Menu Close

Теплопроводность изоляционных материалов: Теплоизоляционные материалы: виды, свойства, теплопроводность

Техническая информация — свойства теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы, как правило, имеют характерные свойства, благодаря которым они способны прослужить долгое время даже при жесткой эксплуатации. А качественная изоляция позволяет использовать чиллер с меньшим коэффициентом теплового обмена, что снижает нагрузку на компрессор.

Какие бывают свойства теплоизоляционных материалов

1. Базовой характеристикой, которая должна быть присуща теплоизоляционному материалу, является низкая теплопроводность. А это, как говорилось выше, позволяет использовать чиллер с меньшим коэффициентом теплового обмена, что снижает нагрузку на компрессор.

Коэффициент теплопроводности (теплопроводность) определяют как количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

Коэффициент теплопроводности λ получают в Вт/(м*К). Способы и методы проведения испытаний тепловой проводимости материалов в различных странах существенно разнятся, поэтому в обязательном порядке следует предоставлять данные об условиях испытаний, при которых проводились измерения, например, о температуре, это позволит провести более тщательное сравнение теплопроводности различных материалов.

Величина теплопроводности пористых материалов (теплоизоляционные материалы) зависит от вида, размера и расположения пор, плотности материала, молекулярной структуры и химического состава твердых частей основы, вида и давления газа, заполняющего поры, коэффициента излучения поверхности, ограничивающей поры. Но самыми важными показателями материала являются его температура и влажность, они оказывают самое большое влияние на коэффициент теплопроводности.

Из этих двух показателей наибольшее влияние при эксплуатационных условиях оказывает влажность, хотя с увеличением температуры теплопроводность материалов тоже значительно растет.

Коэффициент теплопроводности базовых конструкций должен лежать в пределах 0,03-0,05 Вт/(м*К)

2. Другое свойство это средняя плотность – ее величина вычисляется отношением массы вещества к занимаемому им объему. Она определяется как соотношений кг/м3.

У теплоизоляционных материалов средняя плотность гораздо ниже плотности большинства строительных материалов, это обусловлено большой пористостью теплоизоляционных материалов. В настоящее время в строительстве применяются теплоизоляционные материалы, плотность которых составляет от 17 до 400 кг/м3, в зависимости от их назначения.

Теплоизоляционные свойства тем лучше, чем меньше средняя плотность сухого материала при температурном режиме, свойственном ограждающим конструкциям зданий.

Уменьшение средней плотности материала приводит к увеличению его пористости. От равномерности распределения пор внутри материала зависят его базовые свойства, которые и определяют пригодность материала для использования в строительных конструкциях: морозостойкость, сорбционная влажность, прочность, водопоглощение, теплопроводность. У материалов с равномерно расположенными небольшими замкнутыми порами наблюдаются самые лучшие теплоизоляционные свойства.

3. Еще одним свойством является влажность – накопление жидкости в материале. Теплопроводность теплоизоляционных и строительных материалов значительно растет с увеличением влажности.

Некоторое количество влаги всегда наблюдается в материалах с капиллярно-пористой структурой, находящихся в естественной воздушной среде. Происхождение этой влаги определяется тем, что присутствующие в воздухе с определенной влажностью молекулы водяного пара, попадая под влияние молекулярных сил более сухого материала, конденсируются на поверхности в виде тонкой водяной пленки.

После того как сорбированная влага достигла состояния равновесия на поверхности материала с давлением водяного пара в воздухе, постепенно происходит впитывание влаги во внутреннюю структуру материала.

Когда материал находится в воздушной среде с постоянными температурой и относительной влажностью, то в нем преобладает равновесное состояние (неизменное количество влаги), эта влага называется сорбционной.

4. Немаловажным свойством является водопоглощение – это возможность впитывать и удерживать в порах влагу при прямом контакте с водой материала. Водопоглощение теплоизоляционных материалов определяется количеством воды, поглощаемым материалом с нормальной влажностью при проведении им определенного времени в воде, относительно удельной массы сухого материала.

Чем больше поглощает материал влагу, тем больше теплопроводность материала. Это происходит потому, что вода занимает внутри материала какую-то часть объема пор и ячеек, замещая собой воздух.

Такое существенное увеличение теплопроводности теплоизоляционного материала вызывается тем, что теплопроводность воды λ=0,58 Вт/(м*К ) приблизительно в 25 раз выше теплопроводности «стоячего» воздуха.

Когда температура окружающей среды падает ниже нуля градусов Цельсия вода в порах материала замерзает, а это служит еще большим увеличением теплопроводности материала, потому что теплопроводность льда λ=2,2 Вт/(м*К ) практически стократно превышает теплопроводность «стоячего» воздуха.

Гидрофобизация позволяет значительно уменьшить водопоглощение стекловолокнистых и минераловатных теплоизоляционных материалов, как правило, путем введения кремнийорганических добавок.

Если материал практически не увлажняется при взаимодействии с водой, то это говорит о том, что он обладает свойством гидрофобности.

К сожалению, отечественные производители теплоизоляционных материалов поставляют на наш рынок в основном негидрофобизированную продукцию, в отличие от зарубежных, продукция которых, как правило, гидрофобизированная.

5. Другое свойство теплоизоляционных материалов это морозостойкость – способность выдерживать в насыщенном состоянии многоразовое изменение температур от стадии замораживания до стадии оттаивания попеременно без видимых признаков нарушения структуры.

Морозоустойчивость не нормируется ни ТУ, ни ГОСТ, но, тем не менее, этот показатель очень сильно влияет на долговечность возводимой конструкции.

6. Прочность является механическим свойством теплоизоляционных материалов, ее рассчитывают на сопротивление трещинообразованию, растяжение, изгиб, сжатие.

Прочность определяется как способность материалов оказывать сопротивление разрушительным действиям внешних сил, которые вызывают внутренние напряжения в материале и деформацию. Это свойство теплоизоляционных материалов имеет зависимость от структуры, прочности остова (твердой составляющей) и пористости материала. Если материал обладает структурой с крупными неравномерными порами, то он менее прочен, чем материал с мелкими порами.

7. Долговечность конструкции зависит и от химической стойкости покрытия теплоизоляционного материала (данный фактор следует особенно тщательно учитывать при выборе материалов для утепления покрытий производственных сооружений). К тому же необходимо учесть и биологическую стойкость.

8. Также немаловажными свойствами теплоизоляционных материалов, используемых для покрытия, являются способность к дымообразованию, возможность выделения токсичных газов при горении, горючесть. Выбор теплоизоляционного материала зависит от предъявляемых требований СНиП на кровли, пожарную безопасность и др.


Вы также можете ознакомиться с другими страницами раздела:

|

 

При всем многообразии представленных на рынке материалов ВСЕ теплоизоляционные материалы должны обладать определенными свойствами, позволяющими ограждающим конструкциям успешно выполнять свои функции в течение длительного срока. Эти свойства необходимо учитывать при выборе, какой материал стоит использовать в том или ином случае. Какие же это свойства? Низкая теплопроводность Это основное свойство, которым должен обладать теплоизоляционный материал. Количество теплоты, которое передается за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, называется теплопроводностью (коэффициентом теплопроводности). Теплопроводность λ измеряют в Вт/(м×К). Методики и условия испытаний теплопроводности материалов в различных странах могут значительно отличаться, поэтому при сравнении теплопроводности различных материалов необходимо указывать при каких условиях, в частности температуре, проводились измерения. На величину теплопроводности пористых материалов, каковыми являются теплоизоляционные материалы, оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твердых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поры, вид и давление газа, заполняющего поры.

Однако преобладающее влияние на величину теплопроводности имеют его температура и влажность. Теплопроводность материалов возрастает с повышением температуры, но гораздо большее влияние в условиях эксплуатации оказывает влажность. Коэффициент теплопроводности основных конструкций должен быть 0,03—0,05 Вт/(м×К). Низкая средняя плотность Средняя плотность — величина, равная отношению массы вещества ко всему занимаемому им объёму. Средняя плотность измеряется в кг/м³. Следует отметить, что средняя плотность теплоизоляционных материалов достаточна низка по сравнению с большинством строительных материалов, так как значительный объём занимают поры. Плотность применяемых в настоящее время в строительстве теплоизоляционных материалов лежит в пределах от 17 до 400 кг/м³, в зависимости от их назначения. Известно, что чем меньше средняя плотность сухого материала, тем лучше его теплоизоляционные свойства при температурных условиях, в которых находятся ограждающие конструкции зданий. Чем меньше средняя плотность материала, тем больше его пористость.
От характера пористости зависят основные свойства материалов, определяющие их пригодность для применения в строительных конструкциях: теплопроводность, сорбционная влажность, водопоглощение, морозостойкость, прочность. Наилучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с равномерно распределенными мелкими замкнутыми порами. Низкая влажность Влажность — содержание влаги в материале. С повышением влажности теплоизоляционных (и строительных) материалов резко повышается их теплопроводность. В материалах с капиллярно-пористой структурой, помещенных в естественную воздушную среду, всегда содержится некоторое количество влаги. Это происходит вследствие того, что находящиеся во влажном воздухе молекулы водяного пара, попадая в зону действия молекулярных сил сухого материала, образуют на его поверхности тонкую пленку. После достижения равновесного состояния между сорбированной влагой в приграничном слое материала и давлением водяного пара в воздухе, происходит постепенное проникновение влаги по всему объёму материала.
При длительном пребывании образца в воздушной среде с постоянными относительной влажностью воздуха и температурой в материале остается неизменное (равновесное) количество влаги, которую называют сорбционной влагой. Низкое водопоглощение Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах влагу при непосредственном соприкосновении с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала. Поглощение влаги материалом ведет, прежде всего, к увеличению теплопроводности материала. Объясняется это тем, что вода может занимать в материале часть объёма ячеек и пор, вытесняя из них газ. Так как теплопроводность воды λ = 0,58 Вт/(м×К) примерно в 25 раз больше теплопроводности неподвижного воздуха, то наличие воды в материале вызывает существенное повышение теплопроводности теплоизоляционного материала. При низких температурах вода в порах материала может замёрзнуть, что приведет к ещё большему возрастанию теплопроводности материала, так как теплопроводность льда λ = 2,2 Вт/(м×К) почти в 100 раз больше теплопроводности неподвижного воздуха.
Частично снизить водопоглощение минераловатных и стекловолокнистых теплоизоляционных материалов позволяет их гидрофобизация, например, путем введения кремнийорганических добавок. Материалы должны обладать свойством гидрофобности (плохо увлажняться при соприкосновении с водой). Продукция инофирм, поставляемая на наш рынок, является гидрофобизированной, а отечественная — за небольшим исключением является негидрофобизированной. Морозостойкость Морозостойкость — способность материала в насыщенном состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ. Прочность К механическим свойствам теплоизоляционных материалов относят прочность (на сжатие, изгиб, растяжение, сопротивление трещинообразованию). Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению под действием внешних сил, вызывающих деформации и внутренние напряжения в материале. Прочность теплоизоляционных материалов зависит от структуры, прочности его твёрдой составляющей (остова) и пористости. Жесткий материал с мелкими порами более прочен, чем материал с крупными неравномерными порами. Долговечность Сохранение эксплуатационных характеристик при старении – долговечность, является одним из важнейших показателей любого материала, предназначенного для использования в строительстве. На долговечность теплоизоляционного слоя влияют в большей или меньшей степени все вышеперечисленные свойства теплоизоляционных материалов. На долговечность влияют также химическая стойкость теплоизоляционного материала (это, как правило, следует учитывать при выборе материалов для утепления покрытий производственных зданий), способность выдерживать многократные циклы размораживания-замораживания (переход через 0º С) и его биологическая стойкость. НегорючестьТеплоизоляционный материал для применения в покрытиях выбирается с учётом его горючести, способности к дымообразованию и возможности выделения токсичных газов при горении. Выбор теплоизоляционного материала определяется с учётом требований СНиП на кровли, пожарную безопасность и т. д.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов — Справочник химика 21

    Низкая теплопроводность. Теплоизоляционные материалы разделяются на четыре группы по величине [c.189]

    Из приведенных данных видно, что величина Я для различных материалов изменяется в широких пределах это в значительной мере определяет их назначение. Низкая теплопроводность теплоизоляционных материалов объясняется их пористой структурой, в ячейках которой заключен воздух, плохо проводящий тепло. Для большинства металле коэффициенты теплопроводности с возрастанием температуры уменьшаются, тогда как для газов они возрастают. [c.113]


    Эмпирические формулы для вычисления теплопроводности теплоизоляционных материалов в зависимости от температуры [c. 344]     Коэффициент Ь для различных теплоизоляционных материалов имеет величину порядка (2,0ч-4,0) 10 1/град, т. е. при изменении температуры на 100°С коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов изменяется от 20 до 40% [c.85]

    Измерение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов при низких температурах основано на определении массы испарившейся криогенной жидкости (например, жидкого кислорода или азота) в результате подвода тепла к образцу теплоизоляции. Этот способ используется для определения коэффициента теплопроводности. как при атмосферном давлении, так и в условиях вакуума [81—84]. [c.55]

    Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов возрастает с увеличением давления в большинстве случаев быстрее [19, 20, 123], чем это следует из уравнения (13). Авторы работы [123] пытаются объяснить это влиянием конвекции. Действительная причина заключается в сложной структуре изоляционных материалов, не дающей возможности описать перенос тепла в них газом при использовании лишь одного характеристического размера — среднего диаметра пор. Коэффициент теплопроводности зернистых теплоизоляционных материалов, зерна которых имеют пористую структуру, может быть вычислен по уравнению (30) с использованием уравнений (33) — (35). Более простую формулу, применимую к любым теплоизоляционным материалам, можно получить на основе следующих соображений. [c.91]

    Из табл. 10-6 следует, что в интервале температур от 30 до 75° С коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов изменяется незначительно. При [c.440]

