Исследование теплофизических характеристик теплоизоляционных изделий на основе минеральных волокон

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 629. 782:629
Ю. В. Смирнов, М. П. Тимофеев, В. А. К о ш е л е в, В. Ю. Смирнов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН
Исследованы теплофизические характеристики теплоизоляционных изделий на основе базальтовых, кварцевых и каолиновых волокон и неорганического связующего. Определен коэффициент теплопроводности материалов, термостойкость и усадка материалов при высокотемпературном воздействии. Рекомендованы максимальные температуры их применения.
E-mail: sm5−3@yandex. ru- koshelevva@yandex. ru
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, минеральное волокно, неорганическое связующее, коэффициент теплопроводности, негорючесть, экологическая безопасность.
Широкое применение в различных отраслях промышленности находят теплоизоляционные материалы на основе высокотемпературных минеральных волокон (базальт, кварц, каолин) и различных типов связующего. Поскольку экологичность сегодня — это одна из основных требуемых характеристик, то в качестве связующего предпочтительно использовать неорганическое связующее.
К основному ряду требований, предъявляемых к теплоизоляционным материалам для авиакосмической промышленности, энергетики, транспортного машиностроения, промышленного и жилищного строительства и других отраслей, относятся низкий коэффициент теплопроводности, пожарная безопасность, экологичность и предельные температуры их применения. В настоящей работе приведены результаты исследований теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов на основе высокотемпературных минеральных волокон (базальтовых, кварцевых и каолиновых), полученных методом жидкостной фильтрации.
Для определения теплопроводности использован известный метод обратной задачи теплопроводности [1, 2]. Для этого зависимость теплопроводности от температуры представлена в форме
As = А (1 — П)1'-5МК + (А& quot- + 0 ¦ Т3) П0'-25,
где As — суммарная (эффективная) теплопроводность базальтово-локнистого материала- А — теплопроводность каркаса (волокон) — П — пористость- Мк — параметр контактного сопротивления- А& quot- - кон-дуктивная теплопроводность газа, заполняющего поры- 0 — параметр лучистого теплопереноса- Т — температура.
В целях оценки коэффициента теплопроводности по математической модели нестационарного прогрева базальтоволокнистых плит на минеральном связующем были проведены эксперименты на стенде лучистого нагрева при следующих значениях параметров согласования, рекомендованных в работах [1, 2]:
в = 0,9 ¦ 10−10 Вт/(м ¦ К4), Мк = 0,2 — для базальтоволокнистых матов без связующего с плотностью ~60 кг/м3-
в = 0,5 ¦ 10−10 Вт/(м ¦ К4), Мк = 0,3 — для плит на минеральном связующем с плотностью ~180 кг/м3.
В качестве параметров согласования с экспериментом следует использовать в области умеренных температур параметр контактного сопротивления Мк, а в области высоких температур — параметр лучистого теплопереноса в [1,2].
Результаты исследования теплопроводности базальтовых теплоизоляционных композиций плотностью от 150 до 200 кг/м3, проведенных на лучистом стенде при 25 °C, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Средние значения коэффициентов теплопроводности базальтовой
теплоизоляции
Плотность материала, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
150 0,038
170 0,040
200 0,041
Были проведены расчеты и эксперименты по определению коэффициентов теплопроводности. Сходимость результатов расчетных и экспериментальных исследований теплопроводности волокнистых композиций подтверждает правомерность предложенных расчетов.
