Полимерные теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционные материалы, получаемые на основе органических полимеров, характеризуются значительной легкостью, малой теплопроводностью и достаточной механической прочностью. Особый интерес представляют «заливочные» пено- и поропласты на основе фенолоформальдегидных, пенополистирольных, пенополивинилхлоридных и полиуретановых полимеров. Образование теплоизолирующей прослойки пено- или поропласта непосредственно при изготовлении стеновых панелей значительно упрощает и удешевляет производство работ.

Пенополистирол имеет пористую структуру с замкнутыми ячейками, заполненными воздухом или газом (азот и др.). Сырьем для изготовления пенополистирола служат суспензионный полистирол и порофор как вспенивающий компонент.

Эту разновидность пенопласта выпускают в виде плит, изготовляемых беспрессовым способом, марок ПС-C (с антипиреном) и ПСБ (без него) или фасонных изделий марок ПС-1, ПС-4 и ПС-6. Пенополистирол характеризуется следующими показателями физико-механических свойств: средняя плотность плит находится в пределах 20—40 кг/м³, теплопроводность 0,035—0,4 Вт/(м·К), предел прочности при изгибе до 0,18 МПа, водопоглощение по объему — не более 2—5% за 24 ч. Пенополистирол не подвержен гниению, легко гвоздится и склеивается со многими строительными материалами. Он используется в конструкциях совмещенных кровель, в строительстве холодильников, при устройстве внутренних перегородок, междуэтажных перекрытий, вентиляционных каналов, утепления стен.

К весьма эффективному материалу относится экструзионный пенополистирол «Экспол», вспучивающийся через расплав в экструдере. Он характеризуется максимальной устойчивостью теплотехнических и физико-механических свойств во времени. Его структура отличается микропористостью при нулевой капиллярности, что обеспечивает низкое водопоглощение при гарантированной высокой прочности. Такое сочетание позитивных показателей свойств пенополистирола благоприятствует его высокой долговечности. Он применяется как утеплитель оснований автомобильных дорог и железнодорожного полотна, подземных частей зданий и сооружений, в конструкциях кровли, в зонах вечной мерзлоты и т. п.

Пенополивинилхлорид — жесткий, эластичный или полуэластичный пенопласт. Плиточный жесткий пенопласт ПХВ-1 — легкая газонаполненная пластмасса равномерного, замкнутопористого строения. Длина и ширина плит бывает 500 мм при толщине не менее 45 мм. Эти плиты устойчивы к действию кислот, щелочей, воды и могут быть использованы в интервале температур от -60 до +60°С. Средняя плотность ПХВ-1 70—130 кг/м³, предел прочности при сжатии (перпендикулярно плоскости плиты) 0,4—7 МПа, водопоглощение за 24 ч не более 0,3%, теплопроводность — 0,04 Вт/(м·К).

Пенополивинилхлорид широко применяют для термоизоляции холодильников, рефрижераторов, а также для звукоизоляционных целей наравне с пенополистиролом.

Пенополиуретаны — газонаполненные пенопласта, получающиеся на основе полиэфиров и диизоцианатов. Выпускают их в виде плит размером 500x500x50 мм. Такие пенопласты могут быть применены в интервале температур от -60 до +170°С. Пенополиуретаны имеют среднюю плотность 100—200 кг/м³, теплопроводность — 0,06 Вт/(м·К); предел прочности при сжатии от 0,55 до 2,2 МПа.

Жесткие пенополиуретаны можно обрабатывать на токарных станках, пилить, сверлить, гвоздить. Пенополиуретан применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала, в виде скорлуп и сегментов; широко используют для изоляции трубопроводов горячего и холодного водоснабжения.

Плиты теплоизоляционные из пенопласта на основе резальных фенолоформальдегидных смол применяют в ограждающих конструкциях при температуре изолируемых поверхностей не более 130°С. Это трудносгораемые изделия, марки по средней плотности 50, 75, 100. Размеры плит: длина — от 600 до 3000, ширина — 500—1200, толщина — 50—150 мм. Предел прочности при изгибе — не менее 0,08—0,26 МПа (в зависимости от марки), теплопроводность — не более 0,038—0,043 Вт/(м·К), влажность при отгрузке плит всех марок — не более 20% по массе.

Изделия теплоизоляционные из пенопласта марок ФРП-1 и резопен применяют в виде цилиндров, полуцилиндров, сегментов и отводов. Они имеют среднюю плотность в сухом состоянии 65—110 кг/м³. Внутренний диаметр цилиндров 47—221 мм, номинальная толщина 30, 40, 50, 60 мм и длина 1000 и 1500 мм. Их применяют для теплоизоляции трубопроводов диаметром 45—219 мм. Полуцилиндры применяют для изоляции трубопроводов диаметром 45—273 мм, сегменты — диаметром 325—1020 мм.

