Теплопроводность

Теплопроводность. Просто о сложном

Теплопроводность

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности.

Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше, — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку. Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла.

Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня.

Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень.

Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло.

При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место.

Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция.

Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры.

В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет.

В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов.

Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью.

Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года.

На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Её разбор проведем на примере теплоизоляционного материала из пенополиизоцианурата (ПИР/PIR) — LOGICPIR

LOGICPIR – это инновационный утеплитель, обладающий уникальными показателями теплопроводности – всего 0,021 Вт/м*К, позволяющий добиться максимальной экономии пространства при минимальной толщине теплоизоляции.

Кроме того, PIR-плиты не впитывают влагу, тем самым предотвращая образование конденсата и надежно защищая ваш дом от появления плесенных грибов, клещей и бактерий, представляющих опасность для здоровья.

LOGICPIR относится к новому поколению полиуретанов, окружающих нас повсеместно: начиная от деталей интерьера автомобилей, матрацев и обуви и заканчивая медициной, где самая поразительная сфера их применения – изготовление протезов для сердечно-сосудистой системы. Стоит ли говорить, что материал экологически безопасен, что подтверждено целым рядом сертификатов и заключений.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

  • твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
  • газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы.

Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно.

Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет.

В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа.

По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо.

Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е.

все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Подведем итог. Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже.

У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток.

Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5950c9227ddde89e71a6caf5/5abe50d6fd96b19621fe4b8b

Теплотехнические определения

Теплопроводность

   Эта статья — попытка вникнуть в терминологию теплотехники, расчёты и может содержать трудноусвояемые умозаключения. Возможны головные боли и резь в глазах от приставки «тепло-«. Итак, начнём!

Теплопередача и её коэффициент (Q)

     Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия.

Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Всего существует три простых механизма передачи тепла — теплообмена:

  • Теплопроводность
  • Конвекция
  • Тепловое излучение

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием этих трёх видов.

   Коэффициент теплопередачи в общем смысле показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1м² теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1К.

   Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции — это величина, выражающая удельный тепловой поток, Вт/м² •К, проходящий за 1ч через 1м² поверхности ограждения при разности температур на ее поверхности, равной 1 К. Этот коэффициент бывает двух видов:

  • трансмиссионный – величина, равная поверхностной плотности теплового потока, проходящего через конструкцию при разности внутренней и наружной температуры в один градус Кельвина (или Цельсия);
  • приведенный –  средне взвешенный коэффициент теплопередачи теплотехнически неоднородной ограждающей конструкции.

Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция!

Теплопроводность и её коэффициент (λ)

    Теплопроводность — процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела (процесс, происходящий в одном теле, в отличие от теплопередачи — процесса, происходящего между различными телами), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, электронами и пр.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

 Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить тепло. Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной в единицу длины (1м), площадью в единицу площади (1м²), за единицу времени (1 секунду) при единичном температурном градиенте (1К).

В метрической системе мер единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K). Этот коэффициент измерен для огромного количества строительных и не только элементов и является основной характеристикой утеплителей. В упрощённом изложении, коэффициент теплопроводности показывает, насколько хорошо элемент конструкции проводит тепло.

Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция! 

 В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры и эта зависимость известна как закон теплопроводности Фурье.

Выглядит эта зависимость в интегральной форме так: Р=λ·S·ΔT/L, где P — полная мощность тепловых потерь (Вт), λ — коэффициент теплопроводности (Вт/(м·K)), S — площадь сечения элемента (площадь стены, крыши)(м²), ΔT — перепад температур между тёплой и холодной гранями элемента (К или °С), L — толщина элемента утеплителя. 

  Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём экструзионный пенопласт «Техноплекс» (λ=0,034 Вт/(м·K)) толщиной 10см (L=0.

1м), и засунем его в качестве утеплителя во все стены каркасного дома размером 10х10м и высотой 3м (S=(10+10)*2*3=120м²), и посчитаем, сколько тепла (Р, ватт) будут пропускать такие стены, если на улице будет мороз -10°С, а в помещении +20°С (ΔT=30°С). P=0,034·120·30/0,1=1224 Ватт.

