Расчетный коэффициент теплопроводности материала: Коэффициенты теплопроводности основных строительных материалов в размерности Вт/(м*К)=Вт/(м*С) и плотность.

Коэффициенты теплопроводности основных строительных материалов в размерности Вт/(м*К)=Вт/(м*С) и плотность.

Коэффициенты теплопроводности основных строительных материалов в размерности Вт/(м*К)=Вт/(м*С) и плотность. 

Коэффициенты теплопроводности основных строительных материалов в размерности Вт/(м*К)=Вт/(м*С) и плотность.

Материал

Плотность (для сыпучих – насыпная плотность), кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м*К)

Алюминий 2600-2700 203,5-221 растет с ростом плотности
Асбест 600 0,151
Асфальтобетон 2100 1,05
АЦП асбесто-цементные плиты 1800 0,35
Бетон см. также Железобетон 2300-2400 1,28-1,51 растет с ростом плотности
Битум 1400 0,27
Бронза
8000
64
Винипласт 1380 0,163
Вода при температурах выше 0 градусов С ~1000 ~0,6
Войлок шерстяной 300 0,047
Гипсокартон 800 0,15
Гранит 2800 3,49
Дерево, дуб — вдоль волокон 700 0,23
Дерево, дуб — поперек волокон 700 0,1
Дерево, сосна или ель — вдоль волокон 500 0,18
Дерево, сосна или ель — поперек волокон 500 0,10—0,15 растет с ростом плотности и влажности
ДСП, ОСП; древесно- или ориентированно-стружечная плита 1000 0,15
Железобетон 2500 1,69
Картон облицовочный 1000 0,18
Керамзит 200 0,1
Керамзит 800 0,18
Керамзитобетон 1800 0,66
Керамзитобетон 500 0,14
Кирпич керамический пустотелый (брутто1000) 1200 0,35
Кирпич керамический пустотелый (брутто1400) 1600 0,41
Кирпич красный глиняный 1800 0,56
Кирпич, силикатный 1800 0,7
Кладка из изоляционного кирпича 600 0,116—0,209 растет с ростом плотности
Кладка из обыкновенного кирпича 600–1700 0,384—0,698—0,814 растет с ростом плотности
Кладка из огнеупорного кирпича 1840
1,05 (при 800—1100°С)
Краска масляная 0,233
Латунь 8500 93
Лед при температурах ниже 0 градусов С 920 2,33
Линолеум 1600 0,33
Литье каменное 3000 0,698
Магнезия 85% в порошке 216 0,07
Медь
8500-8800
384-407 растет с ростом плотности
Минвата 100 0,056
Минвата 50 0,048
Минвата 200 0,07
Мрамор 2800 2,91
Накипь, водяной камень 1,163—3,49 растет с ростом плотности
Опилки древесные 230
0,070—0,093 растет с ростом плотности и влажности
Пакля сухая 150 0,05
Пенобетон 1000 0,29
Пенобетон 300 0,08
Пенопласт 30 0,047
Пенопласт ПВХ 125 0,052
Пенополистирол 100 0,041
Пенополистирол 150 0,05
Пенополистирол 40 0,038
Пенополистирол экструдированый 33 0,031
Пенополиуретан 32 0,023
Пенополиуретан 40 0,029
Пенополиуретан 60 0,035
Пенополиуретан 80 0,041
Пеностекло 400 0,11
Пеностекло 200 0,07
Песок сухой 1600 0,35
Песок влажный 1900 0,814
Полимочевина 1100 0,21
Полиуретановая мастика 1400 0,25
Полиэтилен 1500 0,3
Пробковая мелочь 160 0,047
Ржавчина (окалина) 1,16
Рубероид, пергамин 600 0,17
Свинец 11400 34,9
Совелит 450 0,098
Сталь 7850 58
Сталь нержавеющая 7900 17,5
Стекло оконное 2500 0,698—0,814
Стеклянная вата (стекловата) 200 0,035—0,070 растет с ростом плотности
Текстолит 1380 0,244
Торфоплиты 220 0,064
Фанера клееная 600 0,12
Фаолит 1730 0,419
Чугун 7500 46,5—93,0
Шлаковая вата 250 0,076
Эмаль 2350

0,872—1,163

Коэффициент теплопроводности материала.

Теплопроводность строительных материалов: таблица

Процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой называется теплопроводностью. Числовое значение такого процесса отражает коэффициент теплопроводности материала. Это понятие является очень важным при строительстве и ремонте зданий. Правильно подобранные материалы позволяют создать в помещении благоприятный микроклимат и сэкономить на отоплении существенную сумму.

Понятие теплопроводности

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией, который происходит за счет столкновения мельчайших частиц тела. Причем этот процесс не прекратится, пока не наступит момент равновесия температур. На это уходит определенный промежуток времени. Чем больше времени затрачивается на тепловой обмен, тем ниже показатель теплопроводности.

Данный показатель выражают как коэффициент теплопроводности материалов. Таблица содержит уже измеренные значения для большинства материалов. Расчет производится по количеству тепловой энергии, прошедшей сквозь заданную площадь поверхности материала. Чем больше вычисленное значение, тем быстрее объект отдаст все свое тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

  • Плотность материала. При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.
  • Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.
  • Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться.

Понятие теплопроводности на практике

Теплопроводность учитывается на этапе проектирования здания. При этом берется во внимание способность материалов удерживать тепло. Благодаря их правильному подбору жильцам внутри помещения всегда будет комфортно. Во время эксплуатации будут существенно экономиться денежные средства на отопление.

Утепление на стадии проектирования является оптимальным, но не единственным решением. Не составляет трудности утеплить уже готовое здание путем проведения внутренних или наружных работ. Толщина слоя изоляции будет зависеть от выбранных материалов. Отдельные из них (к примеру, дерево, пенобетон) могут в некоторых случаях использоваться без дополнительного слоя термоизоляции. Главное, чтобы их толщина превышала 50 сантиметров.

Особенное внимание следует уделить утеплению кровли, оконных и дверных проемов, пола. Сквозь эти элементы уходит больше всего тепла. Зрительно это можно увидеть на фотографии в начале статьи.

Конструкционные материалы и их показатели

Для строительства зданий используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности. Наиболее популярными являются:

  • Бетон. Его теплопроводность находится в пределах 1,29-1,52Вт/м*К. Точное значение зависит от консистенции раствора. На этот показатель также влияет плотность исходного материала, которая составляет 500-2500 кг/м3. Используют данный материал в виде раствора для фундаментов, в виде блоков – для возведения стен и фундамента.
  • Железобетон, значение теплопроводности которого составляет 1,68Вт/м*К. Плотность материала достигает 2400-2500 кг/м3.
  • Древесина, издревле использующаяся как строительный материал. Ее плотность и теплопроводность в зависимости от породы составляют 150-2100 кг/м3 и 0,2-0,23Вт/м*К соответственно.

Еще один популярный строительный материал – кирпич. В зависимости от состава он обладает следующими показателями:

  • саманный (изготовленный из глины): 0,1-0,4 Вт/м*К;
  • керамический (изготовленный методом обжига): 0,35-0,81 Вт/м*К;
  • силикатный (из песка с добавлением извести): 0,82-0,88 Вт/м*К.

Материалы из бетона с добавлением пористых заполнителей

Коэффициент теплопроводности материала позволяет использовать последний для постройки гаражей, сараев, летних домиков, бань и других сооружений. В данную группу можно отнести:

  • Пенобетон. Производится с добавлением пенообразующих веществ, за счет которых характеризуется пористой структурой с плотностью 500-1000 кг/м3. При этом способность передавать тепло определяется значением 0,1-0,37Вт/м*К.
  • Керамзитобетон, показатели которого зависят от его вида. Полнотелые блоки не имеют пустот и отверстий. С пустотами внутри изготавливают пустотелые блоки, которые менее прочные, нежели первый вариант. Во втором случае теплопроводность будет ниже. Если рассматривать общие цифры, то плотность керамзитобетона составляет 500-1800кг/м3. Его показатель находится в интервале 0,14-0,65Вт/м*К.
  • Газобетон, внутри которого образуются поры размером 1-3 миллиметра. Такая структура определяет плотность материала (300-800кг/м3). За счет этого коэффициент достигает 0,1-0,3 Вт/м*К.

Показатели теплоизоляционных материалов

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов, наиболее популярных в наше время:

  • пенопласт, который обладает плотностью 15-50кг/м3, при теплопроводности – 0,031-0,033Вт/м*К;
  • пенополистирол, плотность которого такая же, как и у предыдущего материала. Но при этом коэффициент передачи тепла находится на уровне 0,029-0,036Вт/м*К;
  • стекловата. Характеризуется коэффициентом, равным 0,038-0,045Вт/м*К;

Таблица показателей

Для удобства работы коэффициент теплопроводности материала принято заносить в таблицу. В ней кроме самого коэффициента могут быть отражены такие показатели как степень влажности, плотность и другие. Материалы с высоким коэффициент теплопроводности сочетаются в таблице с показателями низкой теплопроводности. Образец данной таблицы приведен ниже:

Использование коэффициента теплопроводности материала позволит возвести желаемую постройку. Главное: выбрать продукт, отвечающий всем необходимым требованиями. Тогда здание получится комфортным для проживания; в нем будет сохраняться благоприятный микроклимат.

