CC BY
18
SCIENCE TIME
■
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОГО ВАКУУМА НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Назиров Рашит Анварович, Новиков Никита Сергеевич, Жжоных Алексей Максимович, Сибирский Федеральный университет Инженерно-строительный институт, г. Красноярск
E-mail: aspirantura.sfu@mail. ru
Аннотация. Проведены исследования по вакуумированию различных строительных материалов для снижения их теплопроводности. В результате испытаний было выделено две группы материалов, в зависимости от их уплотнения после вакуумирования. Установлено, что низкий вакуум может снизить теплопроводность материалов до 18%.
Ключевые слова: вакуумирование; теплоизоляция; теплопроводность; вакуумно-теплоизоляционные панели.
Для нашей страны, с её суровыми климатическими условиями, всегда будет актуально повышение тепловой и энергетической эффективности конструктивных решений зданий, которые в свою очередь предъявляют повышенные требования к свойствам теплоизоляционных материалов. Эта задача решается в основном увеличением толщины слоя теплоизоляции, что требует повышения толщины конструкции. Создание более эффективного теплоизоляционного материала является рациональным решением данных задач. Теплопроводность различных материалов может быть снижена при помещении их в вакуум. В внутри вакуумной панели перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью воздуха, практически исключается. Перспективным направлением является создание вакуумных изоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов — мелких порошков или аэрогелей [1-5]. Физические принципы данного типа теплоизоляции разработаны еще в 60-е годы прошлого столетия [1, 2]. Современная технология изготовления пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию с вакуумированием для массового применения в строительстве
[3-8].
I
SCIENCE TIME
I
Для исследования теплопроводности изготавливались образцы 100х100х20 мм с наполнителем из испытуемых материалов, заключенных в форму, изготовленную из экструзионного пенополистирола с толщиной бортов 5 мм. Критерием для принятия размеров образца был принят размер стандартной ячейки для испытаний на коэффициент теплопроводности при стационарном тепловом потоке. В лабораторных испытаниях применялся откалиброванный на стандартных образцах эталонах прибор ИТП-МГ4 «100». В качестве наполнителей были взяты следующие материалы: пеностекло (фракции 12; 9; 5 и 2 мм), опилки берёзы и кедра, вермикулит (средний и мелкий), перлит, микрокремнезём, Micronal PCM®, полистирол и пенополистирол в гранулах. Форма с высушенным до постоянной массы испытуемым материалом погружалась в вакуумный ПЭТ пакет и устанавливалась в вакуум-упаковочную машину. В течение 100 секунд происходила откачка воздуха, создание разряжения -0,8 атм и запайка пакета.
Испытания проводились по ГОСТ 7076-99 «Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».
На рис.1 представлены значения влажности испытуемых материалов в воздушно-сухом состоянии. Наибольшее значение влажности имеют опилки, наименьшее - перлит.
Рис. 1 Влажность материалов в воздушно-сухом состоянии
1 SCIENCE TIME 1
Необходимо отметить, что в процессе вакуумирования плотность образцов увеличивалась по отношению к плотности материала в насыпном состоянии. На рис.2 показано изменение плотности образцов, отобранных для испытаний, после их вакуумирования в зависимости от их насыпной плотности, определенной стандартным методом. Результаты хорошо аппроксимируются прямой линией с коэффициентом парной корреляции R2=0.91. Плотность после вакуумирования образцов прямо пропорцианальна насыпной плотности материала.
Рис. 2 Изменение плотности
Значения теплопроводности материала в обычном состоянии и теплопроводности материала находящегося в среде вакуума представлены на рис.3. Для характеристики степени уплотнения материала нами принята величина коэффициента уплотнения, равного отношению плотности уплотнённого материала после вакуумирования к насыпной плотности исходного материала.
где рн - плотность материалов в насыпном состоянии; рв - плотность материалов после вакуумирования.
На рис.3 хорошо видно, что весь спектр испытуемых материалов образует две в значительной степени отличные друг от друга группы: первая группа -материалы, которые при вакуумировании практически не уплотнялись или
I
SCIENCE TIME
I
уплотнялись не более чем на 10 %, и вторая группа, в которой испытуемые материалы уплотнялись за счёт процесса вакуумирования на 40-60%. Можно предположить, что образование двух групп произошло из-за того, что материалы, которые практически не уплотнялись (вермикулит, микрокремнезём, полистирол, пенополистирол, micronal PCM®) имеют большую однородность. Исключение составляет пеностекло. Уплотнение пеностекла происходит за счет частичного поверхностного разрушения оболочки гранул и более тесного сближения их между собой.
и
о
—
-2
g
1
О
4
5
о
н
0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
♦
й ■ □
ъ
♦ в обычно см состоянии
□ вакуумированные
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 Коэффициент уплотнения рв/рн
1,60
1,70
Рис. 3 Теплопроводность в зависимости от коэффициента уплотнения в обычном
и вакуумированном состоянии
На рис.4 хорошо видно, что для материалов, у которых коэффициент уплотннения при вакуумировании К<1,10, вакуумирование не позволяет понизить теплопроводность, т.е. вакуумирование для таких видов материла нецелесообразно, поскольку практически не обеспечивает понижение теплопроводности. К таким материалам относятся: вермикулит, микрокремнезём, PCM Micronal®, полистирол, пенополистирол. Минимальная теплопроводность, для этой группы материалов наблюдается при коэффициенте уплотнения около 1,05 (рисунок 4.). Минимальная теплопроводность из этой группы материалов наблюдается у пенополистирола.
