьшению среднего радиуса порового канала (рис. 8G). В то же время увеличение содержания вспученного перлита также значительно снизит плотность в сухом состоянии из-за его внутренней сотовой структуры (рис. 8C, D, G). При содержании вспученного перлита 10 % сухая плотность и средний радиус порового канала составляют 1,23 г/см 9 . 0245 3 и 50 мкм, а уменьшенное значение под эту сумму составляет 45,4 и 78,9% от общего значения уменьшения. По сравнению с теплоизоляционным цементом с плавающими шариками, цемент с вспученным перлитом имеет значительные преимущества по снижению плотности в сухом состоянии, а эффект по уменьшению среднего радиуса порового канала эквивалентен.
Результаты СЭМ вспученного перлита и скелета в теплоизоляционном цементе показаны на рисунках 9A,B. Среди них точки спектрограммы 1 и спектрограммы 2 выделены с поверхности вспученного перлита, а спектрограммы 3 – с цементного скелета. Результаты рентгеноструктурного анализа чистого цемента (в/ц = 0,7) и теплоизоляционного цемента с 20% вспученного перлита показаны на рис. 9.CD.
РИСУНОК 9 . Результаты анализа энергетического спектра и рентгеноструктурного анализа теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом. (A) Выбранные точки спектрограмм. (B) Статистика атомного числа по результатам анализа энергетического спектра. (C) Результаты рентгеновского дифракционного анализа чистого цемента (вес/цемент = 0,7) и теплоизоляционного цемента с 20% вспученного перлита. (D) Статистические данные о содержании минералов по результатам XRD-анализа.
Сравнивая результаты спектрограммы 1, спектрограммы 2 и спектрограммы 3, можно сделать вывод, что основными веществами, существовавшими на поверхности вспученного перлита, являются SiO 2 и Al 2 O 3 , которые аналогичны плавающим шарикам. Эти оксиды могут реагировать с Ca(OH) 2 в суспензии с образованием CSH (рис. 9A, B). В конечном итоге содержание Ca(OH) 2 снижается, а содержание CSH увеличивается (рис. 9C,D).
3.3.2 Теплопроводность
Результаты испытаний теплопроводности теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом при различных температурах затвердевания и нагрева плиты приведены в таблице 4 и на рисунках 10A,B.
РИСУНОК 10 . Результаты испытаний теплопроводности и прочности на сжатие теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом в различных условиях. (A) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах отверждения. Комбинация температур испытаний составляет 70–30°C. (B) Результаты испытаний теплопроводности при различных температурах нагревательной плиты. Температура отверждения 60°С. (C) Результаты испытаний прочности на сжатие при различных температурах отверждения.
В дополнение к расширенному перлиту теплопроводность постепенно снижается, а скорость восстановления сначала увеличивается, а затем снижается (рис. 10А, В). Это правило и причины изменения идентичны цементу с плавающими шариками. Теплопроводность теплоизоляционного цемента с 20 % вспученного перлита при температуре отверждения 60°С, 90°С и 120°С составляет 0,5656 Вт/(мК), 0,5343 Вт/(мК) и 0,5436 Вт/(мК). , соответственно, что на 21,0%, 19,0% и 17,1% ниже, чем у чистого цемента с водоцементным отношением 0,7 (рис. 10А). Точно так же при трех различных температурах нагревательной плиты коэффициент теплопроводности теплоизоляционного цемента с 20% вспученного перлита снижается более чем на 21%. В сочетании с проанализированными данными теплопроводность теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом в целом ниже, чем у цемента с плавающими шариками. Это может быть связано с относительно небольшой плотностью вспученного перлита. Следовательно, при той же массовой доле добавки количество вспученного перлита, которое можно добавить в цементный раствор, значительно больше. Кроме того, еще одним фактором является сотовая структура вспученного перлита. Эта конструкция более эффективно уменьшает конвекцию жидкости в изоляционном материале (таблица 3 и рисунок 8C).
Теплопроводность снижается с повышением температуры отверждения (рис. 10А). Это можно объяснить увеличением степени гидратации частиц цемента и поверхностных оксидов вспученного перлита. Теплопроводность теплоизоляционного цемента с 10 % вспученного перлита может быть снижена на 7,3 и 9,5 % при температуре твердения 60–90°С и 120°С соответственно. В ситуации с содержанием вспученного перлита 20 % скорость восстановления составляет 5,5 и 5,9 %.
Точно так же теплопроводность увеличивается с увеличением температуры нагревательной пластины. Чем выше температура, тем ниже скорость роста. Теплопроводность теплоизоляционного цемента с 20 % вспученного перлита может быть повышена на 12,5 и 14,4 % при температуре горячей плиты 50–70°С и 90°С соответственно.
3.3.3 Прочность на сжатие
Результаты испытаний прочности на сжатие теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом показаны в Таблице 4 и представлены на Рисунке 10С. С добавлением вспученного перлита прочность на сжатие постепенно снижается. Результаты показывают, что повышение температуры отверждения может значительно повысить прочность цемента на сжатие (рис. 10С). При содержании вспученного перлита 20 % прочность на сжатие при различных температурах отверждения (т.е. 60°С, 90°C и 120°C) составляют 32,9, 40,0 и 45,5 МПа соответственно. В целом прочность на сжатие теплоизоляционного цемента с вспученным перлитом может сохранять высокое значение при указанных выше условиях испытаний, особенно выше, чем у цемента с плавающими шариками. Это может быть связано с относительно более высоким содержанием SiO 2 на поверхности вспученного перлита. Это может эффективно увеличить прочность каркаса вокруг вспученного перлита и снизить вероятность концентрации напряжений. Кроме того, наличие сотовой структуры может значительно улучшить пластичность цементного скелета и, наконец, улучшить способность к сжатию (рис. 8C, D).
Одним словом, при добавлении вспученного перлита и плавучих шариков теплопроводность и прочность на сжатие имеют схожие различные тенденции и механизмы. Однако сотовая структура внутри вспученного перлита благоприятна для получения более низкой теплопроводности и поддержания более высокой прочности цемента на сжатие.
4 Заключение
В этой статье представлен метод испытаний в установившемся режиме. Были проверены теплопроводность и прочность цемента на сжатие в различных условиях. Также был объяснен микроскопический механизм изменения теплопроводности и прочности на сжатие. Выводы следующие:
1) Использование теплоизоляционных материалов позволяет эффективно снизить теплопроводность цемента и сохранить его прочность на сжатие. В частности, увеличение водоцементного отношения, теплоизоляционного материала и температуры отверждения может значительно снизить теплопроводность цемента. Однако первые два фактора и последний фактор оказывают противоположное влияние на прочность на сжатие. Кроме того, повышение температуры нагревательной пластины увеличивает теплопроводность. Для сравнения, эффект вспученного перлита лучше, чем у плавающих шариков.
2) Повышение пористости и степени гидратации частиц цемента может эффективно уменьшить площадь теплопередачи и теплоемкость скелета. Они являются основными причинами снижения теплопроводности. Расширение пути теплопередачи и гидратация активных веществ на поверхности изоляционного материала могут эффективно снизить эффективность теплопередачи каркаса, что является другими причинами снижения теплопроводности. Кроме того, гидратация частиц цемента является основой сохранения цементом необходимой прочности на сжатие. Прочность изоляционного материала, гидратация поверхностно-активного вещества и внутренняя сотовая структура являются важными факторами для поддержания прочности на сжатие на высоком уровне.
