О расчетных характеристиках теплоизоляционных материалов

О расчетных характеристиках теплоизоляционных материалов

Номенклатура теплоизоляционных материалов, представленных на отечественном рынке, значительно расширилась за счет появления новых отечественных и импортных материалов и изделий, что сделало весьма актуальной проблему достоверного определения их технических характеристик и эксплуатационных свойств.

Значения теплотехнических характеристик теплоизоляционных материалов в конструкциях под воздействием эксплуатационных факторов изменяются во времени и могут существенно отличаться от значений, указанных в ГОСТах и технических условиях. При проектировании используются расчетные характеристики теплоизоляционных материалов, приведенные в СНиП 2.04.14−88 [1] и СНиП 11−3-79* [2], а не их номинальные значения, зафиксированные в ГОСТах и ТУ.

При определении расчетной теплопроводности теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях учитывают номинальное значение теплопроводности материала в сухом состоянии; влияние влажности и температуры материала в конструкции; влияние возможной усадки материала в процессе эксплуатации; фактор старения материала, особенно актуальный для пенопластов.

Методы определения коэффициента теплопроводности имеют естественные ограничения, которыми иногда пренебрегают как испытатели, выполняющие сертификационные испытания, так и законодательные региональные и федеральные органы, уполномоченные выдавать сертификаты соответствия и технические свидетельства.

Так, метод стационарного теплового потока по ГОСТ 7076 не может корректно использоваться для определения коэффициента теплопроводности влажных материалов низкой плотности с высоким термическим сопротивлением вследствие протекания нестационарных процессов фазовых превращений и миграции влаги в испытываемом материале.

При искусственном увлажнении материалов в лабораторных условиях практически трудно разрешимой проблемой является обеспечение и контроль равномерного распределения влаги в испытуемом образце. Неравномерное распределение влаги в образцах приводит к погрешности в измерениях, которую реально невозможно оценить.

Расчетная влажность волокнистых теплоизоляционных материалов в условиях эксплуатации, А и Б по СНиП 11−3-79* составляет соответственно 2 и 5% по массе. При плотности теплоизоляционного материала 50 кг/м3 это составляет соответственно 0,1 и 0,25% по объему. Влияние такого незначительного количества влаги в объеме на теплопроводность материала практически не может быть корректно измерено указанным выше методом даже без учета погрешности, вызванной неравномерным распределением влаги.

Включение коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации, А и Б по СНиП 11−3-79* в перечень параметров, подлежащих экспериментальному определению при сертификационных испытаниях волокнистых теплоизоляционных материалов представляется, на наш взгляд, необоснованным, требующим проведения исследований, корректность результатов которых не может быть обеспечена используемыми методиками и средствами измерения. Так, анализ результатов определения коэффициента теплопроводности, А и Б некоторых волокнистых теплоизоляционных материалов, полученных различными авторитетными испытательными центрами, показывает, что они могут отличаться на 15−20%. При этом различие между коэффициентами теплопроводности этих материалов в сухом состоянии и в условиях эксплуатации, А и Б имеет значения того же порядка и ниже. Это указывает на то, что при испытаниях теплоизоляционных материалов плотностью до 100−150 кг/м3 искомые величины часто находятся в пределах погрешности эксперимента.

Европейский стандарт EN 12 664 [3] предусматривает определение методом стационарного теплового потока коэффициента теплопроводности сухих и влажных строительных материалов со средним и низким термическим сопротивлением (например, бетонов). Стандарт имеет объем около 70 печатных страниц и содержит требования к исследуемым материалам и применяемой аппаратуре, описание процедуры подготовки образцов, проведения эксперимента и обработки его результатов, анализ погрешности получаемых данных, в том числе погрешности, обусловленной неравномерным распределением влаги. Следует отметить, что указанный стандарт не распространяется на материалы с высоким термическим сопротивлением, т. е. теплоизоляционные.

Определение влияния влажности на теплопроводность конкретных марок теплоизоляционных материалов с достаточной для практики точностью может быть выполнено методом экспертной оценки на основании уже имеющихся данных. В СНиП 11−3-79* значения коэффициента теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов в условиях эксплуатации, А и Б отличаются от значений для сухого материала соответственно в 1,1−1,15 и 1,2−1,25 раза. Представляется, что приняты они, также как и расчетные значения влажности материала в конструкции, именно методом экспертной оценки на основании статистической обработки результатов натурных наблюдений.