Иными словами, на отопление 100 м² площади дома из пенопласта с высотой стенок 3м (правда, без окон и дверей) в зимний месяц при температуре -10°С понадобится 1,224·24·30=881,28 кВт·ч электроэнергии. Двухкиловатный электрокотёл вполне справится=))

    Кстати, теплопроводность воздуха — 0,026 Вт/(м·K), поэтому обычные утеплители в стенах (если мы рассматриваем Земную атмосферу, а не аргон или иные газы) не могут иметь коэффициент лучший, чем 0,026. Наиболее близко к этой цифре подобрался экструдированный графитовый пенополистирол с коэффициентом в сухом состоянии 0,027 Вт/(м·K).

 
     Однако, и с таким выводом нынче можно спорить! =)  В последнее время появились различные аэрогели, которые имеют крайне малые поры, через которые может проходить нагретый воздух, достигая теплопроводности в невероятных 0,015 Вт/(м·К). Все из-за того, что размер пор в аэрогеле меньше, чем расстояние, которое пролетает молекула воздуха прежде, чем во что-нибудь врезаться.

 Из-за этого быстрым горячим молекулам воздуха очень трудно протолкнуться сквозь аэрогель и перенести тепло с горячей стороны к холодной.  Это называется Кнудсеновской диффузией. На основе аэрогелей существуют различные краски, мастики, его добавляют в пенополистирол, стеклохолст и прочие материалы, получая на первый взгляд невероятные теплотехнические характеристики.

Про аэрогель рекомендую посмотреть вот это прекрасное видео.

Теплосопротивление (R)

     Теплосопротивление (термическое сопротивление), обозначается буквой «R» — способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Существует три вида термического сопротивления, из за чего очень часто трудно разобраться, о чём идёт речь и кто как считает. Различают:

  • полное термическое сопротивление — величина, обратная коэффициенту теплопередачи;
  • поверхностное термическое сопротивление — величина, обратная коэффициенту теплоотдачи;
  • термическое сопротивление слоя — величина, равная отношению толщины слоя к его коэффициенту теплопроводности. Именно этот вид теплосопротивления используется при расчёте сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

  При общих равных условиях теплосопротивление, это отношение разности температур по краям изоляционного материала к величине теплового потока (теплопередача на единицу площади, Q) проходящего сквозь него,  R=ΔT/Q. Коэффициент теплопередачи материала (Q) обратно пропорционален теплосопротивлению (R), Q=1/R. и наоборот, R=1/Q. Чем больше это число, тем лучше эффективность изоляции.

     В метрической системе СИ теплосопротивление измеряется разностью температуры в Кельвинах (либо в градусах Цельсия), требуемой для переноса 1 Вт энергии на 1м² площади (C·м²/Вт).

 Рассчитывается коэффициент теплосопротивления по формуле R=d/λ, где d — толщина слоя материала в метрах, λ — коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С).

Чем больше полученное значение R, тем лучше его теплоизоляционные свойства. 

  Для строительных конструкций, например для стены, коэффициент термосопротивления состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (внутри помещения Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043) или от стены фасаду (Rse=0,083). 

    Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём стену каркасного дома, состоящую из плиты OSB-3 толщиной 12мм, затем слой минваты фирмы Технониколь «Техноблок», толщиной 200мм (именно эту фирму выбрал по принципу известности и по наличию доступной полной технической информации по каждому материалу в формате PDF.

 Я не продаю, и не рекламирую эту фирму — просто пользуюсь их данными), после минваты слой мембраны влаговетрозащиты, вентзазор на контррейках шириной 40мм и внешняя обшивка стены. Поскольку воздух вентзазора должен сообщаться с внешним воздухом, то теплоизоляционные свойства внешней отделки на общий показатель не оказывают влияния. Коэффициент теплопроводности OSB плиты λ=0.

13 Вт/м·°С, коэффициент минваты λ=0.037Вт/м·°С. R(OSB)=0.012/0.13=0.0923, R(минвата)=0.2/0.037=5.4054. Итого, коэффициент теплосопротивления стены составит R(стена) =R(se) + R(OSB) + R(минвата) + R(si)=5.6557 C·м²/Вт.  Если в помещении мы будем поддерживать температуру +22°С при морозе на улице -28°С, то температурная разница ΔT составит 50°С.

Зная эти данные можем посчитать потери тепловой мощности через 1м² стены, W=50(°С) / 5.6557(C·м²/Вт)=8.85 Вт/м². Если, например, стены дома из прошлого примера размером 10х10м и высотой 3 метра имеют площадь 120м², теплопотери через все стены составят 1062 Вт. Если допустить, что такой холод продержится 1 месяц, то потери тепла через эту стену составят 1.