3) В сочетании с фактическими условиями пласта и техники более низкая температура пласта в верхней части скважины приведет к относительно низкой температуре затвердевания и относительно большой разнице температур (между горячей водой и пластом) в процессе закачки. . Это приведет к относительно высокой теплопередающей способности цемента в верхней части скважины, и, таким образом, эта область является основной зоной тепловых потерь.
Заявление о доступности данных
Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.
Вклад авторов
Ф.З. написал рукопись и отвечает за предоставление общей идеи, экспериментального плана и анализа данных, Л. Л. отвечает за работу прибора. Все авторы одобряют статью к публикации.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (грант № 2019YFB1504102) и проект Китайской академии геологических наук (грант № JKY202008).
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Примечания издателя
Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.
Благодарности
Мы благодарим редактора, помощника редактора и рецензентов за их конструктивные комментарии, которые помогли значительно улучшить статью.
Ссылки
Билдиричи, М.Е., и Гёкменоглу, С.М. (2017). Загрязнение окружающей среды, энергопотребление гидроэнергетики и экономический рост: данные стран G7, Потребление гидроэнергетики и экономический рост: данные стран G7. Продлить. Суст. Энерг. 75 (С), 68–85. doi:10.1016/j.rser.2016.10.052
Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar
Фанг Ю., Чжан Ю. и Ран З. З. (2020). Теплопроводность цементирующего токопроводящего цемента в средней и глубокой геотермальной скважине. Матер. 34 (20), 32–37+56. doi:10.11896/cldb.1
04
Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar
Горман, Дж. М., Абрахам, Дж. П., и Воробей, Э. М. (2014). Новое всестороннее численное моделирование для прогнозирования температуры в скважинах и прилегающем скальном пласте. Геотермия 50, 213–219. doi:10.1016/j.geothermics.2013.10.001
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хамм С. и Меткалф Э. (2019). Использование тепла под нашими ногами: геотермальная энергия. Перед. Young Minds 7, 105. doi:10.3389/frym.2019.00105
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хасан А.Р. и Кабир К.С. (2002). Течение жидкости и теплообмен в стволах скважин . Техас: Общество инженеров-нефтяников, 64–73.
Google Scholar
Ичим А., Теодориу К. и Фальконе Г. (2016). «Влияние тепловых свойств цемента на теплообмен ствола скважины», материалы 41-го семинара по разработке геотермальных резервуаров Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния, февраль 2016 г. , Г. (2018). Оценка тепловых свойств цемента с помощью трехфазной модели применительно к геотермальным скважинам. Энергии 11 (10), 2839. doi:10.3390/en11102839
CrossRef Full Text | Google Scholar
Канев К., Икеучи Дж., Кимурат С. и Окадзима А. (1997). Потери тепла в окружающую горную породу из ствола геотермальной скважины. Геотермия 26, 329–349. doi:10.1016/S0375-6505(96)00046-6
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Li, X. Y., He, H.P., Duan, YZ, and Li, Y.F. (2017). Анализ процесса повышения тепловой эффективности геотермальной скважины в пористом песчанике. Бурение нефтяных скважин. Тех. 39 (4), 484–490. doi:10.13639/j.odpt.2017.04.016
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Ма Б., Цао Ю., Ван Ю., Цзя Ю., Цинь Х. С. и Чен Ю. (2016). Происхождение карбонатных цементов с их значением для нефтяных коллекторов в эоценовых песчаниках, северная впадина Дунъин, бассейн Бохайского залива, Китай. Разведка и эксплуатация энергетики 34 (2), 199–216. doi:10.1177/0144598716629871
Полный текст CrossRef | Академия Google
Qomi, M.J.A., Bauchy, M., Ulm, F.-J., и Pellenq, R.J.-M. (2014). Аномальная динамика нанонапорной воды в прослойке неупорядоченных силикатов кальция в зависимости от состава. J. Chem. физ. 140 (5), 054515. doi:10.1063/1.4864118
CrossRef Full Text | Google Scholar
Саркар П.К. и Митра Н. (2021). Теплопроводность цементного теста: влияние макропористости. Цемент Бетон Res. 143, 106385. doi:10.1016/j.cemconres.2021.106385
Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar
Текин С. и Акин С. (2011). «Оценка температуры пласта по температуре бурового раствора на входе и выходе при бурении геотермальных пластов», в материалах 36-го семинара по проектированию геотермальных резервуаров, Стэнфорд (Стэнфордский университет).
Google Scholar
Тот, А. (2006). «Тепловые потери на планируемой венгерской геотермальной электростанции», Материалы первого семинара по проектированию геотермальных резервуаров, Стэнфорд, февраль 2016 г. (Стэнфордский университет).
Google Scholar
Тайлор, Х.Ф.В. (1997). Химия цемента . Лондон: Издательство Томсон Телфорд. doi:10.1680/cc.25929
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wang, G.L., Zhang, W., Liang, J.Y., Lin, WJ, and Wang, W.L. (2017). Оценка потенциала геотермальных ресурсов Китая. Acta Geoscientica 38 (04), 449–450+134+451. doi:10.3975/cagsb.2017.04.02
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Вон Дж., Ли Д., На К., Ли И.-М. и Чой Х. (2015). Физические свойства цемента класса G для цементирования геотермальных скважин в Южной Корее. Продлить. Энерг. 80, 123–131. doi:10.1016/j.renene.2015.01.067
CrossRef Full Text | Google Scholar
Ян М., Мэн Ю. Ф., Ли Г., Дэн Дж. М. и Чжао Х. М. (2013). Нестационарная модель теплообмена ствола скважины и пласта в течение всего процесса бурения. Acta Petrolei Sinica 34 (2), 366–371. doi:10.7623/syxb201302021
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Ян Т., Чжао П., Ли К., Чжао Ю. и Ю Т. (2021). Исследование теплофизических свойств графеновой наножидкости на основе свинца-висмута. Фронт. Энерг. Рез. 9, 727447. doi:10.3389/fenrg.2021.727447
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чжао, Дж. (2020). Обсуждение технической осуществимости теплоизоляционного цемента на нефтяном месторождении Цзянсу. Нефтехимическая промышленность Внутренней Монголии 3, 86–88. doi:10.3969/j.issn.1006-7981.2020.11.032
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Чжао X. Т. и Фу Х. Ю. (2019). Анализ современного состояния и перспектив развития и использования геотермальной энергии. Окружающая среда. Дев. 31 (5), 233. doi:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.139
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чжоу Ф. и Чжан Х. (2013). Оценка теплообмена в водоносном горизонте с использованием теории фракталов. Заяв. Терм. англ. 59 (1-2), 445–453. doi:10.1016/j.applthermaleng.2013.06.013
CrossRef Full Text | Google Scholar
Изоляционные материалы. Типы изоляции | Расчет
Как было написано, Теплоизоляция основан на использовании веществ с очень низкой теплопроводностью . Эти материалы известны как изоляционные материалы . Распространенными изоляционными материалами являются шерсть, стекловолокно, минеральная вата, полистирол, полиуретан, гусиное перо и т. д. Поэтому эти материалы очень плохо проводят тепло и являются хорошими теплоизоляторами.
