Функциональные свойства теплоизоляционных материалов и изделий
Теплопроводность — важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Размерность теплопроводности — Вт/(м-К) или Вт/(м-°С).
В литературе можно встретить старую размерность теплопроводности— ккал/(м-ч-°С). Соотношение между старыми и международными единицами теплопроводности таково: 1 Вт/(м-°С) = = 0,86 ккал/(м-ч-°С) или 1 ккал/(м-ч-°С) = 1,163 Вт/(м-°С).
Из основного закона распространения теплоты путем теплопроводности, установленного Фурье, следует, что
25-. (4-і)
(F хЫ) 4 '
Где Q — количество теплоты; 6 — толщина материала; F — площадь сечения, перпендикулярная тепловому потоку, х — время прохождения теплового потока; Дt — разность температур на противоположных стенках материала.
Исходя из современных представлений о природе теплопередачи, Дебай преобразовал выражение теплопроводности:
Где с — удельная теплоемкость тела при постоянном объеме; ю — скорость распространения волн; / — средняя длина свободного пробега волны (по аналогии с кинетической теорией газов).
Это выражение Дебая справедливо с определенными поправками для твердых, жидких и газообразных тел и позволяет объяснить различную теплопроводность материалов в зависимости от их агрегатного состояния и строения
11.1 практике теплопроводность определяют экспериментально с помощью малоииерцноиного тепломера и рассчитывают по результатам измерений температурного градиента за определенный интервал времени в процессе нагрева образца.
В настоящее время сделаны небезуспешные попытки создания расчетных методов определения теплопроводности, учитывающих агрегатное состояние, структуру веществ и условия окружающей среды. Эти методы применяют главным образом для прогнозирования теплопроводности при создании новых материалов с заданными свойствами.
Теплопроводность, Вт/(м-°С), различных материалов колеблется в очень широких пределах, например: 0,024 — для воздуха в неподвижном состоянии при 0°С и 0,075 при 1000°С; 0,55 — для воды при 0°С и 0,7 при 100°С; 2,5 —для льда; 0,11...0,17 —для дерева; 0,45...0,8 — для керамического кирпича; 45...60 — для стали и чугуна; 418 — для серебра, т. е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз ниже, чем серебра.
При этом следует отметить, что даже небольшие изменения химического состава веществ и их физического состояния приводят к существенному различию значений теплопроводности и, следовательно, требуют их учета.
Теплопроводность материалов зависит от следующих факторов:
Физического состояния и строения, которые определяются фазовым состоянием вещества; степенью кристаллизации и размерами кристаллов; анизотропией кристаллов и направлением теплового потока; объемом пористости материала и характеристиками пористой структуры;
Химического состава и наличия примесей, которые осооенно влияют на теплопроводность кристаллических тел;
Условий эксплуатации материала, которые определяются температурой, давлением, влажностью, наличием радиационного облучения, интенсивностью съема теплоты с холодной поверхности материала.
Влияние каждого из указанных факторов не равнозначно.
Значительное влияние на теплопроводность оказывает физическое состояние тела. Чтобы объяснить это явление, кратко рассмотрим механизм теплопроводности в твердых телах, жидкостях и газах с позиции квантовой теории. В этой теории предполагается, что колебания нормального вида квантуются по аналогии с фотонами в теории света. Эти кванты называют фононами.
В твердых телах передача теплоты осуществляется путем взаимодействия между тепловыми упругими колебаниями решетки или вследствие движения электронов и столкновения их с атомами. В металлах имеют место оба вида передачи энергии, чем и ооъяс няется их большая теплопроводность.
В неметаллах число свободных электронов, которые могли бы свободно двигаться по кристаллической решетке, незначительно, поэтому в них теплота передается главным образом за счет колебаний решетки. Если бы эти колебания были полностью гармоничными, то сопротивления переносу теплоты не было и теплопроводность была бесконечно велика. Однако в реальных телах колебания имеют ангармоничный характер. Ангармоничность колебании
приводит к взаимодействию фононов между собой, эквивалентному рассеиванию фононов волнами, в результате чего теплопроводность значительно снижается.
