Горлов - Технология теплоизоляционных материалов

Ю. П. Горлов А. П. Меркин А. А. Устенко

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций».

МОСКВА

СТРОЙИЗДАТ

1980

Горлов Ю. П. и др.

Технология теплоизоляционных материалов: Учебник для вузов / Ю. П. Горлов, А. П. Меркин, А. А. Устенко. — М.: Стройиздат, 1980. — 399 с, ил.

Описаны технология и свойства современных теплоизоляционных материалов, применяемых при строительстве зданий и монтаже энергетического и технологического оборудования, а также кратко рассмотрены акустические материалы для общественных; помещений. Изложены теоретические основы формирования оптимальной пористой структуры, общие принципы производства изделий из высокопористых композиций и технологические особенности изготовления конкретных эффективных теплоизоляционных и акустических материалов.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Производство строительных Изделий и конструкций».

© Стройиздат, 1980

ПРЕДИСЛОВИЕ

в учебнике описаны технология и свойства современных теплоизоляционных материалов, широко применяемых в отечественной и зарубежной практике при строительстве жилых и промышленных зданий, а также для теплозащиты технологического, энергетического и холодильного оборудования.

В соответствии с программой одноименного курса, утвержденной MB и ССО СССР для" специальности № 1207 «Производство строительных изделий и конструкций», в учебник включен раздел «Акустические материалы и конструкции». Теплоизоляционные и акустические материалы характеризуются общностью структуры и технологий, поэтому в разделы учебника, в которых рассмотрены теоретические основы курса, включены обе группы этих материалов.

В учебнике около 50% объема посвящено теоретическим основам производства высокопористых (материалов, эффективных теплоизоляционных и акустических изделий. Значительное место уделяется: основным законам теплопередачи конструкций строительных сооружений и промышленного оборудования (здесь же рассматриваются пути направленного регулирования теплопроводности теплоизоляционных материалов); теоретическим основам формирования оптимальной пористой структуры; рассмотрению общих принципов производства изделий и конструкций из высокопористых композиций в зависимости от их реологических свойств; теоретическому анализу влияния эксплуатационных факторов на теплопроводность и строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов; некоторым аспектам акустической защиты помещений и формулированию в связи c этим основных требований к структуре, технологии и свойствам акустических материалов; теоретическому анализу рациональных областей применения теплоизоляционных материалов в строительстве и технике.

При описании технологии отдельных видов теплоизоляционных материалов основное внимание уделено физико-химической сущности создания материала. Приводятся перспективные и принципиальные направления совершенствования технологического процесса и повышения качества материала.

В связи со значительным развитием в отечественной и зарубежной практике отрасли высокотемпературной теплоизоляции, а также с созданием широкой гаммы новых высокоэффективных тепло- и звукоизоляционных материалов в учебнике приводятся специальные разделы: «Материалы для высокотемпературной теплоизоляции промышленных печей и оборудования», «Акустические материалы», «Изделия из вспученного растворимого стекла», «Газонаполненные пластмассы».

Авторы учебника выражают глубокую благодарность коллективу кафедры Всесоюзного инженерно-строительного института, руководимой заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, д-ром техн. наук проф. К. Э. Горяйновым, а также канд. техн. наук И. К. Энно, за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук доценту Н. В. Тресковой за написание раздела «Органические теплоизоляционные материалы» и канд. техн. наук доценту Б. М. Румянцеву за участие в составлении главы «Звукопоглощающие материалы». Авторы с признательностью примут все критические замечания и рекомендации, направленные на улучшение книги.

ВВЕДЕНИЕ

Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют большое внимание капитальному строительству как одному :из важных факторов создания материально-технической базы коммунизма и обеспечения подъема материального и культурного уровня советского народа. В соответствии с решениями XXV съезда КПСС в десятой пятилетке капитальные вложения в строительство предусматриваются в объеме около 625 млрд. руб.

В связи с большими .масштабами строительства в «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» указывается на необходимость повышения эффективности капитальных вложений.