    Влиянием конвекции и лучеиспускания в процессе передачи теплоты через теплоизоляционный материал объясняется возрастание коэффициента теплопроводности к с повышением температуры. На это указывают и данные табл. 3.1, по которым можно судить и о том, что в крупных порах теплопроводность воздуха растет при повышении температуры значительно быстрее. Повышение температуры вызывает и рост радиационного теплообмена, поскольку излучение пропорционально четвертой степени абсолютной температуры. Однако, как следует из опытных данных, коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов находится примерно в линейной зависимости от температуры, т. е. [c.64]

    Коэффициент Ь для различных материалов имеет величину (2- 4) 10 К , а потому теплопроводность теплоизоляционных материалов соответственно изменяется от 20 до 40% на каждые 100 К повышения или понижения температуры. Для низкотемпературных установок это свойство материалов оказывается весьма положительным. [c.64]

    Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов сильно зависит от их объемной массы, а также давления и температуры. На рис. 224 приведены кривые значений коэффи- [c.522]

    Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов сильно зависит от их объемной массы, а также давления и температуры. На рис. 10.1 приведены кривые, характеризующие коэффициенты теплопроводности некоторых изоляционных материалов .[c.511]

    Теплопроводность теплоизоляционных материалов в большой мере определяется соотношением между количеством воздуха (газа), находящегося внутри пор и имеющего достаточно низкий коэффициент теплопроводности (0,02 ккал) м-час-град), и количеством твердого вещества изоляции, коэффициент теплопроводности которого зависит от материала теплоизоляции. [c.38]

    Материалы для тепловой изоляции имеют пористое строение, благодаря чему обладают малой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью. Теплоизоляционные материалы классифицируются (ГОСТ 16381—70) по структуре, форме, виду сырья, объемной массе, сжимаемости, теплопроводности. [c.35]


    По величине теплопроводности теплоизоляционные материалы классифицируют следующим образом  [c.314]

    Величины расчетных коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов [c. 78]

    Величина коэффициентов теплопроводности газов на порядок меньше теплопроводности жидкостей. Поэтому газы обладают самой низкой теплопроводностью из всех веществ. Низкий коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов (диатомито вые земли, шлаковая вата, торф, пробка) обусловливается их пористостью. Поэтому тепловой поток в таких материалах является в основном процессом теплопередачи через воздух, заключенный в порах. Твердое вещество таких материалов не позволяет воздуху приходить в состояние движения от разности температур, а тем самым и предотвращает передачу дополнительного количества тепла конвективными токами. Закон Фурье для процессов теплопередачи весьма напоминат закон Ома для электрического тока. В этом можно легко убедиться, если уравнение (1-6) написать в следующей форме  [c.27]

    В 1960 г. И. И. Перелетов [120] разработал комплексный метод измерения температурной зависимости коэффициентов температуропроводности и теплопроводности теплоизоляционных материалов в режиме монотонного нагрева. И. И. Перелетов рассматривал температурное поле монотонно нагреваемого полого цилиндра, занолненного исследуемым веществом. Полый цилиндр играл роль оболочки тепломера и выполнялся из материала с известными теплофизическими свойствами. При решении задачи учитывалась нелинейность разогрева, а теплофизические свойства образца и оболочки принимались постоянными. В процессе нагрева измерялся перепад температуры на образце и на внешнем цилиндре. Метод измерения коэффициента температуропроводности совпадает с методом О. А. Краева, а метод измерения теплоемкости практически не отличался от методов диатермической оболочки Ю. П. Барского. К недостаткам метода следует отнести низкую точность определения теплофизических характеристик оболочки, трудность обеспечения равномерного потока на поверхности наружного цилиндра и сложность расчетных фор- [c.35]

    Представленные в этом разделе данные о теплопроводности некоторых материалов, обычно используемых в низкотемпературной аппаратуре, взяты главным образом из обзорной статьи Пауэлла и Блэнпайда. В разделе помещены также некоторые более поздние данные. Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных материалов можно найти в гл. 5, посвященной изоляции. [c.381]


Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов

Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является теплопроводность. Почти у всех есть понимание, что чем она меньше, тем лучше. Но что означает этот термин и что он нам дает? Как сравнить два типа изоляции, используя этот параметр? Предлагаем разобраться

Что такое коэффициент теплопроводности?

Согласно определения в своде правил СП 61.13330.2012:

Коэффициент теплопроводности — количество тепла, которое передается за единицу времени на единицу площади поверхности при температурном градиенте (изменении температуры), равном единице. Обозначается символом λ (лямбда), единица измерения Вт/(м·К).

Само свойство теплопроводности определяет способность материалов передавать тепловую энергию от более горячего тела к более холодному.

От чего зависит коэффициент?

При изучении данной характеристики было определено, что существует зависимость коэффициента теплопроводности от температуры и других параметров:

  • параметров состояния — температуры, давления
  • свойств — плотность, влажность, структуры

При изменении данных свойств и параметров меняется и теплопроводность.

Обозначение λ0 определяет коэффициент теплопроводности, который получен при испытаниях при температуре 0 °С. При этом температура является среднеарифметическим значением от: (температура на внешней поверхности изоляционного материала + температура на изолируемой поверхности)/2.

По аналогии λ20 — это коэффициент полученный при проведении замеров при температуре 20 °С.

Как это использовать на практике?

Данная характеристика позволяет определить возможность использования теплоизоляции в определенных условиях. Кроме того, Вы можете сравнивать различные виды теплоизоляционных материалов и выбирать наиболее подходящий.

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов

1. Вспененный полиэтилен. Сравнивая продукцию из вспененного полиэтилена можно определить, что при температуре 10 °С минимальным коэффициентом теплопроводности будет обладать теплоизоляция ALMALEN — 0.032 Вт/мК — 0.034 Вт/мК. Это наименьший показатель в данном классе.

2. Вспененный каучук. В данной группе теплоизоляции можно выделить AF/Armaflex — для неё λ0 ºC ≤ 0,033 Вт/(м·К).

3. Базальтовый утеплитель. При выборе материалов из базальтовой ваты, стоит обратить внимание на Цилиндры Paroc HVAC Section AluCoat T — λ10 ºC ≤ 0,034 В/(м·К).

Правильно ли сравнивать только по λ?

Прежде всего стоит сравнивать показатели, определенные при одной температуре. Существуют различные стандарты определения коэффициента. Могут отличаться «стандартные тепловые режимы»: согласно ГОСТ 7076-99 показатель определяется при 25 °С, а при использовании европейского стандарта EN 12667:2001, нормой является 10 °С.

Также учитывайте планируемые условия эксплуатации материала: влажность, возможное воздействие пара, наличие критических перепадов температуры и так далее.

Изоляционные материалы — Коэффициент теплопроводности

Для металлов, щироко применяемых в конденсаторах и других теплообменных аппаратах, а также для изоляционных материалов, значения коэффициента теплопроводности I приведены ниже для температур стенки О—300° С, причем последние значения относятся к большим температурам  [c.13]

Теплопроводностью называют способность материала проводить тепло. Теплопроводность важна для футеровок, имеющих органический изоляционный подслой (рубероид, полиизобутилен, резина и др.), который должен быть защищен броневой футеровкой от высоких температур. Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности, который показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 поверхности материала толщиной  [c. 8]


При применении перечисленных материалов усредненный коэффициент теплопроводности изоляционного слоя в сухом состоянии определяется по формуле  [c.330]

В качестве изоляционных материалов в технике низких температур используются в основном волокнистые, зернистые и ячеистые материалы. Их коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,02— —0,05 Вт/(м-К).  [c.70]

Плотность р, коэффициент теплопроводности конструкции % и предельная температура применения t основных изоляционных материалов и изделий [24]  [c.260]

Если исследуется изоляция, состоящая из нескольких слоев различных материалов, то по формуле будет определяться эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной изоляционной стенки.  [c.520]

Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов имеет значения в пределах 0,023— 2,9 Вт/(м-К) и возрастает с увеличением температуры (рис. 14.9). Строительные и изоляционные материалы, как правило, представляют собой пористые, волокнистые или зернистые материалы, сухие или насыщенные влагой, т. е. являются такими телами, которые принято называть гетерогенными. Для таких тел в обычном определении коэффициент теплопроводности неприменим, так как X для этих тел зависит не только от свойств материала, составляющего основу — скелет , но и от пористости и влажности. Для гетерогенных тел применяется понятие эффективного коэффициента теплопроводности.  [c.206]

Рис, 14.9. Зависимость коэффициента теплопроводности строительных и изоляционных материалов от температуры  [c.207]

Можно опытным путем определять значения коэффициента теплопроводности Я для изоляционных материалов при невысоких температурах (до 300° С), пользуясь прибором, изображенным на схеме (рис. 11-10). Исследуемый материал помещают на наружной поверхности трубы длиной 1,5 м (чтобы избежать влияния торцов). Внутри  [c. 145]

Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с низкой теплопроводностью. Однако собственно изоляционными обычно называют такие материалы, коэффициент теплопроводности которых при температуре 50—100° С меньше 0,2 Вт/(м-°С). Многие изоляционные материалы берутся в их естественном состоянии, например асбест, слюда, дерево, пробка, опилки, торф, земля и др., но большинство их получается в результате специальной обработки естественных материалов и представляет собой различные смеси. В зависимости от технологии обработки или процентного состава отдельных компонентов теплоизоляционные свойства материалов меняются. К сыпучим изоляционным материалам почти всегда добавляются связующие материалы, которые ухудшают изоляционные свойства.  [c.200]

До сих пор мы говорили об изоляционных свойствах отдельных материалов. Но когда материал наносится на объект, то вследствие примесей и способа нанесения изоляционные свойства материала меняются. В этом случае правильное представление об изоляции дает не коэффициент теплопроводности материала, а коэффициент теплопроводности всей конструкции в целом, который для практики имеет большее значение. Приближенно коэффициент теплопроводности конструкции определяется расчетным путем. Однако точное его значение можно определить лишь путем опыта. Последнее можно сделать как в лаборатории, так и в промышленных условиях. Для расчета тепловой изоляции применяются обычно формулы теплопередачи, которые подробно были рассмотрены выше все сказанное там относительно их упрощений полностью сохраняет силу и здесь. При расчете изоляции следует придерживаться следующего порядка. Сначала устанавливаются допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции. Затем выбирают сорт изоляции и, задавшись температурой на поверхности изоляции, определяют среднюю температуру последней по которой определяется соответствующее значение коэффициента теплопроводности Я з. При расчете изоляции термическим сопротивлением теплоотдачи от горячей жидкости к стенке и самой стенки можно пренебречь. Тогда температуру изолируемой поверхности можно принять равной температуре горячей жидкости. Зная температуры на внутренней и внешней поверхностях изоляции и коэффициент теплопроводности, определяют требуемую толщину изоляции б з. После этого производится поверочный расчет и определяются значения средней температуры изоляционного слоя и температуры на поверхности. Если последние от предварительно принятого значения отличаются существенно, то весь расчет повторяют снова, задавшись новым  [c.217]


Коэффициент теплопроводности применяемых в настоящее время изоляционных материалов колеблется от 0,06 до 0,15 ккал м ч град.  [c.165]

Изобарический процесс 47 Изображение в оптической системе — Построение 231 Изоляционные. материалы — Коэффициент теплопроводности 119  [c.540]

Коэффициенты теплопроводности некоторых изоляционных и обмуровочных материалов  [c.138]

Коэффициент теплопроводности обмуровочных и изоляционных материалов определяется в зависимости от рабочей температуры но обш,ей формуле  [c.80]

Теплопроводность металлов мало меняется при изменении температуры, а коэффициент теплопроводности строительных и изоляционных материалов несколько увеличивается с повышением температуры.  [c.19]

Как показывает численный расчет, применение холодильной изоляции с внутренними теплоотводами при постоянном коэффициенте теплопроводности энергетически целесообразно при температурах кипения азота и более низких. Однако коэффициент теплопроводности реальной изоляции существенно зависит от температуры. Анализ данных по температурной зависимости коэффициента теплопроводности различных изоляционных материалов, применяемых в криогенной технике, показывает, что функцию % Т) можно при приближенных расчетах представить как  [c.35]

Определить температуру на границах слоев трехслойной изоляции трубы. Наружный диаметр грубы d==245 мм, толщина слоев 6i = 80 мм, бг=50 мм и бз = 30 мм. Коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов Л[ = 0,03, Яг = 0,06 и Хз = = 0,12 Вт/(м-К). Температура на поверхности трубы 250°С и на наружной поверхности изоляции 65°С.  [c.93]

Для поддержания стабильного температурного режима в трубах в качестве изоляционного материала рекомендуют синтетические материалы — пенопласты [24]. Они имеют незначительный коэффициент теплопроводности (Я = 0,03—0,05 ккал м-ч-град), малый удельный вес (- 0,8) и большую механическую прочность. Их применение позволит снизить перепад температуры до 6,5 град на глубине 1000 м.  [c.391]

Ввиду наличия тепловых мостиков, прорезающих изоляцию и увеличения коэффициента теплопроводности основного изоляционного слоя за счет приклеивающих материалов, расчетное значение среднего коэффициента теплопередачи необходимо увеличить на 15—20%.  [c.74]

Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности некоторых изоляционных материалов  [c.31]

Для экспериментального исследования коэффициента теплопроводности некоторых материалов, пригодных к использованию в качестве изоляционной подложки, был  [c.31]

Определить температуру на границах слоев трехслойной изоляции трубы. Наружный диаметр трубы =245 мм. Толщины слоев и коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов соответственно равны 61 = 100 мм, бг=20 мм и бз=30 мм-, Я,1=0,03, >,2=0,06 и Хз=0,12 вт1 м-град). Температуры наружной поверхности трубопровода 250 °С, а изоляции 65 °С.  [c.89]

Как показывает расчет, применение холодильной изоляции с внутренними теплоотводами при постоянном коэффициенте теплопроводности энергетически целесообразно при температуре кипения азота и прк более низких температурах. При поддержании в холодильных камерах умеренно низких температур (даже около —100°С) рассматриваемая система не дает заметной экономии энергии. Однако коэффициент теплопроводности реальной изоляции существенно зависит от температуры. Анализ данных о температурной зависимости коэффициента теплопроводности различных изоляционных материалов. применяемых в криогенной технике, показывает, что функцию Я (Г) для приближенных расчетов можно представить как  [c.59]