Правильно подобранный изоляционный материал снизит потери тепла, по причине чего больше не нужно будет «отапливать улицу». Благодаря этому финансовые затраты на отопление существенно снизятся. Такая экономия позволит в скором времени вернуть все деньги, которые будут затрачены на приобретение теплоизолятора.

Коэффициент теплопроводности __

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·°С), является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (3.1), коэффициент теплопроводности материала выражает меру проводимости теплоты материалом, численно равную тепловому потоку qт, Вт, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры, равном 1 °С/м (рис. 5). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в материале процесс теплопроводности и значительнее тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,3 Вт/(м·°С).

Рис. 5. К определению коэффициента теплопроводности материала: п — нормаль к поверхности

Большинство строительных материалов — пористые тела. Зависимость коэффициента теплопроводности строительных материалов от их плотности обусловлена тем, что практически любой строительный материал состоит из скелета — основного строительного вещества — и воздуха. К.Ф. Фокин [13] для примера приводит такие данные: коэффициент теплопроводности абсолютно плотного вещества (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/(м·°С) (пластмасса) до 14 Вт/(м·°С) (кристаллические вещества при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как теплопроводность воздуха около 0,026 Вт/(м·°С). Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение коэффициента теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением влажности материала. Влажность характеризуется наличием в материале химически несвязанной воды. Весовая влажность ωв, %, определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце материала, к его массе в сухом состоянии:

                                                                                                  (3.5)

где М1, М2 — масса образца материала соответственно до и после высушивания, кг. Объемная влажность ωо, %, определяется по формуле

                                                                                                             (3.6)

где V1, V2 — соответственно объем влаги в образце материала и самого образца, м3.

На практике чаще пользуются весовой влажностью, т. к. извлечь в натурных условиях из строительной конструкции целый кусок материала в качестве образца трудно.

Повышение коэффициента теплопроводности с увеличением влажности материала происходит из-за того, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности около 0,58 Вт/(м·°С), что в 22 раза больше, чем у воздуха, находящегося в порах. Большая интенсивность возрастания коэффициента теплопроводности при малой влажности вызвана тем, что при увлажнении материала сначала заполняются водой мелкие поры и капилляры, влияние которых на теплопроводность материала больше, чем влияние крупных пор. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности, если влажный материал промерзает, т.к. лед имеет коэффициент теплопроводности 2,3 Вт/(м·°С), что в 80 раз больше, чем у воздуха. Установить общую математическую зависимость теплопроводности материала от его влажности для всех строительных материалов невозможно (большое влияние оказывает форма и расположение пор). Однако очевидно, что увлажнение строительных конструкций приводит к снижению их теплозащитных качеств, увеличивая коэффициент теплопроводности влажного материала.

Влажностное состояние материалов в ограждающих конструкциях зданий зависит от климата района строительства и от влажностного режима помещений. Различные сочетания наружных и внутренних влажностных режимов формируют два типа условий эксплуатации ограждающих конструкций: А и Б. Условиям эксплуатации А соответствуют сочетания сухого или нормального влажностного режима помещений с сухой зоной района строительства, а также сухого режима помещений с нормальной климатической зоной влажности. Все остальные сочетания влажностного режима помещений и климатических зон влажности формируют условия эксплуатации Б (табл. 10).

Таблица 10

Условия эксплуатации ограждающих конструкций

Влажностный режим помещения (по табл. 8)

А и Б в зоне влажности (по прил. 1)

сухой

нормальной

влажной

Сухой

А

А

Б

Нормальный

А

Б

Б

Влажный или мокрый

Б

Б

Б

В соответствии с условиями эксплуатации строительной конструкции принимается значение коэффициента теплопроводности λА или λБ, Вт/(м·°С).

Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Усиление теплопроводных свойств объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет. Расчет коэффициента теплопроводности материала при 0 °С λ0, Вт/(м·°С), на основании величины, полученной при температуре до 100 °С, выполняется по эмпирической формуле О.Е. Власова [14]:

                                                                                                                 (3.7)

где λt — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·°С), при соответствующей температуре t, °С;

βt — температурный коэффициент для различных материалов, равный около 0,0025 1/°С.

Рекомендуемые в СП 23-101-2004 [7] значения λ приняты при температуре 25 °С. Для различных строительных материалов с указанием их плотности расчетные значения λ, соответствующие условиям эксплуатации А и Б, приведены также в [15, 16]. При этом в таблицах из [7, 15, 16] указана весовая влажность материала, соответствующая условиям эксплуатации.

Однако величины коэффициентов теплопроводности, приведенные в СП 23-101-2004 [7], получены исследованиями по разным методикам [15]. Дело в том, что расчетные значения коэффициентов теплопроводности различных конструкционных и теплоизоляционных строительных материалов, указывавшиеся в ранее действовавшем СНиП II-3-79* [17], определены при температуре 0 °С [13]. Температура 0 °С соответствует средней температуре наружной стены здания в зимнее время, когда значительная часть слоя утеплителя находится в зоне отрицательной температуры. Согласно методикам ГОСТ 26254-84 [18] и ГОСТ 530-95 [19], коэффициенты теплопроводности установлены в ходе исследований теплозащитных качеств материалов наружных ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий или фрагментов наружных стен размерами 1,5´1,0 и 1,8´1,8 м в климатической камере. Температурно-влажностный и воздушный режимы исследуемого ограждения соответствуют расчетной температуре холодного периода года, т.к. исследования проводятся при температуре наружного воздуха (или ее имитации в камере), равной -20…-30 °С. Такой подход учитывает влияние замерзшей влаги и фильтрации холодного воздуха на увеличение коэффициента теплопроводности. По методике ГОСТ 7076-99 [20], коэффициенты теплопроводности ячеистых бетонов, полистиролбетона и современных мягких теплоизоляционных материалов определены в лабораторных условиях на плитках размером 250´250´50 мм при температуре 10 и 20 °С. Полученные таким образом коэффициенты отличаются в меньшую сторону от значений, полученных при испытаниях в натурных условиях или на фрагментах стен в климатической камере, т.к. указанная методика исключает влияние замерзшей влаги и фильтрации холодного воздуха. Поэтому при определении сопротивления теплопередаче ограждений в расчетный зимний период в [15] значения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов (минераловатных и пенополистирольных плит), полученных по ГОСТ 7076-99 [20], рекомендуется увеличивать на 30 % в невентилируемых конструкциях и на 20 % в вентилируемых.

Теплотехнические характеристики легких утеплителей наиболее полно даны в СП 23-101-2004 [7], кирпичной кладки на различных растворах и кладки из полистиролбетона — в [15], ячеистых бетонов — в [16].

Коэффициент теплопроводности материала. Теплопроводность строительных материалов: таблица

Процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой называется теплопроводностью. Числовое значение такого процесса отражает коэффициент теплопроводности материала. Это понятие является очень важным при строительстве и ремонте зданий. Правильно подобранные материалы позволяют создать в помещении благоприятный микроклимат и сэкономить на отоплении существенную сумму.

Понятие теплопроводности

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией, который происходит за счет столкновения мельчайших частиц тела. Причем этот процесс не прекратится, пока не наступит момент равновесия температур. На это уходит определенный промежуток времени. Чем больше времени затрачивается на тепловой обмен, тем ниже показатель теплопроводности.

Данный показатель выражают как коэффициент теплопроводности материалов. Таблица содержит уже измеренные значения для большинства материалов. Расчет производится по количеству тепловой энергии, прошедшей сквозь заданную площадь поверхности материала. Чем больше вычисленное значение, тем быстрее объект отдаст все свое тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

  • Плотность материала. При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.
  • Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.
  • Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.
Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться.

Понятие теплопроводности на практике

Теплопроводность учитывается на этапе проектирования здания. При этом берется во внимание способность материалов удерживать тепло. Благодаря их правильному подбору жильцам внутри помещения всегда будет комфортно. Во время эксплуатации будут существенно экономиться денежные средства на отопление.

Утепление на стадии проектирования является оптимальным, но не единственным решением. Не составляет трудности утеплить уже готовое здание путем проведения внутренних или наружных работ. Толщина слоя изоляции будет зависеть от выбранных материалов. Отдельные из них (к примеру, дерево, пенобетон) могут в некоторых случаях использоваться без дополнительного слоя термоизоляции. Главное, чтобы их толщина превышала 50 сантиметров.

Особенное внимание следует уделить утеплению кровли, оконных и дверных проемов, пола. Сквозь эти элементы уходит больше всего тепла. Зрительно это можно увидеть на фотографии в начале статьи.