Следует добавить, что теплоизоляция в первую очередь основана на очень низкой теплопроводности газов. Газы обладают плохой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если их можно уловить (например, в пенообразная структура ). Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами. Но главное преимущество в отсутствии конвекции . Таким образом, многие изоляционные материалы (например, полистирол) функционируют просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают широкомасштабную конвекцию . Во всех типах теплоизоляции удаление воздуха из пустот еще больше снижает общую теплопроводность изолятора.
Чередование газового кармана и твердого материала вызывает передачу тепла через многие интерфейсы, вызывают быстрое снижение коэффициента теплопередачи.
Следует отметить, что потери тепла от более горячих объектов происходят по трем механизмам (по отдельности или в комбинации):
- Теплопроводность
- Тепловая конвекция
- Тепловое излучение 902 мы не обсуждали тепловое излучение как способ потери тепла . Радиационный теплообмен опосредуется электромагнитным излучением , и, следовательно, не требует никакой среды для передачи тепла. Передача энергии излучением происходит быстрее всего (со скоростью света) и не испытывает затухания в вакууме. Любой материал с температурой выше абсолютного нуля выделяет некоторое количество лучистой энергии . Большая часть энергии этого типа находится в 90 195 инфракрасной области 90 196 электромагнитного спектра, хотя часть ее находится в видимой области. Материалы с низкой излучательной способностью (высокой отражательной способностью) следует использовать для уменьшения этого типа теплопередачи.
- Fibrous materials
- Glass wool
- Rock wool
- Cellular materials
- Calcium silicate
- Cellular стекло
- Петрохимические материалы (нефть/угля)
- Расширенный полистирол (EPS)
- . (PIR)
- Возобновляемые материалы (растительного/животного происхождения)
- Целлюлоза
- Пробка
- Древесное волокно
- Конопляное волокно
- Льняная шерсть
- Sheep’s Wool
- Хлопковая изоляция
- Cellular Glass
- Airgel
- Vacuum Panels
Отражающая изоляция обычно состоит из многослойных параллельных фольг с высокой отражательной способностью, расположенных на расстоянии друг от друга, чтобы отражать тепловое излучение к их источнику. Коэффициент излучения, ε , поверхности материала представляет собой его эффективность в излучении энергии в виде теплового излучения и варьируется от 0,0 до 1,0. Как правило, полированные металлы имеют очень низкий коэффициент излучения и поэтому широко используются для отражения лучистой энергии к ее источнику, как в случае одеял для оказания первой помощи .Типы изоляции – классификация изоляционных материалов
Для изоляционных материалов можно определить три общие категории. Эти категории основаны на химическом составе основного материала, из которого производится изоляционный материал.
Далее дается краткое описание этих типов изоляционных материалов.
Inorganic Insulation Materials
As can be seen from the figure, inorganic materials can be classified accordingly:
Органические изоляционные материалы
Все органические изоляционные материалы, рассматриваемые в этом разделе, получены из нефтехимического или возобновляемого сырья (на биологической основе). Почти все нефтехимические изоляционные материалы представляют собой полимеры. Как видно из рисунка, все нефтехимические изоляционные материалы являются ячеистыми, а материал ячеистым, когда структура материала состоит из пор или ячеек. С другой стороны, многие растения содержат волокна для прочности. Поэтому почти все изоляционные материалы на биологической основе являются волокнистыми (кроме вспененной пробки, которая является ячеистой).
Органические изоляционные материалы могут быть классифицированы соответственно:
Другие изоляционные материалы
Пример изоляции – Полистанции
9014180 Пример изоляции – Полистанции
9014 9023Пример изоляции –polystese
Пример изоляции –polystese
Пример изоляции –polystese
9018. из мономера стирола, полученного из бензола и этилена, оба нефтепродукта. Полистирол может быть твердым или вспененным. Полистирол представляет собой бесцветный прозрачный термопласт, который обычно используется для изготовления изоляции из пенопласта или картона, а также типа насыпной изоляции, состоящей из небольших шариков полистирола. Пенополистирол 95-98% воздуха. Пенополистирол являются хорошими теплоизоляторами и часто используются в качестве строительных изоляционных материалов, таких как изоляционные бетонные формы и строительные системы из конструкционных теплоизоляционных панелей. Вспененный полистирол (EPS) и экструдированный полистирол (XPS) изготовлены из полистирола. Тем не менее, EPS состоит из маленьких пластиковых шариков, сплавленных между собой, а XPS начинается с расплавленного материала, выдавливаемого из формы в листы. XPS чаще всего используется в качестве пенопластовой изоляции. Пенополистирол (EPS) представляет собой жесткий и прочный пенопласт с закрытыми порами. На строительство и строительство приходится около двух третей спроса на пенополистирол, и он используется для изоляции (полости) стен, крыш и бетонных полов. Благодаря своим техническим свойствам, таким как малый вес, жесткость и формуемость, пенополистирол может использоваться в самых разных областях, например, для изготовления подносов, тарелок и ящиков для рыбы.
Хотя как вспененный, так и экструдированный полистирол имеют структуру с закрытыми порами, они проницаемы для молекул воды и не могут считаться пароизоляцией. Между вспененными гранулами с закрытыми порами в пенополистироле имеются промежуточные зазоры, которые образуют открытую сеть каналов между склеенными гранулами. Если вода замерзнет и превратится в лед, она расширится и может привести к отрыву гранул полистирола от пенопласта.
Пример изоляции – вакуумные изоляционные панели
Теплопроводность большинства материалов ограничивается воздухом (запертым в ячейках), который составляет около 0,025 Вт/м∙K , но снижение давления вызывает уменьшение его теплопроводности. теплопроводность. Вакуумная изоляционная панель (VIP) решает эту проблему. Эта панель представляет собой форму теплоизоляции, состоящую из газонепроницаемой оболочки, окружающей жесткую сердцевину. Воздух из этой панели откачан. Следует отметить, что старение негативно влияет на панели. Это связано с тем, что оболочка панелей не полностью герметична, и поэтому ее теплопроводность несколько увеличивается. Эти панели можно использовать для теплоизоляции практически любого элемента ограждающих конструкций.
Пример – Потери тепла через стену
Основным источником потерь тепла из дома являются стены. Рассчитайте скорость теплового потока через стену 3 м х 10 м на площади (А = 30 м 2 ). Стена имеет толщину 15 см (L 1 ) и выполнена из кирпича с теплопроводностью k 1 = 1,0 Вт/м.К (плохой теплоизолятор). Предположим, что температура внутри и снаружи помещения составляет 22°С и -8°С, а коэффициенты конвективной теплоотдачи на внутренней и внешней сторонах равны h 1 = 10 Вт/м 2 К и h 2 = 30 Вт/м 2 К соответственно. Эти коэффициенты конвекции сильно зависят от внешних и внутренних условий (ветер, влажность и т. д.).
