XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Теплосбережение и теплоизолирующие материалы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Проблема
Мы проживаем в СФО, где зима продолжается более семи месяцев, что ведет к значительномупотреблению тепловой энергии. Чем больше потребляемая теплоэнергия, тем больше ее потери.Наличие потерь ведет к дополнительным затратам: покупке большего количества топлива, как следствие увеличению цены за теплопотребления для пользователя теплосети. Сегодня необходимо снизить потери при передаче теплоэнергии от источника к потребителю.
Актуальность
Существует множество теплоизолирующих материалов. Среди них есть устаревшие, которые плохо сохраняют тепло, но тем не менее использующиеся до сих пор. Есть новые материалы, которые сохраняют тепло лучше, но стоят довольно дорого.Поэтому проблема выбора теплоизолирующего материала остаётся актуальной и требует изучения. В работе представлен теплоизоляционный материал, созданный на основе пенобетона и вспученных теплоизоляционных материалов (ВПБ-1), материал нового поколения, изучены его теплоизоляционные свойства.Подобных исследований в моем городе ранее не проводилось.
Цель:Создать новый теплоизоляционный материал, изучить его теплосбережение.
Задачи:
Найти литературу для определения, что такое теплоэнергия, как она попадает в дома и как сохранить ее при передаче в дом; какие существуют теплоизоляционные материалы и каков их состав и теплосберегающие характеристики.
Создать теплоизоляционный материал, который сам по себе недорог и сохраняет тепло не хуже материалов, которые уже созданы.
Провести эксперимент, который покажеттеплоизоляционное качество материала.
Обзор литературы
Для полного изучения темы автор использовал документацию единой теплоснабжающей организации г. Славгорода, в которой отражены обстоятельства и условия передачи тепловой энергии от источника теплоснабжения (котельной) к конечному потребителю.Основной упор сделан на изучение обстоятельств сохранения тепловой энергии и снижения ее потерь за счет использования наиболее эффективных и инновационных разработок теплоизоляционных материалов. Также изучены наработки ведущих кампании в области создания и применения энергосберегающих материалов. И ресурсы интернета по теплоизоляционным материалам .
Личный вклад
Автор работы, изучив общие принципы теплосбережения, с помощью подручных средств создал свой теплоизоляционный материал ВПБ-1 и изучил его теплоизоляционные свойства.
План исследования
Вэтом работе я изучил теплосбережение, основанное на применении теплоизолирующих материалов:
Объект исследования –теплосбережение.
Предмет исследования - теплоизоляционные материалы.
Методы:
1. Анализ литературы и ресурсов Интернета.
2. Проектирование нового материала.
4. Эксперимент.
5. Анализ результатов.
6. Компьютерное моделирование.
2. Что такое энергия
Энергия – способность тела совершать работу. Выделяют следующие ее виды: электрическую, механическую, гравитационную, ядерную, химическую, электромагнитную, тепловую и другие.Первая – энергия электронов, движущихся по цепи. Зачастую она используется для получения механической при помощи электродвигателей. Вторая проявляется при движении, взаимодействии отдельных частиц и тел. Это энергия деформации при растяжении, сгибании, закручивании и сжатии упругих тел. Химическая энергия возникает в результате химических реакций между веществами. Она может выделяться в виде тепловой (к примеру, при горении), а также преобразовываться в электрическую (в аккумуляторах и гальванических элементах). Электромагнитная проявляется в результате движения магнитного и электрического полей в виде инфракрасных и рентгеновских лучей, радиоволн и т.п.мЯдерная содержится в радиоактивных веществах и высвобождается в результате деления тяжелых ядер или синтеза легких. Гравитационная – энергия, которая обусловлена тяготением массивных тел (сила тяжести).
2.1 Тепловая энергия
Тепловая энергия – это одна из форм энергии, возникающая в результате механических колебаний структурных элементов какого-либо вещества. Параметром, позволяющий определить возможность использования его в качестве источника энергии, является энергетический потенциал. Выражаться он может в киловатт (тепловых)-часах или в джоулях, калориях.
