Основные типы теплопередачи и требования к теплоизоляционным материалам

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ

1. Основные типы теплопередачи

Процесс передачи теплоты (теплопередачи) весьма сложен и зависит от множества факторов, знание которых и управление которыми позволяют технологам создавать эффективные теплоизоляционные материалы, а конструкторам - проектировать теплозащиту для разных конструкций и условий службы.

Самопроизвольный необратимый процесс переноса энергии (в форме теплоты) в пространстве с неоднородным полем температуры называется теплообменом.

Различают следующие виды теплообмена - теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Передача теплоты происходит самопроизвольно при наличии перепада температур, или по другому - температурного градиента.

Если Дt=T1-T2=Tn-1-Tn, то lim[]Дn>0== grad t. (Рис.1)

Рис. 1. Схема теплообмена:

1 -линии равных температур (изотермы); Т-температура; Q-тепловой поток; Дn - расстояние между изотермами

Любой материал, из которого выполнена стенка, разделяющая теплую и холодную среды, оказывает большее или меньшее сопротивление тепловому потоку. Величина этого сопротивления завися от способности вещества (материала) проводить теплоту, т.е. от его теплопроводности, которая для каждого вещества имеет своё определенное значение и зависит от многих причин: агрегатного состояния вещества, его структуры, плотности, влажности, давления и температуры.

Передача тепловой энергии всегда происходит по нормали к поверхности тела (Рис. 2).

Рис. 2. Направления передачи теплоты

Количество теплоты (Q), переданное за единицу времени, называется тепловым потоком.

Тепловой поток измеряется в ваттах (Вт).

Количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности, называется плотностью теплового потока, измеряется в Вт/м2

Теплопроводность

Теплопроводность - вид теплообмена, при котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде (наличие градиента температур) имеет атомно-молекулярный характер. Теплопроводность характерна для сплошных сред (твердое тело, жидкость и газы).

Если в твердом теле существует градиент температур (на рисунке разные температуры противоположных поверхностей тела t1 и t2), то происходит передача тепла от более нагретой поверхности к менее нагретой через площадь поверхности F и толщину материала S (Рис.4)

Для изотропной среды справедлив закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока пропорционален и противоположен градиенту температур:

q=-л•grad t,

где л - коэффициент теплопроводности, зависящий от химической природы среды и её состояния.

Рис.3. Передача тепла теплопроводностью

Коэффициент теплопроводности показывает интенсивность теплового потока, проходящего через 1м2 поверхности при температурном градиенте 1°С/м, при толщине материала 1м. Измеряется в Вт/м °К (или Вт/м °С).

В газах перенос энергии теплопроводностью осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах - электронами проводимости, в диэлектриках - за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен (конвекция) - процесс передачи энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, осуществляющийся вследствие движения среды и её теплопроводности.

Конвективный теплообмен зависит от физических свойств среды и характера её движения.

Различают: теплоизоляционный материал утепление здание

а) конвективный теплообмен при естественной конвекции, когда движение среды обусловлено действием только силы тяжести на неравномерно нагретую, а значит, и различающуюся по плотности среду;

б) конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды происходит под воздействием внешних факторов, например давления или разряжения, создаваемого насосами или вентиляторами.

Теплообмен между средой и поверхностью её раздела с другой средой, например, стенкой, разделяющей две среды - называется теплоотдачей.

Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопередачей (Рис.4)

Рис.4. Теплоотдача и теплопередача

Теплоотдача характеризуется коэффициентом теплоотдачи б (Вт/м2 0С):

где: Дt=t2-tB - разность температур между стенкой и средой, F- поверхность теплообмена; ф - время.

Теплопередача характеризуется коэффициентом теплопередачи К (Вт/м2 0С):

где: Дt=tA-tB - разность температур между теплоносителями (средой А и средой В); F- поверхность теплообмена; ф - время.

Лучистый теплообмен

Лучистым теплообменом называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту.

Этот вид теплопередачи возможен лишь в газообразной среде или в вакууме.

Доля лучистого теплообмена определяется по формуле

Q = епC0F[(T1/100)4-(T2/100)4],

где еп - приведенная степень черноты тел, между которыми происходит лучистый теплообмен; Со - коэффициент излучения черного тела, равный 5,7 Вт/(м2 С4); Т1 и Т2 -температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен; F- поверхность теплообмена.

