Теплопроводность материалов. Понятие о строительной теплоизоляции. Теплоизоляционные материалы

Лекция по теплоизоляционным и акустическим материалам (теория)

Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент в известном из физики уравнении Фурье:

,

где - тепловой поток, т.е. количество тепла (Q), проходящее в единицу времени ( ) через единицу площади (S); - градиент температуры, или изменение температуры на единицу длины по направлению распространения тепла. Градиент температуры - отрицательная величина, так как с увеличением Х температура уменьшается (направление оси Х совпадает с направлением распространения тепла от места с более высокой температурой к месту с более низкой). Для практических задач материаловедения разность абсолютных температур может быть заменена разностью температур по шкале Цельсия, а для того, чтобы избавиться от знака минус в формуле Фурье, из большей температуры вычитается меньшая, т.е. D . Кроме того, разности Х придается смысл толщины материала (b).

Тогда и

, (1)

т.е. теплопроводность численно равна количеству тепла, проходящему через материал единичной толщины в единицу времени через единицу площади при разности температур между наружной и внутренней поверхностями материала в один градус. Нетрудно убедиться, что размерность теплопроводности в системе СИ - Вт/м×°С. В старых учебниках и справочниках теплопроводность приводится в ккал/м×ч×°С. Поэтому полезно запомнить соотношение единиц: 1 ккал/м×ч×°С = 1,16 Вт/м×°С.

Понятие теплопроводности для материала имеет несколько иной физический смысл, чем для чистого вещества.

В табл.1 приведены величины теплопроводности некоторых чистых веществ и материалов. Для чистого вещества приводится всегда одно "фиксированное" значение теплопроводности как некоторой физической константы, характеризующей данное вещество. При этом теплопроводность жидкостей на 1... 2 порядка меньше теплопроводности твердых веществ. Теплопроводность газов еще на порядок ниже. Эти различия связаны с особенностями теплового движения и взаимодействия молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Теплопроводность чистого вещества характеризует передачу тепловой энергии "от молекулы к молекуле" при тепловом движении.

Для материалов теплопроводность указывается в некоторых пределах. Причина такого "разброса" не только в том, что материалы одного названия могут иметь различный химический состав. Hаибольшее влияние на теплопроводность оказывает структура материала, в особенности, его пористость. В порах материала находится воздух, теплопроводность которого в десятки и сотни раз ниже теплопроводности непористых твердых веществ. В то же время, теплопроводность пористого материала не может быть вычислена как "средневзвешенная" величина с учетом относительного содержания твердой фазы и воздуха. В материалах, изделиях, конструкциях под коэффициентом теплопроводности подразумевается некоторая эффективная величина (l_Э), характеризующая не только передачу тепловой энергии от молекулы к молекуле, но и другие способы теплопередачи - конвекцию и излучение.

Величину l_Э можно выразить условно следующей формулой:

, (2)

где l_Т - коэффициент молекулярной теплопроводности;

l_К - коэффициент теплопередачи конвекцией;

l_И - коэффициент теплопередачи излучением.

Эффективный коэффициент теплопроводности материала (в дальнейшем будем называть его по-прежнему теплопроводностью и обозначать l ) зависит не только от общей пористости, но и от структуры порового пространства - размеров пор и их взаимосвязи между собой и внешней средой.

Чем мельче поры и чем они более замкнуты (отделены друг от друга прослойками твердого материала), тем меньше вклад конвекции и излучения в общий процесс теплопередачи через пористый материал (через воздух внутри пор и через стенки между ними). При одной и той же пористости меньшей теплопроводностью обладают материалы с мелкими замкнутыми порами. Hапример, теплоизоляционные пластмассы с закрытыми порами - пенопласты - более эффективны в отношении теплоизоляции, чем поропласты - материалы со сквозной пористостью. Поризованный кирпич (мелкие поры) обладает лучшими теплоизоляционными свойствами по сравнению с пустотелым кирпичом, имеющим цилиндрические или щелевые пустоты (крупные поры-дырки).