Источники тепловой энергии подразделяются на:
- Первичные, то есть энергетическим потенциалом такие вещества обладают вследствие природных процессов. К таким источникам можно отнести океаны, моря, ископаемые горючие вещества и др. Первичные источники подразделяются на неисчерпаемые, возобновляющиеся и не возобновляющиеся. К первым относятся термальные воды и вещества, которые могут быть использованы для получения термоядерной энергии и т.п. Ко вторым относят энергию солнца, ветра, водных ресурсов. Третьи включают газ, нефть, торф, уголь и т.д.;
- Вторичные, то есть это вещества, энергетический потенциал которых напрямую зависит от деятельности людей. Например, это нагретые вентиляционные выбросы, городские отходы, горячие отработанные теплоносители промышленных производств (пар, вода, газ) и т.п.
Тепловая энергия в настоящее время производится при помощи сжигания ископаемого топлива. В качестве основных источников выступают неочищенная нефть, уголь, природный газ. За счет природных ископаемых обеспечивается 90% общего энергопотребления.
Тепловая энергия может быть выражена по формуле: ΔQ = c*m*ΔT. С – обозначает удельную теплоемкость вещества, m –массу тела, а ΔT является разностью температур.
Есть два вида подачи тепла в дом – этоводяные и паровые системы теплоснабжения, т.е. тепло попадает к нам в дом либо в виде пара, либо в виде воды.
3.Теплоизоляционные материалы:
Если мы будем подавать воду по открытым трубам, вода к нам будет приходить холодной и система отопления не имела бы смысла.
Именно поэтому трубы нужно изолировать материалами, которые сохраняют тепло. На данный момент создано и изучено более 200 материалов. Сейчас я расскажу о самых эффективных из них и из чего они могут делаться.
Керамзит- один из основных пористых заполнителей, использующихся в строительстве. Это прочный и легкий материал, имеющий плотность 250—800 кг/м. Керамзит выпускается в виде песка, гравия и щебня.
Пенобетон- ячеистый бетон, имеющий пористую структуру за счёт замкнутых пор (пузырьков) по всему объёму, получаемый в результате твердения раствора, состоящего из цемента, песка, воды и пенообразователя , имеющий плотность 200-500
Вспученный перлит- сыпучий пористый материал в виде мелких пористых зерен белого цвета, который получают при кратковременном обжиге гранул из вулканических водосодержащих стеклообразных пород. При температуре 95—120°С из материала энергично испаряется вода, пар вспучивает и увеличивает частицы перлита в 10—20 раз. Вспученный перлит выпускается в виде зерен диаметром 5 мм или песка и применяется для производства легких бетонов, теплоизоляционных изделий.
Мипора- пористый материал белого цвета, изготовляемый на основе мочевиноформаль-дегидного полимера. Мипору выпускают в виде блоков объемом не менее 0,005 м или плиток толщиной 10 и 20 мм. Мипора не является горючим материалом. При температуре 200°С она только обугливается, но не загорается. Однако она имеет малую прочность на сжатие и представляет собой гигроскопичный материал.
Пеноизол- относится к новым высокоэффективным теплоизоляционным материалам и представляет собой застывшую пену с замкнутыми порами. В зависимости от введенных в него добавок он может быть жестким и эластичным. При использовании в качестве наполнителя тонко молотого керамзитового песка пеноизол становится трудно возгораемым теплоизоляционным материалом. До температуры 350°С он устойчив к воздействию огня, при температуре до 500°С не выделяет токсичных веществ, кроме углекислого газа. Пеноизол имеет хорошую сцепление к кирпичу, бетонным и металлическим поверхностям. Используется для утепления дачных домов, коттеджей, гаражей, ангаров, покрытий бассейнов. Самый часто используемый новый материал на данный момент но достаточно дорогой, но он оправдывает свою цену
Сотопласты- выпускают в виде гофрированных листов бумаги, хлопчатобумажной или стеклянной ткани, пропитанной полимером и антипиреном. Сотопласты представляют собой регулярно повторяющиеся ячейки правильной геометрической формы (в виде пчелиных сот). Его используют в качестве утеплителя в трехслойных панелях из алюминия или асбестоцемента. При заполнении ячеек крошками из мипоры теплоизоляционные характеристики сотопласта повышаются. Применяют сотопласты в виде плит и блоков толщиной 350 мм.