Пропиточные лаки применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью цементации их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. Покровные лаки позволяют создать защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначены для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями с целью получения слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микалента и др.).  [c.29]

Изоляционные материалы — Коэффициент теплопроводности 2—119 — Объемный вес 2 — 119 — Свойства  [c.425]

Изменение коэффициента теплопроводности изоляционного слоя от температуры принимается как линейное, причем степень возрастания коэффициента теплопроводности с температурой для разных материалов различна. Для удобства в расчетах изоляции принято определять коэффициент теплопроводности изоляционного слоя по температуре, являющейся среднеарифметической из температур на граничных поверхностях, изоляционного слоя  [c.219]

При изоляции поверхностей с отрицательными температурами изоляционный материал обычно не бывает сухим, как при изоляции горячих поверхностей. В лучшем случае он будет иметь нормальную гигроскопическую влажность. Наличие влаги существенно ухудшает теплоизолирующие свойства материала, увеличивая его коэффициент теплопроводности. Если при этом влага замерзает, коэффициент теплопроводности изоляции возрастает еще более. Поэтому в расчетах тепловой изоляции объектов с отрицательными температурами следует применять для изоляционного слоя значения из. учитывающие влияние гигроскопической влаги. Кроме того, изоляционная конструкция в большей или меньшей степени включает в себя материалы, увеличивающие ее теплопроводность (клеи, пароизоляционные слои и пр.). В табл. 24 приведены расчетные значения коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных изоляционных конструкций, учитывающие гигроскопическую влагу и дополнительные материалы.  [c.279]

Величина X оказывается весьма различной для разных материалов стенки и более или менее значительно зависит от температуры. Как показывает табл. 2-1, коэффициент теплопроводности наиболее высок у металлов, значительно ниже у неметаллических строительных материалов и достигает особенно низких значений у пористых материалов, применяемых специально для тепловой изоляции. Малая теплопроводность, т. е. хорошие изоляционные качества в последнем случае связаны с наличием пор, заполненных воздухом, теплопроводность которого весьма низка поэтому коэффициент теплопроводности пористых изоляционных материалов, как правило, тем меньше, чем ниже их объемный вес. Значения X для воздуха приведены в 2-5 (табл. 2-4).  [c.96]

Тепловой изо.шцией нспыстот любое покрытие, способствующее уменьшению теплового потока через данную поверхность. В качестве изоляционных применяют материалы как органического, так и неорганического происхождения с коэффициентом теплопроводности 0,35—0,015 Вт/(м-К).  [c.233]

Ассортимент изоляционных материалов разнообразен. Многие из них носят специальные названия, например шлаковая вата, зоно-лит, асбозурит, асбослюда, ньювель, совелит и др. Шлаковая вата получается из шлака, который расплавляется и затем паровой струей разбрызгивается. Зонолит получается из вермикулита (сорт слюды) путем прокаливания его при температуре 700—800° С. Асбослюда представляет собой смесь асбеста и слюдяной мелочи. Совелит является продуктом химического производства. Широкое применение получила так называемая альфольевая изоляция. В качестве изоляции здесь используется воздух, и вся забота сводится к уменьшению коэффициента конвекции и снижению теплоотдачи излучением путем экранирования алюминиевой фольгой (см. рис. 6-11). Коэффициент теплопроводности материалов в сильной мере зависит от их пористости. Чем больше пористость, тем меньше значение эффективного коэффициента теплопроводности. О пористости материала можно судить по величине его плотности, с увеличением пористости плотность материала уменьшается.  [c.200]

До сих пор мы говорили об изоляционных свойствах отдель-1ЫХ материалов. Но когда материал наносится на объект, то вслед-твие примесей и способа нанесения изоляционные свойства материала меняются. В этом случае правильное представление об изо- яции дает не коэффициент теплопроводности материала, а коэф-)ициент теплопроводности всей конструкции в целом, который для рактики имеет большее значение. Приближенно коэффициент те-лопроводности конструкции определяется расчетным путем. Одна-  [c.201]

Днхлордифторметан — Коэффициент теплопроводности 190 Дициан — Температура кипения 67 Диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов относительная 463  [c.709]

Кроме того, материалы должны иметь определенные значения коэффициентов теплопроводности и электрической проводимости — высокие значения для проводников, низкие или близкие к нулю значения для изоляционных материлов и строго заданные значения для резисторов, полупроводников и транзисторов коэффициент теплового расширения, который, исключая некоторые специальные случаи, должен быть по возможности низким хорошие фрикционные свойства для материалов, которые будут работать на износ или будут использованы для таких конструкций и частей, как оси, подшипники, шпонки и ползуны.  [c.7]

Приведенными выше примерами не исчерпываются возможности использования новой технологии транспорта жидкости на большие расстояния по трубопроводам. Особенно перспективным может оказаться использование предложенного способа при транспорте в трубопроводах на большие расстояния (сотни и тысячи километров) сжиженного газа. При обычном транспорте сжиженного газа в переохлажденном состоянии по двухстенным трубопроводам в изоляционном зазоре образуется слой, в котором происходит конденсация газа, что приводит к повышению коэффициента теплопроводности изоляции, к конвекции в ней, снижению надежности работы двухстенного трубопровода. С этим борются с помощью размещения на наружной поверхности внутреннего трубопровода малотеплопроводного твердого материала, в котором происходит необходимое повышение температуры до температуры насыщения. Ввиду высокого значения коэффициента теплопроводности твердых материалов по сравнению с тешюпроводностью газов применение твердого материала приводит к увеличению диаметра наружного трубопровода, усложнению конструкции. При использовании новой технологии можно совместить способ транспорта сжиженного природного газа в двухстен-  [c.144]


Конструкции изоляции холодильников должны обеспечивать непрерывность изоляционного и пароизоляционного слоя. Объемный вес конструкций не должен превышать 300 кг м , коэффициент теплопроводности не более 0,07 ккал м час град. Применяемые для изоляции холодильников теплоизоляционные материалы должны быть негигроскопичны, невлагоемки и без запаха. Применение волокнистых материалов не допускается во избежание попадания волокон в пищевые продукты, также неприменимы материалы, съедобные для грызунов.  [c.314]

В зависимости от изменения температуры значения к для разных материалов изменяются по-разному. Так, например, при повышении температуры величина к чистых металлов падает, а к сплавов, строительных и изоляционных материалов растет. В технических расчетах величину коэффициента теплопроводности к обычно прини . ают постоянной соответственно среднему значению интервала температур.  [c.100]

Каждый материал испытывают не ме,нее чем при трех различных температурах. На основе полученных значений коэффициента теплоправодности строят график зависимости коэффициента теплопроводности изоляционного материала от его средней температуры. Для теплоизоляционных материалов эта зависимость выражена прямой линией и ее можно вычислить следующим образом  [c.86]

Расчетные формулы для определения коэффициентов теплопроводности различных типов тепловой изоляции при положительных температурах приведены в та1бл. 2. Эти формулы учитывают влияние шовности И вепомогателшых крепежных элементов, а также уплотнение материалов в изоляционном слое.  [c.252]

По величине коэффициента теплопроводности изоляционных материалов конструкции условно подразделяют на конструкции из высокоэффективных материалов (с не выше 0,07 ккал/м час град), среднеэффективных (с 0,07 до 0,1 ккал/м час град) и низкоэффективных (с X выше 0,1 ккал/м час град).  [c.60]


Теплопроводность изоляционных материалов — Энциклопедия по машиностроению XXL

Коэфициенты теплопроводности изоляционных материалов при низких температурах  [c.484]

Коэфициенты теплопроводности изоляционных материалов при высоких температурах [42] и [60]  [c.485]

Прибор для исследования теплопроводности изоляционных материалов до температур 300° С. Прибор (рис. 1-13) представляет собой металлическую цилиндрическую трубу 1, на наружной поверхности которой помещается, исследуемый слой изоляционного материа-3 35  [c.35]

Как видно из данных табл. 5.3 и 5.4, теплопроводность изоляционных материалов на порядок ниже огнеупорных, однако механические свойства неизмеримо выше у огнеупоров. Поэтому в современных катодных устройствах применяют комбинированную (сэндвичевую) изоляцию, у которых верх-  [c.179]


Теплопроводность изоляционных материалов, используемых в отечественных термогенераторах [9]  [c.157]

Отметим, что для ряда сферических металлических порошков, несмотря на высокую теплопроводность основы, эффективная теплопроводность неуплотненной заготовки очень низка, что объясняется незначительной площадью контакта. Показано, что теплопроводность таких систем сравнима с теплопроводностью изоляционных материалов. Однако по мере разупрочнения материала основы при нагреве и уплотнения под  [c.133]

Определить температуру на границах слоев трехслойной изоляции трубы. Наружный диаметр грубы d==245 мм, толщина слоев 6i = 80 мм, бг=50 мм и бз = 30 мм. Коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов Л[ = 0,03, Яг = 0,06 и Хз = = 0,12 Вт/(м-К). Температура на поверхности трубы 250°С и на наружной поверхности изоляции 65°С.  [c.93]

Определить температуру на границах слоев трехслойной изоляции трубы. Наружный диаметр трубы =245 мм. Толщины слоев и коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов соответственно равны 61 = 100 мм, бг=20 мм и бз=30 мм-, Я,1=0,03, >,2=0,06 и Хз=0,12 вт1 м-град). Температуры наружной поверхности трубопровода 250 °С, а изоляции 65 °С.  [c.89]

Плотность р, коэффициент теплопроводности конструкции % и предельная температура применения t основных изоляционных материалов и изделий [24]  [c.260]

Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов имеет значения в пределах 0,023— 2,9 Вт/(м-К) и возрастает с увеличением температуры (рис. 14.9). Строительные и изоляционные материалы, как правило, представляют собой пористые, волокнистые или зернистые материалы, сухие или насыщенные влагой, т. е. являются такими телами, которые принято называть гетерогенными. Для таких тел в обычном определении коэффициент теплопроводности неприменим, так как X для этих тел зависит не только от свойств материала, составляющего основу — скелет , но и от пористости и влажности. Для гетерогенных тел применяется понятие эффективного коэффициента теплопроводности.  [c.206]

Рис, 14.9. Зависимость коэффициента теплопроводности строительных и изоляционных материалов от температуры  [c.207]

Для изоляционных и огнеупорных материалов % при повышении температуры возрастает. Это объясняется тем, что большинство изоляционных материалов не представляет собой монолитной массы, а является пористым телом — конгломератом отдельных частиц с воздушными прослойками между ними, вследствие чего теплопроводность уменьшается. Однако при лучистом теплообмене, происходящем в этих прослойках эффективная теплопроводность (с учетом излучения) увеличивается при повышении температуры пористого тела.  [c.264]


В изоляционных материалах, в которых практически отсутствуют свободные электроны, единственным способом переноса энергии могут быть колебания атомов и молекул и вызванные ими процессы рассеяния. В физике такие тела рассматриваются как системы, состоящие из квазичастиц — фононов различной частоты и энергии. В полупроводниковых кристаллических материалах наряду с электронами в процессе теплопроводности участвуют и фононы.  [c.163]

Можно опытным путем определять значения коэффициента теплопроводности Я для изоляционных материалов при невысоких температурах (до 300° С), пользуясь прибором, изображенным на схеме (рис. 11-10). Исследуемый материал помещают на наружной поверхности трубы длиной 1,5 м (чтобы избежать влияния торцов). Внутри  [c.145]

Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с низкой теплопроводностью. Однако собственно изоляционными обычно называют такие материалы, коэффициент теплопроводности которых при температуре 50—100° С меньше 0,2 Вт/(м-°С). Многие изоляционные материалы берутся в их естественном состоянии, например асбест, слюда, дерево, пробка, опилки, торф, земля и др., но большинство их получается в результате специальной обработки естественных материалов и представляет собой различные смеси. В зависимости от технологии обработки или процентного состава отдельных компонентов теплоизоляционные свойства материалов меняются. К сыпучим изоляционным материалам почти всегда добавляются связующие материалы, которые ухудшают изоляционные свойства.  [c.200]

Изоляционные материалы, применяемые для изотермических вагонов, должны обладать слег дующими свойствами 1) низким коэфициентом теплопроводности 2) минимальным объёмным весом 3) сопротивляемостью разрушению при тряске, вибрациях и ударах, возникающих прр ходе вагона 4) огнестойкостью и стойкостью  [c.665]

Коэффициент теплопроводности применяемых в настоящее время изоляционных материалов колеблется от 0,06 до 0,15 ккал м ч град.  [c.165]

Для металлов, щироко применяемых в конденсаторах и других теплообменных аппаратах, а также для изоляционных материалов, значения коэффициента теплопроводности I приведены ниже для температур стенки О—300° С, причем последние значения относятся к большим температурам  [c.13]

Изобарический процесс 47 Изображение в оптической системе — Построение 231 Изоляционные. материалы — Коэффициент теплопроводности 119  [c.540]

Коэффициент теплопроводности обмуровочных и изоляционных материалов определяется в зависимости от рабочей температуры но обш,ей формуле  [c.80]

Рис. 3.24. Теплопроводность «к изоляционных материалов в зависимости от температуры
Теплопроводность металлов мало меняется при изменении температуры, а коэффициент теплопроводности строительных и изоляционных материалов несколько увеличивается с повышением температуры.  [c.19]

Бегункова А. Ф. Прибор для быстрых испытаний теплопроводности изоляционных материалов. — Заводская лаборатория , 1952, т. XVIII, № Ш, с. 1260—1262.  [c.327]

Однако для материалов со значительной пористостью эта формула может привести к заметным погрешностям. Например, для некоторых сферических металлических порошков, несмотря на высокую теплопроводность материала основы, эффективная теплопроводность очень низка, что объясняется очень малой площадью контакта между частицами. Теплопроводность таких материалов бл изка к теплопроводности изоляционных материалов [47]. При увеличении плотности теплопроводность может увеличиться на порядок. Так, при изменении плотности порошка никелевого сплава от 0,65 до 0,85 и температуры от нуля до 1000° С теплопроводность увеличивается в 20 раз. Такая зависимость может быть аппроксимирована функцией  [c.133]