- Рассчитайте тепловой поток ( потери тепла ) через эту неизолированную стену.
- Теперь предположим теплоизоляцию на внешней стороне этой стены. Использовать утеплитель из пенополистирола толщиной 10 см (L 2 ) с теплопроводностью k 2 = 0,03 Вт/м.К и рассчитайте тепловой поток ( потери тепла ) через эту композитную стену.
Решение:
Многие процессы теплопередачи включают составные системы и даже включают комбинацию теплопроводности и конвекции. Часто бывает удобно работать с этими композитными системами с общим коэффициентом теплопередачи , и U-фактором . Коэффициент U определяется выражением, аналогичным закону охлаждения Ньютона :
Общий коэффициент теплопередачи связан с общим тепловым сопротивлением и зависит от геометрии задачи.
- голая стена
Предполагая одномерную теплопередачу через плоскую стенку и пренебрегая излучением, общий коэффициент теплопередачи можно рассчитать как:
U = 1 / (1/10 + 0,15/1 + 1/30) = 3,53 Вт/м 2 K
Тогда тепловой поток можно рассчитать следующим образом: эта стена будет:
q потери = q . A = 105,9 [Вт/м 2 ] x 30 [м 2 ] = 3177 Вт
- композитная стена с теплоизоляцией
Предполагая одномерную передачу тепла через плоскую композитную стену, контактное тепловое сопротивление отсутствует , и пренебрегая излучением, общий коэффициент теплопередачи можно рассчитать как:
Тогда общий коэффициент теплопередачи равен:
U = 1 / (1/10 + 0,15/1 + 0,1/0,03 + 1/30) = 0,276 Вт/м 2 К
Тогда тепловой поток можно рассчитать просто как:
q = 0,276 [Вт/м 2 К] x 30 [К] = 8,28 Вт/м потери тепла через эту стену составят:
q потери = q . А = 8,28 [Вт/м 2 ] x 30 [м 2 ] = 248 Вт
Как видно, добавление теплоизолятора приводит к значительному снижению тепловых потерь. Необходимо добавить, что добавление очередного слоя теплоизолятора не дает столь высокой экономии. Это лучше видно из метода теплового сопротивления, который можно использовать для расчета теплопередачи через композитные стены . Скорость устойчивого теплообмена между двумя поверхностями равна разности температур, деленной на общее тепловое сопротивление между этими двумя поверхностями.
Ссылки:
Теплопередача:
- Основы тепломассообмена, 7-е издание. Теодор Л. Бергман, Эдриенн С. Лавин, Фрэнк П. Инкропера. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
- Тепло- и массообмен. Юнус А. Ценгель. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
- Министерство энергетики, термодинамики, теплопередачи и потока жидкости США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 2 из 3. Май 2016 г.
Ядерная и реакторная физика:
- Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
- Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
- WM Stacey, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
- Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-й выпуск, 1994, ISBN: 978-0412985317
- WSC Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
- Г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
- Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
- Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.
- Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP Sciences, 2008. ISBN: 9.78-2759800414.
Advanced Reactor Physics:
- К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статистику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
- К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
- Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
- Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
См. выше:
Тепловые потери
Роль изоляционных систем в ограничении теплопередачи
Все материалы обладают свойством, называемым теплопроводностью, также известным в некоторых отраслях промышленности как значение «k» или значение «λ». Теплопроводность определяется как скорость, с которой тепло проходит через определенный материал. Он выражается как количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом в один градус на единицу расстояния. Стандартными единицами измерения и отчетности являются Вт/м•К или БТЕ-дюйм/час-фут²-°F. Для однородных материалов теплопроводность не зависит от площади, толщины или формы материала; однако общее количество переданного тепла зависит от этих факторов.
Кроме того, теплопроводность зависит от температуры и часто указывается вместе со средней температурой материала в диапазоне возможных температур применения. Важно понимать, как теплопроводность материала может меняться в зависимости от температуры, так как это будет иметь важные конструктивные особенности для систем изоляции. Стандартные методы испытаний для определения проводимости указаны в ASTM C177, ASTM C518 и EN ISO 13787.
Помимо теплопроводности или значения «k», при обсуждении теплопередачи материалов часто используются несколько других терминов:
Термическое сопротивление (R) — тепловое свойство тела или узла, измеряемое отношением разности средних температур двух поверхностей к установившемуся общему тепловому потоку через них (скорость теплового потока на единицу площади одной поверхности которые должны быть идентифицированы). Значение «R» для материала можно найти, разделив толщину материала на его «k» или значение теплопроводности.
Значение «R» чаще всего встречается в потребительских строительных материалах и конструкциях.
Теплопроводность (C) — свойство тела или сборки, измеряемое отношением стационарного теплового потока, общего между двумя определенными поверхностями (временная скорость теплового потока на единицу площади одной поверхности, которая должна быть определена) к разности между средними температурами двух поверхностей. Обратное значение «R» (или 1/R) равно значению «C».
Коэффициент теплопередачи (U) — общий коэффициент теплопередачи — отношение стационарного теплового потока из окружающей среды на одной стороне тела через тело к окружающей среде на его противоположной стороне (временная скорость теплового потока на единицу площади поверхности, которая должна быть идентифицирована) к разнице температур между двумя окружающими средами.
Проникновение влаги
Проникновение влаги является основной угрозой для теплового КПД. Поглощение влаги может увеличить тепловой поток и, следовательно, эксплуатационные расходы. Это также может отрицательно сказаться на качестве и количестве выпускаемой продукции.
Примеры включают чрезмерное выкипание, прекращение производства из-за изменения вязкости, разрушение оборудования и, возможно, останов завода.
Другими проблемами, которые могут проявиться, являются проблемы, связанные с коррозией и защитой персонала из-за повышения температуры поверхности в горячих системах.
Скопление влаги в пенополиуретановой системе из-за нарушения пароизоляции.
Теплоизоляция, содержащая жидкую воду, имеет значения теплопроводности до 3 раз выше, чем в сухом состоянии.1
В условиях замерзания теплопроводность может увеличиться еще больше, так как теплопроводность льда в 4-6 раз выше, чем теплопроводность воды.
Недавние исследования изоляционных материалов с открытыми порами показали, что увеличение содержания влаги на 1% может привести к увеличению теплопроводности на 23%. 2
В зависимости от пористости изоляции тепловой поток может увеличиться до 300 процентов при наличии всего 20 процентов (объемных) влаги3.
1 Cremaschi et al., 2012a; Wilkes et al., 2002
2 Гусячкин A.M. et al., 2019
3 Weiwei Zhu et al., 2014
Влага может проникать в изоляцию непосредственно в виде абсорбированной воды через зазоры в швах и герметиках, отверстия в кожухе или изнутри наружу через утечку из трубы или сосуда.
Также важно учитывать, что влага может попасть в изоляцию до, во время или после установки.
Еще более важным источником проникновения влаги и намокания изоляции является диффузия водяного пара, который впоследствии конденсируется в виде жидкости или льда в процессах ниже температуры окружающей среды или при низких температурах.
Это явление особенно характерно для многих изоляционных материалов с открытыми порами или других проницаемых материалов, в которых используется оболочка для предотвращения или замедления проникновения влаги.
