Теплоизоляция
Основные сведения о теплоизоляции
Теплоизоляционными называют материалы, характеризуемые низкой теплопроводностью и применяемые для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубо¬проводов.
Теплоизоляционные материалы способствуют снижению материалоемкости строительства, сокращению расхода топлива на отопление здания и производство различных промышленных продуктов. Использование материалов с низкой теплопроводностью, например в ограждающих конструкциях крупнопанельных жилых зданий, позволяет в 1,5 - 2 раза снизить расход стали и в 3 - 4 раза расход цемента по сравнению с конструкциями без тепловой изоляции. Снижение массы конструкций приводит и к уменьшению транспортных затрат. Изоляция поверхностей оборудования на теп¬ловых электростанциях снижает потери теплоты в 25 раз. Во многих случаях тепловая изоляция способствует интенсификации технологических процессов. При этом создаются нормальные температурные условия труда и комфортабельный микроклимат в помещениях. Общим признаком всех теплоизоляционных материалов является высокая пористость, которая достигается различными технологическими приемами: образованием волокнистого каркаса, вспучиванием массы в процессе формования или тепловой обработки, поризацией массы при смешивании с пеной, введением по¬ристых заполнителей, выгорающих добавок, высоким водозатворением и др.
Классификация
По виду исходного сырья различают:
• неорганические материалы
• органические материалы
К первым можно отнести минеральную и стеклянную вату, пеностекло, перлит и вермикулит и т. д., ко вторым - материалы и изделия из древесного и другого растительного сырья; теплоизоляционные пластмассы. Смешанные материалы, в состав которых входят неорганические и органические составляющие, относятся к первой (минеральные изделия) или ко второй группе (фибролит) в зависимости от того, какие компоненты в смеси превышают 50% по массе.
По структуре материалы подразделяют на:
• волокнистые — весноволокнистые или стекловатные изделия
• ячеистые - пеностекло, пенокерамика, пенобетон
• зернистые (сыпучие) — вспученные перлит, вермикулит и др.
По форме и внешнему виду различают:
• штучные
• сыпучие
К штучным материалам относят раз¬личного вида и формы изделия. Они могут быть плоскими — кирпичи, маты, блоки, плиты; фасонными — цилиндры, сегменты, скорлупы; и шнуровыми — шнуры, жгуты. Применение штучных материалов повышает качество теплоизоляции и уменьшает трудо¬затраты. К сыпучим относятся порошкообразные, волокнистые и зернистые рыхлые материалы. Их применяют для засыпки пустот в каркасных стенах, в междуэтажных перекрытиях. Но со временем они слеживаются, уплотняются и их теплоизоляционные свойства понижаются. Некоторые порошки, затворенные водой, используются для приготовления мастичной изоляции (совелит, магнезит «ньювель», асбозурит), применяемой в основном для заделки швов между теплоизоляционными изделиями.
По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют на:
• мягкие
• полужесткие
• жесткие
• повышенной жесткости
• твердые
Для индустриализации строительных работ все большее применение находят жесткие крупноразмерные теплоизоляционные материалы и изделия. Мерой жесткости является величина их сжимаемости или относительной деформации сжатия. При удельной нагрузке 0,02 МПа жесткие материалы имеют относительное сжатие до 6%, полужесткие — 6...30 и мягкие — более 30%. В материалах повы¬шенной жесткости и твердых при удельной нагрузке соответственно 0,04 и 0,1 МПа относительное сжатие не должно превышать 10%.
По плотности теплоизоляционные материалы делят на:
• особо легкие (особо низкой плотности) плотностью 15...75 кг/м3
• легкие (низкой плотности) — 100...175 кг/м3
• средней плотности — 200...350 кг/м3
• плотные — 400...600 кг/м3
По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса:
• низкой — до 0,06 Вт/(м °С)
• средней — 0,06...0,115 Вт/(м °С)
• повышенной теплопроводности — 0,115,..0,175 Вт/ (м °С)
Свойства, определяющие качество теплоизоляционных материалов
Теплопроводность, т. е. способность пропускать тепло, — определяющий показатель качества теплоизоляционных материалов.
В соответствии с современными представлениями передача теплоты в твердых телах — диэлектриках объясняется колебаниями атомов кристаллической решетки. В материалах, проводящих электричество, она дополнительно обусловлена движением свободных электронов. У большинства теплоизоляционных материалов теплопроводность находится в интервале 0,029...0,21 Вт/(м/°С). Для наиболее эффективных высокопористых материалов она приближается к теплопроводности воздуха — 0,025 Вт/(м/°С). Теплопроводность материалов зависит в первую очередь от объема пор и характеристики пористой структуры. Теплота через воздушный слой передается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Конвективный теплообмен увеличивается по мере роста размеров пор и воздушных прослоек, связывающих эти поры. На лучистый теплообмен решающее влияние оказывает температура эксплуатации. Для теплоизоляционных материалов предпочтительно мелкопористое строение, затрудняющее теплопередачу конвекцией и лучеиспус¬канием. Важно создать также равномерное распределение пор в материале. Роль теплоизолятора воздух лучше выполняет в закрытых порах.
