Прямой цикл Карно и тепловая изоляция (стр. 2 из 2)

Основной показатель качества теплоизоляторов – коэффициент теплопроводности. Он является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности определяется экспериментально с помощью различных методов. На рисунке показаны примерные значения коэффициента теплопроводности для

различных веществ :

Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом деле температура будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной :

=₀[1+b(t-t₀)],

где ₀ – значение коэффициента теплопроводности при температуре t₀; b – постоянная, определяемая опытным путем.

Коэффициент теплопроводности газов. Согласно кинетической теории перенос тепла в газах при обычных давлении и температуре определяется переносом кинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул газа. При этом коэффициент теплопроводности определяется соотношением:

=wlC_v/3,

где w – средняя скорость перемещения молекул газа, l – средняя длина свободного пробега молекул при соударении,  - плотность газа.

С увеличением давления в равной мере увеличивается плотность, уменьшается длина пробега и произведение l сохраняется постоянным. Поэтому коэффициент теплопроводности газов мало меняется с изменением давления. Исключения составляют очень малые (меньше 2,66*10³ Па) и очень большие (2*10⁹ Па) давления. Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах от 0,0006 до 0,6 Вт/(м*К). Поэтому воздух обладает свойствами хорошего теплоизолятора.

Коэффициент теплопроводности жидкостей описывается уравнением :

где Ср – теплоемкость жидкости при постоянном давлении, - плотность жидкости, - ее молекулярная масса. Коэффициент А пропорционален скорости распространения упругих волн в жидкости, не зависит от природы жидкости, но при этом А*Ср = const. Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. Коэффициет теплопроводности жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м*К). Но жидкости, как правило, не используются в теплозащитной технике.

Коэффициент теплопроводности твердых тел. Определяется опытным путем или на основе эмпирических формул. В металлах основным передатчиком являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений или в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Это можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которое приводит к рассеиванию электронов. Так, например, для чистой меди =396 Вт/(м*К), для той же меди со следами мышьяка =142 Вт/(м*К). Как видно металлы не могут быть хорошими теплоизоляторами от обычной теплопроводности, хотя они хорошо справляются с отражением ИК- и других излучений в лучистом переносе энергии.

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается. Как правило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение.

Теплопроводность зависит от структуры материала, его пористости и влажности. Зависимость теплопроводности материала от объемной влажности может быть выражена эмпирической формулой :

 =_с.м + w,

где _с.м - коэффициент теплопроводности материала в воздушно-сухом состоянии; - приращение коэффициента теплопроводности на каждый процент увеличения объемной влажности; w – объемная влажность, %. Величину органических материалов при положительных температурах принимают равной 3.5*10^-3, а при отрицательных температурах 4*10^-3 Вт/(м*К); неорганических материалов – соответственно 2,3*10^-3 и 3,5*10^-3 Вт/(м*К).

Теплоизоляционные материалы должны отвечать следующим нормам : они должны быть температуро- и морозостойкими, негорючими или обладать возможно меньшей горючестью, химически инертными. Они недолжны иметь запаха или воспринимать запахи, обладать достаточной механической прочностью, виброустойчивыми, должны легко обрабатываться и резаться, должны удовлетворять определенным экономическим показателям.

Материалов, обладающих в равной и полной степени всеми перечисленными свойствами, пока не существует. Из всех существующих теплоизоляторов можно выделить высокоэффективные материалы (с  =0,045 Вт/(м*К) в сухом состоянии и с объемной массой до 100 кг/м³) :

1) Органические естественные материалы. К ним относятся различные породы растительных волосков или растительного пуха, находившие ранее применение, но теперь редко используемые.

2) Органические исскуственные материалы. Очень перспективными материалами этой подгруппы являются пенопласты, получаемые путем вспенивания синтетических смол. Пенопласты имеют мелкие замкнутые поры и этим отличаются от поропластов – тоже вспененных пластмасс, но имеющих соединяющиеся поры и поэтому не используемые в качестве теплоизоляционных материалов. В зависимости от рецептуры и характера технологического процесса изготовления пенопласты могут быть жесткими, полужесткими и эластичными с порами необходимого размера; изделиям могут быть приданы желаемые свойства (например, уменьшена горючесть).

Пенопласты делятся на термопластичные, или термообратимые, размягчающиеся при повторных нагреваниях, и термонепластичные (термонеобратимые), отвердевающие при первом цикле нагревания и не размягчающиеся при повторных нагреваниях; к первым относятся пенополистиролы (ПС) и пенополивинилхлориды (ПВХ), ко вторым – пенополиуретаны (ПУ), а также материалы на основе фенолоформальдегидных (ФФ), эпоксидных (Э), кремнийорганических (К) смол.

Коэффициент теплопроводности у пенопластов колеблется в пределах 0,03 – 0,045 Вт/(м*К).

3) Неорганические материалы. Представителем этой подгруппы является алюминиевая фольга (альфоль). Она применяется в виде гофрированных листов, уложенных с образованием воздушных прослоек. Достоинством этого материала является высокая отражательная способность, уменьшающая лучистый теплообмен, что особенно заметно при высоких температурах. Другими представителями подгруппы неорганических материалов являются исскуственные волокна : минеральная, шлаковая и стеклянная вата. Средняя толщина минеральной ваты 6-7 мкм, средний коэффициент теплопроводности =0,045 Вт/(м*К). Эти материалы не горючи, не проходимы для грызунов. Они имеют малую гигроскопичность (не более 2%), но большое водопоглощение (до 600%).

Таким образом, имеется большое количество теплоизоляционных материалов, из которых может осуществлятся выбор в зависимости от параметров и условий эксплуатации различных установок, нуждающихся в теплозащите.

Список литературы :

· А.И. Андрющенко «Основы технической термодинамики реальных процессов» М., «Высш. школа», 1975.

· И.В. Савельев «Курс общей физики» Издательство «Наука», М., 1973.

· «Теплопередача» В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Москва Энергоиздат, 1981.

· Р.П. Грушман «Что нужно знать теплоизолировщику». Ленинград Стройиздат, 1987.

· Большая сов. энциклопедия. Москва «сов. энцикл.», 1976.

· Справочник по производству теплоизоляционных и акустических материалов. Китайцев В.А., М., 1964.

· Холодильные установки. Е.С. Курылев, Н.А.Герасимов. Ленинград Машиностроение, 1980.

09.11.1998