В настоящее время, в ряде североевропейских странах повышаются требования к качеству тепловой защиты строений, одной из наиболее актуальных задач является создание современного эффективного теплоизоляционного материала. Поскольку увеличение изоляционного теплосберегающего слоя трудоёмко и приводит к уменьшению полезной поверхности строений, возможным решением проблемы может стать применения вакуумированных материалов.
Использование вакуумных теплоизоляционных материалы – современное перспективное направление в области современных строительных технологий. Известно, что наименьшей теплопроводностью обладают вакуум и воздух, для которых коэффициент теплопроводности в неподвижном состоянии при 20 °С составляет 0,022 ккал/м°Cч. Теплопроводность разнообразных материалов также снижается при помещении их в вакуум, поэтому для повысить термическое сопротивления ограждающих конструкций также можно за счёт применения полых вакуумных теплоизоляционных панелей. За счёт глубокого вакуума, создаваемого между стенками панелей, перенос тепла, обусловленный конвекцией воздуха, теплопроводностью материала и излучением тепла электромагнитными волнами практически исключается. Термос – широко известный пример вакуумной теплоизоляции. Но, несмотря на то, что путём использования современных технологий удалось уменьшить толщину стенок до 0,2 мм у панели площадью 1 м2 , поддерживать такой высокий вакуум на протяжении всего срока эксплуатации довольно сложно, а при увеличении давления до 10−4 –10−5 бар теплоизоляция ухудшается на порядки. Кроме того, толстые металлические стенки оболочки таких панелей также способствуют потере тепла.
Решением проблемы может стать создание вакуумных теплоизоляционных панелей с наполнителем из веществ, обладающих высокой пористостью – аэрогелей или порошков, принципы такого типа тепловой изоляции были предложены ещё в середине прошлого века для использования в технике глубокого охлаждения.
Фото 1. Справа - вакуумная теплоизоляционная панель, слева и в центре - пенополистирола и пенополиуретан, традиционные утеплительные материалы с такими же теплопроводящими свойствами
Физические принципы технологии изготовления панелей с вакуумированием порошковых материалов.
Основным механизмом переноса тепла в твёрдом веществе является теплопроводность, именно за счёт неё поток тёплых частиц движется от одного конца нагретого тела к другому. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни - быстрее (например: металлы), другие - медленнее (теплоизоляционные материалы). Количественным показателем теплопроводности различных тел служит коэффициент теплопроводности. С помощью теплопроводности также осуществляется перенос тепла в газах, при этом газы, состоящие из более лёгких молекул, проводят тепло значительно эффективнее.
Процесс конвекции, обуславливающий перенос тепла в газах и жидкостях, обусловлен способностью газов уменьшать плотность при нагревании за счёт перемещения нагретых, более лёгких слоёв вверх. При этом вертикальное перемещение нагретых частиц, вызванное явлением конвекции, доминирует над тепловым потоком, вызванном теплопроводностью вещества.
Третьи путём передачи тепла является излучение – теплопередача с помощью электромагнитных волн, способность излучать и принимать которые является особенностью конкретного вещества, определяемой его атомной структурой. Примером такого типа теплообмена может служить нагревание солнечными лучами земной поверхности.
Рис 2. Свойства вакуумированных строительных материалов остаются практически неизменными при высоком давлении
Технология изготовления вакуумных теплоизоляционных панелей исключает передачу тепла всеми тремя возможными путями, этот же эффект используется в термосе или сосуде Дьюара – широко известном бытовом приборе, между стенками которого поддерживается вакуум порядка 10−2 Пa, из-за чего практически сводится к минимуму процесс переноса тепла за счёт конвекции и теплопроводности (её величина составляет всего – 10−3 – 10−4Вт/(м•К). Правда, для создания глубокого вакуума необходим тщательный подбор конструкции материалов и формы сосуда, стенки должны быть непроницаемы для газов и влаги, так как малейшая разгерметизации мгновенно приводит к потере теплоизоляции сосуда. Для уменьшения теплопередачи путём излучения, при изготовлении термоса используются только металл и стекло с металлонапылением.
Поскольку способность газов проводить тепло не находится в зависимости от давления пока длина свободного пробега молекулы не сравниться с размерами полости, в которую помещён газ. Поэтому и необходимо поддержание глубокого вакуума для уменьшения теплопроводности внутренней прослойки, но это явление и легло в основу использования мелкопористого вещества для тепловой изоляции плит. Таким образом, применение мелкодисперсных пористых материалов возможно при соблюдении менее жёстких ограничений при конструировании теплоизоляционной системы и уровня разрежения воздуха, но при этом сохранить небольшое значение коэффициента теплопроводности. Исследования по данной тематике начали проводить ещё в 60-е годы прошлого века, в том числе и в России, тогда же были сформулированы основные требования к качеству материалов, применяемых в вакуумной теплоизоляции, и проведены основные расчёты теплоизоляционных систем. Эффективность применения мелкопористых теплоизоляционных материалов порошковой структуры обусловлена содержанием в порах газообразного вещества, причём, чем мельче размер пор, чем сложнее их структура, тем эффективнее обеспечивается создание глубокого вакуума и, соответственно, тем значительнее их теплофизические свойства. Например, в субстанции с размером пор 10−8 миллиметров, теплопередача молекулами воздуха сводится к минимуму уже при давлении 100 Па. Но при этом при высоких значениях вакуума все вещества, входящие в состав наполнителей теплоизоляционных панелей имеют сходные показатели теплопроводности, в то время как при увеличении внутреннего давления до 10-100 Па эти значения могут значительно отличаться.
