разное

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала в большой мере обусловливается его структурой. У пористых тел тепло пере­дается через твердое вещество и через пустоты с находящими­ся в них газами. Поскольку газы являются плохим проводни­ком тепла, то изолирующая способность материала будет тем выше, чем больше его пористость. Но передача тепла внутри пор снижается с уменьшением их диаметра, так как при опре­деленной величине ее диаметра может достигаться минималь­ная теплопроводность. Так, по данным М. Хюбшера [126], теп­лопроводность пеностекла с ячейками диаметром 5 мм прибли­зительно на 37% 'больше, чем для пеностекла со средним диаметром ячеек 2 мм.

И. С. Каммерер [401] приводит сведения об изменении теп­лопроводности воздуха, замкнутого в ячейках размером О—3 мм в интервале температур 0—500 °С. Согласно его дан­ным, теплопроводность воздуха при 500 °С увеличивается при­мерно в 10 раз в ячейках размером 3 мм.

По мнению М. А. Михеева [402], при увеличении размера замкнутых пор возрастает конвективный теплообмен внутри поры между газом и твердой оболочкой. При этом процесс теп­лопередачи осуществляется одновременным действием тепло­проводности и конвекции. По приведенной им формуле (6.3), количество тепла Q, передаваемое через ячейку, близкую к шару, пропорционально тепловой проводимости стенки Л/6, по­верхности ячейки Fx и температурному напору At:

Q = 4- FxAi (ккал/ч). (6.3)

О

Здесь К — коэффициент теплопроводности; 6 — толщина обо­лочки; At — градиент температуры.

В случае шаровой стенки

Fx = VF^l, (6.4)

Где Fі и Ft — соответственно внутренняя и наружная поверх­ности ячейки.

Следовательно, при производстве теплоизоляционного пе­ностекла необходимо стремиться к получению материала с ми­нимальным значением объемной массы при возможно мень­шем диаметре закрытых пор. Это требование справедливо так­же и по отношению к прочности пеностекла и устойчивости вязкой пены. Поскольку газы, содержащиеся в ячейках, имеют значительно меньшую теплопроводность, чем стекло, то для достижения минимального значения X следует регулировать степень насыщения пеностекла газами. В связи с этим возни­кает необходимость установления зависимости между тепло­проводностью и объемной массой пеностекла.

Для расчета коэффициента теплопроводности пеностекла М. Хюбшер [126] рекомендует применять уравнение Э. Мане - гольда [55], выведенное им для пористых органических мате­риалов, по которому

% = Х0 Арс + ЯгРг. (6.5)

Здесь X — теплопроводность пеностекла; Хс — теплопровод­ность стекла; Яг — теплопроводность газов в ячейках пеностек­ла; Рс — относительный объем стекла в пеностекле yjyci Рт— относительный объем ячеек, равный 1—Рс! уп—-объемная масса пеностекла, кг/м3; ус — плотность стекла, кг/м3.

Подставляя в уравнение (6.5) соответствующие значения, например ус = 2500 кг/м3, Яс = 0,7 ккал/ (м-ч-°С) и Хт= =0,0203 ккал/(м■ ч-°С), получаем

X = 0,0203 + 0,00018у. (6.6)

Анализ зависимости X=f(y) для пеностекла того же интер­вала объемной массы, приведенной другими авторами [55, 115, 126], показывает, что уравнение (6.6) имеет несколько иные значения слагаемых, что можно объяснить изменением струк­туры материала, главным образом величины и формы ячеек. Характер кривых, выражающих данную зависимость для строительного и влагозащитного пеностекла (рис. 6.7), под­тверждает влияние на повышение X не только структурного фактора, но и состава газов, заключенных в ячейках, а также давления их внутри ячеек.

Нами экспериментально установлено, что в ячейках готово­го пеностекла давление газов ниже атмосферного и в зависи­мости от их размера и состояния структуры суммарная вели­чина его находится їв пределах 500—720 мм рт. ст. Поскольку конвекция газов в ячейках ослабляется с понижением давле­ния в них, то это должно влиять не только на снижение X, но и на уменьшение градиента dX/dy, что мы и наблюдаем, сопостав­ляя кривые 1 и 3 или 2 и 4 (рис. 6.7). Влияние снижения дав­ления в ячейках на величину X подтверждается и тем, что при одинаковом градиенте температуры для обоих видов пе­ностекла (от —180 до +25 °С) Ah для влагозащитного пено­стекла меньше, чем для строительного, у которого конвекция газов в ячейках более активная, поскольку их масса в равно­великих ячейках большая.

Таким образом, при необходимости получения пеностекла с минимальным значением h следует стремиться не только сни­жать его объемную массу, но и вести процесс вспенивания

Таким образом, чтобы получить пеностекло с мелкопористой замкнутой структурой.