Снижение стоимости капитального строительства и повышение его эффективности достигаются за счет применения прогрессивных строительных материалов, поскольку на их долю приходится до 50—60% стоимости зданий и сооружений. К числу эффективных строительных материалов, позволяющих существенно снизить материалоемкость и стоимость конструкций, относятся теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционные материалы — разновидность строительных 'Материалов, характеризующихся малой теплопроводностью. Разность температур в средах, разделенных ограждением, приводит к переходу тепла от нагретой к холодной среде. Цель теплоизоляции — ограничить количество передаваемого тепла. Любое ограждение оказывает некоторое сопротивление переходу тепла.

Однако для достижения значительного теплосопротивления необходимо либо делать ограждение большой толщины, что экономически нецелесообразно, либо применять теплоизоляционные материалы, позволяющие значительно уменьшить толщину ограждения.

Малая теплопроводности этих материалов объясняется наличием большого числа пор, заполненных воздухом, который в неподвижном состоянии является плохим проводником тепла. Таким образом, отличительная особенность строения теплоизоляционных материалов — высокая пористость.

Теплоизоляционные материалы получают из разнообразных видов сырья разными- способами переработки, однако главная технологическая задача при этом — достижение высокой пористости. По этому признаку изучение способов получения теплоизоляционных материалов объединено в одной учебной дисциплине «Технология теплоизоляционных материалов».

В настоящее время теплоизоляционные материалы широко 1применяются в строительстве, промышленности и на транспорте. В строительстве теплоизоляционные материалы используют для тепловой изоляции наружных ограждений зданий. Это позволяет снизить массу ограждающих конструкций и тем самым уменьшить транспортные и .монтажные расходы, а также стоимость строительства в целом; уменьшить потребность в основных строительных материалах; сократить расход топлива на отопление зданий; повысить комфортность помещений.

Это можно подтвердить многими примерами. Так, подсчитано, что в среднем общая .масса конструкций здания в расчете на 1 м² жилой площади составляет для кирпичного и крупноблочного дома около 3000 кг, крупнопанельного —около 2000 кг. Масса конструкций здания с легкими ограждающими панелями, утепленными эффективным теплоизоляционным материалом, не превышает 500—800 кг, или в 4—6 раз меньше, чем у кирпичного здания. При снижении массы конструкций достигается большая экономия транспортных расходов, особенно при строительстве в отдаленных от промышленных центров районах страны.

Доставка одной крупноразмерной железобетонной панели на расстояние 800—1000 км обходится около 75 руб., т. е. примерно столько же, сколько стоит эта панель на месте ее изготовления. Перевозка ограждающей панели такого же размера облегченного типа обходится всего в 12—15 руб., или в 5—6 раз дешевле.

Примером ЭК0НОМ1НН основных материалов могут служить такие данные: стена в 1 кирпич с минераловатным утеплением толщиной 30—50 мм эквивалентна стене в 2—2,5 кирпича, т. е. применение минераловатных плит позволяет в 2 раза уменьшить расход кирпича; 1 т минераловатного утеплителя заменяет не менее 7,5 тыс. шт. кирпича. Теплоизоляционные материалы в ограждающих конструкциях панельных и каркасно-панельных многоэтажных жилых зданий позволяют уменьшить расход стали в 1,5—3 раза и цемента в 3—4 раза по сравнению со стенами без тепловой изоляции.

В промышленности теплоизоляционные материалы используют для изоляции технологической аппаратуры тепловых установок и различных трубопроводов. Высокоэффективная теплоизоляция позволяет не только сократить потери тепла и сэкономить топливо, но и способствует во многих случаях интенсификации технологических процессов. Изоляция 1поверхности оборудования и трубопроводов на тепловых электростанциях снижает потери тепла примерно в 25 раз. Так, без изоляцци потери теплоты на 1000 кВт установочной мощности составляют 1450—2950 кДж/ч, что эквивалентна приблизительно 12—25%: расхода топлива. Потери теплоты через слой изоляции составляют только 65— 130 кДж/ч, что равно 0,5—1%: расхода топлива.

В холодильной промышленности теплоизоляционные материалы применяют для уменьшения затрат энергии на охлаждение. Многие теплоизоляционные материалы, кроме теплозащиты, повышают акустическую комфортность помещений.