По величине коэффициента теплопроводности изоляционных материалов конструкции условно подразделяют на конструкции из высокоэффективных материалов (с не выше 0,07 ккал/м час град), среднеэффективных (с 0,07 до 0,1 ккал/м час град) и низкоэффективных (с X выше 0,1 ккал/м час град).  [c.60]


Метод циклов для комплексного определения ТФХ и его теория. При расчете любого технологического процесса необходимо знать ТФХ сырья, полупродуктов, готового продукта, конструкционных и изоляционных материалов теплопроводность %, теплоемкость с или ср, температуропроводность а и теплоусвояемость Ь, а также энтальпию I. Все эти характеристики не являются для продуктов различных технологий свойствами в строгом понимании этого слова, к истинной теплопроводности добавляется перенос  [c.47]

Ассортимент изоляционных материалов разнообразен. Многие из них носят специальные названия, например шлаковая вата, зоно-лит, асбозурит, асбослюда, ньювель, совелит и др. Шлаковая вата получается из шлака, который расплавляется и затем паровой струей разбрызгивается. Зонолит получается из вермикулита (сорт слюды) путем прокаливания его при температуре 700—800° С. Асбослюда представляет собой смесь асбеста и слюдяной мелочи. Совелит является продуктом химического производства. Широкое применение получила так называемая альфольевая изоляция. В качестве изоляции здесь используется воздух, и вся забота сводится к уменьшению коэффициента конвекции и снижению теплоотдачи излучением путем экранирования алюминиевой фольгой (см. рис. 6-11). Коэффициент теплопроводности материалов в сильной мере зависит от их пористости. Чем больше пористость, тем меньше значение эффективного коэффициента теплопроводности. О пористости материала можно судить по величине его плотности, с увеличением пористости плотность материала уменьшается.  [c.200]

Коафициенты теплопроводности некоторых строительных и изоляционные материалов [42] [60] ккал  [c.484]

Изоляционные материалы должны обладать следующими основными свойствами низким и постоянным коэфициентом теплопроводности высокой точкой плавления постоянством состава при нагревании до высоких температур небольшим объёмным весом и связанными с этим высокой пористостью при возможно меньшем размере самих пор безвредностью для изолируемого металла нечувствительностью к атмосферным влияниям минимальной влагоём-костью и гигроскопичностью (в холодильных установках).  [c.346]

Изоляционные материалы Коэфициент теплопроводности в ккалм м час С Объёмный вес в K2 M  [c.666]

Днхлордифторметан — Коэффициент теплопроводности 190 Дициан — Температура кипения 67 Диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов относительная 463  [c.709]

Приведенными выше примерами не исчерпываются возможности использования новой технологии транспорта жидкости на большие расстояния по трубопроводам. Особенно перспективным может оказаться использование предложенного способа при транспорте в трубопроводах на большие расстояния (сотни и тысячи километров) сжиженного газа. При обычном транспорте сжиженного газа в переохлажденном состоянии по двухстенным трубопроводам в изоляционном зазоре образуется слой, в котором происходит конденсация газа, что приводит к повышению коэффициента теплопроводности изоляции, к конвекции в ней, снижению надежности работы двухстенного трубопровода. С этим борются с помощью размещения на наружной поверхности внутреннего трубопровода малотеплопроводного твердого материала, в котором происходит необходимое повышение температуры до температуры насыщения. Ввиду высокого значения коэффициента теплопроводности твердых материалов по сравнению с тешюпроводностью газов применение твердого материала приводит к увеличению диаметра наружного трубопровода, усложнению конструкции. При использовании новой технологии можно совместить способ транспорта сжиженного природного газа в двухстен-  [c.144]

Т и м р о т Д. Л. Определение теплопроводности строительных и изоляционных материалов. НКПС — Энергоиздат, 1932,  [c.407]


Теплопроводность теплоизоляции и ППУ

Что такое теплопроводность теплоизоляционных материалов и какую роль эта характеристика играет при выборе теплоизоляции?

Теплопроводность теплоизоляционных материалов – главная характеристика утеплителя

На рынке строительных материалов выбор утеплителя впечатляет своим разнообразием не только обывателей, но и профессионалов. Всю продукцию визуально можно разделить на два основных типа: рулоны и плиты. Однако простота монтажа – не главный критерий при выборе продукции. Основным параметром является теплопроводность теплоизоляционных материалов, демонстрирующая их способность пропускать тепло. Чем ниже этот показатель, тем лучше термическое сопротивление конструкции. Численным выражением теплопроводности теплоизоляционных материалов является коэффициент, определяющий количество тепла, способное пройти за один час образец утеплителя площадью 1 кв.м. и толщиной в 1 м. Условием проведения эксперимента для его определения является разность температур между поверхностями теплоизоляции в 1ºС. В технической и справочной документации этот коэффициент получил буквенное обозначение λ и имеет размерность в Вт/(м•°С). Чем ниже коэффициент λ, тем меньше утеплителя понадобиться по толщине для достижения определенных теплотехнических характеристик, рассчитанных проектировщиками для данного климатического района.

На фото наглядно видно, что толщина панелей для внешних стен с наполнителем из полиуретана составляет 10 – 15 см. Благодаря низкой теплопроводности материала этого достаточно для комфортного проживания.


Сравнение теплопроводности теплоизоляционных материалов

Определить, как утеплитель станет надежным барьером на пути тепла, которое стремиться покинуть помещение, можно с помощью анализа коэффициентов теплопроводности. Для большей наглядности производить сравнение можно на фоне теплотехнических характеристик основных общестроительных материалов. Соотношение между толщиной материала, обеспечивающей нормативные показатели теплозащиты, к коэффициенту теплопроводности называется сопротивлением теплопередачи и обозначается R. Для каждого региона он имеет свою величину, так для Москвы R=3,16. Используя этот коэффициент, можно рассчитать оптимальную толщину строительного материала и утеплителя, необходимую для соответствия нормам по теплозащиты.
















































































МатериалТеплопроводность
λБ Вт/мºС
Толщина, см
Железобетон2.04644
Кирпич керамический0.81255
Кирпич керамический пустотный0.52164
Ячеистый бетон плотность 1000 кг/куб.м0.394
Сосна, Ель
0.18
56
Газобетон плотностью 400 кг/куб.м0.1038
Пенополистирол плотностью 40 кг/куб.м.0.0515.8
Пенополиэтилен плотностью 30 кг/куб.м.0.515.8
Утеплитель из базальтового волокна плотностью 45 кг/куб.м.0.04514.2
Минераловатный утеплитель из стекловолокна0.04112.9
Пенополипропилен0.0412.6
Пенополиуретан плотностью 60 кг/куб.м0.03210.1
Экструдированный пенополистирол0.0299.1
Пенополиуретан плотностью 25 кг/куб.м.0.0185.7

Из таблицы наглядно видно, что плита из пенополиуретана толщиной всего 6 см, плотностью 25 кг/куб.м может заменить собой полтора метра стены из керамического пустотелого кирпича.

На схеме наглядно изображено различие между толщиной строительных и теплоизоляционных материалов, широко используемых при возведении жилых и промышленных зданий. Что выбрать – 25 мм пенополиуретана или 650 мм кирпичной кладки – вопрос риторический.


Преимущество теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью

Использование теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью имеет массу преимуществ. Одно из основных – требуется небольшой объем материала. Если для утепления большинства объектов достаточно плит из пенополиуретана толщиной 40-60 мм, то в случае с пенополистиролом или минераловатным утеплителем потребуется материал, толщиной в 1,5-2,5 раза больше. Это чревато необходимостью использовать более мощные системы направляющих для навесных фасадных материалов, более длинные гибкие связи и кронштейны в процессе облицовки кирпичом. Все это увеличивает стоимость работ. Кроме того, пенополистирол менее долговечный материал, в течение 7-10 лет происходит его деградация и усыхание, что негативно сказывается на теплопроводности.

На фото видно, как происходит облицовка плитами толщиной в 10 см. С учетом зазора лицевая отделка будет отдалена от несущей конструкции на 13-17 см, что потребует длинных гибких связей. В случае с пенополиуретаном было бы достаточно плит 40 — 60 мм, что снизило бы расходы на анкерные системы.

Заменив материал с высоким коэффициентом теплопроводности на теплоизоляцию с низкой теплопроводностью можно при одинаковой толщине добиться более высоких теплотехнических характеристик для внешних конструкций. Как результат – снижение затрат на отопление. Положительно скажется использование утеплителя с небольшим λ и на транспортных расходах, так как для доставки на объект потребуется меньшее количество рейсов грузовых автомобилей.

Теплопроводность термоизоляторов

Clemens JM Lasance Статьи, Керамика, материалы, компаунды, клеи, подложки, полупроводники, технические данные для испытаний и измерений, теплопроводность, теплоизоляторы

Этот выпуск, мы представляем обзор ряда материалов, которые часто используются в качестве теплоизоляционных материалов. Мир был бы намного проще для инженеров-теплотехников, если бы только создатель предоставил нам выбор материалов, показывающих тот же диапазон значений теплопроводности, что и для электропроводности.Увы, это не так. Таким образом, ни один из материалов, с которыми мы должны жить, нельзя назвать термином «изолятор». Самая важная причина, по которой экспериментальная проверка кодов CFD (вычислительная гидродинамика) является катастрофой (за исключением высоких скоростей), заключается в том, что сопряженная теплопередача через опору всегда играет роль. Рассмотрим, например, компонент на подложке в среде с естественной конвекцией. Даже самый лучший изолятор не может предотвратить потери 10% и более.Следовательно, адиабатические поверхности, так любимые численными аналитиками, не могут быть реализованы на практике.

В прилагаемой таблице также указана плотность, поскольку многие изоляторы частично состоят из воздуха. Следовательно, плотность сильно коррелирует с теплопроводностью. Опять же, все значения в таблице определены для комнатной температуры. Из-за наличия воздуха температурная зависимость более сложная, чем для пластиков и каучуков, для которых теплопроводность увеличивается на несколько процентов в диапазоне от 0 до 100 o C.В этом диапазоне электропроводность воздуха увеличивается примерно на 30%. Однако основной путь тепла обычно вымощен пластиком; следовательно, преобладает температурная зависимость пластика. Обратите внимание на тот факт, что у некоторых материалов значение ниже, чем у воздуха. Это может быть реализовано только в том случае, если размер пор, заполненных воздухом, меньше длины свободного пробега молекул воздуха.

Теплопроводность теплоизоляторов при 25 o C
Материал Плотность
(кг / м 3 )
Теплопроводность

(Вт / мК)
Воздух 1.3 0,025
Al 2 O 3 пена 500 0,042
Balsawood 130 0,05
Силикат кальция 240 900 0,051
Одеяло из керамического волокна 128 0,032
Пробка 150 0,043
Бумага Fiberfax 324 0.03
Пеностекло 144 0,035
Microtherm 240 0,021
Полистирол (воздух) 46 0,026
Полистирол (вакуум) 46 0,0081
Полистирол (пенополистирол) 30 0,027
Полиуретан (жесткий) 40 0,032
Полиуретан (гибкий) 60 0.042
Полиуретан (PIR) 160 0,05
Резиновая пена 100 0,042
SiO 2 пена 160 0,055
Вермикулит (вспученный) 300 0,069

Полезный инструмент для получения информации такого типа можно найти в Интернете по адресу www.tak2000.com/data2.htm#thermo

Таблица теплопроводности изоляционного материала | Инженеры Edge

Связанные ресурсы: теплопередача

Таблица теплопроводности изоляционного материала

Теплообменная техника

Таблица теплопроводности различных изоляционных материалов

R-значений на дюйм в единицах СИ и британской системе мер. (Типичные значения являются приблизительными и основаны на среднем значении имеющихся результатов.Диапазоны отмечены знаком «-».

