Физические свойства теплоизоляционных материалов

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Теплопроводность…………………………………………………………..4-6
2. Плотность……………………………………………………………………6-9
3. Пористость…………………………………………………………………9-10
4. Влажность…………………………………………………………………….10
5. Водопоглощаемость……………………………………………………...11-12
6. Паропроницаемость, водопроницаемость, водоустойчивость………...12-13
7. Теплоустойчивость……………………………………………………….14-16
8. Химическая и биологическая устойчивость……………………………16-17
9. Огнестойкость…………………………………………………………….17-19
10. Звукопоглощение и звукоизоляция……………………………………..19-20

Заключение……………………………………………………………...........21

Список используемой литературы………………………………………….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теплоизоляционными называют строительные материалы, 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 и пр.). Эти материалы имеют небольшую среднюю плотность — не выше 600 кг/м , что достигается повышением пористости.

В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и понизить их стоимость, уменьшить расход топлива в эксплуатационный период. В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда. Чтобы получить достаточный эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются конкретные разновидности теплоизоляционных материалов и учитываются их теплофизические характеристики. Эти мероприятия позволяют успешно решать проблему экономии топливно-энергетических ресурсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплоизоляционные материалы, как правило, имеют характерные  свойства, благодаря которым они  способны прослужить долгое время даже при жесткой эксплуатации. А качественная изоляция позволяет использовать меньший коэффициентом теплового обмена, что снижает нагрузку на компрессор.

 

Теплопроводность

 

Базовой характеристикой, которая должна быть присуща теплоизоляционному материалу, является низкая теплопроводность. 
Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей в течение 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м², при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в 1 К.

 

Теплопроводность — способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы).

Теплопроводность обозначают буквой ƛ  (лямбда) и выражают в Вт/(м К). К теплоизоляционным относят материалы с теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м • К) при средней температуре слоя 298 К и влажностью, нормированной ГОСТами или ТУ. Коэффициент теплопроводности базовых конструкций должен лежать в пределах 0,03-0,04 Вт/(м*К)

Теплопроводность зависит  от средней плотности материала (с увеличением средней плотности теплопроводность возрастает), его структуры, пористости, влажности и средней температуры слоя материала. С увеличением влажности материала теплопроводность резко возрастает, при этом понижаются его теплоизоляционные свойства. Поэтому все теплоизоляционные материалы хранят в помещении или под навесом, а в теплоизоляционной конструкции защищают от попадания влаги покровным слоем.

Теплопроводность определяют на специальном приборе Между  термостатированными плитами 1 и 3, при помощи которых создают и поддерживают необходимую разность температур, устанавливают образец 2 размером 250 х 250 мм, толщиной 10—50 мм. Между образцом и нижней плитой 1 помещают теплоэлектрические преобразователи; 5 - тепломер; 6 - теплоизолиро ка. Температуру на поверхностях измеряют термоэлектрическими преобразователями (по две термопары (4) на каждую сторону образца). Поток теплоты создается сверху вниз.

При испытании образец 2 укладывают на тепломер и плотно прижимают верхней термостатированной плитой 3, устанавливают температуру верхней и нижних плит 1,3 в зависимости от условий эксплуатации материала и затем вычисляют теплопроводность по формуле

ƛ=q8/(t1-t2)

где q—тепловой поток, проходящий через образец площадью 1 м², Вт/м²; 8—толщина образца, м; t₂ —температура соответственно верхней и нижней поверхностей образца, К.

Полученное значение теплопроводности относится к средней  температуре / испытаний. Теплопроводность конструкции выше, чем теплопроводность самого материала, за счет наличия крепежных деталей, увеличения средней плотности вследствие уплотнения (для волокнистых материалов) и т. д.

Теплоемкость — способность  материала при нагревании поглощать теплоту. Теплоемкость определяется отношением количества теплоты, сообщаемого телу, к соответствующему изменению температуры:

С= Q/T,

где С—теплоемкость тела, Дж/К; Q — количество теплоты, сообщаемое телу, Дж; Т — изменение температуры при нагревании тела, К.

Удельной теплоемкостью называется отношение теплоемкости к массе тела:

с = С/т,

где с — удельная теплоемкость тела, Дж/(кг-К); т — масса тела, кг.

 

По основной теплофизической характеристике — теплопроводности — теплоизоляционные материалы делят на три класса: А — малотеплопроводные, Б — среднетеплопроводные и В — повышенной теплопроводности. Классы отличаются величиной теплопроводности материала, а именно: при средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б — от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В — от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К).

Наблюдаются исключения из этой зависимости, когда с повышением температуры материала теплопроводность его не повышается, а снижается, например у магнезитовых огнеупоров, металлов.

 

 

Плотность

 

Другое свойство это средняя плотность – ее величина вычисляется отношением массы  вещества к занимаемому им объему. Она определяется как соотношений  кг/м3. Плотность определяют по формуле:

p = m/V,

где т — масса материала, кг (г, т); V— объем, занимаемый этим материалом, м³ (см³).

У теплоизоляционных  материалов средняя плотность гораздо  ниже плотности большинства строительных материалов, это обусловлено большой пористостью теплоизоляционных материалов. В настоящее время в строительстве применяются теплоизоляционные материалы, плотность которых составляет от 17 до 600 кг/м3, в зависимости от их назначения.

Теплоизоляционные свойства тем лучше, чем меньше средняя плотность сухого материала при температурном режиме, свойственном ограждающим конструкциям зданий.