Теплопроводность материалов зависит от их химического соста¬ва и степени кристаллизации. Чем сложнее химический состав и ближе структура материала к аморфной, тем меньше теплопроводность. Например, у кристалла кварца теплопроводность 7... 8 Вт/(м/°С), а у обычного стекла, которое кроме кремнезема содержит ряд других оксидов и имеет строение, близкое к аморфному, она составляет в среднем 0,75 Вт/(м/°С). В кристаллических телах теплопроводность зависит от размера кристаллов, дефектов решетки и дислокаций. Теплопроводность с ростом кристаллов при направлении теплового потока вдоль оптической оси растет, и она значительно выше, чем перпендикулярно оси. Теплопроводность уменьшается с увеличением молекулярной массы, возрастает с по¬вышением температуры плавления. Для кристаллических тел она уменьшается с увеличением числа атомов в молекуле. Для жидкостей и газов имеет место обратная зависимость. Для большинства теплоизоляционных материалов теплопроводность линейно зависит от температуры. Теплопроводность неорганических материалов при положительных температурах изменяется на 0,0025 Вт/(м/°С) на каждый градус, при отрицательных — на 0,005, для органических соответственно на 0,0035 и 0,005 Вт/ (м/°С).
В нормативных документах величина теплопроводности приводится обычно при (25±5)°С. Теплопроводность воды примерно в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха, поэтому нельзя допускать увлажнения теплоизоляционных материалов. С определенной степенью приближения теплопроводность влажных материалов. Для снижения сорбционного увлажнения теплоизоляционные материалы подвергают объемной гидрофобизации, положительно влияет также сокращение объема микропор, в которых происходит конденсация влаги. Водопоглощение теплоизоляционных материа¬лов зависит от их структуры: при закрытой пористости (пеностекло, пенопласты) оно сравнительно невелико, при открытой, сообщаю¬щейся пористости может достигать 400. ..600%.
Предельная температура применения является важным свойством, характеризующим качество теплоизоляционных материалов. Выше этой температуры материал изменяет структуру, теряет механическую прочность и разрушается, а органические материалы могут загораться. Предельная температура применения колеблется в широком диапазоне: для газонаполненных пластмасс она составляет 60...180°С, ячеистых бетонов — 400...700, минеральной ваты — 600, вспученного перлита и вермикулита 900°С.
Прочность теплоизоляционных материалов определяется прочностными показателями твердой фазы и параметрами поровой структуры. Положительное влияние на прочность оказыва¬ют однородное распределение пор по объему и уменьшение их среднего диаметра. Положительно сказывается также подбор связующего с улучшенными адгезионными свойствами по отношению к заполнителям, ориентация волокон в направлении действия напряжений и другие технологические приемы. Степень уплотняемости материалов характеризуется сжимаемостью (%) под действием удельной нагрузки.
Долговечность теплоизоляционных материалов зависит от их химической и биологической стойкости, морозостойкости. Область применения теплоизоляционных материалов определяется их горючестью, газо- и паропроницаемостью, химической и биологической стойкостью и др. Минеральные материалы относятся к категории несгорающих. Горючесть органических теплоизоляционных материалов снижается пропиткой их антипиренами, которые плавятся или разлагаются под действием высокой температуры, что приводит к повышению температуры воспламенения или выделению газов, препятствующих распространению пламени. Огнестойкость материалов повышают также, покрывая их силикатными красками и другими негорючими, малотеплопроводными покрытиями.
При тепловой изоляции печей, топок, труб следует учитывать газопроницаемость теплоизоляционных материалов, а при тепловой изоляции объектов, работающих при температурах более низких, чем температура окружающей среды (например, холодильников), — их паропроницаемость. При недостаточной газо- и паро- непроницаемости засасывается воздух или пар через стены конструкций, что ухудшает теплозащитные свойства конструкций.
Технология производства
Высокопористое строение материалов может достигаться чаще всего вспучиванием, удалением порообразователя: неплотной упаковкой, контактным омоноличиванием, объемным омоноличиванием, созданием комбинированных структур.