Материал м 2 · К / (Вт · дюйм) футов 2 · ° F · ч / (БТЕ · дюйм) м · К / Ш
Панель с вакуумной изоляцией 7,04! 5,28–8,8 3000! R-30 – R-50
Аэрогель кремнезема 1,76! 1,76 1000! Р-10
Жесткая панель из полиуретана (расширенная CFC / HCFC) начальная 1.32! 1.23–1.41 0700! R-7 – R-8
Жесткая панель из полиуретана (вспененный CFC / HCFC), возраст 5–10 лет 1,1! 1,10 0625! Р-6.25
Панель жесткая полиуретановая (вспененный пентан) начальная 1,2! 1,20 0680! Р-6.8
Жесткая панель из полиуретана (вспененный пентан), возраст 5–10 лет 0,97! 0,97 0550! Р-5.5
Жесткая панель из полиуретана с пленочным покрытием (вспененный пентан) 45-48
Жесткая панель из полиизоцианурата, облицованная фольгой (вспененный пентан) начальная 1,2! 1,20 0680! Р-6.8 55
Жесткая панель из полиизоцианурата, облицованная фольгой (вспененный пентан), возраст 5–10 лет 0,97! 0.97 0550! Р-5.5
Пена для распыления полиизоцианурата 1,11! 0,76–1,46 0430! R-4.3 – R-8.3
Пенополиуритан с закрытыми порами 1.055! 0.97–1.14 0550! R-5.5 – R-6.5
Фенольная пена для распыления 1.04! 0.85–1.23 0480! R-4.8 – R-7
Утеплитель для одежды Thinsulate 1.01! 1.01 0575! Р-5.75
Панели карбамидоформальдегидные 0,97! 0,88–1,06 0500! R-5 – R-6
Пена мочевины 0,924! 0,92 0525! Р-5.25
Экструдированный пенополистирол (XPS) высокой плотности 0,915! 0,88–0,95 0500! R-5 – R-5.4 26-40
Пенополистирол 0.88! 0,88 0500! Р-5.00
Жесткая фенольная панель 0,79! 0,70–0,88 0400! R-4 – R-5
Пена карбамидоформальдегидная 0,755! 0,70–0,81 0400! R-4 – R-4.6
Войлок из стекловолокна высокой плотности 0,755! 0,63–0,88 0360! R-3.6 – R-5
Экструдированный пенополистирол (XPS) низкой плотности 0.725! 0,63–0,82 0360! R-3.6 – R-4.7
Айсинен насыпной (заливной) 0,7! 0,70 0400! Р-4
Формованный пенополистирол (EPS) высокой плотности 0,7! 0,70 0420! Р-4.2 22-32
Пена для дома 0,686! 0,69 0390! Р-3.9
Рисовая шелуха 0.5! 0,50 0300! Р-3.0 24
Стекловолокно 0,655! 0,55–0,76 0310! R-3.1 – R-4.3
Хлопковые войлоки (утеплитель Blue Jean) 0,65! 0,65 0370! Р-3,7
Формованный пенополистирол (ППС) низкой плотности 0,65! 0,65 0385! Р-3.85
Айсинин спрей 0.63! 0,63 0360! Р-3.6
Пенополиуритан с открытыми порами 0,63! 0,63 0360! Р-3.6
Картон 0,61! 0,52–0,7 0300! R-3 – R-4
Войлок из каменной и шлаковой ваты 0,6! 0,52–0,68 0300! R-3 – R-3.85
Целлюлоза сыпучая 0.595! 0,52–0,67 0300! R-3 – R-3.8
Целлюлоза для влажного распыления 0,595! 0,52–0,67 0300! R-3 – R-3.8
Каменная и шлаковая вата сыпучая 0,545! 0,44–0,65 0250! R-2.5 – R-3.7
Стекловолокно насыпное 0,545! 0,44–0,65 0250! R-2.5 – R-3.7
Пенополиэтилен 0.52! 0,52 0300! Р-3
Цементная пена 0,52! 0,35–0,69 0200! R-2 – R-3.9
Перлит сыпучий 0,48! 0,48 0270! Р-2.7
Деревянные панели, например обшивка 0,44! 0,44 0250! Р-2.5 9
Жесткая панель из стекловолокна 0.44! 0,44 0250! Р-2.5
Вермикулит сыпучий 0,4! 0,38–0,42 0213! R-2.13 – R-2.4
Вермикулит 0,375! 0,38 0213! Р-2.13 16-17
Тюков соломы 0,26! 0,26 0145! Р-1.45 16-22
Бетон 0260! Р-2.6-R-3.2
Мягкая древесина (большая часть) 0,25! 0,25 0141! Р-1.41 7,7
Древесная щепа и прочие насыпные изделия из древесины 0,18! 0,18 0100! Р-1
Снег 0,18! 0,18 0100! Р-1
Твердая древесина (большинство) 0.12! 0,12 0071! Р-0,71 5,5
Кирпич 0,03! 0,030 0020! Р-0,2 1,3–1,8
Стекло 0,024! 0,025 0024! Р-0,14
Литой бетон 0,014! 0,014 0008! Р-0,08 0,43-0,87

Пробка

Пробка, вероятно, является одним из старейших изоляционных материалов, используемых в коммерческих целях, а в прошлом она была наиболее широко используемым изоляционным материалом в холодильной промышленности.В настоящее время из-за нехватки деревьев для производства пробки его цена относительно высока по сравнению с другими изоляционными материалами. Поэтому его использование очень ограничено, за исключением некоторых машинных оснований для уменьшения передачи вибрации. Он доступен в виде вспененных плит или плит, а также в виде гранул, его плотность варьируется от 110 до 130 кг / м 3, а среднее механическое сопротивление составляет 2,2 кг / м 2. Его можно использовать только при температуре 65 ° C. Он обладает хорошей теплоизоляционной эффективностью, достаточно устойчив к сжатию и трудно поддается возгоранию.Его основным техническим ограничением является тенденция к поглощению влаги со средней проницаемостью для водяного пара 12,5 г см м -2 день -1 мм рт. Ст. В таблицах A и B приведены некоторые типичные характеристики пробки.

ТАБЛИЦА A
Значения теплопроводности и плотности при 0 ° C стекловолоконной изоляции

Тип

Плотность

Теплопроводность

(кг / м 3)

(Вт · м -1 ° C -1) / (ккал · ч -1 м -1 ° C -1)

Тип I

10-18

0.044 / 0,038

Тип II

19-30

0,037 / 0,032

Тип III

31-45

0,034 / 0,029

Тип IV

46-65

0.033 / 0,028

Тип V

66-90

0,033 / 0,028

Тип VI

91

0,036 / 0,031

Стекловолокно, связанное смолой

64-144

0.036 / 0,031

Источник : Подготовлено авторами на основе данных Melgarejo, 1995.

ТАБЛИЦА B
Значения теплопроводности и плотности пробковой изоляции при 20-25 ° C

Тип

Плотность

Теплопроводность

(кг / м 3)

(Вт · м -1 ° C -1) / (ккал · ч -1 м -1 ° C -1)

Гранулированный сыпучий, сухой

115

0.052 / 0,0447

Гранулированный

86

0,048 / 0,041

Плита пробковая вспененная

130

0,04 / 0,344

Доска пробковая вспененная

150

0.043 / 0,037

Вспененный со смолами / битумом

100-150

0,043 / 0,037

Вспененный со смолами / битумом

150–250

0,048 / 0,041

Источник : Подготовлено авторами на основе данных Melgarejo, 1995.

Связанные ресурсы:

© Copyright 2000-2021, Engineers Edge, LLC www.engineersedge.com
Все права защищены
Отказ от ответственности | Обратная связь | Реклама | Контакты

Дата / Время:

Теплопроводность пенополиуретана

Теплопередача:
  1. Основы тепломассообмена, 7-е издание. Теодор Л. Бергман, Эдриен С.Лавин, Фрэнк П. Инкропера. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
  2. Тепломассообмен. Юнус А. Ценгель. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
  3. Министерство энергетики, термодинамики, теплопередачи и потока жидкости США. Справочник по основам DOE, том 2 из 3, май 2016 г.

Ядерная и реакторная физика:

  1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Эддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс (1983).
  2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. В. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Гласстон, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
  5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
  6. г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
  7. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерного реактора, 1988.
  8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам DOE, том 1 и 2. Январь 1993 г.
  9. Пол Рейсс, нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Advanced Reactor Physics:

  1. К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
  2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
  3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
  4. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

Изоляция чердаков — Введение

Когда вы начнете рассматривать изоляционные материалы, такие как изоляция чердаков, вы можете быстро увязнуть в некоторых довольно сложных технических терминах.В этой статье мы постараемся упростить их, чтобы вы могли постоять за себя, находясь в местном магазине DIY!

Теплопроводность изоляционных материалов

Теплопроводность, также известная как Лямбда (обозначается греческим символом λ), является мерой того, насколько легко тепло проходит через материал определенного типа, независимо от толщины рассматриваемого материала.

Чем ниже теплопроводность материала, тем лучше тепловые характеристики (т.е.е. медленнее тепло будет перемещаться по материалу).

Измеряется в ваттах на метр по Кельвину (Вт / мК).

Чтобы вы могли почувствовать изоляционные материалы — их теплопроводность варьируется от примерно 0,008 Вт / мК для панелей с вакуумной изоляцией (так что это лучшие, но очень дорогие!) До примерно 0,061 Вт / мК для некоторых видов древесного волокна. .

>>> НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О U-ЗНАЧЕНИИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ <<<

Если бы вы использовали овечью шерсть для утепления своей собственности, это примерно 0.034 Вт / мК, примерно так же, как и для большинства других изоляционных материалов из шерсти и волокна.

Значения R

R-значение — это мера сопротивления тепловому потоку через материал заданной толщины. Таким образом, чем выше значение R, тем выше термическое сопротивление материала и, следовательно, лучше его изоляционные свойства.

R-значение рассчитывается по формуле

Где:

l — толщина материала в метрах и

λ — коэффициент теплопроводности в Вт / мК.

Значение R измеряется в метрах в квадрате Кельвина на ватт (м 2 K / Вт)

Например, тепловое сопротивление 220 мм монолитной кирпичной стены (с теплопроводностью λ = 1,2 Вт / мК) составляет 0,18 м 2 К / Вт.

Если вы изолируете сплошную кирпичную стену, вы просто найдете коэффициент сопротивления изоляции и затем сложите эти два значения. Если вы изолировали это полиизоциануратом с фольгой толщиной 80 мм (с теплопроводностью λ = 0,022 Вт / мК и значением R 0,08 / 0.022 = 3,64 м 2 K / Вт), у вас будет общее значение R для изолированной стены 0,18 + 3,64 = 3,82 м 2 K / Вт. Следовательно, это улучшит тепловое сопротивление более чем в 21 раз!

Таким образом, значение R — это относительно простой способ сравнить два изоляционных материала, если у вас есть теплопроводность для каждого материала. Это также позволяет увидеть эффект от добавления более толстых слоев того же изоляционного материала.

В реальных зданиях стена состоит из множества слоев различных материалов.Общее тепловое сопротивление всей стены рассчитывается путем сложения теплового сопротивления каждого отдельного слоя.

К сожалению, тепло входит и выходит из вашего дома несколькими различными способами, и значения R учитывают только теплопроводность. Он не включает ни конвекцию, ни излучение.

Таким образом, вы можете использовать значение U, которое учитывает все различные механизмы потери тепла — читайте дальше, чтобы узнать, как это рассчитывается!

U-значения

Значение U строительного элемента является обратной величиной полного теплового сопротивления этого элемента.Показатель U — это мера того, сколько тепла теряется через заданную толщину конкретного материала, но включает три основных способа потери тепла — теплопроводность, конвекцию и излучение.

Температура окружающей среды внутри и снаружи здания играет важную роль при расчете коэффициента теплопроводности элемента. Если мы представим внутреннюю поверхность участка 1 м² внешней стены отапливаемого здания в холодном климате, то тепло поступает в этот участок за счет излучения от всех частей внутри здания и конвекции от воздуха внутри здания.Таким образом, следует учитывать дополнительные термические сопротивления, связанные с внутренней и внешней поверхностями каждого элемента. Эти сопротивления обозначаются как R si и R so соответственно с общими значениями 0,12 км² / Вт и 0,06 км² / Вт для внутренней и внешней поверхностей, соответственно.

Это мера, которая всегда находится в пределах Строительных норм. Чем ниже значение U, тем лучше материал как теплоизолятор.

Рассчитывается путем взятия обратной величины R-Value и последующего добавления конвективных и радиационных тепловых потерь, как показано ниже.

U = 1 / [R si + R 1 + R 2 +… + R so ]

На практике это сложный расчет, поэтому лучше всего использовать программное обеспечение для расчета U-Value.

Единицы измерения — ватты на квадратный метр по Кельвину (Вт / м 2 K).

Ориентировочно неизолированная полая стена имеет коэффициент теплопередачи около 1,6 Вт / м 2 K, а цельная стена имеет коэффициент теплопередачи около 2 Вт / м 2 K

Использование значений U, R и теплопроводности

Если вы сталкиваетесь с проблемами теплопроводности, R-значений и U-значений в будущем, вот 3 простых вещи, которые следует запомнить, чтобы убедиться, что вы получите лучший изоляционный продукт.

    • Более высокие числа хороши при сравнении термического сопротивления и значений R продуктов.
    • Низкие числа хороши при сравнении значений U.
    • Коэффициент теплопроводности — это наиболее точный способ оценить изоляционную способность материала, принимая во внимание все различные способы потери тепла, однако его сложнее рассчитать.

Внедрение энергосберегающих технологий

Вы заинтересованы в установке домашних возобновляемых источников энергии? Мы обыскали страну в поисках лучших торговцев, чтобы убедиться, что мы рекомендуем только тех, кому действительно доверяем.Вы можете найти одного из этих мастеров на нашей простой в использовании карте местного установщика.

>>> ПЕРЕЙДИТЕ НА КАРТУ МЕСТНОГО УСТАНОВЩИКА <<<

Или же, если вы хотите, чтобы мы нашли для вас местного установщика, просто заполните форму ниже, и мы свяжемся с вами в ближайшее время!

Теплопроводность — Energy Education

Теплопроводность , часто обозначаемая как [math] \ kappa [/ math], — это свойство, которое связывает скорость потери тепла на единицу площади материала со скоростью его изменения температуры.{\ circ} F} \ right) [/ math]. [3] Материалы с более высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками тепловой энергии.

Поскольку теплопроводность включает передачу энергии без движения материала, логично, что скорость передачи тепла будет зависеть только от разницы температур между двумя точками и теплопроводности материала.

Для получения дополнительной информации о теплопроводности см. Гиперфизика.

Значения для общих материалов

Теплопроводность, [математика] \ каппа [/ математика] [4]
Материал Электропроводность при 25 o C
Акрил 0.2
Воздух 0,024
Алюминий 205
Битум 0,17
Латунь 109
Цемент 1,73
Медь 401
Алмаз 1000
Войлок 0,04
Стекло 1,05
Утюг 80
Кислород 0.024
Бумага 0,05
Кремнеземный аэрогель 0,02
Вакуум 0
Вода 0,58


Из таблицы справа видно, что большинство материалов, которые обычно считаются хорошими проводниками, обладают высокой теплопроводностью. В основном металлы обладают очень высокой теплопроводностью, которая хорошо сопоставима с тем, что известно о металлах.Кроме того, изоляционные материалы, такие как аэрогель и изоляция, используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя. Таким образом, низкая теплопроводность свидетельствует о хорошем изоляционном материале.

Материалы между ними не обладают значительными изолирующими или проводящими свойствами. Цемент и стекло не проводят слишком большое количество тепла и не обладают хорошей изоляцией.