Практика показывает, что этот вид теплообмена имеет существенное, а иногда и главное, значение только при изоляции промышленного оборудования, т. е. при высоких температурах.

Реально в строительных конструкциях и теплоэнергетических сооружениях одновременно могут иметь место все виды теплообмена, поэтому количественная оценка теплообмена требует учета вклада каждого из них.

2. Требования к теплоизоляционным материалам

Физико-технические свойства используемых теплоизоляционных материалов оказывают определяющее влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций, трудоемкость монтажа, возможность ремонта в процессе эксплуатации и в значительной степени определяют сравнительную технико-экономическую эффективность различных вариантов утепления зданий.

Теплоизоляционные материалы в конструкциях утепления зданий должны соответствовать требованиям пожарной безопасности по СНиП 2.01.02-85, иметь гигиенические сертификаты, не выделять токсичных веществ в процессе эксплуатации и при горении.

На долговечность и стабильность теплофшических и физико-механических свойств теплоизоляционных материалов в конструкциях утепления зданий влияют многие эксплуатационные факторы, включая:

- знакопеременный температурно-влажностный режим теплоизоляционных конструкций;

- возможность капиллярного и диффузионного увлажнения теплоизоляционного материала в конструкции;

- воздействие ветровых нагрузок;

- механические нагрузки от собственного веса материалов в конструкциях стен и нагрузки при перемещении людей по конструкциям крыш и перекрытий.

С учетом указанных факторов, теплоизоляционные материалы для утепления зданий должны отвечать следующим основным требованиям:

- теплоизоляционный материал должен обеспечивать требуемое сопротивление теплопередаче при возможно минимальной толщине конструкции, что достигается применением материалов с расчетным коэффициентом теплопроводности - 0,04- 0,06 Вт/(м К);

- паропроницаемость материала должна иметь значения, исключающие возможность накопления влаги в конструкции в процессе ее эксплуатации;

- плотность теплоизоляционных материалов для утепления зданий ограничивается допустимыми нагрузками на несущие конструкции и не должна превышать 500 кг/м3;

- предел прочности при 10% деформации в конструкциях утепления крыш и перекрытий - не менее 20 кПа;

- морозостойкость;

- гидрофобность и водостойкость;

- биостойкость и отсутствие токсичных выделений при эксплуатации.

Для теплоизоляционных материалов из стеклянного волокна, применяемых в наружных ограждающих конструкциях зданий, особенно важным является показатель водостойкости.

Учитывая возможность периодического увлажнения теплоизоляционных материалов в конструкции, показатель водостойкости в значительной степени определяет их долговечность.

Водостойкость стеклянных волокон зависит от химического состава и диаметра волокна. Увеличение содержания щелочных окислов и уменьшение диаметра волокна приводит к снижению водостойкости материала.

Учитывая относительно невысокую водостойкость стеклянных волокон щелочного состава, при разработке конструкций с применением теплоизоляционных материалов из стекловолокна следует предусматривать технические решения, ограничивающие деструктивное воздействие влаги на материал в процессе эксплуатации.

К таким решениям относятся гидрофобизация материалов в процессе производства и применение конструктивных решений, предотвращающих или ограничивающих возможность конденсации влаги в конструкции

За счет гидрофобизации волокнистых материалов снижается их смачиваемость, то есть уменьшается поверхность взаимодействия волокон с капельной влагой, что приводит к повышению водостойкости и, соответственно, долговечности материала.

Предотвращение конденсации паров воды в конструкции достигается конструктивными решениями, а именно, соответствующим расположением слоев материалов с различной паропроницаемостью и введением при необходимости дополнительных паровых барьеров, предотвращающих или ограничивающих конденсацию.

Для обеспечения долговременной стабильности свойств, теплоизоляционные материалы из стекловолокна и минеральной ваты, применяемые в наружных ограждающих конструкциях зданий, должны быть гидрофобизированы в процессе производства.

Для теплоизоляционных пенопластов и органических теплоизоляционных материалов одним из основных требований является требование по пожарной безопасности.

Размещено на Allbest.ru