VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование современных технологий для исследования физико-механических свойств и эффективности теплоизоляционных материалов.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Козловская Т.И. 1

---

1ГБОУ лицей 179

Бова Н.Л. 1

---

1ГБОУ лицей 179

Работа в формате PDF

488.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В настоящее время очень остро стоит вопрос рационального использования тепловых и энергетических ресурсов. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики, как страны, так и каждой отдельной семьи. Если подумать над тем, какими свойствами и качествами должно обладать жилое помещение, то ответ будет один. В своем жилище человеку должно быть уютно, комфортно. Само понятие комфорта в доме у каждого человека свое, но одно обязательно - в доме должно быть тепло. Сделать дом теплым поможет тщательно продуманная теплоизоляция.

Применение современных теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет значительно повысить теплозащиту жилых домов и производственных зданий, сделать их более энергоэффективными. В связи с этим, актуальной проблемой является повышение энергосбережения зданий различного назначения путем использования современных теплоизоляционных материалов. Использование теплоизоляционных материалов позволяет не только значительно сократить затраты энергии на производство, передачу и сохранение тепла, а также уменьшить загрязнение окружающей среды, что всегда имеет место при производстве тепловой энергии. Выбор теплоизоляционных материалов очень большой, поэтому необходимо знать их свойства и использовать наиболее эффективные.

Цель работы: установить связь между физико-механическими свойствами теплоизоляционных материалов и их эффективностью, используя современные технологии.

Задачи:

Изучить физические основы теплопередачи.

Изучить структуру теплоизоляционных материалов теоретически и практически с пользованием цифрового микроскопа.

Исследовать теплопроводность некоторых теплоизоляционных материалов, используя тепловизор, сравнить результаты тепловизионного обследования с табличными значениями коэффициентов теплопроводности.

Доказать влияние структуры теплоизоляционных материалов на их теплопроводность.

Получить экспериментальные результаты, позволяющие установить связь между физико-механическими свойствами теплоизоляционных материалов и их эффективностью.

Методы исследования: в качестве основных методов исследования использовались аналитический, экспериментальный и инструментальный – цифровой микроскоп и тепловизионная съемка.

Объект исследований – теплоизоляционные материалы, используемые в строительстве.

Предмет исследований — измерение теплотехнических параметров теплоизоляционных материалов и уровня их тепловой защиты в зависимости от их структуры.

Практическая значимость – представлены рекомендации по выбору теплоизоляционных материалов для строительных целей.

2. Литературный обзор.

2.1.Теплоизоляционными называют материалы, которые обладают малой теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования с целью уменьшения тепловых потерь в окружающую среду.

Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.

Теплоизоляционные материалы классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.

К функциональным свойствам теплоизоляционных материалов относятся пористость и теплофизические характеристики: теплопроводность, теплоемкость, теплостойкость, т.е. те свойства, которые обеспечивают тепловую изоляцию. Чем меньше теплопроводность материала, тем лучше он сохраняет тепло. Поэтому теплопроводность является их паспортной характеристикой, а необходимость в её измерении является актуальной.

2.2. Из курса физики известно, что теплопроводность – это явление передачи энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. [3]. Передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы).

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 надо утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты, проходящее за единицу времени через 1 м³ материала при разности температур на его противоположных поверхностях равной 1 градусу. [2] И, следовательно, чем ниже коэффициент теплопроводности – тем лучше теплоизоляция.

Основным теплоизолятором в любой теплоизоляции является воздух (в обычном или разреженном состоянии).Чем больше воздуха в материале и чем лучше этот воздух изолирован от наружного воздуха (чем сложнее воздуху перетекать внутри материала ) - тем лучше (ниже) коэффициент теплопроводности материала.

2.3. На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твёрдых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поры, вид и давление газа, заполняющего поры. Теплопроводность сильно зависит от влажности материала, т.к. вода проводит тепло в 25 раз лучше, чем воздух, то есть материал не будет выполнять свою теплоизолирующую функцию, если он мокрый. Наилучший коэффициент теплопроводности у сухого воздуха (неподвижного), он равен 0,023 Вт/(м·°С), другими словами молекулы медленнее всего движутся в сухом воздухе. Поэтому, при производстве строительных материалов используют основной принцип – удержание воздуха в порах или ячейках материала.

Пористость является основным признаком теплоизоляционных материалов. [2] От характера пористости зависят основные свойства материалов, определяющие их пригодность для применения в строительных конструкциях: теплопроводность, сорбционная влажность, водопоглощение, морозостойкость, прочность. Пористость - доля объема пор в общем объеме материала, это показатель, характеризующийся объемом газа (воздуха) в единице объема материала, выраженное в %. Поры по размерам разделяют на макропоры с размером >0,2 мм, видимые невооруженным глазом, и микропоры, обнаруживаемые с помощью микроскопа. Для теплоизоляции пористость начинается от 50% и до 90...98% (например, у ячеистых пластмасс). Она определяет основные свойства теплоизоляции: плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и др. Важно равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Круп­нопористое, раковистое строение материала с вытянутыми пора­ми создает условия для возникновения конвекционных потоков воздуха, что вызывает усиление передачи тепла через материал. Чем меньше объем воздуха, заключенного в порах, тем меньше его подвижность и тем лучше изолирующие свойства. Наилучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с равномерно расположенными мелкими порами.