В связи с изложенным становятся понятными расхождения в значениях h для пеностекла с равнозначной объемной мас­сой, приводимые многими «следователями [1, 7, 12, 50, 52, 115, 126, 306]. Очевидно, поэтому в литературе приводятся различные формулы, выражающие зависимость h для задан­ного интервала объемной массы.

Если полученные нами экспериментальные данные (рис. 6.7) аппроксимировать прямыми, то зависимость h=f(y) для влагозащитного пеностекла (кривые 1 я 2) можно выра­зить следующими уравнениями:

TOC \o "1-3" \h \z Ч25°с = 0,000099у + 0,035, (6.7)

= 0,000078*|> + 0,016. (6.8)

Для строительного пеностекла (рис. 6.7, кривые 3 и 4):

H+25°с = 0,0002137 + 0,0191, (6.9)

№0»с = 0,000206v + 0,0344. (6.10)

Эти уравнения являются весьма приближенными, посколь­ку на теплопроводность пеностекла оказывает влияние не толь­ко количество и величина ячеек, но и их форма. Наши иссле-

В ряде случаев, когда требуется получить пеностекло с мини­мальным значением коэффици­ента теплопроводности, можно рекомендовать высокотемпера-

Рис. 6.8. Зависимость коэффициента теплопроводности пеностекла от тем­пературы: 1 — строительное пеностек­ло; 2—по данным [407]; 3— влаго­защитное; 4—-по данным фирмы [398]; 5 — по данным И. С. Каммере - ра [408]; 6 — для воздуха

Турное вспенивание или ведение данного процесса в вакуум- аппаратах. Дополнительное прессование заготовок пиропла - стического пеностекла также будет способствовать повышению теплоизоляционных свойств материала.

Зависимость теплопроводности пеностекла от температуры и влажности. С повышением влажности теплопроводность лю­бого изоляционного материала повышается в зависимости от характера локализации в нем влаги [302, 306, 403—406]. В связи с этим для научно обоснованного анализа закономер­ностей изменения теплофизических свойств пеностекла в зави­симости от его структуры и условий получения необходимо рас­смотреть язления накопления и переноса влаги в ячеистых материалах и участие ее в тепломассообмене. Рассмотрим за­висимость Я, ==/(0 двух видов пеностекла — строительного и влагозащитного, отличающихся между собой структурой, объ­емной массой и водопоглощением.

Коэффициент теплопроводности строительного пеностекла в воздушно-сухом состоянии при у = 250 кг/м3 в интервале тем­ператур от +25 до —180 °С уменьшается с 0,065 до 0,038 ккал/(м-ч-°С) (рис. 6.8, кривая 1). Теплопроводность влагозащитного пеностекла (у = 160 кг/м3) (рис. 6.8, кривая 3) t,

В том же температурном интервале изменяется в пределах от 0,05 до 0,03 ккал/(м-ч-°С). Полученные данные, характери­зующие зависимость X=f (/) рассматриваемых видов пеностек­ла в воздушно-сухом состоянии, согласуются до величине и характеру их изменения с результатами бельгийских [407] и американских [398] авторов (рис. 6.8, кривые 2, 4).

Функциональная зависимость X = f(y) в приближенном виде может быть выражена уравнением прямой Яг^Яо+Р^. Значение температурного коэффициента {5 для пеностекла в виде блоков можно рассчитать, располагая данными Хо и Я<, которые сравнительно легко определяются экспериментально.

Изменение %0 у рассматриваемых видов пеностекла (табл. 31) является результатом различия структуры, главным образом размера ячеек и количества дефектов в разделитель­ных стенках, благодаря которым повышается конвективный теплообмен в самом материале. Поэтому Яо для влагозащит­ного пеностекла (табл. 31) имеет минимальное значение по отношению к строительному (Яо—0,052 ккал/(м-ч-°С)) и аку­стическому (>.0=0,061 ккал/(м-ч-°С)) пеностеклу. — Теплопроводность пеностекла при низкой температуре сни­жается в связи с уменьшением скорости теплового движения частиц газов, замкнутых в ячейках (рис. 6.9).