Результаты испытаний теплоизоляционных базальтовых материалов на теплопроводность, проведенных в аттестационной лаборатории & quot-Антип"-, даны в табл. 2. Они подтверждают результаты исследований, проведенных в ДФ МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Таблица 2
Результаты сертификационных испытаний теплозвукоизоляционного материала на основе базальтового волокна, выполненных по ГОСТ 7076–87 и ТУ 5769−001−52 841 370−2000
Значение показателя Теплопроводность, Вт/(м-К), при температуре
25 °C 200 °С 400 °С
Нормативный 0,038−0,055 0,038−0,065 Нет данных
Результат испытаний ср. 0,042 ср. 0,064 ср. 0,098
При испытании базальтовой теплоизоляции на горючесть материала проведена оценка его основных характеристик при высокотемпературных воздействиях. Проведенными исследованиями установлено, что фактическая термостойкость базальтовых изделий не ниже 930… 950 °C. Об этом свидетельствуют результаты их осмотра после испытаний. Каких-либо следов оплавления не замечено. Однако при температурах 900 °C и выше наблюдалась усадка материала. В плоскости поперечного среза слоев испытанных базальтовых образцов разной плотности и толщины наблюдалось изменение цвета базаль-товолокнистого материала с исходного серого на красно-бурый цвет. Однако материал в этой зоне сохранил свою целостность и механическую прочность. В поверхностном слое наблюдалось даже некоторое повышение прочности. Структура материала видимых изменений не претерпела. В результате измерений выявили, что температура горячей стенки после 30-минутного нагрева практически одинакова и составляет в среднем 900… 950 °C. Постоянство температуры горячей стенки свидетельствует о том, что в материале образца не происходят процессы горения или тления, что могло бы привести к повышению температуры. При испытаниях горючих или трудносгораемых материалов при высоких температурах за счет горения или тления материала температура со стороны горячей стенки может превышать температуру источника нагрева.
Кроме того, из анализа температурных полей в испытанных образцах следует, что проникание зоны измененного цвета базальтоволокни-стого материала в глубь его слоя ограничивается изотермой, близкой к 700.. 750 °C.
Наиболее низкую температуру плавления имеет базальтовое волокно, поэтому основные исследования проведены для базальтовой теплоизоляции. Кварцевую и каолиновую теплоизоляции исследовали для определения максимальной температуры применения. Испытания проводились при начальной температуре 20±5 °С. Длительность теплового воздействия на образец составляла 60 мин. Обследование состояния образца и измерение его повреждений в контрольной зоне проводилось после его остывания. Результаты испытаний оценивались по пяти образцам.
На рис. 1 приведены результаты исследования по воздействию высоких температур на материал различной плотности и толщины на основе базальтового волокна.
Толщина образцов составляла 40 мм. Из рис. 1 следует, что максимальная температура для образцов разной плотности практически одинакова и составляет в среднем 930 °C. После 30-минутного нагрева температура горячей стенки образцов выравнивается с температурой внутри стенда и остается постоянной.
1 ООО
о
о 800
н 200
& amp- 600 g 400
0
10 20 30 40 50 60
Время, мин
Рис. 1. Изменение температуры холодной (7) и горячей (2) стенок базальтовых образцов разной плотности — 110кг/м3 (сплошная кривая), 180кг/м3 (штриховая), 220 кг/м3 (штрих-пунктирная)
Рост температуры горячей стенки исследуемых образцов для всех плотностей составляет в среднем 30 мин, т. е. вне зависимости от плотности материала скорость нагрева образца со стороны температурного воздействия одинакова. Плотность материала образцов в незначительной мере оказывает влияние на температуру холодной стенки — при увеличении плотности ее температура снижается. При плотности 120 кг/м3 максимальная температура поверхности составляет 105 0С, а при плотности 180 и 220 кг/м3 — 93 и 840С соответственно. Рост температуры холодной стенки происходит в среднем в течение 40 мин. При дальнейшем увеличении времени высокотемпературного воздействия наступает равновесный температурный процесс и температура холодной стенки не меняется.
При осмотре образцов после испытаний нарушения целостности образцов не обнаружено. Нет трещин, отслоений, оплавлений и изменения размеров. Масса всех испытываемых образцов осталась неизменной. Однако следует отметить, что воздействие высокой температуры вызвало изменение цвета горячей стенки. Серый цвет образца после испытаний изменился на коричневый. Это явление связано с тем, что при температуре 7000 С в структуре базальтового волокна происходит фазовый переход, который и вызывает изменение цвета. На рис. 2 показаны образцы до и после высокотемпературного воздействия. При 60-минутном нагреве зона изменения цвета распространена в глубь образцов не более чем на 2−3 мм.