Идея о том, что теплопроводность определенных материалов связана с тем, насколько хорошо они изолируют, обеспечивает связь между теплопроводностью и R-значениями / U-значениями.Поскольку значения U и R отражают, насколько хорошо определенный материал сопротивляется потоку тепла, теплопроводность играет роль в формировании этих значений. Однако значения U и R также зависят от толщины материала, тогда как теплопроводность этого не учитывает.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. ↑ HyperPhysics. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
  2. ↑ Р. Чабай, Б. Шервуд. (12 мая 2015 г.). Материя и взаимодействия , 3-е изд., Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, 2011
  3. ↑ Д. Грин, Р. Перри. (12 мая 2015 г.). Perry’s Chemical Engineers ‘Handbook , 7-е изд., McGraw-Hill, 1997.
  4. ↑ The Engineering Toolbox. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность обычных материалов и газов [Онлайн]. Доступно: http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

Анизотропное, легкое, прочное и сверхтермоизолирующее нанодревесина с естественно выровненной наноцеллюлозой

Abstract

Из-за преобладающих энергетических проблем и неудовлетворенных потребностей в области теплоизоляции наблюдается растущий интерес к материалам для управления теплообменом.Мы демонстрируем исключительные возможности терморегулирования крупномасштабного иерархического выравнивания нанофибрилл целлюлозы, непосредственно изготовленных из древесины, далее именуемой нанодревесиной. Нанодревесина проявляет анизотропные термические свойства с чрезвычайно низкой теплопроводностью 0,03 Вт / м · К в поперечном направлении (перпендикулярно нанофибриллам) и примерно в два раза более высокой теплопроводностью 0,06 Вт / м · К в осевом направлении из-за иерархической выровненные нанофибриллы внутри высокопористой основы.Анизотропия теплопроводности обеспечивает эффективное рассеивание тепла в осевом направлении, тем самым предотвращая локальный перегрев на освещенной стороне, обеспечивая улучшенную теплоизоляцию вдоль задней стороны, которую нельзя получить с помощью изотропных теплоизоляторов. Нанодревесина также показывает низкий коэффициент излучения <5% в солнечном спектре и способность эффективно отражать солнечную тепловую энергию. Более того, нанодревесина легкая, но прочная благодаря эффективному соединению между выровненными нанофибриллами целлюлозы с высокой прочностью на сжатие 13 МПа в осевом направлении и 20 МПа в поперечном направлении при 75% -ной деформации, что превосходит другие теплоизоляционные материалы. такие как кремнезем и полимерные аэрогели, пенополистирол и шерсть.Превосходное управление температурой, обилие, способность к биологическому разложению, высокая механическая прочность, низкая массовая плотность и масштабируемость производства нанодревесины делают этот материал очень привлекательным для практических применений в области теплоизоляции.

ВВЕДЕНИЕ

Поиск высокоэффективных, легких и механически прочных теплоизоляционных материалов является ключом к экономии энергии как для жилых, так и для коммерческих зданий, что приводит к снижению выбросов углекислого газа, как это продвигается U.S. Министерство энергетики ( 1 , 2 ). Хорошая теплоизоляция также очень желательна для многих электрических, оптических и космических приложений, в которых необходимо жестко регулировать теплопередачу. Материалы для теплоизоляции требуют сложной комбинации характеристик, таких как низкое поглощение / излучение тепловой энергии, хорошая механическая прочность и низкая массовая плотность, а также способность к биологическому разложению и экономическая эффективность ( 2 4 ). Современные теплоизоляционные материалы обычно изотропны, что не идеально для эффективного управления температурным режимом.Кроме того, разработка изотропных теплоизоляционных материалов достигла плато, когда дальнейшее снижение теплопроводности приводит к нежелательным компромиссам в механической прочности, сложности изготовления и нестабильности характеристик ( 5 8 ). Типичные теплоизоляционные материалы, включая шерсть, пенопласт и древесную пробку, часто имеют теплопроводность, близкую к воздуху (~ 0,03 Вт / м · К) ( 3 , 6 , 9 , 10 ), что является изотропным по своей природе.Низкое значение k ~ 0,02 Вт / м · К было получено с помощью кремнеземных аэрогелей. Однако аэрогели диоксида кремния хрупкие, и их трудно приготовить в больших размерах.

Разработка анизотропного терморегулирующего материала вызвала значительный интерес ( 6 , 11 15 ). Значительный прогресс достигнут в создании многослойных материалов (сверхрешеток) и наноматериалов с анизотропной теплопроводностью ( 6 , 8 , 14 22 ).Перенаправление тепловой энергии в анизотропных теплоизоляторах может помочь (i) предотвратить локализацию тепла и (ii) уменьшить тепловой поток в направлении более низкой теплопроводности, что, таким образом, приводит к улучшенной теплоизоляции, которая не может быть достигнута с помощью изотропных материалов. Однако эти типы анизотропных материалов обычно требуют сложной конструкции и энергоемких производственных процессов, что препятствует их широкому применению в крупномасштабных системах.

Наноцеллюлоза — это богатый землей ресурс биомассы, обладающий огромным потенциалом для производства экологически чистых продуктов с низкими рисками для окружающей среды, здоровья человека и безопасности ( 23 32 ).Существует значительный интерес к непрерывной разработке продуктов на основе наноцеллюлозы с добавленной стоимостью, которые могут вытеснить их существующие аналоги, таких как устройства на бумажной основе и гибкие покрытия для управления светом ( 23 , 33 35 ). Однако создание продуктов на основе наноцеллюлозы, таких как пена целлюлозы, основанное на подходе «снизу вверх», включает в себя ряд механических и химических процессов, а также последующую сборку нанофибрилл целлюлозы ( 36 ).Кроме того, современные методы повторной сборки нанофибрилл целлюлозы часто приводят к образованию фибрилл со случайной ориентацией ( 23 , 30 , 37 39 ). Получаемые в результате продукты часто демонстрируют плохие механические свойства, что запрещает их применение в качестве изоляционных материалов для крупномасштабных применений в строительстве и в аэрокосмической отрасли. Например, Bergström и др. . ( 6 ) продемонстрировал первый анизотропный нанокомпозитный супертепловой изолятор методом сублимационной сушки.Однако дальнейшее улучшение механической прочности и процесса изготовления необходимо для крупномасштабных и реалистичных применений (<200 кПа в осевом направлении и <50 кПа в поперечном направлении при деформации 90%).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Здесь мы разрабатываем простой, но эффективный подход «сверху вниз» для приготовления анизотропного теплоизоляционного объемного материала путем прямой химической обработки натуральной древесины, которая называется «нанодревесиной». Унаследовав расположение натурального дерева, нанодревесина состоит из упорядоченных нанофибрилл целлюлозы, что приводит к анизотропной теплопроводности с чрезвычайно низким значением ~ 0.03 Вт / м · К в поперечном направлении (перпендикулярно выравниванию нанофибрилл целлюлозы) и ~ 0,06 Вт / м · К вдоль направления выравнивания целлюлозы. Эта анизотропия может позволить теплу распространяться в направлении нанофибрилл, что предотвращает локальное разрушение из-за накопленной тепловой энергии ( 11 ) и уменьшает тепловой поток в поперечном направлении. Выровненные нанофибриллы целлюлозы также обеспечивают высокую механическую прочность ~ 13 МПа, что намного выше, чем у других материалов с низкой теплопроводностью, таких как пенополистирол, вспененная целлюлоза и аэрогель кремнезема ( 40 , 41 ).Мы также обнаружили, что нанодревесина обладает уникально низким коэффициентом излучения, что делает его высокоэффективным блокатором теплового излучения Солнца.

Как показано на фиг. 1A, при нагревании источником радиационного нагрева (фиг. 1A) слоистая структура выровненных нанофибрилл целлюлозы эффективно отражает поступающую радиационную энергию, перенаправляя поглощенное тепло в плоском направлении. На рис. 1В показан большой кусок нанодревесины с массовой плотностью 0,130 г / см 3 . Естественно выровненные деревянные каналы (сосуды и фибриллярные просветы трахеид) способствуют эффективному извлечению лигнина, в значительной степени сохраняя исходную микро / наноструктуру.Длина как показано на рисунке составляет около 15 см, что демонстрирует масштабируемость нашего нисходящего процесса производства нанодревесины.

Рис. 1 Полностью полученное из натурального дерева, нанодревесина с иерархически выровненными нанофибриллами целлюлозы может использоваться в качестве анизотропного супертеплоизолятора.

( A ) Схема теплоизоляционных свойств нанодревесины. ( B ) Цифровая фотография нанодревесины и соответствующих свойств, полезных для изоляции зданий.

ОБСУЖДЕНИЯ

Мезопористая структура нанодревесины

Три основных компонента клеточных стенок древесины, агрегаты паракристаллических фибрилл целлюлозы, аморфная гетерополисахарид гемицеллюлоза и разветвленный лигнин на основе полифенолпропана, переплетаются друг с другом, образуя прочную и функциональную сосудистую структуру. переносят воду, ионы и питательные вещества от корней к листьям во время фотосинтеза ( 42 44 ). Нанодревесина изготавливается непосредственно из натуральной американской липы.Обратите внимание, что мы используем американскую липу в качестве демонстрации, и что можно использовать и другие породы дерева. Образец вырезан по направлению роста (рис. S1). Исходный кусок дерева был обработан смесью NaOH и Na 2 SO 3 , нагретой до температуры кипения, с последующей обработкой H 2 O 2 для удаления лигнина и большей части гемицеллюлозы из природного материала. дерево (рис. S2) ( 45 , 46 ). Микроструктура древесины и иерархическая структура хорошо сохраняются во время этого процесса, и образец впоследствии подвергается сублимационной сушке (рис.S3) ( 47 ) для сохранения нанопористой структуры делигнифицированной древесины. Потеря массы и изменение содержания лигнина для образца размером 12 мм × 30 мм × 120 мм во время химического процесса также показаны на рис. S2. Полученные нанодревесины состоят в основном из нанофибрилл целлюлозы в виде агрегатов фибрилл. Эффективность удаления лигнина и гемицеллюлозы также демонстрируется высокой яркостью изготовленных нанодревесин (рис. 1 и 2C, а также фиг. S1-S3 и S7).

Инжир.2 Структурная характеристика нанодревесины.

( A ) Схемы выровненных нанофибрилл целлюлозы в нанодревесе до и после удаления смешанных аморфного лигнина и гемицеллюлозы. ( B ) Концентрация лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы в натуральной древесине и нанодревесе. ( C ) Фотография образца нанодревесины, которая демонстрирует чистый яркий цвет и выровненную текстуру. ( D ) Нанодревесина демонстрирует большую пористость, иерархическое структурное выравнивание агрегатов фибрилл и сохраняющееся выравнивание агрегатов фибрилл.( E ) СЭМ-изображение микроскопических пористых и совмещенных каналов внутри нанодревесины, вид сбоку. ( F ) СЭМ-изображение стенок пористых каналов, состоящих из ориентированных нанофибрилл. ( G ) СЭМ-изображение сверху каналов нанодревесины с разделенными концами нанофибрилл.

На рис. 2А показаны схемы образцов натурального дерева и нанодревесины. В исходных образцах натурального дерева аморфный лигнин и гемицеллюлоза вплетены между нанофибриллами целлюлозы ( 42 44 ).Хотя лигнин и гемицеллюлоза в значительной степени удаляются в нановоде (рис. 2, A и B), полученная структура имеет повышенную пористость и лучшее выравнивание нанофибрилл благодаря удалению лигнина, не связанного с выравниванием, и потенциальному процессу самовыравнивания во влажном состоянии. Это также соответствует более ранним моделям, показывающим, как целлюлоза, лигнин и гемицеллюлоза располагаются в стенке фибрилл ( 48 , 49 ). Стенки ячеек древесины первоначально состоят из первичных и вторичных стенок ячеек, причем последние далее делятся на три слоя, а именно S1, S2 и S3 ( 50 ).Ячейки связаны друг с другом средней ламелью. Среди слоев клеточной стенки средний слой S2 во вторичной клеточной стенке является самым толстым и состоит из параллельных агрегатов нанофибрилл целлюлозы, выровненных под небольшой разницей под углом к ​​оси длины. Угол фибрилл в слое S2 варьируется от 10 ° до 15 ° и может помочь определить выравнивание клеточной стенки ( 43 ). После химической очистки агрегаты нанофибрилл целлюлозы в слое клеточной стенки можно непосредственно наблюдать в поперечном сечении фибрилл с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (рис.2, Г и Ж). На этих изображениях очевидно, что стенки фибрилл изолированы друг от друга из-за удаления основной части богатой лигнином средней ламеллы и лигнина в первичной и вторичной клеточной стенке, как показано при сравнении структуры нативной древесины. с SEM на фиг. S4 и S5. Частично изолированные фибриллы помогают еще больше снизить поперечную теплопроводность. Из-за естественного выравнивания фибрилл в древесине отдельные нанофибриллы целлюлозы, составляющие клеточные стенки, упаковываются и выстраиваются параллельно друг другу, что приводит к иерархическому выравниванию в нанодревесе.Каждый агрегат фибрилл состоит из выровненных нанофибрилл кристаллической целлюлозы с высокими пропорциями (диаметр ~ 30 нм и длина примерно> 1 мкм), которые упакованы несколькими десятками глюкановых цепей в кристаллическом порядке и удерживаются вместе межмолекулярными водородными связями. и силы Ван-дер-Ваальса ( 51 ). Молекулярное выравнивание целлюлозных цепей может быть отображено с помощью характеристики малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (рис. S6). Лигнин и гемицеллюлоза имеют аморфную структуру, но гемицеллюлоза может располагаться вдоль фибрилл.Однако количественная оценка этого очень ограничена, по крайней мере, насколько известно авторам. Удаление лигнина и гемицеллюлозы также увеличивает пористость структуры стенки фибрилл ( 49 ) при условии, что делигнифицированные фибриллы сушат осторожно, чтобы избежать разрушения стенки фибрилл и отделить агрегаты фибрилл друг от друга. Кроме того, эффективная экстракция лигнина и гемицеллюлозы естественным образом снижает плотность нанодревесины (0,13 г / см 3 ) (рис.S1).