С пористостью непосредственно связана средняя плотность. Чем больше его пористость, тем меньше средняя плотность материала. Теплоизоляционные материалы имеют небольшую среднюю плотность - не выше 600 кг/м, что достигается повышением пористости. Чем меньше плотность вещества, тем меньше теплопроводность. Теплопроводность материалов возрастает с повышением температуры, однако большее влияние в условиях эксплуатации оказывает влажность. С повышением влажности теплоизоляционных материалов резко повышается их теплопроводность. Если поверхность этих пор будет покрыта пленкой воды или поры будут заполнены водой, то теплоизоля­ционные свойства материалов резко снижаются. Это происходит потому, что вода имеет большую теплопроводность, нежели воз­дух (примерно в 25 раз). Поэтому при эксплуатации теплоизо­ляционные материалы необходимо защищать от увлажнения.

Благодаря новым технологиям появляется все больше различных современных утеплительных материалов, имеющих улучшенные характеристики. Одна из сравнительно новых разработок - жидкая теплоизоляция.

Тепло может передаваться тремя способами – это конвекция, теплопроводность материала и излучение. Жидкий керамический теплоизоляционный материал разработан с таким условием, чтобы сдерживать тепло сразу по трем направлениям. (рис. 1) Теплопроводность снижается за счет того, что в этом процессе задействовано всего 20% материала – именно столько связующего вещества используется в составе данного материала. С конвекцией борются пустотелые шарики, которые благодаря создаваемому ими замкнутому пространству прерывают этот процесс. Внутри данного утеплителя конвекция практически полностью исключена. После высыхания на поверхности жидкой теплоизоляции образуется некоторое подобие теплоотражающего слоя – в этом процессе задействованы алюмосиликатные шарики и диоксид титана. Именно они помогают отражать от поверхности до 90% тепла. С остальными десятью процентами достаточно просто справляется наполнитель в виде керамических пустотелых сфер. (рис.2.)

Рис.1 Рис. 2 Компьютерная модель

Керамические микросферы представляют из себя полые шарики, стенки которых состоят из синтетической керамики с вакуумом внутри. Силиконовые сферы представляют собой воздухонаполненные пузырьки, изготовленные из полимера. Такая структура слоя покрытия позволяет ему эффективно работать в отношении снижения всех видов теплообмена.  Таким образом, слой сверхтонкой жидкой теплоизоляции толщиной 1 мм состоит из 40-50 слоев микросфер, каждый из которых является тепловым барьером. 

3. Для экспериментального исследования были взяты три вида теплоизоляционных материалов: каменная вата (пример волокнистых теплоизоляционных материалов), экструдированный пенополистирол (или пенопласт) и жидкая теплоизоляция.

Для изучения структуры материалов использовался цифровой микроскоп MicroLife VL-12-1,3. Для изучения теплопроводности использовался тепловизор.

4. Экспериментальная часть.

4.1. С помощью цифрового микроскопа изучалась структура исследуемых материалов. Было определено, в каких материалах самая большая пористость. Как видно на фотографиях (рис.3,4), что у каменной ваты сам материал (стенки ячеек или волокна) занимает минимум места, главная их задача «задержать» воздух. Воздушные пустоты занимают до 95% объема.

Рис. 3 каменная вата Рис. 4 пенополистирол

Экструдированный пенополистирол -теплоизоляция представляет собой лист пластика с закрытой пористой структурой, с диаметром внутренних ячеек до 0,2 мм, прочно соединенных между собой. Ячейки герметичны, практически, не пропускают жидкость, воздух и газы. Закрытые, наполненные газом ячейки, делают утеплитель легким, обеспечивают низкое водопоглощение и теплопроводность.

С помощью микроскопа, можно увидеть изображение структуры слоя сверхтонкой жидкой теплоизоляции, состоящей из микросфер разного диаметра (Рис.5). Более крупные микросферы - это силиконовые воздухонаполненные пузыри, более мелкие - это вакуумированные керамические микросферы.

Рис. 5 Жидкая теплоизоляция

Как было сказано выше, такая структура слоя покрытия позволяет ему эффективно работать в отношении снижения всех видов теплообмена. 

4.2. Со структурой материала неразрывно связана плотность. В ходе работы, измерив объем и массу образцов, вычислили их плотность:

По результатам видно, что плотности данных материалов примерно равны.Разброс значений плотности минеральной ваты очень большой (от 30 до 220 кг/м³) [1]. Соответственно, значительно разнятся и ее физико-технические характеристики. Но есть общая закономерность: чем больше плотность, тем большую распределительную нагрузку плиты минеральной ваты могут выдерживать.