062кВт · 24ч · 31день=790,128 кВт·ч. Хорошо, что такие холода для нашего региона редкость!=)   

     Для наглядности и упрощения и без того не сильно сложных расчётов я подготовил для вас флеш-калькулятор, умеющий считать значение теплосопротивления R и мощность тепловых потерь с одного квадратного метра ограждающей конструкции за произвольный период. Калькулятор учитывает коэффициент теплоотдачи внутренней и наружной поверхности в соответствии с правилами строительной климатологии КТП 45-2.04-2006.  

    Вслед за странами Европы, в Российской Федерации и у нас в Беларуси приняли новые нормы теплосопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» прежние нормы теплосопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

В российском СНиПе есть таблица «Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» (слева картинка). Как и следовало ожидать, нормы по теплосопротивлению зависят от окружающей температуры и длительности отопительного периода.

Эта зависимость описывается таким понятием, как «Градусо-сутки отопительного периода» или ГСОП, это условная единица измерения повышения среднесуточной температуры над заданным минимумом (базовой температурой).

Показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода.

ГСОП=(tv-t8)·z8, где

tv — расчётная температура внутреннего воздуха в зимний период (по ГОСТу равна 20°С),

t8 — средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С,

z8 — продолжительность (в сутках) периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С.

Данные t8 и z8, а так же массу других интересных данных можно взять из таблиц СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». В документе есть данные не только по России, но и по Беларуси, Грузии, Казахстану, Кыргызии, Молдове, Туркменистану, Узбекистану и Украине.

     Не смотря на всеобщий охват нормативной базы данных в российских документах, белорусские документы всё-же отличаются  (ТКП 45-2.04-43-2006 Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования.)

      Что же предписывает нам этот ТКП?    

      В связи с небольшой географической протяжённостью нашей страны требования к коэффициенту сопротивления теплопередаче у нас выражаются безо всяких формул, ГСОПов и прочих расчётов одной цифрой для всех регионов! Сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций R при строительстве жилых зданий, за исключением наружных дверей, ворот и ограждающих конструкций помещений с избытками явной теплоты, следует принимать не менее:

  • Наружные стены зданий — 3,2;
  • Совмещённые покрытия, чердачные перекрытия и перекрытия над проездами — 6,0;
  • Перекрытия над неотапливаемыми подвалами и техническими подпольями — 2,5;
  • Заполнение световых проёмов для всех типов зданий — 1,0.

Итак, мы видим, что наши отечественные требования всё-же более высокие, чем у наших соседей россиян, при том, что климат нашей страны в целом теплее.

        Вот к этим характеристикам и нужно стремиться, чтобы соответствовать современным стандартам!

Интереса ради мне попалась таблица, отражающая нормы ряда европейских стран по показателю R.

Как стремиться?

    Высчитав требуемый по ГОСТу коэффициент R и зная коэффициент теплопроводности λ  можно легко перевести это в толщину того или иного утеплителя.

Как я уже писал, коэффициент R рассчитывается по формуле  R=d/λ, где d — толщина слоя материала в метрах, λ — коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С), R состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043).

  Отсюда толщина утеплителя d=(R-Rsi-Rse)*λ. Возьмём, например, эковату с коэффициентом теплопроводности λ=0,048 и посчитаем толщину утеплителя для стены каркасного дома в Беларуси.

d=(3,2-0,115-0,043)*0,048=0,146 м.

    К сожалению, любая стена является теплотехнически неоднородным объектом, и для нашего примера необходимо ввести в формулу коэффициент теплотехнической однородности, учитывающий повышенную теплопроводность самого деревянного каркаса, k = 0,8. Тогда формула получится такой:

d=(3,2-0,115-0,043)/0,8*0,048=0,183 м.

Округлив, получаем 20 см эковаты — этого достаточно, чтобы дом соответствовал стандарту.

    Еще пример, рассчитаем толщину пенопласта БПС-25 для утепления дома из газобетона D500 с толщиной блока 30см в Бресте. λ газобетона=0,16, λ БПС-25=0,043. Rгазобетона=0,3/0,16=1,875. Коэффициент однородности по кладке k=0,9. 

d=(3,2-1,875-0,115-0,043)/0,9*0,043=0,056.

