CC BY
27
УДК 664.004.12:536.2(038)
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КАМЧАТСКИХ ПЕРЛИТОВ
Л.И. Балыкова, И.П. Сарайкина (КамчатГТУ)
Рассматривается один из эффективных типов тепловой изоляции на основе вспученного перлита, запасы которого имеются в Камчатском крае. Изложены теоретические основы теплообмена и даны формулы для определения коэффициента теплопроводности. Приведены методы расчетов и испытаний теплоизоляционных конструкций ограждений с использованием перлита, а также результаты экспериментальных исследований.
The article deals with one of the effective types of heat insulation on the base of expanded pearlite, the reserves of which are located in Kamchatka. Theoretical bases of heat exchange are presented; formulae for determining the coefficient of thermal conductivity are given. The methods for calculations and testing of the thermal insulation constructions of enclosures with the use of pearlite are presented, and the results of experimental studies are also given.
Наличие теплоизоляционных ограждений является важнейшей характерной особенностью охлаждаемых помещений. Отсутствие изоляции или уменьшение ее термического сопротивления приводят к невозможности поддержания в помещениях требуемых тепловых и влажностных режимов. При строительстве и последующей эксплуатации холодильников необходимо решать широкий круг вопросов, относящихся к изоляции помещений [1].
Одним из эффективных пористых теплоизоляционных материалов является вспученный перлит, получаемый в результате термической обработки алюмосиликатной перлитовой породы вулканического происхождения. Гранулы перлита различной плотности и размеров применяют как изоляцию в интервале температур от -200 до +900°С. Благодаря своим уникальным физико-механическим свойствам перлит нашел большое применение при строительстве в качестве тепло- и звукоизолирующего материала.
Камчатский край относится к районам с высокой вулканической активностью. Здесь находятся два месторождения перлитов при разведанном запасе в 3222 тыс. м3, что составляет более 12% от всех его запасов по России (табл. 1).
Таблица 1
Географическое размещение запасов перлитового сырья в России
Федеральный округ, субъект Федерации Количество месторождений Балансовые запасы, тыс. м3
А + В Всего
1 2 3 4
Сибирский округ 3 5700 19 311
Республика Бурятия 1 3915 14 635
1 2 3 4
Читинская область 2 1785 4676
Дальневосточный округ 6 3831 7122
Камчатский край 2 1653 3222
Хабаровский край 1 266 724
Приморский край 3 1912 3176
Всего по Российской Федерации 9 9531 26 433
Перлит - это разновидность кислых вулканических стекол, содержащих более 1% воды и имеющих текстуру, похожую на жемчуг, которая и дала название этой породе (от фр. рег1е -жемчуг). Особенностью перлитов является их способность к вспучиванию при тепловой обработке с многократным увеличением в 5-20 раз от первоначального объема и соответствующим уменьшением объемной массы. Перлитовые месторождения локализуются в районах кайнозойского, мезозойского и (значительно реже) палеозойского вулканизма. В соответствии с таким временным распределением за счет кристаллизации и вторичных изменений ухудшаются технологические свойства перлита.
Перлиты используются как в естественном виде, так и после тепловой обработки (вспученный песок). Традиционная область их применения в мире - строительная индустрия, что обусловлено такими его свойствами, как негорючесть, низкое водопоглощение, высокие звуко-и теплоизоляционные свойства. В зависимости от марки из вспученного перлитового песка получают легкие бетоны и растворы различного назначения, керамо- и битумперлитовые изделия, перлитовые изделия на синтетических связующих, гипсовые и силикатно-перлитовые материалы, штукатурные растворы, широкую гамму теплоизоляционных материалов. Вспученный перлитовый песок широко используют также в других отраслях народного хозяйства [5]. В естественном состоянии перлит применяется в основном для изготовления тяжелых конструкционных бетонов, как активная гидравлическая добавка при производстве цемента, как наполнитель при строительстве дороги и т. д.
Использование камчатских перлитов в качестве теплоизоляции требует значений основных теплофизических характеристик, в первую очередь коэффициента теплопроводности. При их определении необходимо учитывать строение перлита, взаимодействие его с внешней средой, молекулярные и химические взаимодействия влаги с материалом (формы связи влаги) и условия перемещения ее в материале, а также влияние адсорбирующих добавок, резко изменяющих структурно-механические свойства обрабатываемого материала.