Некоторые материалы с закрытыми порами, такие как обычно используемые пористые пластики, обеспечивают медленную диффузию паров влаги, когда существует перепад давления паров между одной стороной продукта и другой. Затем насыщенный влагой воздух скапливается в ячейках, из которых диффундировал вспенивающий агент. Это может привести к влажным и неэффективным системам изоляции, поэтому эти материалы часто защищают пароизоляционными материалами или замедлителями схватывания.
Эти материалы могут быть подвержены структурным деформациям, несовершенным уплотнениям или повреждениям, вызванным механическим воздействием. В криогенных системах, например, даже небольшая пробоина может привести к образованию льда в течение нескольких дней.
Следовательно, во многих случаях более важно, чтобы изоляция имела низкий коэффициент паропроницаемости, чем низкая теплопроводность.
Старение материала
Деградация изоляции из-за старения или теплового дрейфа происходит в результате «дегазации» или диффузии газа через стенки ячеек пенопластовых изоляционных материалов. Перенос газа происходит из-за разности концентраций газа внутри и снаружи ячеек и вызванных температурой перепадов внутреннего и внешнего давления. Экстремальные температуры, воздействие химических веществ и радиации могут со временем усугубить старение. В результате фактическая теплопроводность материала при применении может быть значительно выше опубликованных значений, что приводит к резкой разнице между фактической тепловой эффективностью и проектной эффективностью. Ячеистая пенопластовая изоляция, такая как полиизоцианурат, полиуретан и фенольная пена, особенно подвержена этим воздействиям, и испытания показали, что через два года образцы полиизоцианурата в среднем на 22 процента превышают указанный коэффициент k4 9.0005
Другие исследования показали, что старение и потеря тепловой эффективности могут продолжаться в течение 20 лет после установки изоляции.
Морфология размера ячеек жесткого пенополиуретана в результате процесса старения.
Поглощение жидких химических веществ
Теплопроводность пролитых, просочившихся или даже атмосферных химикатов может увеличить теплопроводность уже влажной изоляции. Кроме того, химическая атака может физически разрушить изоляцию или, по крайней мере, ухудшить тепловую эффективность и механическую прочность. Вспененные пластмассы и изоляционные материалы с открытыми порами подвержены потере тепловых характеристик из-за химической абсорбции. Это особенно верно, когда изоляция ранее была ослаблена проникновением влаги.
Некоторые системы используют гидроизоляционные материалы для защиты изоляции в высокотемпературных системах. Даже при наличии эффективной гидроизоляции она не будет препятствовать поглощению простых углеводородов. Фактически, эти гидроизоляционные материалы могут быть разрушены такими жидкостями, позволяя изоляционному материалу поглощать жидкие химические вещества, что может привести к снижению тепловых характеристик и увеличению пожароопасности.
Очевидно, что поглощение и удержание жидкости являются одними из самых разрушительных элементов для изоляционной системы. Поэтому очень выгодно выбрать непроницаемый изоляционный материал, который не должен полагаться на внешний пароизоляционный слой для предотвращения проникновения влаги в изоляцию.
Изоляция из пеностекла FOAMGLAS® представляет собой полностью стеклянный материал со 100% закрытыми порами, что исключает риск проникновения влаги (паров) в изоляционный материал.
Даже после полного погружения в воду единственная измеримая влажность изоляции FOAMGLAS® – это та, которая остается на поверхностных ячейках.
Проникновение влаги и старение материала могут вызвать хроническую потерю тепловой эффективности в других изоляционных материалах с открытыми порами или иным образом проницаемыми. Изоляция FOAMGLAS® не подвержена диффузии газа и не стареет со временем, обеспечивает постоянную тепловую эффективность на протяжении всего срока службы системы. Это сводит к минимуму потребность в замене изоляции и помогает поддерживать проекты, направленные на снижение долгосрочных затрат в течение жизненного цикла.
Полностью стеклянный состав и отсутствие связующих и наполнителей делают изоляцию FOAMGLAS® одним из наиболее химически стойких доступных изоляционных материалов. Это помогает гарантировать, что на механические и тепловые характеристики изоляционной системы FOAMGLAS® не повлияет возможное внешнее или внутреннее химическое воздействие, при этом снижается риск возгорания и структурной коррозии трубопроводов и оборудования.
Загрузить в формате PDF
Технический бюллетень — Теплообмен3,12 МБ
интересно читать о
Изоляционные системы и роль коэффициента излучения как фактор проектирования
Важность размерной стабильности и ее влияние на характеристики изоляционного материала
Нужна
консультация эксперта?
Свяжитесь с нами
Ищете
конкретную спецификацию руководства?
Запросить сейчас
Желание узнать
наша продукция?
Посмотреть все продукты
Изоляционные материалы – виды теплоизоляционных материалов в зданиях
Это правда, что хорошо теплоизолированный дом является энергоэффективным и экологическим свойством. Правовые нормы и растущая осведомленность людей привели к необходимости снижения спроса на энергию и связанных с этим затрат. Важным элементом в борьбе с избыточным потреблением энергии в жилых домах и объектах коммунального хозяйства, безусловно, являются теплоизоляционные материалы, приспособленные для работы в конкретных условиях. Снижение энергопотребления может быть достигнуто за счет эффективной теплоизоляции всех перегородок здания, но без правильных материалов это будет практически невозможно. Рассмотрим подробнее теплоизоляционные материалы, представленные сегодня на рынке.
Изоляционный материал и его коэффициент
Наиболее распространенными теплоизоляционными материалами являются пенополистирол, минеральная вата и пенополиуретан, которые используются в зданиях как в качестве теплоизоляции, так и в качестве эффективной звукоизоляции. Однако на рынке имеются другие продукты, обладающие столь же благоприятными физическими и химическими параметрами. Одним из наиболее важных параметров, характеризующих теплоизоляционный материал, является коэффициент теплопроводности (лямбда). Чем ниже значение этого коэффициента, тем лучше теплоизоляция материала, а значит, и энергоэффективнее здание.
Минеральная вата
Материал с широким спектром применения, обеспечивающий надлежащую теплоизоляцию здания, его эффективную звукоизоляцию (гасит воздушные и ударные звуки), а также обладающий огнезащитными и паропроницаемыми свойствами. характеристики.
Минеральная вата состоит в основном из двух продуктов с очень похожими параметрами – минеральной ваты и стекловаты. Первый изготавливается из базальта (высокая устойчивость к очень высоким температурам), а второй — из кварцевого песка или переработанного стекла.
Коэффициент теплопроводности изделий из минеральной ваты составляет от 0,031 до 0,045 Вт/мК. Минеральная вата обладает высокой прочностью и устойчивостью к деформации, не разрушается при контакте с веществами, содержащими растворители. Однако минеральная вата впитывает воду, что ухудшает ее теплоизоляционные свойства. Для устранения водопоглощения минеральную вату пропитывают минеральным маслом. Неправильно выполненная (уложенная) теплоизоляция из минеральной ваты может привести к появлению в ближайшем будущем тепловых мостов, что существенно повлияет на энергоэффективность всего здания. Кроме того, шерсть является довольно сложным в применении материалом (например, щели на чердаке), особенно для неопытных людей, что также увеличивает риск потери тепла в здании.
