Глава 13 Теплоизоляционные материалы и изделия

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

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/м³, 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.

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). При других средних температурах измерения теплопроводность ма­териала возрастает согласно следующей зависимости: λ _t =λ₀/(1+β t), где λ _t — теплопроводность при температуре t°C; λ ₀ — теплопровод­ность при температуре 0°С; β — температурный коэффициент, вы­ражающий приращение теплопроводности материала при повыше­нии его температуры на 1°С и равный 0,0025 (до 100°С — по данным О.Е. Власова).

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

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). При величине пор 0,1—2,0 мм воздух имеет в них теплопроводность, равную 0,023—0,030 Вт/(м∙К). 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 — до 70% и т. п. 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 ОЛ (и наиболее пористые), имеющие марку по средней плотности (в кг/м³) 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 конструкционно-теплоизоляционные. В целом же следует отметить, что ориентация на низкую теплопроводность воз­духа в порах хотя и обоснована, но не исключает поиска менее теп­лопроводных среднеинертных газов, вакуума и других условий ра­боты материалов.

Теплопроводность резко возрастает при увлажнении теплоизо­ляционных материалов, так как теплопроводность воды равна 0,58 Вт/(м∙К), т. е. примерно в 25 раз выше, чем у воздуха. При за­мерзании увлажненного теплоизоляционного материала происхо­дит дальнейшее увеличение его теплопроводности, поскольку тепло­проводность льда составляет 2,32 Вт/(м∙К), т. е. в 100 раз больше, чем воздуха в тонких порах. Очевидно, что весьма важно предохра­нять теплозащитный слой в конструкциях и на оборудовании от увлажнения, тем более при возможном последующем замерзании влаги. Важным свойством утеплителя является морозостойкость при защите наружных ограждающих конструкций. Кроме различия теплоизоляционных материалов по теплопроводности и средней плотности они подразделяются также:

по виду исходного сырья — на неорганические и органические. К неорганическим относятся минеральная и стеклянная вата (и из­делия из них), вспученный перлит и вермикулит (изделия из них), ячеистые бетоны, керамические теплоизоляционные изделия и др.; к органическим — древесноволокнистые и древесностружечные плиты, камышит, теплоизоляционные пластмассы и др.;

по форме материалов различают штучные (плиты, блоки, кир­пич, цилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, картон, матра­цы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы (минераловат-ная смесь, вспученный перлит и др.);

по способности к сжимаемости под нагрузкой (относительной деформации сжатия) теплоизоляционные материалы делят на три вида: мягкие (М), имеющие сжимаемость свыше 30% под удельной нагрузкой 2∙10³ Па, полужесткие (ПЖ) — соответственно — 6—30%, жесткие (Ж) — до 6%, повышенной жесткости — до 10% под удельной нагрузкой 4∙10³ Па и твердые — до 10% под удельной нагрузкой 10 кПа.

Теплоизоляционные материалы, применяемые в холодильных камерах, холодильниках, рефрижераторах, а также во влажных условиях, должны иметь повышенные био- и водостойкость. К этим важным материалам предъявляются и некоторые другие техниче­ские требования — стабильность физико-механических и теплотех­нических свойств, предельно допустимое количество выделяемых токсических веществ, требования в отношении возгораемости, эко­номичности. Теплоизоляция должна выдерживать действие высокой температуры и открытого пламени в течение определенного време­ни. Важно определить предельную температуру применения матери­ала, а также строго придерживаться ее при назначении теплоизоля­ционных изделий: керамических — до 1200—1300°С, трепельного кирпича — до 900°С, из ячеистого бетона и пеностекла — до 400°С, органических — 75—100°С.

Структура теплоизоляционных материалов характеризуется на­личием твердой и газообразной фаз; нередко присутствует и жидкая фаза, например вода в свободном состоянии. Эти газообразная и конденсированные фазы участвуют в передаче теплоты; кроме того теплота передается через границы пор с твердым веществом.

Теплопередача пор складывается из теплопроводности газа в по­рах, конвективной передачи теплоты и теплоизлучения газа. Как от­мечалось выше, теплопроводность воздуха при атмосферном давле­нии составляет при температуре 25°С около 0,025, при температуре 100°С — 0,031 и при температуре 1000°С — 0,079 Вт/(м∙К). Такие же примерно значения теплопроводности имеют азот, кислород, а во­дород 0,20 Вт/(м∙К). Эти значения теплопроводности учитывают при работе теплоизоляционного материала в соответствующей газовой среде.

Второе слагаемое общей теплопередачи пор — конвекция, в по­рах размером меньше 5 мм она практически отсутствует и поэтому не учитывается. Но при большей величине пор или их непрерывно­сти конвекция становится больше.

Третье аддитивное слагаемое теплопередачи — теплоизлуче­ние зависит от черноты стенок пор, формы и размера пор, темпе­ратуры. Величина излучения имеет большое значение при передаче теплоты в порах, особенно при высоких температурах, так как она пропорциональна кубу температуры. В результате может оказаться, что теплопередача при высокой температуре высокопористых изде­лий будет выше, чем менее пористых.

Твердая фаза имеет большую теплопроводность и поэтому, ког­да она является в структуре непрерывной, теплопроводность мате­риала оказывается в 2 — 2,5 раза выше, чем при непрерывности пор. В волокнистых теплоизоляционных материалах непрерывными в структуре являются как твердые фазы, так и поры, поэтому их теп­лопроводность весьма значительно зависит от лучистой составляю­щей теплопроводности.

С учетом физических факторов, влияющих на общую или эффек­тивную теплопроводность в гетерогенных пористых телах, на прак­тике и в теории были предложены основные способы получения теп­лоизоляционных материалов: пористо-волокнистых (минеральной и стеклянной ваты, древесноволокнистых материалов с применением асбеста и др.), пористо-зернистых (перлитовых, вермикулитовых, известково-кремнеземистых и др.); ячеистых (газобетонов, пенобетонов, пеностекла, пенопластов и др.). Различие между ними не то­лько в составе и структуре конечного продукта, но и в технологиче­ском способе поризации.