Таблица 1. ТЕПЛОПРОВОДHОСТЬ HЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Hазвание вещества или материала	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.°С)
Вещества
Алюминий
Железо
Лед	2,3
Вода (жидкая)	0,58
Спирт этиловый	0,17
Воздух	0,023
Хлор (газообразный)	0,007
Материалы
Бетон тяжелый	0,8…1,3
Бетон легкий	0,2…0,4
Кирпич	0,55…0,84
Стекло	0,59…0,84
Древесина	0,59…0,75
Пластмассы непоризованные	0,13…0,42
Пластмассы поризованные	0,15…0,6

Очевидно, что материалы с меньшей теплопроводностью (в общем случае более пористые) имеют и меньшую среднюю плотность. Поэтому теплопроводность строительных материалов часто оценивают по их плотности. Связь теплопроводность - плотность для материалов различной природы выражается эмпирическими формулами. Hапример, для каменных материалов, зная относительную плотность, можно приближенно оценить теплопроводность по формуле В.П.Hекрасова:

, (3)

где D - относительная плотность материала. Величина l здесь получается в Вт/м.°С.

Есть и другие эмпирические формулы, связывающие теплопроводность с плотностью (или графики, по ним построенные), и не только для каменных, но и для органических материалов.

Теплоизоляционные свойства пористого материала значительно ухудшаются при его увлажнении, в связи с заполнением пор материала водой, имеющей примерно в 20 раз большую теплопроводность, чем воздух (см.табл.1). Теплопроводность линейно возрастает с повышением влажности материала:

, (4)

где l_OW и l_W - теплопроводность материала при влажности 0 и W% соответственно; - увеличение теплопроводности при возрастании влажности на 1%.

В том случае, когда материал эксплуатируется при повышенной температуре (например, теплоизоляция горячих трубопроводов), имеет значение влияние температуры на теплопроводность. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры может быть выражена формулой:

. (5)

где l_o и l_t - теплопроводность материала при температуре 0°С и t°С соответственно; g - температурный коэффициент, показывающий изменение теплопроводности при изменении температуры на 1 градус.

Для большинства материалов g > 0, т.е. с увеличением температуры теплопроводность возрастает. У немногих материалов, например, у магнезитовых огнеупоров, g < 0, т.е. теплоизоляционные свойства горячего материала лучше, чем холодного.

В строительной практике необходимо устраивать теплоизоляцию ограждающих конструкций с целью обеспечения теплового комфорта в отапливаемом помещении, а также теплоизоляцию горячих поверхностей (технологических печей, трубопроводов и пр.) для уменьшения теплопотерь в производстве и при транспортировке теплоносителей. Кроме того, строители теплоизолируют также промышленные и торговые холодильные камеры (встроенные в здание). Для теплоизоляции применяют специальные материалы с малой теплопроводностью - теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционными называют материалы, имеющие теплопроводность менее 0,175 Вт/м.°С. Их плотность обычно не превышает 600 кг/м³. Цель применения теплоизоляционных материалов - уменьшение скорости теплопередачи из объекта (или части объекта), где температура выше, туда, где холоднее.

Поскольку теплоизоляционные материалы при большой пористости имеют обычно небольшую прочность, их применяют в сочетании с прочными конструкционными и конструкционно-отделочными материалами в виде многослойных конструкций, где одним из слоев и является теплоизоляционный материал. Hапример, железобетонные панели наружных стен могут иметь внутри полости, заполняемые теплоизоляционным материалом. Иногда теплоизоляционный материал сочетается с гидроизоляционным. Hапример, для предотвращения увлажнения теплоизоляцию трубопроводов закрывают слоем гидроизоляции, т.е. практически водонепроницаемым материалом.

Для характеристики теплоизоляционных свойств многослойной конструкции введено понятие термического сопротивления составляющих ее материалов и конструкции в целом. Термическое сопротивление материала (R_T) предствляет собой частное от деления толщины материала (b) на его теплопроводность (l):

. (6)

Величина термического сопротивления, в отличие от теплопроводности, обладает свойством аддитивности. Если конструкция состоит из n слоев, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока, то общее термическое сопротивление конструкции (R_TO) складывается из термических сопротивлений слоев (R_Ti):

. (7)

В расчетах по строительной теплотехнике учитывают также термическое сопротивление слоев воздуха, прилегающих к "крайним" материалам конструкции.

Малая плотность (легкость) теплоизоляционных материалов имеет едва ли не большее значение для строительства, чем их малая теплопроводность. Легкие теплоизоляционные материалы позволяют уменьшить теплопотери без существенного увеличения массы конструкции. Тем самым сокращаются затраты на транспортировку материалов и на возведение зданий. Если бы не было теплоизоляционных материалов, то каменные (например, бетонные) стены домов в средней полосе и на севере пришлось бы делать очень толстыми, и, следовательно, возводить их с большими затратами материала, энергии, труда. Стремление к облегчению конструкций - одна из основных тенденций современного строительства.