Для утепления такого дома потребуется 6 см пенопласта марки БПС-25. Как видите, расчёт не сложный и не требует знания высшей математики! 

Утепляйтесь на здоровье!

И не верьте рекламе!

P.S. Если вас интересует дополнительная информация про теплофизические свойства материалов, рекомендую

посетить вот этот сайт — ооочень много таблиц и информации на эту тему!

Источник: https://www.project-house.by/theory

Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое

Теплопроводность

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной.

Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой.

Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”.

В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С.

Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен  постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло.

Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас  в качестве материалов для утепления зданий  наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов.

Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами – Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда)  и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2.

, то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур  стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт.

Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности.  Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

МатериалКоэфф. тепл. Вт/(м2*К)
Алебастровые плиты0,470
Алюминий230,0
Асбест (шифер)0,350
Асбест волокнистый0,150
Асбестоцемент1,760
Асбоцементные плиты0,350
Асфальт0,720
Асфальт в полах0,800
Бакелит0,230
Бетон на каменном щебне1,300
Бетон на песке0,700
Бетон пористый1,400
Бетон сплошной1,750
Бетон термоизоляционный0,180
Битум0,470
Бумага0,140
Вата минеральная легкая0,045
Вата минеральная тяжелая0,055
Вата хлопковая0,055
Вермикулитовые листы0,100
Войлок шерстяной0,045
Гипс строительный0,350
Глинозем2,330
Гравий (наполнитель)0,930
Гранит, базальт3,500
Грунт 10% воды1,750
Грунт 20% воды2,100
Грунт песчаный1,160
Грунт сухой0,400
Грунт утрамбованный1,050
Гудрон0,300
Древесина – доски0,150
Древесина – фанера0,150
Древесина твердых пород0,200
Древесно-стружечная плита ДСП0,200
Дюралюминий160,0
Железобетон1,700
Зола древесная0,150
Известняк1,700
Известь-песок раствор0,870
Ипорка (вспененная смола)0,038
Камень1,400
Картон строительный многослойный0,130
Каучук вспененный0,030
Каучук натуральный0,042
Каучук фторированный0,055
Керамзитобетон0,200
Кирпич кремнеземный0,150
Кирпич пустотелый0,440
Кирпич силикатный0,810
Кирпич сплошной0,670
Кирпич шлаковый0,580
Кремнезистые плиты0,070
Латунь110,0
Лед 0°С2,210
Лед -20°С2,440
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности)0,150
Медь380,0
Мипора0,085
Опилки – засыпка0,095
Опилки древесные сухие0,065
ПВХ0,190
Пенобетон0,300
Пенопласт ПС-10,037
Пенопласт ПС-40,040
Пенопласт ПХВ-10,050
Пенопласт резопен ФРП0,045
Пенополистирол ПС-Б0,040
Пенополистирол ПС-БС0,040
Пенополиуретановые листы0,035
Пенополиуретановые панели0,025
Пеностекло легкое0,060
Пеностекло тяжелое0,080
Пергамин0,170
Перлит0,050
Перлито-цементные плиты0,080
Песок 0% влажности0,330
Песок 10% влажности0,970
Песок 20% влажности1,330
Песчаник обожженный1,500
Плитка облицовочная1,050
Плитка термоизоляционная ПМТБ-20,036
Полистирол0,082
Поролон0,040
Портландцемент раствор0,470
Пробковая плита0,043
Пробковые листы легкие0,035
Пробковые листы тяжелые0,050
Резина0,150
Рубероид0,170
Сланец2,100
Снег1,500
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, 15% влажности)0,150
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности)0,230
Сталь52,0
Стекло1,150
Стекловата0,050
Стекловолокно0,036
Стеклотекстолит0,300
Стружки – набивка0,120
Тефлон0,250
Толь бумажный0,230
Цементные плиты1,920
Цемент-песок раствор1,200
Чугун56,0
Шлак гранулированный0,150
Шлак котельный0,290
Шлакобетон0,600
Штукатурка сухая0,210
Штукатурка цементная0,900
Эбонит0,160

Источник: http://www.econel.ru/teploprovodnost/

Теплопроводность металлов

Теплопроводность

Среди большого количества параметров, характеризующие металлы существует и такое понятие как теплопроводность. Ее значение сложно переоценить. Этот параметр применяют при расчете деталей и узлов. Например, шестеренчатых передач. Вообще теплопроводностью занимается целый раздел науки под названием термодинамика.