I
SCIENCE TIME
I
Рис. 4 Теплопроводность исследуемых материалов в зависимости от уплотнения при вакуумировании. для коэффициента уплотнения K = 1-1,12
На рис.5 показано изменение теплопроводности для группы материалов с коэффициентом уплотнения в пределах 1,35-1,6. Хорошо видно, после ваккумирования теплопроводность этой группы материалов уменьшается. К ним 4 относят пеностекло фракций 12мм, 9мм, 5мм; 2мм, опилки, перлит. Минимальный коэффициент теплопроводности наблюдается при коэффициенте уплотнения около 1,5 и соответствует материалу пеностеклу фракции 9мм.
Рис. 5 Теплопроводность исследуемых материалов в зависимости от уплотнения при вакуумировании, для коэффициента уплотнения K = 1,35-1,6
На рис.6 представлена зависимость теплопроводности материала в естественном состоянии и теплопроводности в вакуумированном состоянии.
I
SCIENCE TIME
I
Хорошо видно материалы которые имеют повышеную теплопроводность в естественном состоянии, имеют высокую теплопроводность и после вакуумирования.
Рис. 6 Зависимость теплопроводности при различных коэффициентах
уплотнения
Эффективность вакуумирования представлена на рис.7.
Пенополистирол Полистирол PCM Micronal Микрокремнезём Вермикулит мелкий Вермикулит средний Перлит Опилки (кедр) Опилки (берёза) Пеностекло, фр. 12 мм Пеностекло, фр. 2 мм Пеностекло, фр. 5 мм Пеностекло, фр. 9 мм
о о о о о о о о 1 о о о о Чл Os -9,72
1 1 -2,38
-18.
18
0,00 -5,00 -10,00 -15,00
Снижение теплопроводности после ваккуумированпя, %
-20,00
Рис. 7 Эффективность вакуумирования
«
1 SCIENCE TIME 1
Отрицательное значение показателей свидетельствует о величине снижении теплопроводности. Наибольшее влияние на снижение теплопроводности оказывает вакуумирование пенополистирола. Снижение до отрицательного давления 0,8 атм практически не оказывает влияния на теплопроводность микрокремнезёма, вермикулита и PCM Micronal.
Заключение
Проведены исследования возможности создания вакуумированных теплоизоляционных материалов с использованием местного сырья органического и неорганического происхождения. Выводы:
а) что низкий вакуум при давлении 0,8 атм способствует снижению теплопроводности образцов изготовленных из пенополистирола, перлита, опилок, пеностекла и практически не влияет на изменение теплопроводности полистирола, micronal PCM®, микрокремнезема, вермикулита;
б) по всей видимости, вакуумирование пеностекла приводит к разрушению перегородок пор которое сопровождается выделением тяжёлых газов, которые имеют молекулярную массу больше, чем у воздуха и обеспечивают, тем самым более низкую теплопроводность;
в) получение плитного материала из сыпучих материалов путем технологии вакуумирования на наш взгляд является перспективной технологией изготовления плитного утеплителя. Низкий вакуум предполагает лучшую долговечность, т.к. теплоизоляционный материал изолирован от конденсации водяных паров и других воздействий окружающей среды.
Литература:
1. Васильев Л.Л. Теплопроводность неметаллических зернистых систем / Л.Л. Васильев // Строительная теплофизика. — М., Л.: Энергия, — 1966. — С. 48-56.
2. Дульнев Г.Н., Сигалова Г.В. Теплопроводность моно- и полидисперсных зернистых материалов / Г.Н. Дульнев, Г.В. Сигалова // Строительная теплофизика. — М., Л.: Энергия, — 1966. — С. 40-47.
3. Armin Binz Hightech-Materialen von dem Durchbruch. 9 Passivhaus Tagung, Ludvigshafen. — 2005. — S. 219-224.
4. Caps R., Friscke J. Vakuumdämmungen in der Anvendung. 5 Passivhaus Tagung, Reutlingen, — 2001. — S. 247-254.
5. Caps R., Friscke J. Konzepte für den Einsatz, von evakuirten Dämmungen bei Passivhäusern. 4 Passivhaus Tagung, Kassel, — 2000. — S. 171-177.
6. Ferle A. Einsatz von Vacuumdämmung in Hochbau. 8 Europäische Passivhaustagung — 2004. Krems, Austria. — S. 171-177.
355
1 SCIENCE TIME 1
7. Diefernbach N. Modernisierung von Zweifamilienhäusern auf unterschiedliche energetische Standards unter einzatz von Großelementen mit Vakuumdämmung. 9 Internationale Passivhaustagung — 2006. Hannover. — S. 63-68.
8. Oehler S. Münsterländer Hof renoviert. 9 Internationale Passivhaustagung — 2006. Hannover. — S. 57-62.