Средняя плотность — величина, определяемая отношением массы т тела или вещества ко всему занимаемому объему V, включая имеющиеся поры и пустоты. Среднюю плотность р (г/см³, кг/м³) для штучных изделий, рулонных и шнуровых материалов, изделий и материалов с плоской поверхностью в состоянии естественной влажности вычисляют по формуле (ГОСТ 17177—94)

p = m/[V( 1 + 0,01 W)],

где W— массовая влажность изделия или материала, %.

Знание плотностной  характеристики теплоизоляционного материала дает массу информации о его теплоизоляционных и прочностных свойствах. Чем меньше средняя плотность материала, тем меньше его теплопроводность. Однако, чем меньше этот показатель, тем хуже его монтажная прочность и часто больше водопоглощение, а следовательно, такая конструкция может быть менее долговечна. Для различных теплоизоляционных материалов в условиях работы в конкретной конструкции имеется свой оптимум по средней плотности.

Поскольку пористость непосредственно влияет на величину средней плотности, теплоизоляционные материалы обычно различают не по пористости, а по средней плотности. Их делят на три группы: особо легкие OJI (и наиболее пористые), имеющие марку по средней плотности (в кг/м 3) в сухом состоянии 15, 25, 35, 50, 75 и 100; легкие (Л) — 125, 150, 175, 200, 225, 300 и 350 и тяжелые (Т) — 400, 450, 500 и 600. Материалы, имеющие среднюю плотность между указанными марками, относят к ближайшей большей марке. При средней плотности 500—700 кг/м³ материалы используют с учетом их несущей способности в конструкциях, т. е. как конструкционнотеплоизоляционные.

Для определения  средней плотности необходимо знать  массу материала в состоянии  естественной влажности, его объем и влажность. Массу материала находят взвешиванием, а влажность — высушиванием образца при температуре (105 ± 5)°С. Объем образца материала определяют одним из следующих методов.

Объем штучных, рулонных и шнуровых изделий вычисляют  по формулам на основании линейных размеров.

Толщину уплотняющих  минераловатных и стекловолокнистых  изделий (плит, прошивных матов) измеряют толщиномером.

Масса диска 4 с трубкой 3 толщиномера создает удельные нагрузки, предусмотренные соответствующими стандартами (ГОСТами) или техническими условиями (ТУ) на эти материалы. Так, для изделий, не содержащих связующее вещество, удельная нагрузка равна 0,0001 МПа. Для изделий, содержащих связующее вещество и имеющих плотность не более 175 кг/м³, — 0,0005 МПа. Для изделий, содержащих связующее вещество и имеющих плотность более 175 кг/м³, удельная нагрузка равна 0,002 МПа.

Объем рыхлых волокнистых  материалов (минеральной и стеклянной ваты) определяют на специальном приборе, который металлическим диском 2, создающим удельное давление 0,002 МПа, уплотняет материал. В цилиндре 1 прибора помещают горизонтальными слоями испытуемый материал массой 0,5 кг; на него с помощью подъемного устройства допускают металлический диск и выдерживают в таком состоянии в течение 5 минут. Затем по шкале, нанесенной на стержень 3, замеряют высоту h и подсчитывают объем V nо формуле

V= nR²h,

где R — радиус цилиндра, м; h — высота сжатого слоя материала в цилиндре, м.

Плотность сыпучих зернистых материалов (вспученных перл итов, вермикулита, совелита- порошка и др.) определяют отношением массы материала, засыпанного в мерный сосуд, к объему этого сосуда.

Пробу материала насыпают через воронку (рис. 2.3) с высоты 10 см в предварительно взвешенный сосуд  до образования над его верхом конуса, который удаляют без уплотнения вровень с краями сосуда линейкой. Этот сосуд с материалом взвешивают.

Плотность пробы р, кг/м³, вычисляют по формуле

p = (m₂-m_l)/V(l+0,0iW),

где т₁ — масса мерного сосуда, кг; т₂ — то же с пробой, кг; V— объем мерного сосуда, м³; W— влажность пробы материала, %.

 

Пористость

 

Пористость — степень  заполнения объема материала порами. Истинной, или общей, пористостью  изделия П_н (%) называют отношение объема пор К_пор к полному объему изделия:

Во всех случаях П_И = П_откр + П_закр.

Истинная пористость может быть подсчитана по формуле

Пи = (1-р_об/р)100,

где р₀б — объемная масса изделия, г/см³; р — плотность изделия, г/см³.

Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тем лучше его теплоизоляционные свойства при средней температуре (20—25 °С) слоя. Это определяется высокой пористостью материалов, т. е. наличием большого количества воздуха в порах, у которого очень низкая теплопроводность (0,027 Вт/(м • К) при температуре 20 °С в спокойном состоянии).

Теплоизоляционные свойства материалов зависят не только от числового значения пористости, но и от вида материала, структуры пор, их размеров и формы, степени равномерности расположения пор в материале, а также от того, являются ли поры закрытыми или сообщаются одна с другой и с окружающим воздухом (открытая пористость). Наилучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с равномерно расположенными мелкими порами.

От пористости зависят основные свойства материалов: теплопроводность, водопоглошение, морозостойкость, прочность

Пористость теплоизоляционных материалов может составлять 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.

 

 

Влажность

 

Еще одним свойством  является влажность – накопление жидкости в материале. Теплопроводность теплоизоляционных и строительных материалов значительно растет с  увеличением влажности.