Для описания процесса удобно использовать понятие длины свободного пробега волны в твердых телах и длины свободного пробега молекул в жидкостях и газах, в которых перенос теплоты осуществляется вследствие столкновения молекул с различной кинетической энергией.
Таким образом, величина /, входящая в уравнение Дебая (4.2), для тпетых тел равня длине свободного пробега фононов, а для
Жидкостей и газов — длине свободного 1,Вт/(м °с) пробега молекул. - Тогда, рассматривая не
Металлические тела кристаллического строения, можно объяснить влияние размера кристаллов, моно - и поликристалличе - скнх структур тел, наличия или отсутствия дефектов в решетке, направленности теплового потока по отношению к оптической оси кристалла, а в волокнистых материалах — к оси волокна на их теплопроводность.
Чем меньше длина свободного пробега фононов /, тем ниже должна быть теплопроводность тела, т. е. она должна сни-
__ жаться с уменьшением размера монокрис-
Т,°С таллов, с увеличением дефектов кристаллической решетки, в телах, сложенных из Рис. 4.1. Теплопровод- разнородных кристаллов (в поликристал - ность монокристалла и лических системах), при направленности поликристаллов сапфира теплового потока перпендикулярно оптической оси кристалла или оси волокна.
Исследования показали, что все положения справедливы. Например, установлено, что теплопроводность примерно пропорциональна размеру кристалла (снижается по мере уменьшения размеров кристаллов), при направлении теплового потока вдоль оптической оси кристалла или вдоль волокон теплопроводность существенно больше, чем при перпендикулярной направленности (у кристалла кварца в диапазоне температур от —200 до 100 °С почти в 2 раза; такое же положение имеет место в древесине и асбесте). На рис. 4.1 показана теплопроводность монокристалла 1 и поликристалла 2 сапфира.
На теплопроводность кристаллических тел значительное влияние оказывает температура; с ее понижением К увеличивается. Следовательно, при повышении температуры теплопроводность таких тел падает (рис. 4.2) и наоборот.
Особенно замешое повышение теплопрородиостп наблюдается при огрііЦ;гіелі.!іі. і температурах, полому теплоизоляционные свойства материалов в этом случае резко ухудшаются (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Теплопроводность кварца при различных температурах
Направление теплового потока |
—2Э0 |
О |
100 |
К Вт/(м-°С), при температуре, "С
—100
Перпендикулярно оси кри - 27 сталла
11,6 |
7,2 13,6 |
5.6 9 |
22 |
Параллельно оси кри - 53,5 сталла
В стеклообразных материалах среднее расстояние действия упругой волны мало и равно лишь нескольким межатомным расстояниям. Поэтому их теплопроводность почти на порядок ниже, чем кристаллических. С повышением температуры в стеклообразных материалах длина свободного пробега фононов изменяется незначительно. Это объясняется тем, что при усилении тепловых ко
Г, Вт/(м"С)
Г, Вт (м - 'с) > Рис. 4.2. Характер изменения теплопроводности монокристалла кварца в зависимости от абсолютной температуры |
Рис. 4.3. Характер изменения теплопроводности аморфного кварца в зависимости от абсолютной температуры |
Лебаний увеличивается рассеивание фононов вследствие нерегулярного расположения атомов. Поэтому теплопроводность таких материалов с повышением температуры возрастает (рис. 4.3).
Теплопроводность кристаллических тел можно понизить путем увеличения дефектов в их структуре или рекристаллизацией с уменьшением размера кристаллов и снижением их доли в материале. Например, радиоактивное облучение создает точечные дефекты в структуре кристаллов, а при интенсивном облучении вызывает переход от кристаллического к стеклообразному состоянию, что и является причиной уменьшения I и снижения теплопроводности.
Теплопроводность жидкости тем больше, чем выше ее удельная теплоемкость — один из параметров, входящих в уравнение Дебая. При повышении температуры расстояние между молекулами в жидкостях увеличивается, плотность их уменьшается, теплопроводность падает. Исключение составляют вода, тяжелая вода и глицерин. Чем ниже температура кипения жидкости (при нормальном давлении), зависящая от химического состава, тем быстрее умень
шается теплопроводность с ростом температуры. Для различных жидкостей изменение теплопроводности колеблется в пределах 0,1...0,25% на 1°С.