Влияние высокотемпературного воздействия на образцы материала разной толщины показано на рис. 3. В результате анализа приведенных зависимостей получено, что скорость достижений равновесного температурного состояния зависит от толщины материала.
Как и в первом случае, максимальная температура горячей стенки вне зависимости от толщины материала достигается также в течение 30 мин. Достижение равновесной температуры на холодной стенке зависит от толщины материала. Для образца толщиной 13 мм постоянная
а б
Рис. 2. Образцы до (а) и после (б) высокотемпературного воздействия
1 ООО
Время, мин
Рис. 3. Изменение температуры холодной (1) и горячей (2) стенок базальтовых образцов различной толщины:
13 мм (штрих-пунктирная кривая), 25 мм (штриховая) и 40 мм (сплошная)
температура на холодной стенке достигается в течение 25 мин, а для образцов толщиной 25 мм и 40 мм — в течение 25 мин и 40 мин соответственно. Данные результаты могут быть использованы при проектировании защищаемых объектов и конструкций при кратковременном высокотемпературном воздействии.
Подтверждение негорючести теплоизоляционных материалов на основе базальтовых и каолиновых волокон получено от независимого испытательного центра & quot-Антип"-.
Максимальная температура применения теплоизоляционных материалов определяется не плавлением волокна и разрушением неорганического связующего, а процессами, связанными с усадкой материала при высоких температурах. Для определения усадки теплоизоляционных материалов проводили испытания образцов на основе базальтовых, кварцевых и каолиновых волокон размерами 105×105×40 мм. Нагрев образцов проводили в печах сопротивления с температурой на-
850 900 930 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
Температура, °С
Рис. 4. Изменение усадки по длине (1) и толщине (2) волокнистых материалов в зависимости от температуры:
Б — базальтовое волокно- Кв — кварцевое волокно- К — каолиновое волокно
грева до 1350 0С. При каждой фиксированной температуре все образцы выдерживали в течение 30 мин.
Перед проведением испытаний каждый образец взвешивали на аналитических весах и снимали геометрические размеры. Результаты испытаний оценивались по трем образцам. После нагрева и испытания образцов их снова взвешивали, обмеряли и осматривали на наличие видимых повреждений и фиксировали изменение цвета.
Результаты испытаний высокотемпературного воздействия на усадку теплоизоляционного материала на основе базальтовых, каолиновых и кварцевых волокон приведены на рис. 4.
Согласно РСТ УССР 1970−86, & quot-предельная температура применения& quot- - это максимальная температура, при которой уменьшение толщины изделия под удельной нагрузкой 2000 Па составляет не более 10%.
До 950 0С полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с экспериментами, проведенными в ФНПЦ & quot-Алтай"-.
Усадочные процессы в разных плоскостях материала идут с различной скоростью. Это явление связано с физическими процессами при формировании материала. При изготовлении теплоизоляции дискретные волокна располагаются перпендикулярно плоскости набора слоя материала, что и является причиной разных усадок.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Материалы на основе базальтового супертонкого волокна имеют высокие теплоизоляционные свойства и могут быть использованы во многих отраслях промышленности.
2. Материалы на основе базальтовых, кварцевых и каолиновых волокон на неорганическом связующем являются термостойкими и негорючими. Рекомендуются следующие максимальные температуры их применения:
до 930 °C — для базальтовой теплоизоляции- до 1100 °C — для кварцевой теплоизоляции- до 1350 °C — для каолиновой теплоизоляции.
3. Подтверждена высокая надежность разработанных материалов при применении в объектах с повышенными требованиями в отношении противопожарной безопасности и экологической чистоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Страхов В. Л, Гаращенко А. Н., Крутов А. М., Мельников С. В. Оптимизация огнезащиты строительных конструкций // Пожаробе-зопасность. — 1997. — № 1.
2. Смирнов Ю. В., Г о р н и ч е в А. А. Экологически чистые негорючие те-плозвукоизоляционные материалы. Фундаментальные исследования новых технологий. — М., 1998.
Статья поступила в редакцию 15. 04. 2011

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой