Вакумна Теплова ізоляція Статті Енциклопедія будівництва
Використання вакуумних теплоізоляційних матеріалів – сучасний перспективний напрямок у галузі сучасних будівельних технологій. Відомо, що найменшу теплопровідність мають вакуум і повітря, для яких коефіцієнт теплопровідності в нерухомому стані при 20 °С становить 0,022 ккал/м°Cч. Теплопровідність різноманітних матеріалів також знижується при поміщенні їх у вакуум, тому для підвищення термічного опору конструкцій, що захищають, також можна за рахунок застосування порожнистих вакуумних теплоізоляційних панелей. За рахунок глибокого вакууму, що створюється між стінками панелей, перенесення тепла, зумовлене конвекцією повітря, теплопровідністю матеріалу та випромінюванням тепла електромагнітними хвилями практично виключається. Термос – відомий приклад вакуумної теплоізоляції. Але незважаючи на те, що шляхом використання сучасних технологій вдалося зменшити товщину стінок до 0,2 мм у панелі площею 1 м2, підтримувати такий високий вакуум протягом усього терміну експлуатації досить складно, а при збільшенні тиску до 10-4 –10-5 теплоізоляція бар погіршується на порядки. Крім того, товсті металеві стінки оболонки таких панелей також сприяють втраті тепла.
Вирішенням проблеми може стати створення вакуумних теплоізоляційних панелей з наповнювачем з речовин, що мають високу пористість – аерогелі або порошки, принципи такого типу теплової ізоляції були запропоновані ще в середині минулого століття для використання в техніці глибокого охолодження.
Фото 1. Праворуч - вакуумна теплоізоляційна панель, зліва та в центрі - пінополістиролу та пінополіуретан, традиційні утеплювальні матеріали з такими ж теплопровідними властивостями
Фізичні принципи технології виготовлення панелей звакуумуванням порошкових матеріалів.
Основним механізмом перенесення тепла в твердій речовині є теплопровідність, саме за рахунок неї потік теплих частинок рухається від кінця нагрітого тіла до іншого. Різні матеріали проводять теплоту по-різному: одні – швидше (наприклад: метали), інші – повільніші (теплоізоляційні матеріали). Кількісним показником теплопровідності різних тіл є коефіцієнт теплопровідності. За допомогою теплопровідності також здійснюється перенесення тепла в газах, при цьому гази, що складаються з легших молекул, проводять тепло значно ефективніше.
Процес конвекції, що зумовлює перенесення тепла в газах і рідинах, обумовлений здатністю газів зменшувати щільність при нагріванні рахунок переміщення нагрітих, легших шарів вгору. При цьому вертикальне переміщення нагрітих частинок, спричинене явищем конвекції, домінує над тепловим потоком, спричиненим теплопровідністю речовини.
Третім шляхом передачі тепла є випромінювання – теплопередача за допомогою електромагнітних хвиль, здатність випромінювати та приймати які є особливістю конкретної речовини, яка визначається його атомною структурою. Прикладом такого типу теплообміну може бути нагрівання сонячними променями земної поверхні.
Рис 2. Властивості вакуумованих будівельних матеріалів залишаються практично незмінними при високому тиску
Технологія виготовлення вакуумних теплоізоляційних панелей виключає передачу тепла всіма трьома можливими шляхами, цей же ефект використовується в термосі або посудині Дьюара – широко відомому побутовому приладі, між стінками якого підтримується вакуум близько 10-2 Па, через що практично зводиться до мінімуму процес перенесення тепла за рахунок конвекції татеплопровідності (її величина становить всього - 10-3 - 10-4Вт / (м • К). Правда, для створення глибокого вакууму необхідний ретельний підбір конструкції матеріалів і форми судини, стінки повинні бути непроникні для газів і вологи, так як найменша розгерметизації миттєво призводить до втрати теплоізоляції судини Для зменшення теплопередачі шляхом випромінювання при виготовленні термоса використовуються тільки метал і скло з металонапиленням.
Технологія виготовлення вакуумних теплоізоляційних панелей з порошковим наповненням.
Зносостійкість та теплоізолюючі властивості вакуумних теплоізоляційних панелей залежать від ряду причин: -фізико-механічні властивості наповнювача - початковим рівнем вакууму - величиною і товщиною панелі - волого- та повітропроникністю оболонки - результативністю поглинача залишків газу - умовами експлуатації панелі. На малюнку 3 видно, що вакуумна панель складається з поміщеного в водо-і повітронепроникну оболонку пористого матеріалу, перед герметизацією повітря з панелі відкачують до тиску 100 Па. На малюнку 1 можна побачити, як значно відрізняється така панель за своїми об'ємними характеристиками від традиційних утеплювачів пінополістиролу та пінополіуретану, застосування технологій вакуумної теплоізоляції дозволяє значно скоротити шар утеплювача, що є важливим фактором під час проведення будівельних робіт.
Основними функціями наповнювача є: 1. Механічне підтримання стінки панелі (для забезпечення опору матеріалу тиску 105 Па, що створює навантаження на оболонку панелі розміром 30 сантиметрів вагою майже одну тонну) 2. Поглинання інфрачервоного електромагнітного випромінювання, а, отже, відсутність передачі тепла через наповнювач, за рахунок додавання до ньогосклад різних речовин, наприклад діоксиду титану. 3. Зниження конвекційного перенесення тепла шляхом обмеження руху газових молекул, рахунок зменшення розмірів пір наповнювача, і, отже, пом'якшення вимог початковому рівню вакууму в панелі.
Найбільш поширеними матеріалами, що використовуються при виготовленні вакуумних панелей, є пінополістирол, пінополіуретан, димний кремнезем і осаджений кремнезем, аерогелі, при цьому. Димний кремнезем та аерогелі найбільш ефективні навіть при досить високих тисках (до 1000 Па). Можливість забезпечення значного вихідного тиску забезпечує збільшення тривалості експлуатації будівельного матеріалу. Асортимент плівок, що використовуються при створенні оболонки досить високий, серед них є цілком доступні за ціною матеріали. Плівка заварюється по краях під впливом тиску і температури, шар пластику, що має низьку температуру плавлення, наноситься на внутрішню поверхню такої плівки. Негативним моментом тут є підвищена волого- і газопроникність зварних з'єднань порівняно з рештою оболонки панелі, вирішенням цієї проблеми може стати зменшення величини і збільшення товщини зварного з'єднання.
Для адсорбції вологи та газів, що негативно впливають на тривалість працездатності теплоізоляційної панелі, застосовують спеціальні поглиначі, що примусово вводяться в оболонку панелі. При цьому потрібно враховувати, щоб обсяг та властивості поглинача відповідали аналогічним характеристикам оболонки панелі, а також термін її використання. Наповнювач, створений на базі пінопластиків не здатний поглинати гази і вологу, а дрібнопористі наповнювачікремнеземистої основі, самі є природними адсорбентами. При використанні наповнювачів такого типу не потрібне додаткове введення поглинача, навіть при тривалому експлутаційному періоді, щоправда, особливо важливим стає підбір матеріалу оболонки. Негативною стороною застосування поглиначів є їхня досить висока вартість, а також екологічна небезпека – багато наповнювачів містять солі важких металів, небезпечні для навколишнього середовища.