Технология изготовления вакуумных теплоизоляционных панелей с порошковым наполнением.
Износостойкость и теплоизолирующие свойства вакуумных теплоизоляционных панелей зависят от ряда причин: -физико-механические свойства наполнителя - первоначальным уровнем вакуума - величиной и толщиной панели - влаго- и воздухопроницаемостью оболочки - результативностью поглотителя остатков газа - условиями эксплуатации панели. На рисунке 3 видно, что вакуумная панель состоит из помещённого в водо- и воздухонепроницаемую оболочку пористого материала, перед герметизацией воздух из панели откачивают до давления 100 Па. На рисунке 1 можно увидеть, как значительно отличается такая панель по своим объёмным характеристикам от традиционных утеплителей пенополистирола и пенополиуретана, применение технологий вакуумной теплоизоляции позволяет значительно сократить слой утеплителя, что является немаловажным фактором при проведении строительных работ.
Основными функциями наполнителя являются: 1. Механическое поддержание стенки панели (для обеспечения сопротивления материала давлению в 105 Па, создающего нагрузку на оболочку панели размером 30 сантиметров весом почти одну тонну) 2. Поглощение инфракрасного электромагнитного излучения, а, следовательно, отсутствии передачи тепла через наполнитель, за счёт добавления в его состав различных веществ, например диоксида титана. 3. Снижение конвекционного переноса тепла путём ограничения движения газовых молекул, за счёт уменьшения размеров пор наполнителя, и, следовательно, смягчение требований начальному уровню вакуума в панели.
Рис 3. Схема теплоизоляции пола путём применения вакуумных панелей
Наиболее распространёнными материалами, используемыми при изготовлении вакуумных панелей, являются пенополистирол, пенополиуретан, дымный кремнезем и осажденный кремнезем, аэрогели, при этом. Дымный кремнезем и аэрогели наиболее эффективны даже при довольно высоких давлениях (до 1000 Па). Возможность обеспечения значительного исходного давления обеспечивает увеличению продолжительности эксплуатации строительного материала. Ассортимент плёнок, используемых при создании оболочки довольно высок, среди них есть вполне доступные по цене материалы. Плёнка заваривается по краям под влиянием давления и температуры, слой пластика, обладающего низкой температурой плавления наносится на внутреннюю поверхность такой плёнки. Отрицательным моментом здесь является повышенная влаго- и газопроницаемость сварных соединений по сравнению с остальной поверхностью оболочки панели, решением этой проблемы может стать уменьшение величины и увеличение толщины сварного соединения.
Для адсорбции влаги и газов, отрицательно влияющих на длительность работоспособности теплоизоляционной панели, применяют специальные поглотители, принудительно вводимые в оболочку панели. При этом нужно учитывать, чтобы объём и свойства поглотителя соответствовали аналогичным характеристикам оболочки панели, а также сроком её использования. Наполнитель, созданный на базе пенопластиков не способен поглощать газы и влагу, а мелкопористые наполнители на кремнезёмистой основе, сами являются природными адсорбентами. При использовании наполнителей такого типа не требуется дополнительное введение поглотителя, даже при длительном эксплутационном периоде, правда, особенно важным здесь становится подбор материала оболочки. Отрицательной стороной применения поглотителей является их довольно высокая стоимость, а также экологическая опасность – многие наполнители содержат соли тяжёлых металлов, небезопасные для окружающей среды.
Немаловажной проблемой эксплуатации вакуумных панелей является выделение газов субстанцией, помещенной в оболочку с низким давлением, и выделяют газы в количестве, характерном для конкретного материала. Высвобожденные таким образом, газы способны значительно увеличить внутреннее давление, что может привести к снижение вакуума в панели. Это обязательно нужно учитывать при выборе материала наполнителя, так как в отдельных случаях скорость газообразования материалов, используемых при изготовлении панели, превосходит скорость, проникновения газов из окружающей среды через оболочку и сварные соединения. Степень газообразования того или иного материала является индивидуальной особенностью, обусловленной его физико-химическими характеристиками, есть субстанции, не выделяющие газа вообще, в некоторых процесс газообразования осуществляется практически непрерывно.
Идёт загрузка...