Теплопроводность

Основное свойство теплоизоляционных материалов – это низкая способность проводить теплоту. Количество теплоты, которое передается за единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, называется теплопроводностью. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, измеряемом в Вт/(м*К).

В строительной индустрии теплопроводность учитывается при расчете ограждающих конструкций, обеспечивающих тепловую изоляцию зданий и сооружений, при расчете теплопотерь через поверхности тепловых агрегатов и тепловых магистралей и пр.

На величину теплопроводности оказывают влияние плотность материала, вид, размер и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твердых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поверхности, вид и давление газа в порах. Но преобладающее влияние на величину теплопроводности имеют температура и влажность: при повышении температуры и/или влажности теплопроводность значительно возрастает, а, следовательно, теплозащитные свойства материалов существенно снижаются.

Так как теплопроводность воздуха примерно в 20 раз меньше теплопроводности, например, керамического черепка, то с увеличением пористости теплопроводность твердых тел снижается. Наличие крупных пор ведет к повышению теплопроводности системы вследствие увеличения доли теплопередачи конвекцией, в то время как мелкие поры оказывают существенное сопротивление теплопереносу (снижение доли теплопередачи излучением). На теплопроводность оказывает влияние не только размер пор, но и непрерывистость поровой структуры. Так, например, в сыпучих и волокнистых материалах, в которых воздух представляет непрерывную среду, размер пор, а, следовательно, размер частиц и толщина волокон практически не оказывает влияния на теплопроводность материалов при нормальных температурах. При высоких температурах размер зерен становится значимым фактором, теплопроводность же собственно твердой фазы имеет второстепенное значение.

В таблице 3 приведены данные о теплопроводности некоторых строительных материалов.

Все существующие методы определения теплопроводности строительных материалов делятся на методы стационарного и нестационарного теплового режима.

Стационарный тепловой режим – режим, при котором все рассматриваемые теплофизические параметры не меняются со временем. Сущность метода заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенных размеров и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца. По величине теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность по формуле 11. Как правило, исследуемый образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда, лицевые грани которого – квадрат с размерами 100х100, 150х150 или 250х250 мм, при этом конструктивные особенности существующих приборов накладывают ограничения на толщину образцов, которая должна находиться в пределах от 3 до 50 мм.

, (11)

где λ – коэффициент теплопроводности (эффективная теплопроводность), ;

d – толщина образца, м;

q – плотность стационарного теплового потока, проходящего через испытываемый образец, Вт/м²;

ΔТ – разность температур между противоположными гранями образца.

Приборы для измерения при стационарном тепловом режиме состоят из измерительной ячейки, в конструкцию которой входят теплозащитный кожух, нагреватель и холодильник, а также электронного блока с графическим индикатором.

Типовой порядок проведения измерений

при стационарном тепловом режиме

1. Для проведения испытаний изготавливают образцы, размеры которого соответствуют конструктивным особенностям прибора. Следует учитывать, что при измерении теплопроводности наибольший вклад в погрешность вносят боковые потери, обусловленные неидеальной тепловой изоляции измерительной ячейки, и термическое сопротивление переходов образец-нагрватель и образец-холодильник, вызванные неплоскостностью рабочих поверхностей образца. Исходя из этого, для проведения измерений с наименьшей погрешностью, предъявляются жесткие требования по отклонениям граней по параллельности и плоскостности: в случае разнотолщинности и отклонений от плоскостности образцы дополнительно шлифуют.

2. Установить образец в измерительную ячейку и прижать его с требуемым усилием фиксирующим винтом.

3. Включить питание электронного блока и перейти в режим «ИЗМЕРЕНИЕ».

4. Как правило, в режиме «ИЗМЕРЕНИЕ» предварительно вводятся характеристики испытываемого материала (толщину образца, диапазон ожидаемого значения теплопроводности или температуры нагревателя и холодильника) с целью ускорения процесса замера. После чего автоматически включается режим измерения.

5. Выполнение стабилизации температур и непосредственно измерения (контроль за тепловым потоком осуществляется автоматически).

6. По окончании измерения после непродолжительной математической обработки полученных данных на экране выводится рассчитанное значение теплопроводности. Одновременно с выводом на экран дисплея значение теплопроводности записывается в энергонезависимую память прибора.

Создание нестационарного теплового режима основано на зависимости температуры внедренного в материал нагреваемого тела (цилиндрического зонда) от теплопроводности окружающего зонд материала, т.е. в этом случае измеряется скорость изменения температуры зонда, погруженного в испытываемый материал, за определенное время при его нагреве с постоянной мощностью.

Современные приборы для определения теплопроводности цилиндрическим зондом состоят из электронного блока, в состав которого входят схемы измерения, контроля и регулирования мощности нагрева, трубки-оболочки – измерительного зонда и источника питания. Непосредственно зонд состоит из нагревателя и датчика температуры, заключенных в тонкостенную металлическую трубку из нержавеющей стали.

При проведении испытаний необходимо обеспечить надежный термический контакт зонда с материалом, для чего поверхность зонда смазывают тонким слоем теплопроводящей пасты, либо технического вазелина, солидола, литола, глицерина, графитной смазки.

Типовой порядок проведения измерений тепловым зондом

1. Для проведения испытаний в изделии (образце) сверлится отверстие, соответствующее длине и диаметру зонда (допускается формировать отверстие с помощью шаблонов, закладываемых при формовании образца).

2. Ввести зонд в подготовленный образец, обеспечив при этом надежный термический контакт.