Несмотря на широкое применение теплоизоляционных материалов их производство является одной из молодых отраслей промышленности. В дореволюционной России теплоизоляционные материалы почти не изготовлялись, вырабатывали только камышит и соломит. Теплоизоляционная промышленность стала самостоятельной отраслью народного хозяйства только к концу второй пятилетки (1933—1937 гг.). В годы войны выпуск продукции сократился. В послевоенное время производство теплоизоляционных материалов стало быстро развиваться.

Особенно интенсивно стал расти выпуск минеральной ваты и изделий из нее. Было расширено производство древесноволокнистых плит, организовано изготовление цементного фибролита, автоклавного ячеистого бетона, пеностекла, а в последние годы — газонаполненных пластмасс.

Для характеристики темпов развития минераловатной промышленности можно привести следующие цифры: в 1940 г. в Советском Союзе было только три предприятия, вырабатывающих минеральную вату с годовым выпуском продукции около 30 тыс. м³, в 1950г.—659 тыс. м³, в 19бЗ г. — 6,5 млн. м³, т. е. почти в 10 раз больше, чем в 1950 г. В 1970 г. было выпущено 12 млн. м³, т. е. примерно в 2 раза больше, чем в 1963 г. В 1977 г. объем производства минераловатных 'изделий достиг, по данным ЦСУ СССР, 20,3 млн. м³ в пересчете на условную минеральную вату.

В постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дальнейшем совершенствовании хозяйственного механизма и задачах партийных и государственных органов» и «Об улучшении планирования и усилении воздействия хозяйственного механизма на повышение эффективности производства и качества работы» (1979) указывается на необходимость повышения эффективности производства и качества работы.

В связи с этим характерной чертой развития производства теплоизоляционных материалов в настоящее время является преимущественное увеличение выпуска эффективных теплоизоляционных материалов.

К числу прогрессивных теплоизоляционных материалов, по данным ВНИИТеплоизоляции, относятся: минераловатные изделия на синтетическом связующем, в частности плиты повышенной жесткости и жесткие, плиты жесткие армированные, самонесущие, стекловолокнистые теплоизоляционные плиты и маты с различными обкладками; изделия на основе перлита; калиброванные плиты из ячеистого бетона с объемной массой не выше 250 кг/м³; пеностекло; теплоизоляционные изделия на основе пластмасс пониженной горючести, такие, как самозатухающий полистирольный пенопласт с антипиренами, фенолоформальдегидный пенопласт, перлитопластбетон.

Часть I. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЮ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Основное функциональное назначение ограждающих конструкций (наружных стен и панелей покрытий) в жилых, промышленных и сельскохозяйственных зданиях — создание комфортного микроклимата в помещениях. Что касается футеровки и обмуровки различного тепло-энергетического оборудования и трубопроводов, технологических аппаратов и печей, то их основное назначение — уменьшение потерь тепла или холода в окружающую среду.

Поэтому знание закономерностей теплопередачи ограждающих конструкций имеет большое значение для создания теплоизоляционных материалов с оптимальными теплофизическими характеристиками и проектирования конструкций с наименьшими теплопотерями.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ

Передачу внутренней энергии (теплоты) от теплой (здание) или горячей (оборудование) поверхности конструкций в пространство (окружающую среду) называют теплообменом, или теплопереносом. Передача теплоты вследствие теплопроводности происходит самопроизвольно от одной изотермической поверхности к другой в сторону, где температура ниже. Таким образом, необходимым условием передачи теплоты является наличие перепада температур (температурный градиент).

При этом передача теплоты происходит по нормали к изотермической поверхности.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через 'единицу площади изотермической поверхности; называется плотностью теплового потока — q. Вектор теплового потока противоположен температурному градиенту.

Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температур.

- Теплоперенос является сложным теплофизическим процессом, в котором можно выделить три элементарных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью, или кондуктивной теплопередачей называют перенос теплоты в сплошной среде при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. Этот вид передачи теплоты характерен для материалов в любом агрегатном состоянии.

Конвекцией называется перенос теплоты путем перемещения вещества в пространстве. Конвективный теплообмен свойственен движущимся жидкостям и газам. При этом различают два вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроизвольное перемешивание частей жидкости или газа с различной температурой, и вынужденную, когда движение частиц вызывается внешними воздействиями (перемешиванием, продувкой ит. д.).