Анизотропная теплопроводность нанодревесины

Нанодревесина обладает четырьмя ключевыми характеристиками, необходимыми для превосходной теплоизоляции. Во-первых, исходя из оценки результирующей массовой плотности и плотности сухих стенок ячеек, пористость нанодревесины увеличивается до ~ 91% [плотность сухой ячеистой стенки липы составляет 1,491 г / см 3 ( 52 )], что намного больше, чем у оригинальной липы (около 60%). Большая пористость приводит к гораздо меньшей теплопроводности (теоретическая оценка теплопроводности в дополнительных материалах).Во-вторых, удаление смешанного лигнина и гемицеллюлозы в значительной степени снижает связь между фибриллами целлюлозы и агрегатами фибрилл внутри стенки фибрилл, что приводит к гораздо более слабому взаимодействию между фибриллами и снижению теплопроводности в поперечном направлении. В-третьих, выровненные агрегаты нанофибрилл с высоким аспектным соотношением приводят к анизотропному тепловому потоку вдоль направления выравнивания нанофибрилл. Наконец, большинство пустотных каналов (фибриллы и элементы сосудов) в нанодревесе имеют диаметр от 10 до 100 мкм, тогда как отдельные фибриллы целлюлозы в агрегатах фибрилл клеточной стенки демонстрируют расстояние между агрегатами между фибриллами в нанометровом диапазоне.Когда расстояние между ними меньше, чем длина свободного пробега воздуха, теплопроводность через воздух будет затруднена. Однако в мезопористых нанодревесах преобладают поры микропористого размера, и влияние наноразмерных пор на дальнейшее снижение теплопроводности незначительно. Дальнейший анализ влияния микропор и наноразмерных пор на теплопроводность делигнифицированной древесины как в осевом, так и в поперечном направлениях можно найти в обсуждении S3.

На рис. 3 (A и B) показаны инфракрасные изображения анизотропных процессов теплопередачи в образцах при облучении падающим лазером на длине волны излучения 820 нм со знаком 0.95 Вт / мм 2 интенсивность и размер пятна 0,5 мм. Для образца нанодревесины, разрезанного поперек направления роста, тепловая энергия проходит в основном параллельно деревянным каналам и остается ограниченной в поперечном направлении. Для образца нанодревесины, вырезанного вдоль направления роста древесины, профиль градиента температуры имеет эллиптическую форму из-за анизотропии теплопроводности в поперечном и осевом направлениях.

Рис. 3 Поперечный и осевой перенос тепла в нанодревесе.

( A ) Схематическое изображение теплопроводности вдоль стенок деревянных ячеек в виде осевой теплопередачи, тогда как ( B ) теплопроводность по стенкам ячеек и полым каналам (то есть просвет и наноразмерные поры внутри стенок фибрилл. ) называется поперечной теплопередачей. ( C ) Измеренная теплопроводность нанодревесины от комнатной температуры до 65 ° C. ( D ) Измеренная теплопроводность исходной древесины от комнатной температуры до 80 ° C.( E ) Сравнение теплопроводности натурального дерева и нанодревесины при комнатной температуре.

Теплопроводность в радиальном направлении составляет 0,032 ± 0,002 Вт / м · K при 25,3 ° C и 0,056 ± 0,004 Вт / м · K при 24,3 ° C в осевом направлении (рис. 3C). Для сравнения, натуральная американская липа показывает теплопроводность 0,107 ± 0,011 Вт / м · К в радиальном направлении и 0,347 ± 0,035 Вт / м · К в осевом направлении при 22,7 ° C (рис. 3D). Теплопроводность натурального дерева остается практически постоянной от комнатной температуры до 80 ° C.Однако для нанодревесины теплопроводность в поперечном направлении медленно увеличивается с 0,03 до 0,055 Вт / м · К при более высоких рабочих температурах, тогда как в осевом направлении значение медленно изменяется от 0,056 до 0,10 Вт / м · К.

Механические и оптические свойства нанодревесины

Мы сравнили теплопроводность нашей нанодревесины (в поперечном направлении) и других типичных теплоизоляционных материалов, таких как пенополистирол, пенополистирол (EPS), шерсть и дерево (рис.4А). Нанодревесина имеет более низкую теплопроводность по сравнению с большинством имеющихся в продаже теплоизоляционных материалов ( 53 , 54 ). На рис. 4В приведены механические свойства, включая напряжение сжатия существующих теплоизоляционных материалов с теплопроводностью менее 0,05 Вт / м · К. Также для сравнения добавлены характеристики натурального дерева ( 55 ). Прочность на сжатие проверяли в поперечном и осевом направлениях.Механические испытания в поперечном направлении показывают экспоненциально возрастающее напряжение (рис. S8) при сжатии из-за уплотнения (показано на вставке на рис. 4В). Максимальное напряжение сжатия в осевом направлении приближается к 13 МПа (рис. S8). Насколько нам известно, прочность нашего нанодревесины представляет собой наивысшее значение среди доступных супер изоляционных материалов ( 6 , 40 , 41 , 56 , 57 ). Строительные блоки нашего нанодревесины состоят из длинных и выровненных агрегатов фибрилл с большим отношением поверхности к объему и высоким соотношением сторон.Поскольку химическая обработка нанодревесины удаляет почти весь лигнин и большую часть гемицеллюлозы, стенки фибрилл более пористые, и между фибриллами больше промежутков. Это приводит к более низкой прочности на сжатие нанодревесины по сравнению с древесиной в направлении толщины волокон. Это также улучшает гибкость образцов, как показано на фиг. 4C. Однако из-за сохраняющейся ориентации фибрилл в стенке фибрилл (то есть изгиба вдоль оси фибрилл) делигнифицированные образцы обладают значительной прочностью как в направлении толщины фибрилл, так и в большей степени в направлении длины. фибрилл, поскольку механические свойства фибрилл сохраняются благодаря сохранению ориентации кристаллической структуры молекул целлюлозы, которая является несущим элементом стенки фибрилл.Таким образом, свойства при растяжении и сжатии, естественно, изменяются по-разному из-за различий в механизмах разрушения для этих ситуаций нагружения. Более подробное обсуждение механических свойств нанодревесины можно найти в обсуждении S1 дополнительных материалов.

Рис. 4 Характеристика нанодревесины.

( A ) Сравнение теплопроводности существующих теплоизоляционных материалов. Нанодревесина демонстрирует очень низкую поперечную теплопроводность наряду с высокой анизотропией.( B ) Механические свойства нанодревесины по сравнению с другими материалами с теплопроводностью менее 0,05 Вт / м · К, а также натуральной липой. ( C ) Фотографии большого куска нанодревесины и тонкой и раскатываемой нанодревесины. Стрелки указывают направление выравнивания. ( D ) Отражение нанодревесины. Нанодревесина демонстрирует больший коэффициент отражения, покрывающий спектр солнечного излучения (то есть более низкий коэффициент излучения, взвешенный по солнечной энергии, по сравнению с деревом).Синяя кривая — это воздушная масса 1,5 солнечного спектра. а.е., условные единицы. ( E ) Инфракрасное изображение натурального дерева и нанодревесины при освещении лазером с длиной волны 820 нм. ( F ) Температурный профиль образцов в (E).

Для оценки излучательной способности нанодревесины был проведен тест в ультрафиолетовой и видимой области (LAMBDA 35, PerkinElmer) для образца толщиной 3 мм. Образец показывает в среднем ~ 95% отражения в диапазоне длин волн от 400 до 1100 нм (рис.4D). Коэффициент пропускания ниже базового уровня шума (<0,1%). Коэффициент излучения (коэффициент излучения ≈ поглощающая способность; приближение серой поверхности) рассчитан как ~ 5%, что указывает на эффективное отражение тепловой энергии от радиационного источника тепла (Newport Standard Solar Simulator). Для сравнения, натуральное дерево поглощает в среднем 50% света в видимом спектре света. Это уникальное широкополосное всенаправленное отражение яркого нанодревесины является результатом плотных наноразмерных центров рассеяния на его поверхности ( 30 , 31 ).Коллимированный источник тепла 820 нм с размером пятна 1 мм и входной мощностью 0,95 Вт / мм 2 падал перпендикулярно поверхности нанодревесины и образцов натуральной древесины. Как показано на рис. 4 (E и F), максимальная температура составляет 36 ° C при полной ширине на половине высоты (FWHM) 5,2 мм для нанодревесины, по сравнению с 99,4 ° C для натуральной древесины с FWHM 4,0. мм, благодаря (i) меньшему поглощению и (ii) лучшему отводу тепла нанодревесиной.

Теплоизоляция нанодревесины по сравнению с другими изоляторами

Чтобы продемонстрировать возможности терморегулирования нашей разработанной нанодревесины, мы протестировали образцы как под токопроводящим, так и под излучательным источником тепла и сравнили его с другими теплоизоляционными материалами, включая кремнезем. аэрогель (изотропный), пенополистирол (изотропный) и натуральная американская липа (анизотропный).Экспериментальная установка для кондуктивной и радиационной схем теплопередачи показана на рис. 5 (D и G, соответственно). Коммерческий аэрогель диоксида кремния (www.buyaerogel.com) имеет толщину 0,7 см, и мы приготовили блок нанодревесины того же размера, что и аэрогель диоксида кремния, для справедливого сравнения. Температура измерялась термопарой типа К. При нагревании токопроводящим источником тепла до 160 ° C было показано, что стабилизированная температура задней стороны кремнеземного аэрогеля составляет 36,5 ° C, тогда как температура нанодревесины составляет 30.5 ° C (рис. 5E). Затем мы сравнили изоляционные характеристики образца делигнифицированной древесины с пенополистиролом и натуральным деревом (рис. 5F). Были применены три различных температуры, и результаты показывают, что нанодревесина дает самую низкую температуру задней стороны из-за низкой теплопроводности в поперечном направлении в сочетании с предпочтительным рассеиванием тепла в осевом направлении из-за его анизотропии. Кроме того, изоляционные свойства различных материалов были оценены при воздействии на них лучистого источника тепла.При воздействии солнечного спектра кремнеземный аэрогель поглощает ~ 20% и передает ~ 60% лучистого тепла. Для сравнения, ~ 95% энергии излучения было отражено, тогда как было обнаружено, что только ~ 2% поглощается нанодревесиной, как показано на рис. 5C. Температура тыльной стороны аэрогеля диоксида кремния и нанодревесины составляла 49,9 ° и 22,8 ° C, соответственно, ниже 320 мВт / см 2 (фиг. 5H). Это представляет собой гораздо большую разницу в характеристиках теплоизоляции по сравнению с испытаниями с источником тепла на основе теплопроводности.Температуры тыльной стороны образцов натурального дерева, пенопласта и нанодревесины толщиной 2 мм при мощности менее 500 мВт / см 2 составляли 57,1 °, 39,3 ° и 29,9 ° C соответственно (рис. 5I). Чтобы дополнительно проиллюстрировать эффект анизотропной теплопроводности при применении теплоизоляционных материалов, моделируемый температурный профиль для изотропной пены целлюлозы (или пенополистирола / пенополистирола) и нанодревесины под излучением источника тепла показан на рис. S11. Пенополистирол имеет изотропную теплопроводность 0.03 Вт / м · К, аналогично нанодревесе в поперечном направлении. По сравнению с изотропным изолятором приготовленные нанодревесины могут перенаправлять поступающую тепловую энергию в осевом направлении, что приводит к гораздо более низкой температуре передней и задней стороны изоляционного материала.

Рис. 5 Теплоизоляционные характеристики нанодревесины по сравнению с аэрогелем кремнезема, пенополистиролом и натуральным деревом.

( A ) Фотография образца нанодревесины толщиной 1 мм.( B ) Вид сбоку на СЭМ каналов нанодревесины, состоящих из ориентированных нанофибрилл целлюлозы. ( C ) Оптическое отражение, пропускание и поглощение кремнеземного аэрогеля и нанодревесины, освещенных стандартным имитатором солнечного излучения. ( D ) Схематическое описание нанодревесины, освещаемой поперечно (перпендикулярно нанофибриллам). ( E и F ) Сводка результатов, показывающих стабилизированные температуры задней стороны теплоизоляторов, когда верхняя поверхность находится в прямом контакте с проводящим источником тепла через термопасту.( G ) Схематическое описание измерительной установки с использованием источников лучистого тепла (имитатор солнечной энергии). ( H и I ) Сводка результатов, показывающих стабилизированные температуры задней стороны каждого теплоизолятора, при этом верхняя поверхность получает энергию излучения от имитатора солнечного излучения.

Мы также провели анализ затрат на материалы для производства нанодревесины, включая сырье и обрабатывающие химикаты (таблица S1), которые могут составлять всего 7,44 долл. США / м. 2 .Нанодревесина может быть переработана в различные формы и размеры, подходящие для различных применений, требующих теплоизоляции, от паровых и химических труб до строительных конструкций. Обратите внимание, что при толщине менее 1 мм ломтик нанодревесины можно скручивать и складывать, что делает его подходящим для сценариев, требующих гибкости, таких как трубопроводы на химических заводах и электростанциях. Кроме того, теплоизолирующие материалы обычно состоят из компонентов микроскопических размеров и стекловаты, которые могут вызывать проблемы со здоровьем, поскольку вдыхаемые фибриллы могут проникать в легкие людей и животных при вдыхании без разложения.С другой стороны, целлюлоза является биоразлагаемой, что делает ее экологически чистой при использовании в качестве изоляции. Следует также подчеркнуть, что целлюлоза не вызывает аутоиммунных реакций при контакте с тканями человека и не может разлагаться организмом человека.