Алюминиевая фольга- один из эффективных утеплителей. В то же время она является хорошей воздухоизоляцией и пароизоляцией. В настоящее время промышленность цветной металлургии выпускает фольгу толщиной 0,005—0,2 мм. Алюминиевая фольга имеет блестящую серебристую поверхность с большой отражательной способностью. Большая часть потока лучистой теплоты, падающей на конструкцию, покрытую фольгой, отражается, благодаря этому уменьшаются теплопотери через ограждения и повышается их теплозащита на ее основе создают новые ткани которые будут отражать эти лучи.
Стеклянная вата- является теплоизоляционным материалом, получаемым вытягиванием расплавленного стекла и состоящим из шелковистых, тонких, гибких стеклянных нитей белого или желтого цвета. Нити из стекловолокна на синтетической связкеимеютплотность 350 кг/м3.
Пеностекло—представляет собой материал, изготовляемый из стекольного боя или кварцевого песка, известняка, соды, т.е. тех же материалов, из которых производят различные виды стекол. Пеностекло образуется в результате спекания порошка стеклобоя с коксом или известняком, которые при высокой температуре выделяют углекислый газ. Благодаря этому в материале образуются крупные поры, стенки которых содержат мельчайший замкнутые микропоры. Двоякий характер пористости позволяет получить пеностекло. Оно обладает водостойкостью, морозостойкостью, несгораемостью и высокой прочностью. Пеностекло используют для утепления стен, перекрытий, кровель, для изоляции подвалов и холодильников.
Арболит— является новым материалом и изготовляют его из смеси портландцемента, дробленой стружки и воды (древесно-стружечные плиты).
На данный момент об этом материале мало что известно, и мало где используется
Асбестовый картон— получают из асбеста 4-го и 5-го сортов, каолина и крахмала. Его изготовляют на листоформовочных машинах в виде листов длиной и шириной 0,9—1 м, толщиной 2—10 мм.
Пакля— представляет собой коротковолокнистый материал, получаемый из отходов пеньки и льна, имеет плотность 160 кг/м, применяется для конопатки стен и зазоров оконных коробок.
3.1 Применяемые в теплосетях теплоизоляционные материалы
Существует довольно широкий ассортимент предлагаемых на рынке материалов, которые могут применяться в качестве удачного утеплителя. Среди них оптимальный баланс между стоимостью и эффективностью имеют: алюминиевая фольга; пенопласт; пеностекло; вспененный пенополиэтилен; стеклянная вата; фольмоткань; пеноплекс; пенобетон. Многие из этих материаловустарели,потому чтопоявились новые технологии и произошел процесс обновления оборудования по производству подобных материалов.Сегодня появились новые материалы, которые сохраняют тепло лучше. Например, пенозоил, пеноплекс, пенобетон и арболит.
В городе Славгороде применяют четыре вида теплоизоляционных материалов:
Минеральнаяватаи стекловата(покровный слой) – наиболее дешевая и наименее долговечная изоляция, которая приходит в негодность от года до трех лет, данный факт значительно ухудшает использование этого вида изоляции.
Пенополиуретановое напыление. Дорогой способ сбережения тепла, достаточно эффективный, но также огнеопасный, что влечет за собой негативные последствия.
Пенопластовое покрытие– дешевле, чем пенополиуретановое покрытие, но также подверженное внешним воздействием (пожары, птицы).
Пеноплекс– дорогой способ сбережения тепла, но его цены оправданы его эффективностью, в городе его используют достаточно в малых количествах.