В газах с повышением температуры наблюдается повышение теплопроводности Это связано с тем, что вязкость газов р и удельная теплоемкость с0 увеличиваются с повышением температуры, а между этими параметрами газов и теплопроводностью существует зависимость;
K^T.^Hftu-CvrJc^.
Чем большее число атомов составляет молекулу газа, тем значительнее. увеличение теплопроводности.
В соответствии с кинетической теорией газов их теплопроводность не должна зависеть от давления, если средняя длина свободного пробега молекул между последовательными соударениями очень мала. Однако это условие не выполняется при очень низком давлении, когда абсолютное давление стремится к нулю, или при высоком давлении (>1 МПа). В первом случае толщина газового слоя становится меньше длины свободного пробега молекул, во втором — она уменьшается.
Эти особенности эффективно используют в засыпной вакуумной изоляции холодильных установок путем применения мелкозернистых засыпок, в которых формируются очень малые воздушные прослойки. Поэтому когда давление газа понижают, то толщина газового слоя в промежутках между мелкими зернами становится мизерной и средняя длина пробега молекул может превышать расстояние между частицами. В таких условиях теплопроводность системы (зерна—воздух) ниже теплопроводности воздуха, заполняющего межзерновые поры, при обычном давлении. Происходит скачок температуры, который затрудняет передачу теплоты, как если бы толщина газового слоя возросла на величину того же порядка что и удвоенная средняя длина свободного пробега молекул. При этом с понижением давления уменьшается передача теплоты путем теплопроводности.
Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и строению, более теплопроводны, чем сложные. Например, MgO имеет большую теплопроводность, чем Si02 и А120з, еще меньшей теплопроводностью обладают Ca0-Si02; 2Ca0-Si02 и муллит 3Al203-2Si02.
Примеси, как правило, уменьшают теплопроводность веществ, даже если сами они более теплопроводны, чем основное вещество. В данном случае играет роль усложнение структуры веществ.
Это явление характерно для материалов с кристаллическим строением и слабее выражено у стекловидных веществ.
Теплопроводность газов зависит от их молекулярной массы и числа атомов в молекуле. С повышением молекулярной массы теплопроводность падает, поскольку между ними при прочих равных
Условиях существует следующая зависимость:
Х=1 /Ж1'2.
С увеличением числа атомов в молекуле газа, т. е. с усложнением строения молекул, возрастает теплопроводность, в среднем этот прирост составляет 2% на каждый атом.
Таким образом, можно сделать вывод, что теплопроводность тел, находящихся в различных агрегатных состояниях, при прочих равных условиях увеличивается с повышением плотности, уменьшается с увеличением молекулярной массы, возрастает с повышением температуры кипения или плавления, с увеличением числа атомов становится меньше у кристаллических тел и больше у жидкостей и газов.
Поризация твердых материалов существенно снижает их теплопроводность. Известно, что наименьшей теплопроводностью обладают газы (воздух), находящиеся в спокойном, т. е. в неподвижном, состоянии, когда отсутствует конвективный перенос теплоты. В теплоизоляционном материале с мелкопористой структурой эти условия считаются обеспеченными, поэтому их теплопроводность тем ниже, чем больше доля пор в общем объеме материала (рис. 4.4).
На теплопроводность большое влияние оказывает вид пористой структуры материала. Наличие в материале сплошного каркаса из твердого вещества облегчает прохождение теплового потока, отсутствие такового оказывает большее сопротивление передаче теплоты.