ВЫВОДЫ

Полностью полученное из натурального дерева, мы сообщили о термически анизотропном нанодревесе, состоящем из иерархически выстроенных нанофибрилл целлюлозы. Недавно разработанная нанодревесина демонстрирует отличные теплоизоляционные свойства.Вместо использования сложных процессов изготовления наноразмерного анизотропного термоизолятора, такого как сверхрешетки или реконструированные слоистые низкоразмерные материалы, нанодревесина может быть изготовлена ​​с помощью масштабируемого нисходящего подхода с помощью простой химической обработки. В качестве доказательства концепции масштабируемости мы продемонстрировали куски нанодревесины длиной более 15 см и толщиной более 2 см. Нанодревесина демонстрирует уникальные анизотропные термические свойства с низкой поперечной теплопроводностью, равной 0.03 Вт / м · К с анизотропией 2 (более высокая осевая теплопроводность ~ 0,06 Вт / м · К). Нанодревесина также обладает следующими уникальными свойствами: (i) высокая механическая прочность 13 МПа благодаря кристаллическому упорядочению глюкановых цепей фибрилл целлюлозы, что в ~ 50 раз выше, чем у пены целлюлозы, и в> 30 раз выше, чем у в продаже самые прочные теплоизоляционные материалы; (ii) низкая массовая плотность; (iii) низкий коэффициент излучения от 400 до 1100 нм; и (iv) обильные, устойчивые и потенциально низкие затраты.Недавно разработанная нанодревесина в качестве супертеплового изолятора с низкой теплопроводностью потенциально может найти применение в энергоэффективных зданиях, теплоизоляции для космических применений и изоляции электрических устройств.

МЕТОДЫ

Механическое испытание

Испытания образца на сжатие были выполнены с использованием испытательной машины Tinius Olsen h35KT. Два образца были сжаты в поперечном и осевом направлениях соответственно. Образцы шириной 5 мм были испытаны при длине контура 25 мм и скорости ползуна 5 мм мин. -1 .

Прямое измерение температуры при различных источниках тепла

Используется токопроводящий источник тепла с площадью контакта 4 мм × 4 мм, непосредственно контактирующий с теплоизоляционными материалами через токопроводящую термопасту. Имитатор солнечной энергии из Ньюпорта использовался для обеспечения теплового излучения, которое падает перпендикулярно верхней поверхности изоляторов с размером светового пятна 5 мм. Во время проведения измерений температура окружающей среды составляла 21 ° C.На измерительную термопару типа К наносили теплопроводную термопасту. Устойчивое состояние было достигнуто до того, как данные были записаны.

Измерение теплопроводности

Камера температуры и влажности использовалась для хранения образца в течение минимум 24 часов при 25 ° C и влажности 20% перед измерением. В нашем измерении влажность контролировалась на уровне 20%, при этом регистрировалась температурная зависимость теплопроводности. Устройство лазерной вспышки (LFA) — это бесконтактный переходный метод измерения температуропроводности материалов, который применялся для тестирования подавляющего большинства объемных материалов, включая органические-неорганические гибридные композиты ( 58 60 ) и металл-полупроводник. нанокомпозиты ( 61 ).Согласно Feng и др. . ( 62 ) и Винер и др. . ( 63 ), LFA можно использовать для измерения аэрогелей, теплопроводность которых составляет всего 0,01 Вт / м · К. Во время измерения мгновенный лазерный импульс использовался для нагрева одной стороны образца, а температурный отклик на другой стороне регистрировался детектором. Здесь Netzsch LFA (LFA 457) использовался для измерения температуропроводности. Теплопроводность k образца затем может быть рассчитана по следующему уравнению: k = αρCp, (1) где α (мм 2 / с) — измеренный коэффициент температуропроводности вдоль определенного направления, ρ — плотность, а C p — теплоемкость.Для определения теплоемкости использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Используя Netzsch DSC 204 F1 Phoenix, теплоемкости были получены в три этапа: (i) определение скорости теплового потока на нулевой линии с двумя пустыми тиглями, один из которых является эталоном, а другой — образцом; (ii) измерение стандартных образцов с известной теплоемкостью в тиглях для образцов; и (iii) измерение образцов. В наших измерениях в качестве эталонного материала использовался сапфир, поскольку его теплоемкость, как известно, находится в диапазоне от 70 до 2500 К.Шесть образцов нанодревесины (одинаковой плотности) были измерены в диапазоне температур от 22 ° до 65 ° C, три в поперечном направлении и еще три в осевом направлении. Планка погрешностей была создана на основе разброса выборки и ошибки оборудования. Используя данные о температуропроводности и теплоемкости, полученные выше, на рис. 3C показана теплопроводность образцов нанодревесины, рассчитанная по формуле. 1. Шкала погрешности теплопроводности была рассчитана на основе данных измерений и шкалы погрешности теплоемкости, коэффициента диффузии и массовой плотности после тестирования шести различных образцов (0.13 ± 0,03 г / см 3 ).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/4/3/eaar3724/DC1

рис. S1. Нанодревесина состоит из иерархически выровненных массивов нанофибриллярной целлюлозы, полученной из натурального дерева.

рис. S2. Содержание и внешний вид лигнина между химическими процессами.

рис. S3. Процесс сушки нанодревесины.

рис. S4. СЭМ изображения натурального дерева.

рис. S5. СЭМ изображения нанодревесины.

рис. S6. Выравнивание молекулярного уровня в иерархическом выравнивании нанодревесины.

рис. S7. Образцы нанодревесины могут быть изготовлены в широком диапазоне размеров.

рис. S8. Испытание нанодревесины на сжатие в осевом и радиальном направлениях.

рис. S9. Прочность на растяжение нанодревесины и исходной древесины.

рис. S10. Сравнение коммерчески доступного аэрогеля диоксида кремния и нанодревесины.

рис.S11. Температурные зависимости изотропного и анизотропного теплоизоляционных материалов от точечного источника тепла.

рис. S12. Два уровня пористости (микропористые и наноразмерные поры) в нанодревесах.

рис. S13. Термогравиметрический анализ.

рис. S14. Цифровые изображения делигнифицированной деревянной детали после> 1 года пребывания в окружающей среде.

рис. S15. Испытание на воздухопроницаемость нанодревесины.

рис. S16. Промышленный метод резки древесных плит.

рис.S17. Нанодревесина состоит из ориентированных нановолокон целлюлозы с мезопористой структурой.

рис. S18. Сравнение отражательной способности между плоскостью вертикального и горизонтального разреза нанодревесины.

рис. S19. Теплопроводность в поперечном и осевом направлении при влажности 20% и 80% соответственно.

рис. S20. Прочность нанодревесины на разрыв при влажности 20 и 80%.

таблица S1. Стоимость материалов для производства нанодревесины.

таблица S2. Сравнение нанодревесины, бумаги и сотовой бумажной обертки.

обсуждение S1. Анализ механических свойств нанодревесины

обсуждение S2. Численное моделирование изотропных и анизотропных теплоизоляторов

обсуждение S3. Оценка теплопроводности

обсуждение S4. Термостойкость нанодревесины

обсуждение S5. Проницаемость нанодревесины

обсуждение S6. Масштабируемое производство

обсуждение S7. Сравнение со стопкой бумаги и сотовой оберточной бумаги

обсуждение S8.Влияние влажности

Ссылки ( 64 70 )

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе. при условии, что в результате будет использовано , а не для коммерческой выгоды и при условии, что оригинальная работа правильно процитирована.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

  1. Лан, З. Рен, Термоэлектрические нанокомпозиты для преобразования тепловой энергии, в Наноматериалы для устойчивой энергетики , Q. Li, Ed. (Springer, 2016).

  2. S. Volz, Тепловые наносистемы и наноматериалы (Springer, 2009).

  3. К. Х. Ли, Г. П. Петерсон, Двойная роль наночастиц в повышении теплопроводности суспензий наночастиц, на Международном конгрессе и выставке машиностроения ASME 2005 (IMECE2005) , Орландо, Флорида, 5-11 ноября 2005 г.

  4. 000
  5. E. Wood Chemistry (Elsevier, ed.2, 2013).

  6. Р. М. Роуэлл, Справочник по химии древесины и древесным композитам (CRC Press, изд. 2, 2012 г.).

  7. т.А. Табет, Ф. А. Азиз, Угол микрофибриллы целлюлозы в древесине и его динамическое механическое значение, в Целлюлоза — фундаментальные аспекты , Т. ван де Вен, Л. Годбаут, ред. (InTech, 2013).

  8. Э.-л. Халт, «CP / MAS 13C-ЯМР-спектроскопия, применяемая для изучения структуры и взаимодействия волокон древесины и целлюлозы», диссертация, Королевский технологический институт KTH, Стокгольм, Швеция (2001).

  9. Д. У. Грин, Дж. Э. Винанди, Д.Э. Кречманн, Механические свойства древесины, в Справочнике по древесине : Древесина как технический материал (Министерство сельского хозяйства США, Лесная служба, Лаборатория лесных товаров, 1999).

  10. М. Г. Каганер, Теплоизоляция в криогенной инженерии, научный перевод (Израильская программа 1969).

Выражение признательности: Мы благодарим Мэрилендский наноцентр и его лабораторию AIMLab за поддержку.Мы благодарим J.Y. Чжу из Лаборатории лесных товаров США по анализу состава исходной и делигнифицированной древесины. Мы также благодарим Р. Дж. Боненбергера и Х. Хао из Мэрилендского университета за помощь в проведении механических испытаний. Финансирование : Авторы признают, что они не получали финансирования в поддержку этого исследования. Вклад авторов: T.L. и Л.Х. придумали идею и спланировали эксперименты. J.S., T.L., C.J. и A.G.способствовал подготовке проб и оптимизации масштабирования. X.Z., T.L., Z.Y., R.Y., B.Y. и T.F. провели измерение и моделирование теплопроводности, а также определение характеристик теплоизоляции. T.L., J.S., J.D., C.C., G.P. и Y.Y. отвечали за SEM-изображения, композиционный анализ и механические испытания. T.L., F.J., S.X. и L.W. способствовал обсуждению и характеристике делигнифицированной древесины. Конкурирующие интересы: L.H. and T.L. являются изобретателями по заявке на патент, относящейся к этой работе (раскрытие информации об изобретении Университета Мэриленда PS-2017-117, поданной 9 января 2017 г.).Все остальные авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

  • Copyright © 2018 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Исследование теплопроводности изоляционных плит

В строительной отрасли важную роль играет теплопроводность изоляционных материалов. Для большинства домовладельцев зимние месяцы ужасны, так как расходы на отопление растут. Существуют различные изоляционные средства, однако чаще всего используются волокнистые материалы, такие как стекловолокно и каменная вата. Волокнистая изоляция задерживает воздух между волокнами (стекло, камень и т. Д.), Чтобы снизить теплопроводность изоляции.Стекловолокно, наиболее часто используемый изоляционный материал, представляет собой продукт из мельчайших стеклянных волокон, скрученных в шерстяную основу. Поскольку стекло неорганическое, изоляция способна выдерживать температуры до 600 ° C, что снижает распространение огня.

В последнее время строительные подрядчики используют более экологичный теплоизолятор; каменная вата. Камни, используемые в этой изоляции, являются побочным продуктом вулканической активности и производятся в виде шерстяного ватина. Из-за гидрофобной природы каменной ваты этот утеплитель не укрывает и не способствует росту плесени и бактерий, делая ваш дом более безопасной и здоровой окружающей средой.Каменная вата также неорганическая, а потому огнестойкая. Однако из-за большей плотности, чем изоляция из стекловолокна, изоляция из каменной ваты может выдерживать более высокие температуры до 1100 ° C.

Рис. 1. На рисунке показаны слои строительных материалов, окружающие стену. Внизу справа — внешний кирпичный фасад, за которым следует слой плотной изоляции, шлакоблоков и внутренняя стеновая конструкция, состоящая из шпилек два на четыре и утеплителя из ваты, каменной ваты или стекловолокна.

Измеритель теплового потока (HFM) Thermtest — это стационарная одномерная система теплопередачи, которая измеряет теплопроводность и тепловое сопротивление плоских изоляционных материалов, таких как пенопласт, твердые частицы и текстиль (рис. 2). В соответствии со стандартом ASTM C518-15 прибор для измерения теплового потока может измерять материалы с теплопроводностью от 0,005 до 0,5 Вт / м · К. Чтобы имитировать применение на месте, HFM может испытывать материалы в диапазоне температур от -20 ° C до 70 ° C.

Рисунок 2. Измеритель теплового потока Thermtest для испытания теплопроводности больших плоских изоляционных материалов.

Согласно ASTM C518-15, калибровочное измерение должно быть выполнено на стандартном эталонном материале аналогичного размера и теплопроводности перед выполнением контрольного измерения. Затем образец для испытаний помещается в камеру HFM, и параллельные пластины устанавливаются так, чтобы соответствовать указанной изготовителем установочной толщине. Установившийся одномерный тепловой поток через образец устанавливается двумя параллельными пластинами, по одной с каждой стороны образца, а градиент температуры устанавливается в программном обеспечении (например, 30 ºC и 10 ºC) (Рисунок 3) .Температурный градиент, подобный этому, имитирует потерю тепла изнутри во внешнюю среду дома.

Рисунок 3. Вид изнутри дверцы измерителя теплового потока. Одномерный тепловой поток через испытуемый образец устанавливается параллельными пластинами (красной и синей) при желаемом градиенте температуры.

Хотя камера HM может вместить образец размером до 12 «X 12» X 4 «, преобразователи теплового потока расположены в центре верхней и нижней пластин (рис. 3), что позволяет использовать образец любой формы и размера, указанных выше. 6 дюймов X 6 дюймов X 0.4 ”. Путем соответствующей калибровки преобразователя (ов) теплового потока со стандартными эталонными материалами, а также путем измерения температуры пластин и разделения, закон теплопроводности Фурье используется для расчета теплопроводности (λ):

Таблица 1. Измерение теплопроводности изоляционного материала из каменной ваты и стекловолокна с помощью теплового расходомера Thermtest.

Материал Теплопроводность (Вт / мК)
Изоляция из каменной ваты 0.0364
Изоляция из стекловолокна 0,0430

Этот эксперимент подчеркивает важность исследований при выборе изоляции. Правильное знание не только стоимости и теплопроводности изоляции, но и других характеристик, таких как водопроницаемость и огнестойкость, также имеет ключевое значение. Результаты измерения теплопроводности теплоизоляции из каменной ваты и стекловолокна, полученные с помощью измерителя теплового потока, по сравнению с проводимостью, заявленной производителем, были в пределах заявленной точности измерителя теплового потока (3%).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *