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 °C 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: X,=AV (l+p/), где X, — теплопроводность при температуре t°C; Хо — теплопроводность при температуре 0 °C; р — температурный коэффициент, выражающий приращение теплопроводности материала при повышении его температуры на 1 °C и равный 0,0025 (до 100 °C — 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 (минераловатная 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 210³ Па, полужесткие (ПЖ) — соответственно — 6—30%, жесткие (Ж) — до 6%, повышенной жесткости — до 10% под удельной нагрузкой 410³ 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 биои 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 °C, из ячеистого бетона и пеностекла — до 400 °C, 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 °C около 0,025, при температуре 100 °C — 0,031 и при температуре 1000 °C — 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.