Пенополистирол
Пенополистирол, то есть пенополистирол, благодаря производственному процессу, включающему вспенивание (воздух в порах пенополистирола может занимать до 98% объема готового продукта), обеспечивает коэффициент теплопроводности 0,030-0,045 Вт/м·К (например, пенополистирол белого цвета 0,038–0,045 Вт/м·К, графитовый пенополистирол 0,030–0,035 Вт/м·К).
В настоящее время обычно используются три вида пенополистирола – EPS 50 для утепления многослойных стен, EPS 70 или 80 для утепления фасадов методом BSO и EPS 100 в качестве основного утеплителя для полов.
Пенополистирол, как изоляционный материал, в первую очередь характеризуется очень низким водопоглощением, благодаря чему его можно успешно использовать для изоляции тех частей здания, которые подвергаются контакту с водой, таких как фундаменты, стены подвала или полы на земле.
В дополнение к традиционному пенополистиролу также доступен экструдированный полистирол, обеспечивающий теплоизоляцию на уровне от 0,021 до 0,026 Вт/мК, более твердый и менее впитывающий. Он доступен в синем, зеленом или розовом цвете и рекомендуется для изоляции инверсионных крыш, гаражных полов и полов на земле, т.е. везде, где есть большие нагрузки.
Однако у пенополистирола есть свои недостатки. Он не стоек к ряду химических веществ, таких как растворители, краски, клеи и консерванты для древесины. Кроме того, это довольно негерметичный материал с точки зрения диффузии (проникновения) водяного пара. Это означает, что через стены, утепленные пенополистиролом, проникает лишь небольшое количество пара. Пенополистирол также чувствителен к высоким температурам и огню. Температуры выше +80°C могут его повредить, однако это материал с самозатухающими свойствами и в случае пожара не воспламеняется, а плавится, выделяя много черного дыма.
Пенополиуретан
Пенополиуретан (PUR) быстро становится популярным изоляционным материалом. В настоящее время используются два типа пенополиуретанов – PIR (полиизоцианурат) и PUR (полиуретан). У пены есть дополнительное преимущество, которое отличает ее от материалов, используемых до сих пор, а именно возможность использовать ее в двух формах – в виде жесткой плиты или в виде материала, напыляемого непосредственно на изолируемую поверхность. Последний завоевывает все большее признание на рынке теплоизоляционных строительных материалов.
Название “PUR” означает полиуретан, полученный путем смешивания двух сырьевых материалов – полиола и изоцианата. В результате смешивания этих компонентов с применением специализированных распылительных машин получается пенополиуретан. Этот тип изоляционного материала в настоящее время широко используется в строительстве в качестве альтернативного материала для изоляции и теплоизоляции зданий, от фундамента до крыши. Пена PUR очень хорошо работает с точки зрения безопасности пользователя и функциональности.
Пенополиуретан с закрытыми порами позволяет добиться очень хороших теплоизоляционных свойств слоев благодаря низкому коэффициенту теплопроводности, который может составлять даже λ = 0,020 Вт/мК.
Большим преимуществом пенополиуретана является его скорость и простота нанесения. Наносится методом распыления, благодаря чему за несколько секунд увеличивается в объеме в несколько десятков раз и затвердевает в быстром темпе. Пена PUR прекрасно адаптируется к наклонным, сложным поверхностям, проникая в самые маленькие щели.
Пеноизоляция также более экономична, чем традиционные методы, так как при ее применении не образуются зазоры, а точнее мосты холода, которые приводят к потерям тепла в здании. Пена плотно прилегает к стропилам и не создает дыр и щелей в теплоизоляции.
Пенополиуретан подразделяется на изоляционные материалы с открытыми и закрытыми порами. Первый имеет губчатую структуру. Он не пропускает воду и обладает очень хорошими теплоизоляционными свойствами, но пропускает пар, благодаря чему под ним не может образоваться грибок или плесень. Он легкий, поэтому можно, при предварительном использовании мембраны, расстелить его на опалубку под кровлей. С другой стороны, пена с закрытыми порами немного тверже и лучше подходит для использования снаружи зданий. Внутренняя структура пенополиуретана с закрытыми порами состоит из микроскопических закрытых пузырьков, поэтому он обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, а также высокой жесткостью и соответствующей твердостью.
Теплоизоляция из напыляемой пенополиуретана в основном используется для изоляции перегородок зданий от потери тепла изнутри здания. Применяются как в производственной инфраструктуре (трубопроводы), так и при утеплении фундаментов и крыш, а также теплозащите каркасных стен зданий.
Изоляционные свойства пенополиуретанов позволяют применять их, среди прочего, для теплоизоляции:
- фундаментов, фундаментных стен и фундаментных плит
- крыши снаружи и полы на земле
чердаки с их внутренней части - Стены в каркасных зданиях
- Стены промышленных объектов, складские помещения
- нагревательные трубы, холодильные камеры
- все виды технической изоляции (трубопроводы, резервуары)
Пенополиуретаны в соответствии со стандартом PN-EN 13501-1 обычно имеют класс огнестойкости Е, что означает легковоспламеняющийся, самозатухающий материал. Пенополистирол, например, относится к тому же классу. Инвестиционные затраты на утепление пенополиуретаном иногда считают одним из недостатков этого решения. Однако с учетом того, что в цену квадратного метра входит не только материал, но и качество исполнения, итоговая стоимость сравнима с установкой других изоляционных материалов.
Целлюлозные волокна
Этот изоляционный материал имеет очень схожие физические и химические характеристики с минеральной ватой, но его применение гораздо более ограничено. Коэффициент теплопередачи этого продукта составляет 0,039 Вт/мК, но, несмотря на это, волокна целлюлозы также обеспечивают хорошую звукоизоляцию и хорошую паропроницаемость.
Целлюлозные волокна обладают способностью поглощать и выделять воду из окружающей среды, поэтому при утеплении нет необходимости в применении пароизоляции. Однако есть одно условие – материал должен хорошо проветриваться, чтобы дать ему возможность полностью высохнуть. Волокна можно наносить влажным или сухим способом.
Сухой метод заключается в том, что измельченные волокна вдуваются в предварительно подготовленные пространства в стенах, потолках и т. д. через специальные агрегаты, которые позволяют направлять материал на расстояние до 50 м по горизонтали и 30 м по вертикали. Волокна также можно заливать насыпью, например, при утеплении балочных перекрытий и полов по лагам. С другой стороны, мокрый метод включает смачивание целлюлозных волокон водой и клеем. Эта смесь очень хорошо прилипает к стенам и даже потолкам.
Какой выбрать?
На вопрос выбора лучшего теплоизоляционного материала, представленного на рынке, нет однозначного ответа. Каждый представленный выше продукт имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор ваты, пенопласта, пенополиуретана или целлюлозного волокна зависит в основном от ваших ожиданий и требований, а также места применения.