В зарубежной инженерной практике значения этого показателя принимаются методом экспертной оценки для групп материалов близких по структурным и физическим характеристикам. Например, в Германии, для неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов и пенопластов [4] расчетное значение коэффициента теплопроводности принимается с учетом его увеличения на 2% при увеличении влажности по массе на 1%.

Коэффициент теплопроводности увлажненного теплоизоляционного материала рассчитывается по формуле:

теплоизоляционный теплопроводность влажность.

где сухкоэффициент теплопроводности сухого материала, Вт/(м· К);

— увеличение теплопроводности материала (%) при увеличении влажности материала на 1% по массе;

масс — влажность материала по массе, %.

Аналогичный подход, учитывающий условия применения, принят и в Дании, являющейся крупнейшим производителем минераловатных теплоизоляционных материалов.

Целесообразно и в отечественной практике ввести аналогичный подход при определении расчетных коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях.

Анализ результатов сертификационных испытаний более 30 марок теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна ведущих отечественных производителей плотностью от 15 до 200 кг/м3 позволяет предложит; поправочные коэффициенты к теплопроводности в сухом состоянии для условий эксплуатации, А и Б при расчетной влажности 2 и 5% соответственно 1,1 и 1,25, что совпадает с показателями СНиП 11−3-79*. Это исключит необходимость проведения большого количества ненужных испытаний и повысит достоверность рекомендуемых для использования при проектировании данных.

При определении расчетных значений коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов в конструкциях тепловой изоляции трубопроводов и оборудования учитывают возможное изменение геометрической формы теплоизоляционных изделий в конструкции при эксплуатации; влияние температуры на теплопроводность материала; влияние коэффициента уплотнения для уплотняющихся материалов; старение материала (особенно актуально для теплоизоляционных пенопластов).

Расчетный коэффициент теплопроводности уплотняющихся волокнистых теплоизоляционных материалов определяется лабораторными измерениями по ГОСТ 7076 в зависимости от степени его уплотнения при средних температурах теплоизоляционного материала 25,125, 300 °C.

Рекомендуемый коэффициент уплотнения материала в конструкции для трубопроводов различного диаметра определяется методом экспертной оценки на основании результатов определения сжимаемости по методике ГОСТ 17 177.

При аппроксимации экспериментальных данных линейной функцией расчетный коэффициент теплопроводности представляется в виде зависимости:

к = 25к + b * (tср — 25).

где 25к — коэффициент теплопроводности материала в уплотненном состоянии в конструкции при 25 °C;

tср — средняя температура слоя, °С;

b — температурный коэффициент. Могут быть даны линейные зависимости отдельно для диапазонов температур 25−125 и 125−300 °С, либо использован полином более высокой степени.

Все большее применение в отечественной практике находят теплоизоляционные цилиндры из минерального и стеклянного волокна. Однако определение коэффициентов теплопроводности и термического сопротивления этих изделий является проблемой, т. к. отсутствует утвержденная в установленном порядке методика и необходимое оборудование. Применение для этой цели метода цилиндрического зонда по ГОСТ 30 256 представляется необоснованным, т. к. теплоизоляционные изделия из минеральной ваты и стеклянного волокна характеризуются анизотропными свойствами, а результаты измерения теплопроводности зависят от преимущественной ориентации волокон и положения зонда в исследуемом материале.

Термическое сопротивление трубной теплоизоляции определяется по международному стандарту ISO 8497: 1994 [5]. В рамках проводимой Госстроем России политики гармонизации отечественной нормативной базы в области строительства с международными стандартами, целесообразно ввести этот стандарт на территории Российской Федерации.

На отечественном рынке появились теплоизоляционные материалы из пенополиэтилена с покрытием из алюминиевой фольги. Производители этой продукции развернули широкую рекламную кампанию, в которой утверждается, что эффективность применения этих материалов в строительных конструкциях значительно превышает эффективность применения традиционных волокнистых теплоизоляционных материалов.