Конструкционные материалы и их показатели

Для строительства зданий используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности. Наиболее популярными являются:

  • Бетон. Его теплопроводность находится в пределах 1,29-1,52Вт/м*К. Точное значение зависит от консистенции раствора. На этот показатель также влияет плотность исходного материала, которая составляет 500-2500 кг/м3. Используют данный материал в виде раствора для фундаментов, в виде блоков – для возведения стен и фундамента.
  • Железобетон, значение теплопроводности которого составляет 1,68Вт/м*К. Плотность материала достигает 2400-2500 кг/м3.
  • Древесина, издревле использующаяся как строительный материал. Ее плотность и теплопроводность в зависимости от породы составляют 150-2100 кг/м3 и 0,2-0,23Вт/м*К соответственно.

Еще один популярный строительный материал – кирпич. В зависимости от состава он обладает следующими показателями:

  • саманный (изготовленный из глины): 0,1-0,4 Вт/м*К;
  • керамический (изготовленный методом обжига): 0,35-0,81 Вт/м*К;
  • силикатный (из песка с добавлением извести): 0,82-0,88 Вт/м*К.

Материалы из бетона с добавлением пористых заполнителей

Коэффициент теплопроводности материала позволяет использовать последний для постройки гаражей, сараев, летних домиков, бань и других сооружений. В данную группу можно отнести:

  • Пенобетон. Производится с добавлением пенообразующих веществ, за счет которых характеризуется пористой структурой с плотностью 500-1000 кг/м3. При этом способность передавать тепло определяется значением 0,1-0,37Вт/м*К.
  • Керамзитобетон, показатели которого зависят от его вида. Полнотелые блоки не имеют пустот и отверстий. С пустотами внутри изготавливают пустотелые блоки, которые менее прочные, нежели первый вариант. Во втором случае теплопроводность будет ниже. Если рассматривать общие цифры, то плотность керамзитобетона составляет 500-1800кг/м3. Его показатель находится в интервале 0,14-0,65Вт/м*К.
  • Газобетон, внутри которого образуются поры размером 1-3 миллиметра. Такая структура определяет плотность материала (300-800кг/м3). За счет этого коэффициент достигает 0,1-0,3 Вт/м*К.

Показатели теплоизоляционных материалов

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов, наиболее популярных в наше время:

  • пенопласт, который обладает плотностью 15-50кг/м3, при теплопроводности – 0,031-0,033Вт/м*К;
  • пенополистирол, плотность которого такая же, как и у предыдущего материала. Но при этом коэффициент передачи тепла находится на уровне 0,029-0,036Вт/м*К;
  • стекловата. Характеризуется коэффициентом, равным 0,038-0,045Вт/м*К;

Таблица показателей

Для удобства работы коэффициент теплопроводности материала принято заносить в таблицу. В ней кроме самого коэффициента могут быть отражены такие показатели как степень влажности, плотность и другие. Материалы с высоким коэффициент теплопроводности сочетаются в таблице с показателями низкой теплопроводности. Образец данной таблицы приведен ниже:

Использование коэффициента теплопроводности материала позволит возвести желаемую постройку. Главное: выбрать продукт, отвечающий всем необходимым требованиями. Тогда здание получится комфортным для проживания; в нем будет сохраняться благоприятный микроклимат.

Правильно подобранный изоляционный материал снизит потери тепла, по причине чего больше не нужно будет «отапливать улицу». Благодаря этому финансовые затраты на отопление существенно снизятся. Такая экономия позволит в скором времени вернуть все деньги, которые будут затрачены на приобретение теплоизолятора.

Расчетный коэффициент теплопроводности — это… Что такое Расчетный коэффициент теплопроводности?

Расчетный коэффициент теплопроводности (расчетная теплопроводность) – теплопроводность строительного материала в конкретных условиях эксплуатации в составе конструкции здания, которые могут рассматриваться в качестве типовых условий эксплуатации.

[ГОСТ Р 54855- 2011]

Рубрика термина: Тепловые свойства материалов

Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника, Автотранспорт, Акустические материалы, Акустические свойства, Арки, Арматура, Арматурное оборудование, Архитектура, Асбест, Аспирация, Асфальт, Балки, Без рубрики, Бетон, Бетонные и железобетонные, Блоки, Блоки оконные и дверные, Бревно, Брус, Ванты, Вентиляция, Весовое оборудование, Виброзащита, Вибротехника, Виды арматуры, Виды бетона, Виды вибрации, Виды испарений, Виды испытаний, Виды камней, Виды кирпича, Виды кладки, Виды контроля, Виды коррозии, Виды нагрузок на материалы, Виды полов, Виды стекла, Виды цемента, Водонапорное оборудование, Водоснабжение, вода, Вяжущие вещества, Герметики, Гидроизоляционное оборудование, Гидроизоляционные материалы, Гипс, Горное оборудование, Горные породы, Горючесть материалов, Гравий, Грузоподъемные механизмы, Грунтовки, ДВП, Деревообрабатывающее оборудование, Деревообработка, ДЕФЕКТЫ, Дефекты керамики, Дефекты краски, Дефекты стекла, Дефекты структуры бетона, Дефекты, деревообработка, Деформации материалов, Добавки, Добавки в бетон, Добавки к цементу, Дозаторы, Древесина, ДСП, ЖД транспорт, Заводы, Заводы, производства, цеха, Замазки, Заполнители для бетона, Защита бетона, Защита древесины, Защита от коррозии, Звукопоглащающий материал, Золы, Известь, Изделия деревянные, Изделия из стекла, Инструменты, Инструменты геодезия, Испытания бетона, Испытательное оборудование, Качество цемента, Качество, контроль, Керамика, Керамика и огнеупоры, Клеи, Клинкер, Колодцы, Колонны, Компрессорное оборудование, Конвеера, Конструкции ЖБИ, Конструкции металлические, Конструкции прочие, Коррозия материалов, Крановое оборудование, Краски, Лаки, Легкие бетоны, Легкие наполнители для бетона, Лестницы, Лотки, Мастики, Мельницы, Минералы, Монтажное оборудование, Мосты, Напыления, Обжиговое оборудование, Обои, Оборудование, Оборудование для производства бетона, Оборудование для производства вяжущие, Оборудование для производства керамики, Оборудование для производства стекла, Оборудование для производства цемента, Общие, Общие термины, Общие термины, бетон, Общие термины, деревообработка, Общие термины, оборудование, Общие, заводы, Общие, заполнители, Общие, качество, Общие, коррозия, Общие, краски, Общие, стекло, Огнезащита материалов, Огнеупоры, Опалубка, Освещение, Отделочные материалы, Отклонения при испытаниях, Отходы, Отходы производства, Панели, Паркет, Перемычки, Песок, Пигменты, Пиломатериал, Питатели, Пластификаторы для бетона, Пластифицирующие добавки, Плиты, Покрытия, Полимерное оборудование, Полимеры, Половое покрытие, Полы, Прессовое оборудование, Приборы, Приспособления, Прогоны, Проектирование, Производства, Противоморозные добавки, Противопожарное оборудование, Прочие, Прочие, бетон, Прочие, замазки, Прочие, краски, Прочие, оборудование, Разновидности древесины, Разрушения материалов, Раствор, Ригеля, Сваи, Сваизабивное оборудование, Сварка, Сварочное оборудование, Свойства, Свойства бетона, Свойства вяжущих веществ, Свойства горной породы, Свойства камней, Свойства материалов, Свойства цемента, Сейсмика, Склады, Скобяные изделия, Смеси сухие, Смолы, Стекло, Строительная химия, Строительные материалы, Суперпластификаторы, Сушильное оборудование, Сушка, Сушка, деревообработка, Сырье, Теория и расчет конструкций, Тепловое оборудование, Тепловые свойства материалов, Теплоизоляционные материалы, Теплоизоляционные свойства материалов, Термовлажносная обработка бетона, Техника безопасности, Технологии, Технологии бетонирования, Технологии керамики, Трубы, Фанера, Фермы, Фибра, Фундаменты, Фурнитура, Цемент, Цеха, Шлаки, Шлифовальное оборудование, Шпаклевки, Шпон, Штукатурное оборудование, Шум, Щебень, Экономика, Эмали, Эмульсии, Энергетическое оборудование

Источник: Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов. — Калининград. Под редакцией Ложкина В.П.. 2015-2016.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Прочный и теплый дом – это основное требование, которое предъявляется проектировщикам и строителям. Поэтому еще на стадии проектирования зданий в конструкцию закладываются две разновидности стройматериалов: конструкционные и теплоизоляционные. Первые обладают повышенной прочностью, но большой теплопроводностью, и именно их чаще всего и используют для возведения стен, перекрытий, оснований и фундаментов. Вторые – это материалы с низкой теплопроводностью. Их основное назначение – закрыть собой конструкционные материалы, чтобы понизить их показатель тепловой проводимости. Поэтому для облегчения расчетов и выбора используется таблица теплопроводности строительных материалов.

Теплый дом – это несколько слоев разных строительных материалов

Читайте в статье:

Что такое теплопроводность

Законы физики определяют один постулат, который гласит, что тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой. При этом, проходя через строительный материал, тепловая энергия затрачивает какое-то время. Переход не состоится лишь в том случае, если температура на разных сторонах от стройматериала одинаковая.