Тепловые свойства изоляционных материалов
Перейти к содержимомуПредыдущий Следующий
Если у вас есть разница в температуре между двумя сторонами объекта, тепло передается с одной стороны на другую. Чтобы значительно уменьшить величину теплопередачи , нужен материал с очень низкой теплопроводностью, то есть изоляция. Что касается механики теплопередачи, существует два типа изоляции:
- Неотражающая изоляция снижает теплопроводность. Захваченные пузырьки воздуха затрудняют прохождение тепла.
- Отражающая изоляция снижает теплопередачу излучением. Очень светлые и малоэмиссионные поверхности отражают тепло.
Когда вы составляете отчет об энергопотреблении в соответствии с путями соответствия DTS, методами проверки или их комбинацией, вам необходимо знать, какой тип изоляции вы должны искать и сколько изоляции вам нужно для достижения определенного R-значения. Существует семь основных типов изоляции , которые необходимо выбирать в соответствии с вашими потребностями. Здесь мы попытаемся обобщить его.
| Тип | Изоляционный материал | Применение | Примечание | |
|---|---|---|---|---|
| Баты и рулоны | Стекловолокно Минеральная вата | Между каркасными стенами Между балками перекрытия Между балками потолка Между прогонами/стропилами крыши Под металлической обшивкой крыши. | Доступен, недорог и прост в установке. Эта изоляция связана с тепловым мостом. Изоляционные плиты имеют относительно низкое значение R на единицу толщины. Выпускается в определенных размерах, поэтому для установки может потребоваться сжатие, что снижает коэффициент теплопередачи. В диапазоне от R0,6 до R2,7 для несущих стен , от R1,0 до R4,0 в качестве кровельных покрытий и от R1,5 до R7,0 для потолков или полов . | |
| Жесткая изоляция | Полистирол Полиуретан | Бетонные стены Полые каменные стены (внутри полости) Бетонные плиты на грунте Бетонные крыши Подвесные бетонные полы/потолки | Эта изоляция бывает разных размеров и толщины. Очень эффективен с точки зрения значения R на толщину. Связан с очень небольшим тепловым мостом или вообще без него. Водостойкий и паропроницаемый. Не используется для реконструкции и переоснащения существующих зданий. Относительно высокая стоимость. Некоторые продукты имеют прикрепленную облицовку, такую как изоляционные гипсокартонные листы Диапазоны от R1.0 до R4.5 . Не очень часто устанавливается между деревянными или металлическими рамами. | |
| Изолированный Бетон Форма (ICF) | Полистирол | Новая конструкция стены | Два слоя пенополистирольной плиты с воздушной или бетонной полостью. Может выдерживать большие нагрузки. Связан с очень небольшим тепловым мостом или вообще без него. Очень высокие значения R до R3,5. Очень эффективная шумоизоляция. Чувствителен к воде, так как стальная лента не является водонепроницаемой. Очень высокая стоимость. Одно из возможных решений для зданий класса 3, класса 9а и класса 9с в определенных климатических зонах Австралии. | |
| Автоклавный газобетон Бетон Блок | Бетонный блок , наполненный пузырьками воздуха | Новая конструкция стены | Газобетонные блоки состоят из твердых материалов, таких как кварцевый песок и цемент, и до 80% воздуха. Экологически чистый и подходит для использования с рейтингом Green Star. или проекты SDA/SMP. Легкий и подходит для мест с высоким риском землетрясений. Простота транспортировки, простота установки и, следовательно, низкие трудозатраты. Огнеупорный с высокой прочностью на сжатие. Хрупкая природа, может треснуть при ударах или при креплении толстыми винтами. Диапазоны от R0,4 (плотные 100 мм) до R3,0 (легкие 300 мм). Если требуемое общее значение R велико, требуются толстые блоки. Не подходит для влажных регионов. | |
| Вдуваемая изоляция | Стекловолокно Целлюлоза Минеральная вата | Вдувается в новые или существующие полые стены Между новыми или существующими каркасными стенами Между новыми или существующими потолочными/половыми балками | Хорошие решения по энергоэффективности для существующих зданий или проектов перестройки/расширения. Заполняет полости в существующих двойных каменных стенах без разрушения. Может быть изготовлен из отходов и, следовательно, может быть экологически чистым. Лучшее решение для изоляции существующих труб и воздуховодов без разрушения. Диапазоны от R1.3 (впадина 50 мм) до R2.6 (впадина 100 мм) Очень чувствителен к плесени, если не защищен от внешних условий. | |
| Напыление Пена Изоляция | Полиуретан Полиизоцианурат | Между новыми или существующими каркасными стенами Между новыми или существующими потолочными/половыми балками | Выпускается в двух формах: с открытыми порами (менее плотные – наполненные воздухом) и с закрытыми порами (более плотные – наполненные газом). Лучшие решения по энергоэффективности для существующих зданий. Герметизирует все воздушные зазоры, щели и трещины в существующих зданиях. Не требует пароизоляции (особенно для закрытоячеистого типа). Заполняет препятствия неправильной формы. Лучшее решение для изоляции существующих труб и воздуховодов без разрушения. Диапазоны от R2,25 (90 мм с открытыми ячейками) до R3,75 (90 мм с закрытыми ячейками) Очень высокая стоимость, требуется специалист, прошедший обучение технике безопасности. | |
| Структурные Изолированные Панели (SIP) | Полистирол | Готовые помещения Дома из SIP | Слой утеплителя между плитами с ориентированной стружкой (OSB). Связано с отсутствием теплового моста. Лучшее решение для прохладных/холодных помещений с рейтингом Green Star. Самые высокие значения R. Диапазоны от R1.2 до R6.0 Высокая стоимость и не может использоваться для существующих/модификационных работ. Чувствителен к вредителям и насекомым. | |
| Светоотражатель Изоляция | Отражающие поверхности: С фольгой Полиэтиленовые пузыри Полиэтиленовая пленка | Внешняя сторона стоек Нижняя сторона стропил/балок | В отличие от других типов изоляции, нельзя указать конкретное значение R. Коэффициент сопротивления отражающей изоляции зависит от направления нагрева, коэффициента излучения и воздушного зазора. Низкая стоимость, но не такая эффективная, как другие виды изоляции. Подходит для заводов или складов. Для эффективной работы отражающей изоляции необходим воздушный зазор. Подходит для нисходящего теплового потока (крыши в климатических зонах от 1 до 5). |
Тепловые свойства различных изоляционных материалов
Теплопроводность определяется как количество тепла (в ваттах), передаваемое через один квадратный метр (м2) изоляционного материала (или любого другого материала) заданной толщины (в метрах ) из-за разницы температур. чем ниже теплопроводность материала, тем больше способность материала сопротивляться теплопередаче, и, таким образом, выше его тепловое сопротивление (значение R) .
| Материал | Тепловая проводимость (Вт/м.К) | Пар Проницаемый | |
|---|---|---|---|
| Целлюлозное волокно | 0,04 | Да | № |
| Стекловолокно | 0,057 (7 кг/м3) 0,044 (12 кг/м3) | Да | Да |
| Вспененный полиэтилен | 0,04 | № | № |
| Полиэстер | 0,063 (8 кг/м3) 0,045 ( 16 кг/м3) | № | Да |
| Пенополистирол (EPS) | 0,039 | № | № |
| Экструдированный полистирол (XPS) | 0,028 | № | № |
| Пенополиуретан | 0,028 | Да | № |
| Минеральная вата (вдуваемая) | 0,04 | Да | Да |
| Минеральная вата | 0,033 | Да | Да |
Теплопроводность вышеперечисленных материалов взята из руководства FirstRate-5 по звездному рейтингу, таблица 9.