Так, в некоторых изданиях приводятся утверждения о том, что сопротивление теплопередаче этих изделий толщиной 4 мм при применении в строительных конструкциях эквивалентно термическому сопротивлению волокнистых теплоизоляционных материалов толщиной 70−80 мм. Эти утверждения представляются технически необоснованными.

Экранная тепловая изоляция на основе алюминиевой фольги известна давно и нашла применение в конструкциях низкотемпературной и криогенной техники в виде многослойных пакетов из алюминиевой фольги с прослойками из волокнистых материалов (экранно-вакуумная изоляция «ЭВТИ», «Альфоль» и др.). Особенно эффективна такая изоляция при применении в вакууме, где отсутствует конвективная составляющая теплового потока. В строительстве экранная тепловая изоляция не нашла широкого применения вследствие того, что доля радиационной составляющей в тепловом потоке через теплоизолированные строительные конструкции сравнительно невелика, а отражательные свойства фольги ухудшаются в процессе эксплуатации вследствие окисления поверхности, конденсации влаги, накопления пыли и др. факторов. Так если коэффициент излучения полированного алюминия имеет значение 0,35 Вт/(м2К4), то для окисленного алюминия этот показатель составляет уже 1,2−2 Вт/(м2К4).

При анализе расчетных формул теплопередачи специалистами, рекламирующими эту продукцию, принимаются некоторые некорректные допущения, которые приводят к ошибочным выводам. Например, в формуле для расчета термического сопротивления теплоотдаче от изолированной поверхности к воздуху принимается значение коэффициента теплоотдачи конвекцией равным 0. Это предположение является неправомерным, т. к., рассматривая перенос тепла только излучением, автор исключает из рассмотрения перенос тепла конвекцией, что может иметь место только в вакууме.

Расчеты показывают, что минимальный практически возможный суммарный (конвективный + радиационный) коэффициент теплоотдачи от изолированной поверхности к воздуху при малых температурных перепадах и низком коэффициенте излучения поверхности — менее 0,5 Вт/(м2К4) может иметь значения не ниже 3−3,5 Вт/(м2К). Термическое сопротивление слоя пенополиэтилена толщиной 4 мм при коэффициенте теплопроводности 0,035 Вт/(м· К) составляет 0,114 Вт/(м2К), и его сопротивление теплопередаче незначительно.

Термическое сопротивление минера-ловатной плиты толщиной 80 мм при коэффициенте теплопроводности 0,05 Вт/(мК) составляет 1,6 Вт/(м· К), что существенно превышает сопротивление теплопередаче рассматриваемого изделия в строительных конструкциях.

Теплоизоляционные материалы с покрытием из алюминиевой фольги являются эффективными современными теплоизоляционными изделиями, имеющими определенную область применения, поэтому необъективная, технически необоснованная реклама может их только дискредитировать.

В заключение необходимо указать, что на сегодняшний день в отечественной нормативной базе по тепловой изоляции отсутствуют утвержденные в установленном порядке, но крайне необходимые для практики:

• — методика определения предельных — минимальной и максимальной — температур применения теплоизоляционных материалов;
• — методика определения теплопроводности теплоизоляционных цилиндров.

Разработка и введение в действие этих документов позволят более обоснованно принимать решения по применению теплоизоляционных материалов в конструкциях тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Эти методики должны быть либо разработаны в возможно короткие сроки, либо на территории Российской Федерации следует ввести международные или европейские стандарты на эти виды испытаний (по цилиндрам — ISO 8497).

Решение рассмотренных выше проблем позволит повысить уровень надежности технических решений в области тепловой изоляции в промышленности и строительстве.

• 1. СНиП 2.04.14−88. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.
• 2. СниП 11−3-79. Строительная теплотехника.
• 3. EN 12 664: 2001. Thermal performance of building materials and productsDetermination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter method — Dry and moist products of medium and low thermal resistance.
• 4. Шильд Е., Кассельман Х.-Ф., Да-мен Г., Поленц Р. Строительная физика. Пер. с нем. М.: Стройиздат, 1982.
• 5. ISO 8497: 1994. Determination of steady-state thermal transmission properties of thermal insulation for circular pipes.
• 6. Справочник строителя. Тепловая изоляция. М.: Стройиздат, 1985.