То есть, получается так, что процесс перехода тепловой энергии, к примеру, через стену, это время проникновения тепла. И чем больше времени на это затрачивается, тем ниже теплопроводность стены. Вот такое соотношение. К примеру, теплопроводность различных материалов:

  • бетон –1,51 Вт/м×К;
  • кирпич – 0,56;
  • древесина – 0,09-0,1;
  • песок – 0,35;
  • керамзит – 0,1;
  • сталь – 58.

Чтобы было понятно, о чем идет речь, надо обозначить, что бетонная конструкции не будет ни под каким предлогом пропускать через себя тепловую энергию, если ее толщина будет в пределах 6 м. Понятно, что это просто невозможно в домостроении. А значит, придется для снижения теплопроводности использовать другие материалы, у которых показатель ниже. И ими облицовывать бетонное сооружение.

Понятие теплопроводности

Что такое коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплоотдачи или теплопроводности материалов, который также обозначен в таблицах, это характеристика тепловой проводимости. Он обозначает количество тепловой энергии, проходящий через толщу стройматериала за определенный промежуток времени.

В принципе, коэффициент обозначает именно количественный показатель. И чем он меньше, тем теплопроводность материала лучше. Из сравнения выше видно, что стальные профили и конструкции обладают самым высоким коэффициентом. А значит, они практически не держат тепло. Из строительных материалов,сдерживающих тепло, которые используются для сооружения несущих конструкций, это древесина.

Но надо обозначить и другой момент. К примеру, все та же сталь. Этот прочный материал используют для отведения тепла, где есть необходимость сделать быстрый перенос. К примеру, радиаторы отопления. То есть, высокий показатель теплопроводности – это не всегда плохо.

Коэффициент теплопроводности стены из разных материалов при разной толщине

Что влияет на теплопроводность строительных материалов

Есть несколько параметров, которые сильно влияют на тепловую проводимость.

  1. Структура самого материала.
  2. Его плотность и влажность.

Что касается структуры, то здесь огромное разнообразие: однородная плотная, волокнистая, пористая, конгломератная (бетон), рыхлозернистая и прочее. Так вот надо обозначить, что чем неоднороднее структура у материала, тем ниже у него теплопроводность. Все дело в том, что проходить сквозь вещество, в котором большой объем занимают поры разного размера, тем сложнее энергии через нее перемещаться. А ведь в данном случае тепловая энергия – это излучение. То есть, оно не проходит равномерно, а начинает изменять направления, теряя силу внутри материала.

Пористая структура строительного материала

Теперь о плотности. Этот параметр обозначает, на каком расстоянии между собой располагаются частички материала внутри его самого. Исходя из предыдущей позиции, можно сделать вывод: чем меньше это расстояние, а значит, больше плотность, тем тепловая проводимость выше. И наоборот. Тот же пористый материал имеет плотность меньше, чем однородный.

У влажной стены тепловая проводимость выше

Влажность – это вода, которая имеет плотную структуру. И ее теплопроводность равна 0,6 Вт/м*К. Достаточно высокий показатель, сравнимый с коэффициентом теплопроводности кирпича. Поэтому когда она начинает проникать в структуру материала и заполнять собой поры, это увеличение тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: как применяется на практике и таблица

Практические значение коэффициента – это правильно проведенный расчет толщины несущих конструкций с учетом используемых утеплителей. Необходимо отметить, что возводимое здание – это несколько ограждающих конструкций, через которые происходит утечка тепла. И у каждой их них свой процент теплопотерь.

  • через стены уходит до 30% тепловой энергии общего расхода.
  • Через полы – 10%.
  • Через окна и двери – 20%.
  • Через крышу – 30%.
Теплопотери дома

 

То есть, получается так, что если неправильно рассчитать теплопроводность всех ограждений, то проживающим в таком доме людям придется довольствоваться лишь 10% тепловой энергии, которое выделяет отопительная система. 90% – это, как говорят, выброшенные на ветер деньги.

Мнение эксперта

Андрей Павленков

Инженер-проектировщик ОВиК (отопление, вентиляция и кондиционирование) ООО «АСП Северо-Запад»

Спросить у специалиста

“Идеальный дом должен быть построен из теплоизоляционных материалов, в котором все 100% тепла будут оставаться внутри. Но по таблице теплопроводности материалов и утеплителей вы не найдете тот идеальный стройматериал, из которого можно было бы возвести такое сооружение. Потому что пористая структура – это низкие несущие способности конструкции. Исключением может быть древесина, но и она не идеал.”

Стена из бревен – одна из самых утепленных

Поэтому при строительстве домов стараются использовать разные строительные материалы, дополняющие друг друга по теплопроводности. При этом очень важно соотносить толщину каждого элемента в общей строительной конструкции. В этом плане идеальным домом можно считать каркасный. У него деревянная основа, уже можно говорить о теплом доме, и утеплители, которые закладываются между элементами каркасной постройки. Конечно, с учетом средней температуры региона придется точно рассчитать толщину стен и других ограждающих элементов. Но, как показывает практика, вносимые изменения не столь значительны, чтобы можно было бы говорить о больших капитальных вложениях.

Устройство каркасного дома в плане его утепления

Рассмотрим несколько часто используемых строительных материалов и проведем сравнение их теплопроводность по толщине.

Теплопроводность кирпича: таблица по разновидностям

ФотоВид кирпичаТеплопроводность, Вт/м*К
Керамический полнотелый0,5-0,8
Керамический щелевой0,34-0,43
Поризованный0,22
Силикатный полнотелый0,7-0,8
Силикатный щелевой0,4
Клинкерный0,8-0,9
Тепловая проводимость кирпичной кладки при разнице температуры в 10°С

Теплопроводность дерева: таблица по породам

Порода дереваБерезаДуб поперек волоконДуб вдоль волоконЕльКедрКленЛиственница
Теплопроводность, Вт/м С0,150,20,40,110,0950,190,13
Порода дереваЛипаПихтаПробковое деревоСосна поперек волоконСосна вдоль волоконТополь
Теплопроводность, Вт/м С0,150,150,0450,150,40,17

Коэффициент теплопроводности пробкового дерева самый низкий из всех пород древесины. Именно пробка часто используется в качестве теплоизоляционного материала при проведении утеплительных мероприятий.

У древесины теплопроводность ниже, чем у бетона и кирпича

Теплопроводность металлов: таблица

Данный показатель у металлов изменяется с изменением температуры, в которой они применяются. И здесь соотношение такое – чем выше температура, тем ниже коэффициент. В таблице покажем металлы, которые используются в строительной сфере.

Вид металлаСтальЧугунАлюминийМедь
Теплопроводность, Вт/м С4762236328

Теперь, что касается соотношения с температурой.

  • У алюминия при температуре -100°С теплопроводность составляет 245 Вт/м*К. А при температуре 0°С – 238. При +100°С – 230, при +700°С – 0,9.
  • У меди: при -100°С –405, при 0°С – 385, при +100°С – 380, а при +700°С – 350.
Тепловая проводимость у меди выше, чем у стали почти в семь раз

Таблица теплопроводности других материалов

В основном нас будет интересовать таблица теплопроводности изоляционных материалов. Необходимо отметить, что если у металлов данный параметр зависит от температуры, то у утеплителей от их плотности. Поэтому в таблице будут расставлены показатели с учетом плотности материалом.

Теплоизоляционный материалПлотность, кг/м³Теплопроводность, Вт/м*К
Минеральная вата (базальтовая)500,048
1000,056
2000,07
Стекловата1550,041
2000,044
Пенополистирол400,038
1000,041
1500,05
Пенополистирол экструдированный330,031
Пенополиуретан320,023
400,029
600,035
800,041

И таблица теплоизоляционных свойств строительных материалов. Основные из них уже рассмотрены, обозначим те, которые в таблицы не вошли, и которые относятся к категории часто используемых.

Строительный материалПлотность, кг/м³Теплопроводность, Вт/м*К
Бетон24001,51
Железобетон25001,69
Керамзитобетон5000,14
Керамзитобетон18000,66
Пенобетон3000,08
Пеностекло4000,11

Коэффициент теплопроводности воздушной прослойки

Всем известно, что воздух, если его оставить внутри строительного материала или между слоями стройматериалов, это великолепный утеплитель. Почему так происходит, ведь сам воздух, как таковой, не может сдерживать тепло. Для этого надо рассмотреть саму воздушную прослойку, огражденную двумя слоями стройматериалов. Один из них соприкасается с зоной положительных температур, другой с зоной отрицательный.

Воздушная прослойка между внешней облицовкой и теплоизоляционным слоем

Тепловая энергия движется от плюса к минусу, и встречает на своем пути слой воздуха. Что происходит внутри:

  1. Конвекция теплого воздуха внутри прослойки.
  2. Тепловое излучение от материала с плюсовой температурой.

Поэтому сам тепловой поток – это сумма двух факторов с добавлением теплопроводности первого материала. Необходимо сразу отметить, что излучение занимает большую часть теплового потока. Сегодня все расчеты теплосопротивления стен и других несущих ограждающих конструкций проводят на онлайн-калькуляторах. Что касается воздушной прослойки, то такие расчеты провести сложно, поэтому берутся значения, которые в 50-х годах прошлого столетия были получены лабораторными исследованиями.