Согласно уравнению состояния газа - pv~nRT, по мере сни­жения температуры в системе и с учетом того, что в случае замкнутой поры значения v, п= const при /? = const и не зави­сящем от вида газа и условий его существования, будет также снижаться давление. Если принять давление газов в ячейках

Влагозащитного пеностекла при 20 °С равным 500 мм рт. ст., то при —180 °С, согласно уравнению состояния газа, величина его снизится до 120 мм рт. ст. При такой величине вакуума основными видами теплопередачи становятся теплопровод­ность в твердой фазе и лучистый теплообмен, которые в связи с понижением температуры тачкже снижаются. В связи с этим проводимость тепла через стенки ячеек будет тем меньше, чем они тоньше и плотнее покрытие поверхности их частицами

Рис. 6.9. Зависимость коэффициента теп­лопроводности от температуры для вла­гозащитного пеностекла в диапазоне от —196 до +200 °С: у=150 кг/м3; средний размер ячеек — 0,85 мм; W пеностекла равно 0,8%

Остаточного углерода. Таким образом, теплопроводность пено­стекла, так же как и его прочность, находится в тесной взаимо­связи с условиями получения пеностекла.

Взаимосвязь между теплопроводностью и влагопоглоще - нием пеностекла. Рассмотренные выше зависимости X=f(t) справедливы для случая, когда влага в пеностекле отсутствует. Но поддержание изоляционного слоя в сухом состоянии обес­печивается при теплоизоляции горячих поверхностей, где сле­дует заботиться лишь о том, чтобы влага не имела доступа к материалу. При устройстве подземной изоляции или в усло­виях знакопеременных температур указанное условие трудно обеспечить в течение длительного времени. С повышением влажности окружающей среды влага активнее проникает внутрь и в зависимости от структуры пеностекла по-разному локализируется в пустотах, заполненных газами. Поскольку роль газов, заключенных в порах, велика, то в случае замеще­ния их водой Я пеностекла значительно повышается. При за­мерзании воды в порах значение Я увеличится еще больше, поскольку средняя теплопроводность льда в десятки раз выше теплопроводности воздуха (Я для воды при 20 °С равна 0,515 ккал/(м-ч-°С), для льда в интервале 0—120 °С 1,9— 3,2 ккал/(м-ч-°С)).

Для влагозащитного пеностекла, у которого открытая по­ристость незначительна, избыточная влага распределяется на поверхности, что при длительном пребывании способствует проникновению ее через систему капилляров и дефектов в раз­делительных стенках внутрь. Количество дефектов в пеностек­ле возрастает в результате деструктивного воздействия льда, при этом повышается его водопоглощение и теплопроводность.

Ошибочно считать, что теплопроводность можно аддитивно рассчитать заменой соответствующей доли газов в порах водой,
или льдом. И. С. Каммерер [306, 409], а затем О. Кришер и Г. Рональтер [410, 411] показали, что такой метод не может быть принят для расчета X других материалов, у которых ка­пиллярная пористость более развита. По их мнению, на тепло­проводность материала в большей степени влияет характер распределения влаги, чем общее его влагосодержание. В. Н. Богословский [412] изменение X в широких пределах для близких по объемной массе изоляционных материалов связы-

Рис. 6.10. Зависимость коэффи­циента теплопроводности вла­гозащитного пеностекла (у= = 160 кг/л3) от водонасыщения: / — при 25 °С; 2 — (—70 °С);

3~ (—180 °С)

Вает с конфигурацией фронта фазовых превращений влаги, ко­торый формируется в зависимости от характера пористости материала.

Согласно Ф. Шиллу [1], при малом водопоглощении пено­стекла повышение к пропорционально объемному водопогло - щению. Приведенные им из работы Ф. Рейдла [397] данные об изменении X в зависимости от объемного водопоглощения в некоторой степени подтверждают это предположение. Однако такая закономерность прослеживается лишь при небольших значениях влажности в области положительной температуры. При отрицательной — наблюдается нелинейная зависимость, что, по мнению В. Н. Богословского [412], связано с фазовыми превращениями влаги в порах. Автор объясняет это тем, что при фазовых превращениях влаги в материале расходуется теплота плавления и испарения или выделяется теплота льдо­образования и конденсации, количественное соотношение ко­торых влияет на изменение теплофизических характеристик материала.

В институте «Теплопроект» исследовали теплопроводность пеностекла с замкнутыми ячейками при различной степени водонасыщения (рис. 6.10). Полученные результаты сопостав­лялись с аналогичными данными для строительного пеностек­ла промышленного изготовления (рис. 6.11). В результате изу­чения зависимости X=f(W) в различных температурных усло­виях (+20, —20, —70 и —180 °С) установлено, что X при поло­жительной температуре повышается с увеличением влаги по закону насыщения

X = azbw + c, (6.11)

Где а, Ь,с~ эмпирические коэффициенты, различные для каж­дого вида пеностекла.

