§ 1. Строение и теплофизические свойства

Теплоизоляционные материалы имеют высокопористое строение, они создаются из веществ, имеющих аморфное строение, так как кристаллические вещества хорошо проводят тепло. Теплопроводность уменьшается в 10 и более раз, если использовать материалы, получаемые путем быстрого охлаждения расплава, примером являются стеклянные и минеральные волокна.

Воздух наименее теплопроводен из всех сред, не считая безвоздушного пространства. Теплопроводность сухого воздуха, заключенного в мелких порах, составляет лишь 0,023 Вт/(м.°С). Однако теплопроводность воздушных слоев значительно возрастает при увеличении их толщины.

Рис. 139. Зависимость теплопроводности от толщины воздушных прослоек

На рис. 139 показано увеличение теплопроводности воздушного слоя вследствие резкого возрастания теплопередачи конвекцией и излучением по мере увеличения размера воздушного слоя. Поэтому в технологии теплоизоляционных материалов стремятся получать поры в виде мелких ячеек либо тонких воздушных слоев, разделяющих волокна.

В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала.

Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газовыделения и пенообразования.

Способ же высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге отформованных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (древесных опилок, измельченного низкосортного каменного угля, торфяной крошки и др.).

Создание волокнистого каркаса — основной способ образования пористости у волокнистых материалов (минеральная вата, фибролит и т. п.). Высокопористое строение закрепляется главным образом путем тепловой обработки изделий, которая осуществляется в различных видах — путем обычного пропаривания или автоклавной обработки, сушки и обжига. Важное значение имеет равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Желательно создавать мелкие, равномерно распределенные поры — ячейки закрытого типа. В закрытых порах воздух находится в спокойном состоянии и лучше выполняет роль теплоизолятора. В замкнутые поры не попадает вода (при обычных условиях насыщения), что очень важно для сохранения стабильных теплофизических свойств и долговечности, Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы (например, минеральное волокно, древесная масса и др.).

Теплопроводность К связана с коэффициентом температуропроводности а, теплоемкостью с и объемной массой у материала следующим соотношением:

X = асу.

Объемная масса является главным аргументом, определяющим теплопроводность. Теплоизоляционные материалы по объемной массе (кг/м3) делят на: 1) особо легкие (ОЛ) — М15, М25, М35, М50, М75, М100; 2) легкие (Л) — M125„.M150, М175, М200, М250, М300, М350 и 3) тяжелые (Т) — М400, М450, М500 и М600. Материал, имеющий объемную массу, не совпадающую с показателями марок, относят к ближайшей большей марке. На рис. 140 представлен график зависимости теплопроводности материалов от объемной массы.

По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса: класс А — малотеплопроводные — с теплопроводностью до 0,058 Вт/(м.°С); класс Б — среднетеплопроводные — 0,058 — 0,116 Вт/(м.°С) и класс В — повышенной теплопроводности — не более 0,1Вт/(м.°С).

Теплопроводность пористых материалов резко возрастает при увлажнении (см. рис. 8), так как теплопроводность воды, равная 0,58 Вт/(м.°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

Замерзание воды в порах материала с образованием льда увеличивает, так как теплопроводность льда равна 2,32 Вт/(м.°С), т. е. в 4 раза больше теплопроводности воды.

Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает при повышенных температурах.

Теплопроводность fa при средней температуре материала можно вычислить, зная теплопроводность К0 при 0°С и температурную поправку р на 1°С повышения температуры:

У различных пористых материалов теплопроводность возрастает при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и температурный коэффициент р будет различный. Расчетные значения теплопроводности материала принимают по СНиП П-3 — 79. Нормы проектирования. Строительная теплотехника.

У некоторых материалов (магнезитовых огнеупоров, металлов) теплопроводность уменьшается при повышении температуры и, следовательно, температурная поправка имеет отрицательный знак.