Воздушная прослойка внутри стены

В них четко оговаривается, что если разница температур стен, ограниченных воздухом, составляет 5°С, то излучение возрастает с 60% до 80%, если увеличить толщину прослойки с 10 до 200 мм. То есть, общий объем теплового потока остается тот же, излучение вырастает, а значит, теплопроводность стены падает. И разница значительная: с 38% до 2%. Правда, возрастает конвекция с 2% до 28%. Но так как пространство замкнутое, то движение воздуха внутри него никак не действует на внешние факторы.

Расчет толщины стены по теплопроводности вручную по формулам или калькулятором

Рассчитать толщину стены не так просто. Для этого нужно сложить все коэффициенты теплопроводности материалов, которые были использованы для сооружения стены. К примеру, кирпич, штукатурный раствор снаружи, плюс наружная облицовка, если такая будет использоваться. Внутренние выравнивающие материалы, это может быть все та же штукатурка или гипсокартонные листы, другие плитные или панельные покрытия. Если есть воздушная прослойка, то учитывают и ее.

Толщина стен из разных стройматериалов с одинаковым тепловым сопротивлением

Есть так называемая удельная теплопроводность по регионам, которую берут за основу. Так вот расчетная величина не должна быть больше удельной. В таблице ниже по городам дана удельная тепловая проводимость.

РегионМоскваСанкт-ПетербургРостовСочи
Теплопроводность3,143,182,752,1

То есть, чем южнее, тем общая теплопроводность материалов должна быть меньше. Соответственно, можно уменьшать и толщину стены. Что касается онлайн-калькулятора, то предлагаем ниже посмотреть видео, на котором разбирается, как правильно пользоваться таким расчетным сервисом.

Если у вас возникли вопросы, на которые, как вам показалось, вы не нашли ответы в этой статье, пишите их в комментариях. Наша редакция постарается на них ответить.

Что такое теплопроводность строительных материалов таблица

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

  • проводимость — этот процесс идет без переноса материи;
  • конвекция — перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
  • излучение — передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T4. Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

  • сталь — 47-58 в зависимости от марки стали;
  • алюминий — 209,3;
  • бронза — 116-186;
  • цинк — 106-140 в зависимости от чистоты;
  • медь — 372,1-385,2;
  • латунь — 81-116;
  • золото — 308,2;
  • серебро — 406,1-418,7;
  • каучук — 0,04-0,30;
  • стекловолокно — 0,03-0,07;
  • кирпич — 0,80;
  • дерево — 0,13;
  • стекло — 0,6-1,0.

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

  • При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.
  • Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.
  • Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться.

Температура материала


Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше  (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала /Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)

В сухом состоянии При нормальной влажности При повышенной влажности
Войлок шерстяной 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3 0,036 0,042 0,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3 0,035 0,041 0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3 0,036 0,042 0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3 0,037 0,043 0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3 0,038 0,045 0,048
Стекловата 15 кг/м3 0,046 0,049 0,055
Стекловата 17 кг/м3 0,044 0,047 0,053
Стекловата 20 кг/м3 0,04 0,043 0,048
Стекловата 30 кг/м3 0,04 0,042 0,046
Стекловата 35 кг/м3 0,039 0,041 0,046
Стекловата 45 кг/м3 0,039 0,041 0,045
Стекловата 60 кг/м3 0,038 0,040 0,045
Стекловата 75 кг/м3 0,04 0,042 0,047
Стекловата 85 кг/м3 0,044 0,046 0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС) 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS) 0,029 0,030 0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3 0,11 0,14 0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 0,13 0,22 0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3 0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3 0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3 0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3 0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3 0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3 0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3 0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3 0,073
Эковата 0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 0,029 0,031 0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 0,035 0,036 0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 0,041 0,042 0,04
Пенополиэтилен сшитый 0,031-0,038
Вакуум
Воздух +27°C. 1 атм 0,026
Ксенон 0,0057
Аргон 0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels) 0,014-0,021
Шлаковата 0,05
Вермикулит 0,064-0,074
Вспененный каучук 0,033
Пробка листы 220 кг/м3 0,035
Пробка листы 260 кг/м3 0,05
Базальтовые маты, холсты 0,03-0,04
Пакля 0,05
Перлит, 200 кг/м3 0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3 0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3 0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3 0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3 0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3 0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3 0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП , СП , СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы условно подразделяются на теплоизоляционные и конструкционные. Конструкционное сырье отличается наибольшими показателями теплопроводности, но именно его применяют для постройки стен, перекрытий, прочих ограждений. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, при возведении стен из железобетона, для низкого теплообмена с окружающей средой толщина конструкции должна быть около 6 метров. В таком случае строение получится огромным, громоздким и потребует немалых затрат.

Наглядный пример — при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Поэтому при возведении постройки следует отдельное внимание уделять дополнительным теплоизолирующим материалам. Слой теплоизоляции может не понадобиться только для построек из дерева или пенобетона, но даже при использовании подобного низкопроводного сырья толщина конструкции должна быть не менее 50 см.

Нужно знать! У теплоизоляционных материалов значения показателя теплопроводности минимальны.

Когда учитывается коэффициент теплопроводности

Параметры теплопроводности в обязательном порядке учитывают во время выбора материалов для ограждающих конструкций – стен, перекрытий и пр. В помещениях, где стены выполнены из материалов с высокой теплопроводностью в холодное время года будет довольно прохладно. Не поможет и отделка помещения. Для того, чтобы этого избежать стены необходимо делать довольно толстыми. Это непременно повлечет повышение затрат на материалы и оплату труда.

Схема утепления деревянного дома

Именно поэтому в конструкции стен предусмотрено использование материалов с низкой теплопроводностью (минеральная вата, пенопласт и пр.).

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: как применяется на практике и таблица

Практические значение коэффициента – это правильно проведенный расчет толщины несущих конструкций с учетом используемых утеплителей. Необходимо отметить, что возводимое здание – это несколько ограждающих конструкций, через которые происходит утечка тепла. И у каждой их них свой процент теплопотерь.

  • через стены уходит до 30% тепловой энергии общего расхода.
  • Через полы – 10%.
  • Через окна и двери – 20%.
  • Через крышу – 30%.


Теплопотери дома

То есть, получается так, что если неправильно рассчитать теплопроводность всех ограждений, то проживающим в таком доме людям придется довольствоваться лишь 10% тепловой энергии, которое выделяет отопительная система. 90% – это, как говорят, выброшенные на ветер деньги.

“Идеальный дом должен быть построен из теплоизоляционных материалов, в котором все 100% тепла будут оставаться внутри. Но по таблице теплопроводности материалов и утеплителей вы не найдете тот идеальный стройматериал, из которого можно было бы возвести такое сооружение. Потому что пористая структура – это низкие несущие способности конструкции. Исключением может быть древесина, но и она не идеал.”


Стена из бревен – одна из самых утепленных

Поэтому при строительстве домов стараются использовать разные строительные материалы, дополняющие друг друга по теплопроводности. При этом очень важно соотносить толщину каждого элемента в общей строительной конструкции. В этом плане идеальным домом можно считать каркасный. У него деревянная основа, уже можно говорить о теплом доме, и утеплители, которые закладываются между элементами каркасной постройки. Конечно, с учетом средней температуры региона придется точно рассчитать толщину стен и других ограждающих элементов. Но, как показывает практика, вносимые изменения не столь значительны, чтобы можно было бы говорить о больших капитальных вложениях.


Устройство каркасного дома в плане его утепления

Рассмотрим несколько часто используемых строительных материалов и проведем сравнение их теплопроводность по толщине.

Теплопроводность кирпича: таблица по разновидностям

ФотоВид кирпичаТеплопроводность, Вт/м*К

Керамический полнотелый 0,5-0,8
Керамический щелевой 0,34-0,43
Поризованный 0,22
Силикатный полнотелый 0,7-0,8
Силикатный щелевой 0,4
Клинкерный 0,8-0,9


Тепловая проводимость кирпичной кладки при разнице температуры в 10°С

Теплопроводность дерева: таблица по породам

Порода дереваБерезаДуб поперек волоконДуб вдоль волоконЕльКедрКленЛиственница

Теплопроводность, Вт/м С 0,15 0,2 0,4 0,11 0,095 0,19 0,13

Порода дереваЛипаПихтаПробковое деревоСосна поперек волоконСосна вдоль волоконТополь

Теплопроводность, Вт/м С 0,15 0,15 0,045 0,15 0,4 0,17

Коэффициент теплопроводности пробкового дерева самый низкий из всех пород древесины. Именно пробка часто используется в качестве теплоизоляционного материала при проведении утеплительных мероприятий.


У древесины теплопроводность ниже, чем у бетона и кирпича

Таблица проводимости тепла бетонов

Бетон в различных его вариациях является самым распространённым строительным материалом на сегодня, хотя и не является самым «тёплым». В строительстве различают конструкционные и теплоизоляционные бетоны. Из первых возводят фундаменты и ответственные узлы зданий с последующим утеплением, из вторых строят стены. В зависимости от региона к таковым либо применяется дополнительное утепление, либо нет.