Сотопласты — тепло- и звукоизоляционные материалы, получаемые путем горячего формования гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, предварительно пропитанных феноло-формальдегидным резольным полимером.

Физико-механические свойства сотопластов зависят в основном от формы и размеров сот и от природы материала, образующего стенки полостей. Благодаря невысокой стоимости и малой теплопроводности наиболее широкое применение в строительстве получили сотопласты с наполнителем из хлопчатобумажных тканей и бумаги. Для улучшения теплотехнических показателей материала ячейки-соты заполняют измельченным пенопластом или стекловатой. Сотопласты применяют чаще всего как промежуточный слой при изготовлении трехслойных высокопрочных панелей.

Мипора — легкий, тепло- и звукоизоляционный материал в виде затвердевшей пены белого цвета. Сырьем для мипоры служат мочевиноформальдегидные полимеры, 10%-ный раствор сульфонафтеновых кислот и некоторые добавки.

Мипору выпускают блоками объемом от 0,005 до 0,100 м³ (при толщине 10 и 20 см) или в виде плиток и крошки.

Основные физико-механические свойства мипоры: средняя плотность 10—20 кг/м³, теплопроводность 0,03 Вт/(м-К). Крайне малая механическая прочность мипоры затрудняет ее непосредственное применение. Поэтому ее чаще всего используют как теплоизоляционный заполнитель и звукопоглощающий материал в каркасных конструкциях.

Расчёт теплоизоляции

Требования к теплоизоляции:

· низкий λ [Вт/м.к.];

· малый вес и пористая структура;

· анизотропность (способность проводить тепло во всех направлениях);

· малая гигроскопичность и малая водопроницаемость;

· морозоустойчивость и температуростойкость;

· негорючесть ( или как можно меньше);

· химическая инертность к металлам;

· выдерживать удары и вибрации;

· противостоять грызунам;

· легко резаться и пилиться;

· минимальная стоимость;

· длительный срок службы.

Виды теплоизоляции

А). По виду сырья, из которого изготавливаются:

· органические

· неорганические

Б). По тепловой эффективности (λ) –коэффициент теплопроводности

· высокоэффективные; λ 0,048 Вт/м.к.

· эффективные; λ = 0,048 0,076 Вт/м.к.

· среднеэффективные; λ = 0,076 0,34 Вт/м.к.

· низкоэффективные; λ ≥ 0,34 Вт/м.к.

В). По температуре:

· для высоких температур ( +80 500ºС) (неорганические)

· для низких температур (-273 80ºС) (пемза)

Г). По структуре:

· волокнистые (стекловолокно)

· пористые ( пенополистерол)

· слоистые ( АL фольга)

· зернистые (пробковая крошка)

Д). По способу крепления к изолированной поверхности:

· летучие (блоки, плиты и т.д.)

· засыпные (крошка, опилки и т.д.)

· напыляемые и заливаемые (ПСБС).

Теплопередача

Теплопередача – это теплообмен между срезами, разделёнными стенкой, характеризуется коэффициентом теплопередачи К или

Q Тп = К (tг – tх) S

К =

tг = температура горячей стенки, К ;

tх = температура холодной стенки, К;

- термическое сопротивление стенки

ί – порядковый номер слоя

; – термические сопротивления горячей и холодной стенки

Для цилиндрической стенки S = πd'ℓ, где d' –диаметр с меньшим значением . В теплообменниках tг – tх = ∆tср. В случае изменения температур сред по длине стенки за разность температур принимается:

∆tср =

Суммарный коэффициент теплообмена:

-коэффициент конвективной теплоотдачи

-коэффициент лучистой теплоотдачи

Расчёт толщины теплоизоляции для цилиндрических поверхностей производится по формуле:

- диаметр аппарата (трубопровода), М

- температура наружного воздуха, К;

- температура в аппарате (трубопроводе), К;

- температура точки росы, с;

- наружный диаметр изоляционной конструкции, М;

- коэффициент запаса (1,1…1,2).

- коэффициент температуропроводности, М .

Температура на границе теплоизоляции и внутреннего защитного слоя:

; ; - сопротивление теплопередачи соответственно наружной стенки

-сопротивление тепловосприятия стенки

=

- сопротивление теплопередачи внутреннего защитного слоя

- сопротивление теплоотдачи стены

В качестве теплоизоляции выбираем алюмосиликатный огнеупор с оксидно-керамическим покрытием.

Основные особенности

· высшая огнеупорность и высокие температуры применения;

· высшая эрозионная стойкость к действию химически активных и агрессивных газов и высокотемпературных, высокоскоростных газовых потоков;

· высокая износостойкость к истиранию механическая прочность и механическая прочность;

· кислото – и щёлочестойкость в среде агрессивных продуктов горения и отходящих дымовых газов;

· низкая пористость и высокая твёрдость.