3. Подключить тепловой зонд и сетевой блок питания к электронному блоку, после чего включить питание прибора и перейти в режим «ИЗМЕРЕНИЕ».

4. Как правило, в режиме «ИЗМЕРЕНИЕ» предварительно вводятся характеристики испытываемого материала (его наименование, плотность, диапазон ожидаемого значения теплопроводности) с целью изменения мощности нагревателя зонда. Теоретически результат измерений не должен зависеть от установленного вида материала (т.е. от мощности нагревателя), но при завышенной мощности нагревателя в процессе измерений материал сильно разогреется, что приведет к искажению результата измерений.

5. После выполнения предварительных операций перейти в режим «ПУСК». После чего происходит автоматическая стабилизация процесса измерения (стабилизация-выравнивание температуры зонда и образца). Стабилизация температуры перед измерением позволяет повысить точность результатов.

6. Выполнение измерения.

7. По окончании измерения после непродолжительной математической обработки полученных данных на экране выводится рассчитанное значение теплопроводности. Одновременно с выводом на экран дисплея значение теплопроводности записывается в энергонезависимую память прибора.

Определение теплопроводности в образцах и изделиях методом теплового зонда осуществляют при помощи приборов нового поколения таких, как МИТ-1, ИТП-МГ4 «Зонд» (рис. 7, 8) и др. В этих приборах схемы измерения, контроля и регулировки выполнены в едином электронном блоке, зонд состоит из нагревателя и датчика температуры, заключенных в тонкостенную металлическую трубку; результат измерения выводится непосредственно в окне графического дисплея.

Также разработано новое поколение приборов для определения теплопроводности при стационарном тепловом режиме. Примером этого могут служить измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250», ИТС-1 (рис. 9, 10).

Рисунок 7. Внешний вид прибора «МИТ-1»

Рисунок 8. Внешний вид прибора ИТП-МГ4 «Зонд»

Рисунок 9. Внешний вид прибора ИТП-МГ4 «250» (ИТП-МГ4 «100»)

Рисунок 10. Внешний вид прибора ИТС-1

Рекомендуемая литература и нормативная документация

1. Глуховский В.Д., Руднова Р.Ф., Шейнич Л.А., Галевера А.Г. Основы технологии отделочных тепло- и гидроизоляционных материалов. – Киев, 1986.

2. Горлов Ю.П. Лабораторный практикум по технологии теплоизоляционных материалов. – М., 1982.

3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. – М., 1987.

4. Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. – М., 1982.

5. Соков В.Н., Лабзина Ю.В., Федосеев Г.П. Лабораторный практикум по технологии отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов. – М., 1991.

6. Рекомендации по комплексному определению теплофизических характеристик строительных материалов / НИИ строит. физики. - М.: Стройиздат, 1987.

7. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учебн. пособие для инж.-физ. и энергомашиностроит. спец. вузов / Ю.Ф. Гартышев, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др. Под ред. В.К. Щукина. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

8. ГОСТ 4.201-79. СПКП. Строительство. Материалы и изделия теплоизоляционные. Номенклатура показателей.

9. ГОСТ 4640-93*. Вата минеральная. Технические условия.

10. ГОСТ 9573-96. Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем теплоизоляционные. Технические условия.

11. ГОСТ 10140-2003. Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на битумном связующем. Технические условия.

12. ГОСТ 10499-95. Изделия теплоизоляционные из стеклянного штапельного волокна. Технические условия.

13. ГОСТ 16136-2003. Плиты перлитобитумные теплоизоляционные. Технические условия.

14. ГОСТ 16381-77*. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования.

15. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний.

16. ГОСТ 20916-87. Плиты теплоизоляционные из пенопласта на основе резольных фенолформальдегидных смол. Технические условия.

17. ГОСТ 21880-94*. Маты прошивные из минеральной ваты теплоизоляционные. Технические условия.

18. ГОСТ 22950-95. Плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем. Технические условия.

19. ГОСТ 25820-2000. Бетоны легкие. Технические условия.

20. ГОСТ 30256-94. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности цилиндрическим зондом.

21. ГОСТ 30290-94. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности поверхностным преобразователем.

22. ГОСТ Р ЕН 823-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения толщины.

23. ГОСТ Р ЕН 824-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения отклонения от прямоугольности.

24. ГОСТ Р ЕН 825-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения отклонения от плоскостности.

25. ГОСТ Р ЕН 826-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы определения характеристик сжатия.

26. ГОСТ Р ЕН 1604-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения стабильности размеров при заданной температуре и влажности.

27. ГОСТ Р ЕН 1607-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении перпендикулярно к лицевым поверхностям.

28. ГОСТ Р ЕН 1608-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении параллельно лицевым поверхностям.

29. ГОСТ Р ЕН 1609-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения водопоглощения при кратковременном и частичном погружении.

30. ГОСТ Р ЕН 12085-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения линейных размеров образцов, предназначенных для испытаний.

31. ГОСТ Р ЕН 12086-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик паропроницаемости.

32. ГОСТ Р ЕН 12087-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы определения водопоглощения при длительном погружении.

33. ГОСТ Р ЕН 12089-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик изгиба.

34. ГОСТ Р ЕН 12090-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик сдвига.

35. ГОСТ Р ЕН 12430-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при действии сосредоточенной нагрузки.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Общие положения
Показатели качества теплоизоляционных материалов и изделий
Пористость
Средняя и насыпная плотность
Прочность
Водопоглощение
Паропроницаемость
Теплопроводность
Рекомендуемая литература и нормативная документация
Приложение
Оглавление

Дата добавления: 2015-08-10