Сравнительная таблица теплоизоляционных бетонов и теплопроводности различных стеновых материалов

Наиболее «тёплым» и прочным считает газобетон. Хотя это не совсем так. Если сравнивать структуру пеноблоков и газобетона, можно увидеть существенные различия. У первых поры замкнутые, когда же у газосиликатов большинство их открытые, как бы «рваные». Именно поэтому в ветреную погоду неутеплённый дом из газоблоков очень холодный. Эта же причина делает подобный лёгкий бетон более подверженным к воздействиям влаги.

Теплопроводность металлов: таблица

Данный показатель у металлов изменяется с изменением температуры, в которой они применяются. И здесь соотношение такое – чем выше температура, тем ниже коэффициент. В таблице покажем металлы, которые используются в строительной сфере.

Вид металлаСтальЧугунАлюминийМедь

Теплопроводность, Вт/м С 47 62 236 328

Теперь, что касается соотношения с температурой.

  • У алюминия при температуре -100°С теплопроводность составляет 245 Вт/м*К. А при температуре 0°С – 238. При +100°С – 230, при +700°С – 0,9.
  • У меди: при -100°С –405, при 0°С – 385, при +100°С – 380, а при +700°С – 350.


Тепловая проводимость у меди выше, чем у стали почти в семь раз

Таблица теплопроводности других материалов

В основном нас будет интересовать таблица теплопроводности изоляционных материалов. Необходимо отметить, что если у металлов данный параметр зависит от температуры, то у утеплителей от их плотности. Поэтому в таблице будут расставлены показатели с учетом плотности материалом.

Теплоизоляционный материалПлотность, кг/м³Теплопроводность, Вт/м*К

Минеральная вата (базальтовая) 50 0,048
100 0,056
200 0,07
Стекловата 155 0,041
200 0,044
Пенополистирол 40 0,038
100 0,041
150 0,05
Пенополистирол экструдированный 33 0,031
Пенополиуретан 32 0,023
40 0,029
60 0,035
80 0,041

И таблица теплоизоляционных свойств строительных материалов. Основные из них уже рассмотрены, обозначим те, которые в таблицы не вошли, и которые относятся к категории часто используемых.

Строительный материалПлотность, кг/м³Теплопроводность, Вт/м*К

Бетон 2400 1,51
Железобетон 2500 1,69
Керамзитобетон 500 0,14
Керамзитобетон 1800 0,66
Пенобетон 300 0,08
Пеностекло 400 0,11

Какой коэффициент теплопроводности у воздушной прослойки

В строительстве зачастую используют воздушные ветронепродуваемые прослойки, которые только увеличивают проводимость тепла всего здания. Также подобные продухи необходимы для вывода влаги наружу. Особое внимание проектированию подобных прослоек уделяется в пенобетонных зданиях различного назначения. У подобных прослоек также есть свой коэффициент теплопроводности в зависимости от их толщины.


Таблица проводимости тепла воздушных прослоек

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами. Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь. Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев. Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция. Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ. Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом. Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Можно ли повысить теплопроводность меди

Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа. При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов. Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала. Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов.

Графен с медной фольгой

При нагревании меди, но без нанесения этого материала, зерна сохранили свой размер. Одно из назначений меди это отведение лишнего тепла из электронных и электрических схем. Использование графенового напыления эта задача будет решаться значительно эффективнее.

Источники

  • https://FB.ru/article/394480/chto-takoe-teploprovodnost-v-fizike
  • https://ptk-granit.ru/what-to-choose/what-is-the-thermal-conductivity-of-building-materials-table-thermal-conductivity-and-other-characteristics-of-building-materials-in-figures/
  • https://obrabotkametalla.info/stal/koefficient-teploprovodnosti-i-teploperedachi-stali
  • https://kachestvolife.club/otoplenie/koefficienty-teploprovodnosti-stroitel-nyh-materialov-v-tablicah
  • https://instanko.ru/drugoe/teploprovodnost-metallov.html
  • https://homius.ru/tablitsa-teploprovodnosti-stroitelnyih-materialov.html

Что такое коэффициент теплового расширения (КТР)? Как это измерить?

Выдержка из ASM International Thermal Properties of Metals Chapter 2 Thermal Expansion

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО теплового расширения (CTE, a или a 1 ) — это свойство материала, показывающее степень расширения материала при нагревании. Разные вещества расширяются в разной степени. В небольших диапазонах температур тепловое расширение однородных линейных объектов пропорционально изменению температуры.Тепловое расширение находит полезное применение в биметаллических лентах для изготовления термометров, но может создавать пагубное внутреннее напряжение, когда конструктивная часть нагревается и поддерживается постоянной длиной.

Для более подробного обсуждения теплового расширения, включая теорию и влияние симметрии кристалла, читатель может обратиться к серии данных CINDAS по свойствам материалов, тома 1–4, Thermal Expansion of Solids (Ref 1).

Определение коэффициента теплового расширения

Большинство твердых материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении.Изменение длины твердого материала в зависимости от температуры может быть выражено как:

, где л 0 и л f представляют, соответственно, исходную и конечную длину с изменением температуры от T 0 до T f . Параметр a 1 CTE и имеет единицы измерения обратной температуры (K –1 ), такие как мкм / м · K или 10 –6 / K.

Коэффициент теплового расширения также часто определяется как относительное увеличение длины на единицу повышения температуры.Точное определение варьируется в зависимости от того, указана ли она для точной температуры (истинный коэффициент теплового расширения или до -бар, или в диапазоне температур (средний коэффициент теплового расширения или a ). Истинный коэффициент связан с наклон касательной к длине в зависимости от температуры, тогда как средний коэффициент определяется наклоном хорды между двумя точками на кривой. Изменение значений CTE может происходить в соответствии с используемым определением.Когда a является постоянным во всем диапазоне температур, тогда a = a бар. Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (FEA), такое как NASTRAN (MSC Software), требует ввода, а не -бар.

Нагрев или охлаждение влияет на все размеры тела материала, что приводит к изменению его объема. Изменения объема можно определить по:

, где дельта V и V 0 — это изменение объема и исходный объем, соответственно, а a V представляет собой объемный коэффициент теплового расширения.Во многих материалах значение a V является анизотропным; то есть это зависит от кристаллографического направления, вдоль которого он измеряется. Для материалов с изотропным тепловым расширением a V составляет приблизительно 3 a 1 .

Как измерить коэффициент теплового расширения

Для определения коэффициента теплового расширения необходимо измерить две физические величины (смещение и температуру) на образце, который подвергается тепловому циклу.Три основных метода измерения КТР — это дилатометрия, интерферометрия и термомеханический анализ. Оптическое отображение также можно использовать при экстремальных температурах. Рентгеновская дифракция может использоваться для изучения изменений параметра решетки, но может не соответствовать объемному тепловому расширению.

Дилатометрия

Широко используются методы механической дилатометрии. С помощью этого метода образец нагревается в печи, и смещение концов образца передается на датчик с помощью толкающих стержней.Точность испытания ниже, чем у интерферометрии, и испытание обычно применимо к материалам с КТР выше 5 × 10 –6 / K (2,8 × 10 –6 / ° F) в диапазоне температур — 180–900 ° C (–290–1650 ° F). Толкатели могут быть из кварцевого стекла, оксида алюминия высокой чистоты или изотропного графита. Системы из оксида алюминия могут расширять диапазон температур до 1600 ° C (2900 ° F), а графитовые системы до 2500 ° C (4500 ° F). Метод испытаний ASTM E228 (ссылка 2) предусматривает определение линейного теплового расширения твердых твердых материалов с использованием толкателя из стекловидного кремнезема или трубчатых дилатометров.

Интерферометрия

При использовании методов оптической интерференции смещение концов образца измеряется числом длин волн монохроматического света. Точность значительно выше, чем при термомеханической дилатометрии.

Термомеханический анализ

Измерения выполняются с помощью термомеханического анализатора, состоящего из держателя образца и зонда, который передает изменения длины на преобразователь, который преобразует движения зонда в электрический сигнал.Аппарат также состоит из печи для равномерного нагрева, термочувствительного элемента, штангенциркуля и средства записи результатов. Метод испытаний ASTM E831 (ссылка 4) описывает стандартный метод испытаний на линейное тепловое расширение твердых материалов с помощью термомеханического анализа. Нижний предел CTE для этого метода составляет 5 × 10 –6 / K (2,8 × 10 –6 / ° F), но его можно использовать при более низких или отрицательных уровнях расширения с пониженной точностью и точностью. Применимый диапазон температур составляет от –120 до 600 ° C (от –185 до 1110 ° F), но диапазон температур может быть расширен в зависимости от оборудования и калибровочных материалов.

Рекомендации по применению

Что касается температуры, величина КТР увеличивается с повышением температуры. Тепловое расширение чистых металлов хорошо охарактеризовано вплоть до их точек плавления, но данные для технических сплавов при очень высоких температурах могут быть ограничены. В общем, значения КТР для металлов находятся между значениями КТР керамики (более низкие значения) и полимеров (более высокие значения). Обычные значения для металлов и сплавов находятся в диапазоне от 10 до 30 × 10 –6 / K (5.От 5 до 16,5 × 10 –6 / ° F). Наименьшее расширение обнаружено в сплавах железа с никелем, таких как инвар. Увеличение расширения происходит с кремнием, вольфрамом, титаном, серебром, железом, никелем, сталью, золотом, медью, оловом, магнием, алюминием, цинком, свинцом, калием, натрием и литием.