Изменения X пеностекла при отрицательной температуре более сложны. Коэффициент теплопроводности влагозащит­ного пеностекла возрастает с повышением его влажности, од­нако эта зависимость. имеет различный характер для изучен­ных температур. При положительной температуре X возрастает от 0,05 до 0,073 ккал/(м-ч-°С) с увеличением его влажности от 0 до 4,25%, при более значительном увлажнении X опытного пеностекла не исследовано, так каїк данная величина влажно-

Ности оказалась макси­мальной для самых нека­чественных образцов. Ес­ли принять зависимость X—f(W) линейной, ско-

Рис. 6.11. Зависимость коэффи­циента теплопроводности строи­тельного пеностекла от водона - сыщения (у = 250 кг/лі3): 1 — при 20 °С; 2— (—70 °С); 3— (—180 °С)

30

Рость роста коэффициента теплопроводности dX/dW составит 0,005 ккал/(м-ч-°С)% объема.

При —70 °С наблюдается линейный характер изменения X опытного пеностекла, он возрастает с увлажнением в интервале 0,04—0,045 ккал/ (м-ч-°С), при этом dX/dW= = 0,001 ккал/(м-ч-°С)% объема.

При —180°С X пеностекла возрастает с его увлажнением (0,03—0,041 ккал/(м - ч-°С)). Средний градиент роста тепло­проводности при повышении влажности составляет 0,003 ккал/(м - ч - С) % объема, т. е.

Dk dX ______ dX

DW+20 - > dW_m > dW_10

Промышленное пеностекло в изученном интервале темпе­ратуры имеет различный характер изменения X в зависимости от влажности (рис. 6.11). При +20 °С X. пеностекла возрастает от 0,065 ккал/(м-ч-°С) при нулевой влажности до 0,32 ккал/(м-ч-°С) при влажности 48%; зависимость 1= = f(W) можно считать линейной, и градиент роста теплопро­водности пеностекла при его увлажнении составляет 0,005 ккал/(м-ч-°С) на 1% влажности. При понижении темпе­ратуры до —70 °С X пеностекла в воздушно-сухом состоянии уменьшается до 0,051 ккал/(м-ч-°С), однако насыщение его влагой приводит к более интенсивному росту теплопроводности,

-

В ршрьтате при влажности ~34% Х+2о° — Х-т°. Зависимость имеет при —180°С вид вогнутой кривой, т. е. скорость роста X непрерывно увеличивается, и при влажности около 43% пеностекло имеет одинаковую теплопроводность при +20 к —180 °С — 0,28 ккал/(м-ч-°С).

Эту закономерность изменения X можно объяснить замер­занием воды в микропорах при —50 °С, а также образованием в них не льда, а инея, X которого меньше, чем для воды [50, 413,414].

По мнению А. В. Лыкова [404], вода, связанная с капил- лярнопористым телом, при отрицательных температурах может быть в виде льда, переохлажденной жидкости или пара. Ь зависимости от вида связи воды с телом температура замер­зания ее изменяется в широких пределах и по-разному влияет на изменение X. Второй специфической особенностью массо - и теплопереноса в капиллярнопористых телах является частич­ное заполнение влагой пор и капилляров жидкостью или льдом, а остальной части — парогазовой смесью. Концентрация этих видов влаги в процессе массо - и теплопереноса изменяется и вносит соответствующие поправки в X материала [403]. Одна­ко во всех случаях фронт фазовых превращений влаги форми - I руется в зависимости от структуры пеностекла. Поэтому, рас - j сматривая зависимость X=j(W), следует учитывать не только наличие влаги в материале и ее агрегатное состояние, но и ее распределение по объему [415—418].

Для влагозащитного пеностекла, у которого влага локали­зируется преимущественно на поверхности в открытых порах, изменение X при положительной температуре может быть вы­ражено линейной зависимостью При отрицательных температурах эта зависимость выражается параболической функцией общего вида

X = X0 + bt + d*+ •.. (6.12)

Кривизна линий, выражающих зависимость X—f(W), уве­личивается по мере снижения температуры и повышения со­держания влаги (рис. 6.10 и 6.11), что, очевидно, связано с возрастанием в ячейках вакуума, способствующего подтягива­нию через систему микрокапилляров дополнительных порций влаги внутрь. Последняя, оседая на внутренних стенках ячеек в виде инея или небольших кристалликов льда, повышает теп - ломассоперенос. Механизм подсоса влаги активизируется по мере снижения температуры в системе. Поэтому может на­ступить период, когда весь объем ячейки будет заполнен льдом или инеем. В этом случае рост X будет более значительным за счет образования мостиков холода.

Для строительного пеностекла с повышенным исходным водопоглощением процесс заполнения ячеек льдом или инеем

Ускоряется за счет капиллярного подтягивания влаги. Поэтому зависимость X = f{W) более сложная. При суммарной влаж­ности около 43% % при —180 °С достигает значения X при 20 °С, а затем круто поднимается вверх, приближаясь к тепло­проводности льда или инея. Это указывает на необходимость применения для низкотемпературной изоляции пеностекла с малым объемным водопоглощением.