Для характеристики тепловых свойств материалов используют общие законы теплопроводности. Анализ литературных источников показал, что, несмотря на значительные достижения в исследовании теплофизических свойств и определении характеристик различных веществ и материалов, в этой области еще имеется ряд нерешенных задач. К ним относятся, в частности, недостаточная точность измерений (особенно ограниченный объем теплофизических измерений фундаментального характера), отставание в обобщении накопленных экспериментальных данных и отсутствие четко разработанной обобщенной методической информации по результатам измерений. Кроме того, отмечается изобилие методов определения теплофизических характеристик.
Трудности экспериментального определения теплофизических характеристик перлитов обусловливают большое значение аналитических методов расчета коэффициентов в зависимости от состава, структуры и параметров состояния системы, представляющей собой твердые пористые (зернистые) системы с газовыми включениями. При этом большое значение приобретает обоснованный выбор моделей структуры объектов и физических представлений, лежащих в основе выбранных методов измерений [6]. Таким образом, определение и оценку значений теплофизических характеристик материалов следует увязывать с другими свойствами и характеристиками.
В зависимости от размера зерен, получаемых после обжига перлита (ГОСТ 10832-91), вспученный перлит разделяют на песок (зерна размером менее 5 мм) и щебень (зерна размером 5-20 мм). В зависимости от насыпной плотности песок подразделяют на следующие марки: 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 (табл. 2) [2].
Физико-механические показатели перлитового песка (влажность - не более 2% по массе)
Показатели Марка
75 100 150 200 250 300 400 500
Теплопроводность при температуре 25°С, Вт/(м • К) 0,047 0,052 0,058 0,064 0,07 0,076 0,081 0,093
Прочность при сдавливании в цилиндре (для фракций 1,25-2,5 мм), МПа, не менее Не нормируется 0,10 0,15 0,30 0,40 0,60
Как следует из табл. 2, коэффициент теплопроводности (среднее значение) перлитового песка в зависимости от насыпной плотности (в кг/м3) изменяется в пределах от 0,047 до 0,093 Вт/(м • К). Однако в связи с тем, что около 72% перлита применяется в виде засыпного материала для теплоизоляции строительных ограждений, важное значение имеет определение коэффициента теплопроводности ограждения в целом.
Так как перлит является пористым материалом, то аналитически коэффициент теплопроводности можно рассчитать через коэффициент пористости вск для грубой модели строения вещества, который был получен О. Кришером [3]:
— = — 1------1-------, (1) — (1 -8 ) + 8
Л V, ск / ск
— 1
где —1 - коэффициент теплопроводности алюмосиликатной перлитовой породы, Вт/(м • К);
—2 - коэффициент теплопроводности газов, образующихся при термообработке перлитовой породы, Вт/(м • К).
Данная формула дает большие погрешности, так как грубая модель строения не отвечает строению перлитового зерна. Наименьшую погрешность в расчетах можно получить, используя упрощенную модель строения вещества, которая рассматривается как система, состоящая из уложенных в шахматном порядке пластин.
Коэффициент теплопроводности зерен, щебня перлита для упрощенной модели строения вещества определяется по формуле
Х = Х2
48ск (1 -2вск)
1 + ^ X,
(2)
После засыпки перлитовых зерен в ограждение между зернами, имеющими неправильную геометрическую форму, остается небольшая прослойка воздуха, при этом коэффициент пористости слоя 8ск = 0,5. В данном случае коэффициент теплопроводности слоя рассчитывается также для упрощенной модели строения вещества по формуле (2).
Перлитовая изоляция (зерна, щебень перлита) обладает малой гигроскопичностью и очень малым водопоглощением, однако при засыпании в ограждение, как уже было сказано, между зернами, имеющими неправильную геометрическую форму, остается небольшая прослойка воздуха. Так как бетон имеет по сравнению с перлитом большую гигроскопичность, то воздух между зернами или щебнем увлажняется. Поскольку теплопроводность воды примерно в 25 раз больше теплопроводности неподвижного воздуха, то наличие влаги в воздухе вызывает существенное повышение его теплопроводности.