Участками с наибольшим термическим сопротивлением при нормальной температуре являются поры, вследствие чего теплопередача наиболее интенсивно осуществляется по твердому каркасу теплоизоляционного материала при его наличии (в материале с ячеистой структурой). При отсутствии сплошного каркаса (в теплоизоляционных засыпках и волокнистых материалах) тепловой поток, проходя от одной твердой фазы к другой, сжимается вблизи места контакта этих частиц. При этом происходит интенсивное взаимодействие фононов друг с другом, что вызывает дополнительное термическое сопротивление. Из этого следует, что материалы с ячеистой структурой при одном и том же составе твердой фазы должны характеризоваться большей теплопроводностью, чем с волокнистой или зернистой структурами. Очевидно также, что уменьшение диаметра волокон и размера зерен увеличивает сопротивление материала теплопередаче, снижает его теплопроводность, так как в этом случае число контактов между элементами структуры возрастает, а размеры пор уменьшаются. Эти положения четко подтверждаются экспериментальными данными (рис. 4.4 и 4.5) и широко используются на практике.
Размер и форма воздушных включений оказывают большое влияние на теплопроводность материала. В реальных материалах форма пор в большинстве случаев отличается от сферической. По-
Этому она оказывает влияние, особенно при крупнопористой структуре, на теплопроводность материала в зависимости от направления потока по отношению к расположению пор (воздушных прослоек) .
В этом случае наименьшая теплопроводность материала имеет место при расположении воздушных прослоек (пор) перпендикулярно потоку теплоты. При этом стремятся уменьшить толщину и увеличить количество воздушных прослоек. При направленности теплового потока вдоль наибольшей оси воздушных включений термическое сопротивление мате-
Рис. 4.4. Влияние пористости материала Рис. 4.5. Влияние размера зер-
Н ее вида на теплопроводность: на стеклопора на теплопровод-
1 — мняералоеатные изделия; 2— мннераль - НОСТЬ ЗЗСЫПКИ ные материалы с ячеистой структурой
Риала снижается, так как в этом случае лишь уменьшается полезное сечение теплопередачи.
Если же поры малы, то направление теплового потока незначительно отражается на изменении теплопроводности материала. Поэтому всегда стремятся создавать теплоизоляционные материалы, характеризующиеся равномерно распределенной мелкопористой структурой.
Ниже приведена зависимость между размером воздушных пор и теплопроводностью воздуха в них при /—10 °С.
Величина пор,
Мм............................. 0,1 I 2 4 5 8 10
К Вт/(м-°С) . . 0,026 0,029 0,038 0,041 0,044 0,053 0,063
Повышение теплопроводности воздуха по мере увеличения размера пор объясняется ростом вклада конвективного переноса теплі
лоты. Особенно этот вид теплопередачи в воздушных порах возрастает при повышенных температурах. Так, с повышением температуры от 0 до 500°С передача теплоты через поры диаметром 1 и о мм возрастает соответственно в 5,3 и 11,7 раза.
Характер пористой структуры (степень замкнутости пор) влияет на теплопроводность теплоизоляционных материалов неоднозначно. Это влияние проявляется по-разному, в зависимости от температуры среды. Кинетическая вязкость воздуха при снижении температуры с 350 до —100 °С уменьшается в 10 раз. Воздух становится более текучим, за счет чего облегчается его конвекция внутри пористого теплоизоляционного материала. Поэтому для устройства тепловой изоляции, эксплуатируемой при отрицательной температуре, предпочтительны материалы с мелкой замкнутой пористостью.
При невысоких положительных температурах воздух в теплоизоляционном слое расширяется и в случае открытой пористости частично вытесняется из материала. Поэтому для ограждающих конструкций, работающих при невысоких положительных температурах, целесообразно применять теплоизоляционные материалы с равномерно распределенной открытой пористостью. Но и в этом случае необходимо стремиться к уменьшению размеров пор.
При высоких температурах участвуют все три вида переноса теплоты. В данном случае конвекция существенно уменьшается в материалах с замкнутыми порами. Однако в таких материалах увеличивается передача теплоты излучением. Поэтому вопрос об оптимальной пористой структуре теплоизоляционного материала надо решать в зависимости от температурных условий службы с учетом превалирующего влияния того или иного вида теплопередачи, т. е. по результатам экспериментальных определений. Однако максимально возможное уменьшение размеров пор вне зависимости от их вида и в этом случае дает положительные результаты.
Теплоемкость — свойство материала поглощать теплоту при повышении температуры. Количественной характеристикой этого свойства материалов яляется удельная теплоемкость с, показывающая, какое количество теплоты надо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1 °С. Размерность удельной теплоемкости Дж/(кг-К) или Дж/(кг-°С).
Удельная теплоемкость материалов зависит от их природы и в значительно меньшей степени от объема пористости, что объясняется близкими абсолютными значениями с воздуха и большинства строительных материалов. Например, с воздуха и плотного бетона равна соответственно 1,04 и 0,92 кДж/(кг-сС). Удельная теплоемкость органических материалов значительно выше, чем минеральных. Так, у древесно-волокнистых плит она в 3,2 раза, у пенопластов в 1,8 раза выше, чем у минераловатных изделий.
Удельная теплоемкость жидкостей значительно выше, чем твердых и газообразных веществ. Для воды она составляет почти 4 кДж/(кг-°С). Поэтому увлажнение материалов приводит к значительному повышению их теплоемкости.
В технологии строительных материалов вообще и теплоизоляционных материалов, в частности, в большинстве случаев применяют увлажненные формовочные массы и тепловую обработку отформованных изделии. В данном случае снижение водосодержа - ння формовочных масс является эффективным фактором уменьшения энергозатрат на тепловую обработку. Это обстоятельство стремятся широко использовать на практике.
Па эксплуатационные свойства теплоизоляционных материален, особенно при стационарных тепловых режимах, удельная теплоемкость существенно не влияет. Но теплоемкость ограждении, зависящая не только от величины с материала, из которого она выполнена, сколько от массы этого материала в конструкции, играет существенную роль. Примером этому может служить конструкция стен периодически действующи («Ожиговых печен кирпичного произволе гва.
В случае их исполнения из кирпичной кладки в соответствии с теплотехническим расчетом толщина стены принимается равной —1,5 м. Следовательно, на 1 м3 стены расходуется 1,5 м3 кирпича, т. е. масса 1 м2 стены составляет —2,7 т. Применяя керамвол со средней плотностью 600 кг/м3, характеризующийся высокой теплоизолирующей способностью, уменьшают толщину стен печи до 0,3 м. При этом масса 1 м2 стены уменьшается до 180 кг, т. е. в 15 раз. Учитывая незначительную разницу в значениях удельной теплоемкости для обоих материалов, можно считать, что теплоемкость стены из керамвола в 15 раз ниже теплоемкости стены из кирпича.
При периодическом режиме работы печи это обстоятельство существенно сказывается на расходе теплоты, потребной для нагревания ограждений печи до заданной температуры.
Предельная температура применения — это свойство теплоизоляционных материалов характеризуется величиной tn, предельно допустимой для применения данного материала в условиях длительной эксплуатации. Эта температура несколько ниже температуростойкости материала, так как при ее назначении учитывают влияние деструктивных процессов, происходящих в материалах при длительном воздействии высоких температур. Так, в стеклообразных материалах (минеральной, стеклянной вате, ячеистом стекле и др.) в условиях длительного воздействия повышенных температур возможны образование и рост кристаллов, что приводит к резкому возрастанию внутренних напряжений в стекле вплоть до его разрушения. Направленно изменяя вещественный состав стекол, можно значительно повышать /п.
В полимерных или полимерсодержащих материалах происходит температурная деструкция высокомолекулярных соединений (обрыв ценен, образованно поперечных связей), в результате чего прочность и эластичность полимерного связующего резко ухудшаются В материалах на гидравлических вяжущих, а также в асбес - тосодержащих материалах при длительном воздействии повышенных температур происходит дегидратация минерального вяжущего н асбеста, что приводит к сбросу прочности и повышению хрупкости изделий.
Для материалов из органического сырья (камышит, торфяные плиты, ДВГІ и т. п.) tn назначают с учетом возможности возгораемости материалов в процессе эксплуатации. Ее можно повысить введением в состав материалов антипиренов.
Значення °С, для некоторых теплоизоляционных материалов: минеральная вата—-ООО, стеклянная вата — 450, огнеупорная мул - литокремнеземистая вата — 1150, пеностекло — 400, ячеистый бетон— 400...700, минераловатные изделия—60...180, торфопли - ты — 100, газонаполненные пластмассы — 60...180.