Сплавы с низким коэффициентом расширения

С малым расширением допускаются материалы, размеры которых не изменяются заметно с температурой. Сплавы, включенные в эту категорию, включают различные двойные железо-никелевые сплавы и несколько тройных сплавов железа в сочетании с никель-хромовым, никель-кобальтовым или кобальт-хромовым легированием.Сплавы с низким коэффициентом расширения используются в таких приложениях, как стержни и ленты для геодезических изысканий, компенсационные маятники и балансировочные колеса для часов и часов, движущиеся части, требующие контроля расширения (например, поршни для некоторых двигателей внутреннего сгорания), биметаллическая лента, стекло -металлические уплотнения, термостатическая полоса, резервуары и трубопроводы для хранения и транспортировки сжиженного природного газа, сверхпроводящие системы в линиях электропередачи, выводные рамки интегральных схем, компоненты для радиоприемников и других электронных устройств, а также структурные компоненты в оптических и лазерных измерительных системах .

Алюминий и алюминиевые сплавы

Изменение размеров алюминия и его сплавов при изменении температуры примерно вдвое больше, чем у черных металлов. Средний КТР для технически чистого металла составляет 24 × 10 –6 / K (13 × 10 –6 / ° F). На алюминиевые сплавы влияет присутствие кремния и меди, которые уменьшают расширение, и магния, которые его увеличивают. Его высокое расширение следует учитывать, когда алюминий используется с другими материалами, особенно в жестких конструкциях, хотя возникающие напряжения смягчаются низким модулем упругости алюминия.Если размеры очень большие, как, например, в надстройке из легкого сплава на стальном судне или когда большие куски алюминия устанавливаются на стальной каркас или в кирпичную кладку, то обычно требуются скользящие соединения, пластиковая герметизация и другие устройства для снятия напряжений. . В алюминиевом поршне двигателя внутреннего сгорания, который работает в железном или стальном цилиндре, дифференциальному расширению противодействуют использование чугунных гильз цилиндра с низким коэффициентом расширения или разделенных юбок поршня и нерасширяющихся распорок, залитых в поршень.

Стали

Хромистые нержавеющие стали имеют коэффициент расширения, аналогичный углеродистым (мягким) сталям, но у аустенитных сталей примерно в 11⁄2 раза выше. Сочетание высокого расширения и низкой теплопроводности означает, что необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы избежать неблагоприятных воздействий. Например, при сварке аустенитных марок необходимо использовать низкое тепловложение, рассеивать тепло с помощью медных стержней и использовать соответствующее зажимное приспособление. Следует учитывать коэффициент теплового расширения в компонентах, в которых используется смесь материалов, таких как теплообменники с кожухами из низкоуглеродистой стали и трубы аустенитного качества.

Сварка

Коэффициент теплового расширения является важным фактором при сварке двух разнородных основных металлов. Большие различия в значениях КТР соседних металлов во время охлаждения вызовут растягивающее напряжение в одном металле и сжимающее напряжение в другом. Металл, подверженный растягивающему напряжению, может растрескаться в горячем состоянии во время сварки или может растрескаться в холодном состоянии при эксплуатации, если напряжения не снимаются термически или механически. Этот фактор особенно важен для соединений, которые будут работать при повышенных температурах в ациклическом температурном режиме.Типичным примером этого являются стыковые соединения труб из аустенитной нержавеющей стали и ферритной стали, используемые на предприятиях по преобразованию энергии.

Служба испытаний на тепловое расширение / КТР
Лаборатория термического анализа

, подразделение компании C-Therm Technologies, предлагает измерения КТР в широком диапазоне температур (от -70 ° C до 1500 ° C). Чтобы получить полный список услуг по тестированию, посетите наш веб-сайт или отправьте нам электронное письмо по адресу [email protected]

Список литературы

1.R.E. Тейлор, Серия данных CINDAS по свойствам материалов, Термическое расширение твердых тел, Том 1–4, ASM International, 1998

2. «Стандартный метод испытаний линейного теплового расширения твердых материалов с помощью дилатометра из стекловидного кремнезема», E 228-95, Annual Book of ASTM Standards, ASTM, 1995

3. «Стандартный метод испытаний линейного теплового расширения твердых твердых тел с интерферометрией», E 289-99, Ежегодный сборник стандартов ASTM , ASTM, 1999 г.

4.«Стандартный метод испытаний для линейного теплового расширения твердых материалов с помощью термомеханического анализа», E 831, Ежегодная книга стандартов ASTM, ASTM, 2000

Избранные источники

  • Междисциплинарный исследовательский центр компьютерной инженерии материалов, Департамент материаловедения, Уэльский университет, Суонси, Великобритания, http://irc.swansea.ac.uk/, 1998; пересмотрено 2001
  • Metals Handbook Desk Edition, 2-е изд., ASM International, 1998
  • R.Нейв, Гиперфизика, Государственный университет Джорджии, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, 2002
  • Сварка, пайка и пайка, Том 6, Справочник ASM, ASM International, 1993

Учебник по физике

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице.Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери.В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Метод включает в себя выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электроэнергии . Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимально возможными потерями.Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При теплопроводности тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой.Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный.Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах.Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой. Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. По мере того, как горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается.По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю. В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя местами.Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой. Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой.Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал.Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами. В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Материал

к

Материал

к

Алюминий (-ы)

237

Песок

0.06

Латунь (и)

110

Целлюлоза (и)

0,039

Медь (и)

398

Стекловата (и)

0.040

Золото

315

Вата (и)

0,029

Чугун (чугуны)

55

Овечья шерсть

0.038

Выводы

35,2

Целлюлоза (и)

0,039

Серебро

427

Пенополистирол (-ы)

0.03

Цинк (ов)

113

Дерево (-и)

0,13

Полиэтилен (HDPE)

0.5

Ацетон (л)

0,16

Поливинилхлорид (ПВХ)

0,19

Вода (л)

0.58

Плотный кирпич (и)

1,6

Воздух (г)

0,024

Бетон (низкая плотность)

0.2

Аргон (г)

0,016

Бетон (высокая плотность)

1,5

Гелий (г)

0.142

Лед

2,18

Кислород (г)

0,024

Фарфор (и)

1.05

Азот (г)

0,024

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается за счет теплопроводности со значительно большей скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, которые разбросаны между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, материал, используемый в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как сыпучий утеплитель из целлюлозы . Он также применяется как стекловолокно (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, которая влияет на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проходить. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Нам говорят, что перед выходом на улицу нужно одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T 1 наружу с температурой T 2 . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T 1 — T 2 ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, когда тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример задачи

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте вычислим скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м 2 .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м 2 ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике посвящен значениям температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определить коэффициент теплопередачи через эту площадь 2,16 м 2 .

Коэффициент теплопередачи повторно используемого бетонного кирпича в сочетании со стеной из теплоизоляционных плит пенополистирола

Четыре образца тектонических форм были взяты для проверки их коэффициентов теплопередачи. Путем анализа и сравнения тестовых значений и теоретических значений коэффициента теплопередачи был предложен метод расчета скорректированного значения для определения коэффициента теплопередачи; Предложенный метод оказался достаточно корректным.Результаты показали, что коэффициент теплопередачи кирпичной стены из переработанного бетона выше, чем у стены из глиняного кирпича, коэффициент теплопередачи кирпичной стены из переработанного бетона может быть эффективно снижен в сочетании с изоляционной панелью из пенополистирола, а тип теплоизоляции сэндвич был лучше. чем у типа внешней теплоизоляции.

1. Введение

По мере того, как урбанизация постепенно расширяется, также увеличиваются быстрые темпы строительства зданий и выдающиеся достижения в области энергосбережения [1].Энергосбережение играет важную роль в национальных энергетических стратегиях, снижая значительную нагрузку на ресурсы и окружающую среду [2, 3]. В элементах частокола здания площадь внешней стены занимает большую долю по сравнению с крышей здания, дверями, окнами и т. Д. [4, 5]. Тепловая консервация наружной стены является ключом к достижению энергоэффективности в зданиях [5, 6]. Наружные стены различаются в зависимости от строительных материалов, типов конструкций и условий окружающей среды.Глиняный кирпич, который широко используется во многих существующих зданиях, нанес большой ущерб земельным ресурсам. Производственный процесс с использованием высокотемпературных печей также привел к увеличению выбросов парниковых газов. Таким образом, возникла растущая потребность в исследованиях строительных материалов для зеленых стен и их термоконсервации и теплоизоляционных свойств. Переработанный бетонный кирпич, изготовленный из измельченных отходов бетона, широко используется в кирпичных конструкциях в качестве экологически чистых строительных материалов.Было проведено множество исследований его механических свойств, но лишь несколько измерений его теплоизоляционных свойств [7]. Кроме того, наиболее распространенным типом теплоизоляции было добавление теплосохраняющих материалов на внешней стороне внешней стены, с самым большим ограничением, заключающимся в более коротком сроке службы [8, 9]. Вспениваемый полистирол (EPS), используемый для теплоизоляции, продемонстрировал очевидные характеристики сохранения тепла и теплоизоляции. Тем не менее, различные материалы для наружных стен с различными формами структурных типов для сохранения тепла из пенополистирола, независимо от того, сильно ли отличаются вариации их теплоизоляционных свойств, традиционно не были в центре внимания в контексте сохранения тепла стен и энергосбережения.