При вспучивании в пластично-вязкой массе выделяется или в нее вводится газовая фаза. При этом образуется дисперсная систе¬ма и ячеистая пористая структура, объем пор которой зависит от количества газообразующего компонента. Основными разновидностями вспучивания являются газо- и пенообразование. При газообразовании газы, выделяемые в результате химических реакций, выходя из пластичной массы, образуют поры. Газообразователи не должны разлагаться при хранении и перевозке, выделять газы, вредные для здоровья людей. В процессе газообразования компоненты массы могут участвовать или не участвовать в химическом взаимодействии с газообразователями. Интенсификация процесса газообразования достигается вибрированием, при котором происходит непрерывное обновление поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
С помощью газообразования получают газобетоны, ячеистое стекло, газонаполненные пластмассы. Пенообразование заключается в смешивании пластичного теста со специально приготовленной пеной — дисперсной структурирован¬ной системой, состоящей из жидкой и газообразной фаз. Пенообразователями служат высокомолекулярные соединения, мыла и другие вещества, дающие прочные пленки, разделяющие пузырьки газа. Основными показателями качества пены служат ее выход (пенистость) — отношение объема пены к объему водного раствора пенообразователя и стойкость (пеноустойчивость) — способность пены сохранять первоначальный объем без разрушения. Для увеличения выхода пены вводят активаторы — добавки электролитов. Необходимая стойкость пены достигается применением стабилизаторов, тормозящих процесс коалесценции — саморазрушения пены. Распространены следующие пенообразователи: продукт экстрагирования сапонина из некоторых растений; клееканифольный, получаемый из канифольного мыла и столярного или казеинового клея; алюмосульфонафтеновый — продукт взаимодействия керосинового контакта и сернокислого глинозема; ГК — гидролизованная кровь.
В настоящее время вместо пенообразователей на основе природных — органических продуктов все шире используют синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ) — продукты переработки нефти. Разработка новых ПАВ с высокой воздухововлекающей способностью позволила применить для получения теплоизоляционных материалов способ аэрирования, т. е. насыщения концентрированных минеральных и полимерных суспензий воздухом.
Способностью к вспучиванию при быстром нагревании обладают некоторые горные породы и минералы — перлит, вермикулит, неко¬торые виды глин, в результате выделения из них при высокой тем¬пературе водяного пара или другого газа. Они при этом обычно (за исключением вермикулита) переходят в пластично-вязкое (пиропластическое) состояние. Коэффициент вспучивания — отношение объемов материала после и до нагрева — колеблется в широких пределах в зависимости от температуры и скорости ее подъема.
Образование пористой структуры без вспучивания имеет место при удалении порообразователя. В качестве парообразователей при этом используют воду, легколетучие жидкости, выгорающие добав¬ки. Из масс с высоким содержанием воды (гидромасс) формуют древесно-волокнистые, торфяные, асбестоцементные теплоизоляционные плиты. Ячеистые бетоны способом высокого водозатворения изготовлять неэффективно, так как при этом требуется большой расход теплоты на испарение влаги. Высокую пористость за счет выгорающих добавок достигают при получении теплоизоляционных керамических изделий.
Неплотную упаковку как способ получения теплоизоляционных материалов используют при изготовлении изделий из волокнистых и зернистых компонентов. Пористость волокнистых материалов обусловлена взаимным пе¬реплетением волокон, образующих жесткий каркас. Объем пор при этом зависит от диаметра волокон, их упругости, свойств поверхно¬сти. Более высокая пористость достигается длинноволокнистым ма¬териалом. При получении теплоизоляционных материалов широко используют волокна, получаемые механическими, термическими, гидравлическими и другими способами диспергации неорганическо¬го и органического сырья. Изделия из волокон часто формируют с различными вяжущими (фибролит, арболит, минераловатные плиты и др.) или без них (прошивные минераловатные маты и др.).
При использовании зернистых компонентов неплотная упаков¬ка достигается гранулометрическим составом частиц, обеспечива¬ющим повышенную межзерновую пустотность. Таким путем полу¬чают различные сыпучие (засыпные) материалы.
Контактное омоноличивание заключается в связывании волок¬нистых или зернистых материалов в местах их контакта с помощью тонких прослоек цементного или глиняного теста, водных растворов полимеров и т.д. В отличие от контактного, объемное омоноличивание основано на полном заполнении межзерновых пустот связующим. Для создания достаточно легких материалов применяют при этом способе высокопористые заполнители с оптимальным зерновым составом (перлит, вермикулит, распушенный асбест).
В ряде случаев получают теплоизоляционные материалы с комбинированными структурами — волокнисто-ячеистые, зернисто-ячеистые и другие.
Продукция<Трубопровод