Теплопроводность металлов

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

Теплопроводность металлов можно охарактеризовать так – это способность материалов (газ, жидкость и пр.) переносить излишнюю тепловую энергию от разогретых участков тела к холодным. Перенос осуществляется свободно движущимися элементарными частицами, в число которых входят атомы электроны и пр.

Сам процесс теплообмена происходит в любых телах, но способ переноса энергии во многом зависит от агрегатного состояния тела.

Кроме этого теплопроводности можно дать еще одно определение – это количественный параметр возможности тела проводить тепловую энергию. Если сравнивать тепловые и электрические сети, то это понятие аналогично электрической проводимости.

Тепловое сопротивление

Способность физического тела не допускать распространение теплового колебания молекул называют тепловым сопротивлением. Кстати, некоторые, искренне заблуждаются, путая это понятие с теплопроводностью.

Понятие коэффициента теплопроводности

Коэффициентом теплопроводности называют величину, которая равна количеству теплоты, переносимого через единицу поверхности за одну секунду.
Теплопроводность металла была установлена еще в 1863 году.

Именно тогда было доказано то, что за передачу теплоты отвечают свободные электроны, которых в металле великое множество.

Именно поэтому коэффициент теплопроводности металлов значительно выше, чем у диэлектрических материалов.

Теплопроводность – это физическая величина и по большей части зависит от параметров температуры, давления и типа вещества. Большая часть коэффициентов определяется опытным путем. Для этого разработано множество методов.

Результаты сводятся в справочные таблицы, которые потом используются при проведении различных научных и инженерных расчетов.
Тела обладают разной температурой и при тепловом обмене она (температура) будет распределяться неравномерно.

Другими словами необходимо знать, как зависит коэффициент теплопроводности от температуры.

Многочисленные опыты показывают то, что у многих материалов связь между коэффициентом  и самой теплопроводностью является линейной.

Коэффициент теплопроводности

Теплопроводность металлов обусловлена формой его кристаллической решетки.

Во многом коэффициент теплопроводности зависит от строения материала, размеров его пор и влажности.

Параметры теплопроводности в обязательном порядке учитывают во время выбора материалов для ограждающих конструкций – стен, перекрытий  и пр.

В помещениях, где стены выполнены из материалов с высокой теплопроводностью в холодное время года будет довольно прохладно. Не поможет и отделка помещения.

Для того, чтобы этого избежать стены необходимо делать довольно толстыми. Это непременно повлечет повышение затрат на материалы и оплату труда.

Схема утепления деревянного дома

Именно поэтому в конструкции стен предусмотрено использование материалов с низкой теплопроводностью (минеральная вата, пенопласт и пр.).

  • В справочных материалах по теплопроводности различных материалов особое место занимают данные, представленные о сталях разных марок.Так, в справочных материалах собраны экспериментальные и расчетные данные следующих типов стальных сплавов:

    стойких к воздействию коррозии, повышенной температуры;

  • предназначенных для производства пружин, режущего инструмента;
  • насыщенных легирующими добавками.

В таблицах сведены показатели, которые были собраны для сталей в температурном диапазоне от -263 до 1200 градусов.
Усредненные показатели составляют для:

  • углеродистых сталей 50 – 90 Вт/(м×град);
  • коррозионностойких, жаро- и теплостойких сплавов, относящимся к мартенситным — от 30 до 45 Вт/(м×град);
  • сплавов, относящимся к аустенитным от 12 до 22 Вт/(м×град).

В этих справочных материалах размещена информация и свойствах чугунов.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Во время проведения расчетов связанных с цветными металлами и сплавами проектировщики применяют справочные материалы, размещенные в специальных таблицах.

Таблица теплопроводности алюминиевых сплавов

В них представлены материалы о теплопроводности цветных металлов и сплавов, кроме этих данных указана информация о химическом составе сплавов. Исследования проводили при температурах от 0 до 600 °С.

По информации собранной в этих табличных материалах видно то, что к цветным металлам, обладающим высокой теплопроводностью сплавы на основе магния и никель. К металлам, у которых низкая теплопроводность относят нихром, инвар и некоторые другие.

У большинства металлов хорошая теплопроводность, у одних она больше, у других меньше. К металлам с хорошей теплопроводностью относят золото, медь и некоторые другие. К материалам с низкой теплопроводностью относят олово, алюминий и пр.