Как рассчитать R-значение изоляции?
Для того, чтобы рассчитать R-значение изоляции, вам необходимо иметь два параметра: толщина и теплопроводность (см. выше).
Значение R изоляции можно рассчитать следующим образом:
Где R — значение R изоляции (м2.K/Вт), t представляет толщину изоляции (м), а k представляет теплопроводность ( Вт/м.К) и может быть получено из приведенной выше таблицы.
Например, 50 мм минеральной ваты с теплопроводностью 0,033 Вт/м·К дает R1,5 (R=0,05/0,033=1,5).
Обратите внимание, что теплопроводность изоляционного материала зависит от его плотности. Также незначительное влияние на его теплопроводность оказывает разница температур между двумя сторонами утеплителя; Поэтому разумно иметь паспорт производителя и искать правильные условия.
Минимальные требования к изоляции коммерческих зданий в Австралии
Австралийский совет по строительным нормам и правилам (ABCB) устанавливает минимальные общие значения R для различных частей зданий. Эти минимальные значения Total R зависят от климатической зоны, типа здания и конструкции. В зависимости от класса здания эти значения можно получить из:
- NCC Том 1 : Класс 2 (общее пространство), Класс 3, Класс 5, Класс 6, Класс 7, Класс 8, Класс 9.
- NCC Том 2 : Класс 1 и Класс 10.
На основании NCC, том 1.0, раздел J, положений DTS и прошлого опыта консультантов по соблюдению энергопотребления, необходимая изоляция для соответствия нормам представлена ниже:
Крыша: как достичь R3.7?
Минимальное общее значение R крыши в климатической зоне 7 это R3.7 . Следующие конструкции достигают R3,7 (включая эффект теплового моста) и более:
- Скатная металлическая крыша и плоский потолок с отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между деревянными балками 90×45@900 c/c: R4,0 ( R3.0 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между деревянными балками 90×45@600 c/c: R4. 5 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 140×35@900 c/c деревянные балки: R3.5 (R3.0 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между деревянными балками 140×35@600 c/c: R4.0 (R3.0 с отражающей изоляцией)
- Скатная металлическая крыша и сводчатый потолок с отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между 140×35@600 деревянными стропилами: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 140×35@ 450 деревянных стропил c/c: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 190×45@600 х/б стропилами: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 190×45@450 х/б стропилами: R4.0 (R3. 5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 203x79x1,9@1200 х/б металлическими стропилами: R5.0 + отражающая изоляция + терморазрыв R0. 2
- Плоская металлическая крыша и плоский потолок с отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между деревянными стропилами 140×35@600 c/c: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 140×35@450 х/б стропилами: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между 190×45@600 стропила из х/б дерева: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между деревянными стропилами 190×45@450 х/б: R4.0 (R3.5 с отражающей изоляцией)
Объемная изоляция между металлическими стропилами 203x79x1,9@1200 c/c: R5.0 + отражающая изоляция + терморазрыв R0.25
- Плоская бетонная крыша и плоский потолок с отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Жесткая изоляция, непосредственно прикрепленная к бетонной крыше толщиной 100 мм: R3,5
Стена: как получить R1.
4?Минимальное общее значение R стены в климатической зоне 2-8 для строительных классов 5-9b составляет R1.4 . Следующие конструкции достигают R1,4 (включая эффект теплового моста) и выше:
- Наружные каркасные стены с металлической обшивкой и отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между 90×45@450 мм х/б деревянными стойками: R1.2
Объемная изоляция между 92×33,5×0,75×0,75×0,75@600 мм х/б металлическими каркасами: R1,5 + 0,2 терморазрыва
Объемная изоляция между 92×33,5×0,75@600 мм цельнометаллическими металлическими каркасами: R1,5 + отражающая изоляция (внутренняя) - Наружные каркасные стены с фиброцементным листом толщиной 9 мм и отделкой из гипсокартона толщиной 10 мм:
Насыпная изоляция между 90×45@450 мм c/c деревянные стойки: R1.2
Объемная изоляция между 92×33,5×0,75@600 мм c/c металлическими каркасами: R1,5 + 0,2 терморазрыва
Объемная изоляция между 92×33,5× 0,75@600 мм c/c металлический каркас: Двойная отражающая изоляция + терморазрыв R0,2 - Наружные кирпичные стены (110 м) и отделка из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между 90×45@450 мм ц/б деревянными стойками: R1. 0
Объемная изоляция между 92×33,5×0,75@600 мм ц/б металлическими каркасами: Терморазрыв R1,5 + 0,2
- Наружные кирпичные полые стены (2×110 мм):
Полость >25 мм: R1.0 Жесткая плита с закрытыми порами
Полость >40 мм: R1.0 Вдуваемая изоляция - Наружная бетонная стена (100 мм):
Объемная изоляция между деревянными стойками 70×45@450 мм: R1,2 (+10 мм гипсокартон)
Жесткая изоляция, прикрепленная к внешней стороне: R1,2 (без внутренней отделки)
Стена: как получить R2.8?
Минимальное общее значение R стены в климатических зонах 4,6 и 7 для строительных классов 3, 9a и 9c (район ) составляет R2.8 . Следующие конструкции достигают R2,8 (включая эффект теплового моста) и более:
- Внешние каркасные стены и отделка из гипсокартона толщиной 10 мм:
Объемная изоляция между деревянными стойками 90×45@450 мм с/х: R2,7 + отражающая изоляция ( внутренний e=0,05 + проставка 20 мм)
Объемная изоляция между металлическими каркасами 92×33,5×0,75@600 мм из х/б: терморазрывы R2,7 + R0,5 + отражающая изоляция (внешний e=0,2)
- Внешние кирпичные полые стены (2×110 мм):
Полость >25 мм: невозможно достичь, требуется решение Performance Solution.
Полость >40 мм: невозможно достичь, требуется решение для повышения производительности. - Внешняя бетонная стена (100 мм):
Объемная изоляция между деревянными стойками 90×45@450 мм: Терморазрыв R2.7 + R0.2 + Отражающая изоляция (внутренний e=0,05)
Массовая изоляция между деревянными стойками 90×45@600 мм: Терморазрыв R2.7 + R0.4 (+10 мм гипсокартон)
Массовая изоляция изоляция между металлическими каркасами 92×33,5×0,75@600 мм: R2,7 + терморазрыв R0,5 + отражающая изоляция (внутренний e=0,05)
Жесткая изоляция, прикрепленная к внешней стороне: R2,6 (без внутренней отделки)
- Изолированная бетонная форма (ICF):
150-мм бетон, зажатый между изоляцией из пенополистирола (2×50 мм) + 5-мм штукатурка (снаружи) и 10-мм гипсокартон (внутри)
Стена: как получить R3.3?
Минимальное значение общей теплопроводности стены в климатических зонах 1 и 3 для строительных классов 3, 9a и 9c (район района) составляет R3.