Пористость — одна из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов, позволяющая оценивать долю (процентное содержание) газовой (воздушной) фазы в объеме материала. Принято подразделять пористость на истиную (общую), открытую и закрытую.
Истиная пористость характеризует отношение общего объема всех пор к объему материала (в долях или процентах):
ПИ=П3 + ПК или
Где р и рср — соответственно плотность и средняя плотность материала, кг/'м3, г/см3.
Открытая пористость Пк — отношение общего объема сообщающихся пор к объему материала (определяется экспериментально путем водонасыщения).
Закрытая пористость П3, %, характеризует объем закрытых пор в объеме материала и рассчитывается исходя из формулы (4.6), т. е.
П3 = ПН-ПК.
Для зернистых материалов (засыпной теплоизоляции) введено понятие пустотности Уп. м, %. которая характеризует объем межзерновой пористости:
Vn.„ = (l-P„/Pcp)100,
Где рн и рср — соответственно насыпная и средняя плотность зерен материала.
В табл. 4.2 приведены значения пористости для теплоизоляционных материалов различной пористой структуры.
Объем истинной пористости определяется содержанием в материале каркасообразующих элементов (волокон, зерен, мембран, образующих межпоровые перегородки в ячеистых. структурах), прочностью этих элементов и образованного ими-каркаса."Чем вы-
Таблица 4.2. Значения пористости теплоизоляционных материалов
|
Ше прочность структообразующего материала и чем прочнее связи между элементами каркаса, тем больше может быть истипая пористость теплоизоляционного материала.
Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения истинной пористости не являются величинами постоянными, так как даже при небольшой нагрузке П„ снижается за счет уплот - няемости. После снятия нагрузки у волокнистых материалов возможно частичное восстановление Пи за счет упругого последействия волокон.
В технологии теплоизоляционных материалов применяют ряд приемов для повышения Пи. Для материалов с волокнистой структурой это достигается путем уменьшения диаметра волокон до предела, обеспечивающего малую сминаемость минеральной ваты, снижением содержания связующего в материале за счет повышения его адгезионных и когезионных свойств, а также путем направленного ориентирования волокон по отношению к нагрузке при эксплуатации материала. Для материалов с зернистой структурой— применением зерен монодисперсного гранулометрического состава, повышением их прочности, увеличением внутризерновой пористости, снижением расхода связующего путем уменьшения его вязкости, поризацней связующего. Цля материалов с ячеистой структурой — повышением прочность межпоровых перегородок и уменьшением их толщины.
Повышение общей пористости может быть также достигнуто конструкционными приемами, путем снижения эксплуатационной нагрузки на теплоизоляционный слой и конструкции.
Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являясь — причиной проникновения влаги и газов в глубь изделий. Это способствует резкому повышению теплоемкости и теплопроводности теплоизоляции, интенсификации химической и физической коррозии твердой фазы.
Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость строительной теплоизоляции. При производстве теплоизоляционных материалов с ячеистой структурой П3 стремятся увеличить. Это достигается оптимизацией процесса порообразования путем направленного регулирования его кинетики и реологических характеристик формовочных смесей.
Однако при устройстве высокотемпературной теплоизоляции предпочтение отдается материалам с волокнистой структурой, они намного лучше выдерживают резкие колебания температуры, так как элементы, слагающие их структуру, способны деформироваться без разрушения каркаса и релаксировать за счет этого температурные напряжения.
Размер и форма пор оказывают существенное влияние не только на теплопроводность теплоизоляционных материалов, но и на их прочностные характеристики. Снижение размера пор в материалах с любой структурой до определенного предела в зависимости от прочности и степени связности каркасообразующего материала является одним из эффективных приемов повышения прочности вы - сокопорнстых изделии.
Форма пор также оказывает влияние на прочность теплоизоляционного материала. Наилучшие показатели по прочности имеют ячеистые и зернистые материалы со сферическими порами и зернами. Форма пор является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов. Материал с продолговатыми или эллиптическими порами неравнопрочен. Его прочность ниже при приложении нагрузки параллельно короткой оси. Для теплопроводности же наблюдается обратная зависимость.