Таблица теплопроводности сплавов никеля

Высокая теплопроводность может быть и достоинством, и недостатком. Все зависит от сферы применения. К, примеру, высокая теплопроводность хороша для кухонной посуды. Материалы с низкой теплопроводностью применяют для создания неразъемных соединений металлических деталей. Существуют целые семейства сплавов, выполненных на основе олова.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами.Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь.

Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев.Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция. Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ.

Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом.

Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Можно ли повысить теплопроводность меди

Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с  нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа.

При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов.
Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала.

Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов.

Графен с медной фольгой

При нагревании меди, но без нанесения этого материала, зерна сохранили свой размер.
Одно из назначений меди это отведение лишнего тепла из электронных и электрических схем. Использование графенового напыления эта задача будет решаться значительно эффективнее.

Влияние концентрации углерода

Стали с малым содержанием углерода обладают высокими показателями теплопроводности. Именно поэтому материалы этого класса применяют для изготовления труб и арматуры для нее. Теплопроводность сталей этого типа лежит в диапазоне 47-54 Вт/(м× К).

Применение теплопроводности при строительстве

У каждого материала имеется свой показатель теплопроводности. Чем ее значение ниже, тем, соответственно ниже уровень теплообмена между внешней и внутренней средой. Это означает то, что в здании, сооруженном из материала с низкой теплопроводностью, зимой будет тепло, а летом прохладно.

Тепловые потери по швам панельного дома

При сооружении различных зданий, в том числе и жилые здания, без знаний о теплопроводности стройматериалов не обойтись. При проектировании строительных сооружений необходимо учитывать данные о свойствах таких материалов как – бетон, стекло, минеральная вата и многих других. Среди них предельная теплопроводность принадлежит бетону, между тем, у древесины она в 6 раз меньше.

Системы отопления

Ключевая задача любой отопительной системы – это перенос тепловой энергии от теплоносителя в помещения. Для такого обогрева применяют батареи или радиаторы отопления. Они необходимы для передачи тепловой энергии в помещения.

  • Радиатор отопления – это конструкция внутри, которой перемещается теплоноситель. К основным характеристикам этого изделия относят:
    материал, из которого оно изготовлено;
  • вид конструкции;
  • размеры, в том числе и количество секций;
  • показатели теплоотдачи.

Именно теплоотдача и есть ключевой параметр. Все дело в том, что определяет объем энергии, которое передается от радиатора в помещение. Чем больше этот показатель, тем ниже будут потери тепла.

Существуют справочные таблицы, определяющие материалы, оптимальные для использования в отопительных системах. Из данных, которые в них размещены, становится ясно, что самым эффективным материалом считается медь.

Но, вследствие ее высокой цены и определенных технологических сложностей, связанных с обработкой меди их применяемость не так высока.

Биметаллический радиатор

Именно поэтому все чаще применяют модели, изготовленные из стальных или алюминиевых сплавов. Нередко применяют и сочетание различных материалов, например, стали и алюминия.

Каждый изготовитель радиаторов, при маркировке готовых изделий должен указывать такую характеристику, как мощность тепловой отдачи.

На рынке отопительных систем можно приобрести радиаторы, изготовленные из чугуна, стали, алюминия и биметалла.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки.

Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии.

Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Нетермостабильность металлов ставит ряд ограничений использование теплофизических способов исследования. Дело в том, что этот способ проведения исследований требует нагревать образцы не менее двух раз, в определенном температурном интервале.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы.  Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность.

  При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени.

  Направление  изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются  и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.

На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Какой метод измерения теплопроводности лучше всего подходит для вашего материала?

Существуют методы измерения тепловодности, такие как LFA, GHP, HFM и TCT. Они отличаются друг от друга размерами и геометрическими параметрами образцов, применяемых для проверки теплопроводности металлов.

Эти сокращения можно расшифровать как:

  • GHP (метод горячей охранной зоны);
  • HFM (метод теплового потока);
  • TCT (метод горячей проволоки).

Вышеуказанные способы применяют для определения коэффициентов различных металлов и их сплавов. Вместе с тем с использованием этих методов, занимаются исследованием других материалов, например, минералокерамики или огнеупорных материалов.

Образцы металлов, на которых проводят исследования, имеют габаритные размеры 12,7×12,7×2.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/teploprovodnost-metallov.html

Booksm
Добавить комментарий