Зависимость теплопроводности воздуха от объемной влажности может быть выражена эмпирической формулой
Х3 =Х2 + ДХсо,
(3)
где Х2 - коэффициент теплопроводности сухого воздуха, Вт/(м • К);
ДХ = 0,0035 - приращение теплопроводности на каждый процент увеличения объемной влажности, Вт/(м • К);
о — объемная влажность, %.
2
При увлажнении воздуха между зернами засыпной перлитовой изоляции изменение коэффициента теплопроводности изоляции по времени приведено в виде графической зависимости —т = /(ют) (рис. 1). Тогда коэффициент теплопроводности изоляции при увлажнении воздуха можно определить по формуле
— = (—2 + Д—ю)
48„
________________+ —1 (1 - 28Ск)
1 (2 + Д—ю) (—2 + Д—ю)
+ —
(4)
Рис. 1. Изменение коэффициента теплопроводности воздуха от объемной влажности
Процесс увлажнения изоляционной конструкции приводит к изменению коэффициента теплопроводности изоляции по времени, представленного в виде графической зависимости
—т = / (—ув ) (рис. 2).
Рис. 2. Изменение коэффициента теплопроводности материала от коэффициента теплопроводности воздуха
Одной из главных характеристик теплоизолированного ограждения является коэффициент теплопередачи, который включает все сопротивления при передаче тепла через ограждение. Для ограждения с засыпной перлитовой изоляцией при толщине бетонных плит 20 мм, толщине засыпного перлитового слоя изоляции между плитами 160 мм и традиционных коэффициентах теплоотдачи на границе стенка - воздух коэффициент теплопередачи в среднем составит
0,135 Вт/(м ■ К).
Нами проведены экспериментальные исследования на специально разработанной установке для определения теплофизических характеристик (рис. 3):
- для слоя песка из запасов перлитового сырья Камчатского края;
- образца ограждений с засыпной перлитовой изоляцией из стеновых блоков и тяжелого бетона.
Рис. 3. Установка для исследования теплофизических характеристик перлита:
1 - герметичная крышка для загрузки исследуемого продукта; 2 - исследуемый продукт;
3 - изоляция установки; 4 - измеритель температуры ИРТ-4; 5 - измеритель теплового потока ИРТ-4; 6 - плоский источник тепла в двух слоях изоляции; 7 - реостат; 8 - амперметр;
9 - источник постоянного напряжения
Используя экспериментальные данные плотности теплового потока и разности температур на поверхностях образцов при их фиксированной толщине, коэффициент теплопроводности определялся согласно общепринятой методике [3] с помощью формулы
Дt
где 5 - расстояние от нагревателя до горячего спая термопары, м;
q - плотность теплового потока, Вт/м2;
Дt - разность температур фиксируемых термопар.
Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры нагрева образцов и плотности теплового потока представлена на рис. 4.
Современные перспективы улучшения качества теплоизоляции возможны при использовании вакуумированных перлитов. Установлено, что коэффициент теплопроводности порошков быстро снижается при уменьшении давления газа [4]. Поток тепла через пространство, заполненное некоторыми порошками при низком вакууме, близок по величине к потоку через пустое пространство при высоком вакууме между стенками с высокой отражательной способностью. Вакуумно-порошковая изоляция нашла широкое применение в технике низких температур, особенно в криогенной технике.
Рис. 4. Изменение коэффициента теплопроводности материала от температуры
Современная технология изготовления пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию на основе перлитов с вакуумированием как для бытовых, так и для производственных целей (например, в строительстве). Коэффициент теплопроводности данных изделий может достигать значения 0,002 Вт/(м • К) при снижении давления до 10 Па, что более чем на порядок ниже традиционно используемых в строительстве утеплителей.
Литература
1. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. - СПб.: Политехника, 2002. - 576 с.
2. Алексеева Л., Нациевский С. Мировой опыт применения теплоизоляции на основе вспученного перлита // Капитальное стр-во. - 2002. - № 8. - С. 42-46.
3. Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов. - М.: Пищ. пром-сть, 1975. - С. 150-154.
4. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. - М.: Машиностроение, 1966. - 275 с.
5. www.cor-company.ru
6. www.isk-energo.ru