4.3. Изучение теплопроводности проводилось с помощь тепловизора. Тепловизионное обследование — это вид теплового контроля с использованием тепловизора (оптико-электронного измерительного прибора, который работает в инфракрасной области электромагнитного спектра). Он обеспечивает переход теплового излучения всех исследуемых объектов в видимую область, т.е. позволяет получить «тепловую картинку» поверхности, определить с высокой точностью распределение температуры по поверхности обследуемого объекта. Тепловизионное обследование позволяет определить качество теплоизоляции.

Из образцов была создана модель, имитирующая закрытое помещение, в котором стены и потолок были обшиты теплоизоляционными материалами.

Внутри в качестве нагревателя использовалась лампа 200Вт на подставке, температура внутри измерялась термометром, снаружи – с помощью тепловизора.

Для исследования зависимости теплопроводности от влажности, образцы увлажнялись и проводились повторные измерения температуры.

Образец до увлажнения

Результаты измерений:

Измерения показали: теплопроводность у минеральной ваты немного меньше, т.е. теплоизоляционные свойства немного лучше. После увлажнения наблюдается повышенная эксфильтрация (просачивание, пропитывание, проникновение тепла (теплого воздуха) через ограждающие конструкции в несвойственную ему среду из помещения) через утеплитель каменная вата. Теплоизолирующие свойства каменной ваты стали хуже.

4.4. Влажность оказывает сильное влияние на теплопроводность, поэтому было проведено измерение водопоглощения. Измерялась масса образцов, затем они были погружены в воду на 2 часа, после чего снова измерялась масса.

Измерения показали: каменная вата имеет способность впитывать и удерживать воду, следовательно, увеличивается теплопроводность. Пенополистирол практически воду не впитывает, поэтому для теплоизоляции фундамента лучше подходит пенопласт — недорогой и достаточно жесткий материал, не пропускающий воду. Каменную (минеральную вату) чаще всего используют для наружного утепления стен, чердачных перекрытий и крыши.

4.5. Изучение теплопроводности жидкой изоляции:

Для опыта была использована стеклянная тара. Один сосуд снаружи покрыли слоем жидкой теплоизоляции толщиной 1 мм. Налили горячей воды в оба сосуда, температура источника тепла (горячая вода) составляла 82°С. Произвели тепловизионную съемку данных сосудов. По результатам тепловизионного контроля видно, что температура на поверхности сосуда покрытого жидкой теплоизоляцией ниже на 18-20°С чем на сосуде без теплоизоляции. Можно сделать вывод:благодаря своему строению, жидкая теплоизоляция обладает низкой теплоотдачей с поверхности самого покрытия, что играет очень важную роль в теплофизике этого материала. Эффективность жидкой теплоизоляции зависит от толщины слоя только в определенных рамках - от 1 до 6 мм, последующее увеличение слоя покрытия практически не влияет на его эффективность.

Выводы:

Исследование физических свойств теплоизоляционных материалов убедительно доказало, что именно они оказывают первостепенное влияние на теплоизоляционные свойства и эффективность теплоизоляции.

Теплопроводность традиционных теплоизоляторов незначительно отличается, материалы отличаются в основном по структуре, плотности, что влияет в первую очередь на сфере их применения.

Жидкая теплоизоляция – это инновационный материал, благодаря перечисленным выше свойствам жидкая теплоизоляция является не столько утеплителем, сколько теплоизолятором.

Знание физических законов позволяет разрабатывать новые, более совершенные теплоизоляционные материалы.

Заключение:

Знания — это тоже деньги. Поэтому, чтобы не потратить свои деньги на некачественное или недостаточное устройство теплоизоляции, надо потратить немного времени и ознакомиться хотя бы в основных чертах с физико-технологическими характеристиками выбранного вами материала для утепления. Это будет для вас лучшей гарантией того, что данный материал прослужит вам долго и эффективно. Тепла и уюта вашему дому!

6. Список используемой литературы:

1. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шойхет Б.М., Петухова Е.Ю. БОБРОВ, Е.Г. ОВЧАРЕНКО, Б.М. ШОЙХЕТ, Ю. ПЕТУХОВА Теплоизоляционные материалы и конструкции. Учебник для средних профессионально-технических учебных заведений. Москва ИНФРА-М, 2003г.

2. Зарубина Л.П. Теплоизоляция зданий и сооружений. Материалы и технологии. "Атомпроф" , 2012г

3. А.В.Перышкин. Физика. 8 класс.

4. Интернет ресурсы. http://www.educationspb.ru/fizika/37209.html#.XEjHTs1Ldc8

http://strport.ru/izolyatsionnye-materialy/utepliteli/teploizoly