4. Разработка ВПБ-1 и изучение его теплотизоляционных свойств
В настоящее время существует категория теплоизоляционных материалов, в которыхиспользуется смесь пористых материалов с бетонным наполнителем, а также вспученные материалы, для изготовления которых используют обжиг гранул. Пенобетон используется в строительстве для изготовления пеноблоков. Однако, как стройматериал, он имеет ряд существенных недостатков, например, низкая прочность, водопотребность и усадка при высыхании. Однако, ондешев в производстве и не требует сложных технология для производства. Если в качестве наполнителя использовать вспученные материалы, то теплоизоляционные свойства конечного материала можно повысить.
Для разработки материала использовались: перлит, песок, цемент, вода и пенообразователь в определенных пропорциях, которые могут варьироваться в дальнейшем для регулирования свойств материала. Смесь формуется, застывает в цилиндрической форме.
В дальнейшем полученный материал был проверен на теплоизоляционные свойства. Были выбраны четыре материала, способные сохранять тепло, новый материал и контрольный образец без теплоизоляции.
1. Начало эксперимента (16:20)
1.1. В опыте были использованы пять стаканов, сделанных из разных материалов (фото Приложение 2): первый Т1 -пенопласт, второй Т2- стекловата, третий Т3-минеральная вата, четвертый Т4– изучаемый образец ВПБ-1, пятый Т5 –контрольный стакан без теплоизоляционного материала, Внутри теплоизоляционных стаканов находились одинаковые емкости с водой одинаковой температуры 90 0С.
1.3. В стакане из пенопласта произошли потери температуры практически моментально. Это произошло из-за того, что пенопласт обладает характерным свойством поглощать тепло, а затем передавать его другим телам.
2. (16:40) - (17:00)-(19:00) Во всех стаканах начались потери тепла, отображенные на графике (Приложение 3)
3. По сравнению со всеми материалами, кроме,изучаемый образец сохраняет тепло лучше, что видно из анализа построенного графика.
5. Заключение
Из эксперимента следует то, что ВПБ-1 является материалом, который лучше сохраняет тепло. Разница температур в контрольных точках варьируется от 1 до 70С. Он сохраняет тепло больше, а, следовательно, при передаче тепла в дом, потери этого тепла будут меньше, чем при использовании устаревших материалов. Мы предполагаем, что ВПБ-1 в производстве обойдется намного дешевле, чем новые материалы, такие как: пеноплекс и пенополиуретан. На теплотрассах нашего города в большей степени используются материалы устаревшие и плохо сберегающие тепло: стекловата и минеральная вата, пенопласт. В дальнейшем я планирую провести более тщательное исследование ВПБ-1, улучшение его формулы, возможность использования при его создании вторсырья, а также оценку стоимости единицы материала в сравнении с пеноплексом.
6. Литература:
Богуславский Л.Д., Ливчак В.И. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1990. 624 с.
Boguslavsky L. D., Livchak V. I. energy Saving in heat supply, ventilation and air conditioning systems. Moscow: stroizdat, 1990, 624 p.
Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др.; под ред. А.В. Клименко. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 424 с.
Energy Saving in heat power engineering and heat technologies / O. L. Danilov, A. B. Garyaev, I. V. Yakovlev, etc.; ed. by A.V. Klimenko, Moscow: publishing house of MEI, 2009, 424 p.
Тепло изоляционные материалы: https://building-ooo.ru/uncategorized/teploizolyacionnye-materialy-vidyopisaniefotosvojstva/.html;
Пенобетон: https://allbeton.ru/upload/iblock/c6f/perspektivi-tehnologii-primeneniya-monolitnogo-penobetona-dlya-teploizolyacii-truboprovodov-nlundishevn.pdf
FB.ru: https://fb.ru/article/48567/teplovaya-energiya
7. Приложения
Приложение №1 Виды теплоизоляционных материалов в теплосетях г.Славгорода
Рис.4 «Минеральная вата» Рис.5 «Пеноплекс»
Р ис.6 «Стекловата» Рис. 7– «Пенопласт»
Приложение №2 Стаканы, сделанные из разных материалов
Фото 1
Приложение №3График зависимости температуры образцов теплоизоляционных материалов от времени