Коэффициент теплопередачи () обычно использовался в качестве показателя для измерения термоконсервации и теплоизоляции стен корпуса и в основном определялся коэффициентом теплопроводности () материалов. Считается, что тепловая и влажная среда влияет на характеристики теплопередачи стенок корпуса [10–12]. Коэффициент теплопроводности изменялся в зависимости от температуры и влажности воздуха, что приводило к отклонению между фактическим и теоретическим значением.Однако во многих исследованиях предполагалось, что характеристики материалов не будут изменены или коэффициент теплопроводности () материалов выражен как постоянный. Следовательно, существует растущая потребность в изучении скорректированного коэффициента теплопроводности материала в различных средах и его расширенном применении в энергосберегающих конструкциях.

Переработанный бетонный кирпич имеет все больший потенциал развития и использования. Его различная комбинация с изоляционной плитой EPS имеет как эффект экологической защиты окружающей среды, так и энергосбережение.Понимание характеристик теплопередачи вторичного бетонного кирпича в сочетании с изоляционной плитой из пенополистирола становится все более необходимым для количественной оценки их вклада в энергосбережение.

Целью данного исследования было испытание коэффициента теплопередачи () кирпичной стены из вторичного бетона, прямое сравнение теплового поведения различных строительных решений стен и предложение скорректированного метода расчета коэффициента теплопередачи при оптимизации энергопотребления здания. .

2. Тест коэффициента теплопередачи

В настоящее время не существует официального стандарта для методов испытаний, которые непосредственно касаются динамических характеристик стен: основные справочные нормы [13] включают измерение стационарных характеристик одинарных материалов и многослойных конструкций. при стандартных граничных условиях. В этом исследовании был проведен экспериментальный анализ климатической камеры для сравнения влияния коэффициента теплопередачи элементов оболочки, которые характеризуются эквивалентными характеристиками в установившемся режиме.

2.1. Типы стен и свойства материалов

В этом исследовании были изготовлены четыре различных образца для количественной оценки их тепловых характеристик. Четыре образца, которые были отобраны среди типологий стен, подробно описаны на Рисунке 1 и в Таблице 1.

9023 9023 902 902 цементный раствор

Типы образцов Слои Толщина
(м)
Проводимость
( Вт м −1 K −1 )
Плотность
(кг · м −3 )

SJ0 Стена из глиняного кирпича 0.240 0,508 1662

SJ1 Кирпич из вторичного бетона стеновой 0,240 0,708 1887
0,930 [16] 1990
2 изоляционные плиты EPS 0,060 0,042 [16] 29,50
3 стены из вторичного бетона 0.240 0,708 1887

SJ3 1 кирпичная стена из переработанного бетона 0,115 0,708 1887 1990
3 Изоляционная плита EPS 0,060 0,042 [16] 29,50
4 цементный раствор 0,010 0.930 [16] 1990
Стена из 5 кирпичей из переработанного бетона 0,115 0,708 1887

кирпич SJ0; SJ1 была переработана бетонная кирпичная стена; SJ2 добавлен односторонний шаблон EPS на основе SJ1; SJ3 был добавлен в шаблон EPS в середине SJ1.

2.2. Прибор для испытаний

В соответствии со стандартами и исследованиями, касающимися этого типа испытаний [14, 15], в экспериментальном исследовании использовался прибор для измерения стационарной теплопередачи (CD-WTFl515, Шэньян, Китай).Условия теплопередачи тестируемой оболочки здания моделируются на основе стандарта GB / T 13475-2008 и однонаправленного устойчивого принципа теплопередачи для измерения и анализа коэффициента теплопередачи. Климатическая установка с контролем окружающей среды состоит из двух камер с кондиционированием воздуха, в которых температура регулируется с помощью термостойких проводов и систем охлаждения (рисунки 2 и 3). Одна камера используется для создания микроклимата на открытом воздухе. Температура дозирующего резервуара установлена ​​на -10 ° C (при допустимом перепаде температур ± 0.2 ° С). Другая камера имитирует внутреннюю среду, в которой температура установлена ​​на 35 ° C (с допустимой разностью температур ± 0,1 ° C). Образцы были изготовлены в соответствии с предусмотренными размерами испытательного оборудования. Размеры установки и образцов составляют 2600 × 2160 × 2140 мм в высоту и 1500 × (≤400) × 1500 мм соответственно (рисунок 4). После 28 дней естественной сушки в испытательном устройстве поверхность раздела между образцами и испытательным устройством была герметизирована пенополиуретаном.




Все образцы были протестированы в Пекинском центре испытаний строительных материалов. Перед обработкой образцов стен в аппарате сначала была проведена калибровка установки. Образцы стен внутри и снаружи должны соответствовать горячей и холодной камерам соответственно. Для каждого образца были измерены шесть групп данных связанных параметров окружающей среды, таких как температура горячего поля () и холодного поля (), влажность горячего поля () и холодного поля (), а также общая входная мощность (). уменьшить погрешность измерения.С каждой стороны образцов симметрично подключалось по девять датчиков температуры. Допустимый перепад температуры поверхности образца составлял ± 0,5 ° C, с интервалом сбора данных 10 мин. Измерения проводились на основе настроек параметров в соответствии с положениями стандарта GB / T 13475-2008. Когда допустимый перепад температур был в пределах диапазона значений после трех часов непрерывного климат-контроля, испытания были прекращены.

3. Расчет коэффициента теплопередачи Модель

Теплопередача через стену проходила в трех фазах: теплообмен внутренней поверхности; теплопроводность внутренней стены; теплообмен внешней поверхности.Методы расчета теплообмена на каждом этапе различны [17], с точки зрения решения процесса уравнения Фурье с помощью метода испытаний и метода теории, граничных условий.

3.1. Принципы расчета испытательных значений

Принцип испытания устройства для испытания теплопередачи в установившемся режиме (CD-WTFl515, Шэньян, Китай) основан на одномерном установившемся теплопереносе. Образцы были помещены между двумя различными температурными полями, чтобы моделировать теплопередачу стен в реальных условиях.По обе стороны от образца температура поверхности и температура воздуха измерялись датчиками температуры. Также были измерены поверхностные температуры с обеих сторон направляющей пластины. Были проверены внутренняя и внешняя температура поверхности измерительной коробки и входная мощность. По измеренным данным можно рассчитать коэффициент теплоотдачи стенок образцов [13], учтите, где — тепловой поток через стенку измерительной коробки (Вт · м -2 ), — коэффициент теплопередачи измерительной стенки (Вт м −2 K −1 ), представляет собой температуру внутренней поверхности измерительной камеры (K) и является температурой внешней поверхности измерительной камеры (K).

Тогда коэффициент теплопередачи конструкции ограждения можно рассчитать по следующей формуле: где — общая потребляемая мощность (Вт · м −2 ), — расчетная площадь измерения, — температура горячего поля (K), и — температура холодного поля (К).

3.2. Теоретическая расчетная модель

В условиях установившейся теплопередачи, когда весь процесс теплопередачи не изменяет общее количество тепла, закон Фурье может быть выражен следующим образом: где — теплопередача, плотность теплового потока конструкции, — тепло Коэффициент передачи оболочки здания (Вт · м -2 K -1 ) — это сопротивление теплопередаче внутренней поверхности, равное 0.11 м 2 K Вт −1 , сопротивление теплопередаче внешней поверхности, которое составляет 0,04 м 2 K Вт −1 , сопротивление теплопередаче каждого материала (м 2 K W -1 ), представляет собой сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции здания, представляет собой толщину материалов (м) и является коэффициентом теплопроводности каждого материала (Вт м -1 K -1 ).

3.3. Модель расчета скорректированного значения

Коэффициент теплопроводности материала является постоянным в существующих теоретических расчетах и ​​численных расчетах в литературе без учета коэффициента теплопроводности материала при изменении температуры и влажности.Мы должны изучить истинное значение расчета коэффициента теплопередачи и применить его к теоретическому расчету.

3.3.1. Расчет коэффициента теплопроводности в реальных условиях эксплуатации

Механизм теплопередачи строительных материалов стен аналогичен жидкостному, который основан на упругих волнах. Теплопроводность увеличивалась с повышением температуры, а также на нее влияла влажность. Общее уравнение в случае реальных рабочих условий обычно выражается следующим образом: где — испытательное значение теплопроводности материала, — изменение теплопроводности, вызванное температурой, — изменение теплопроводности, вызванное влажностью веса, и — изменение теплопроводности. пробужденный от холода.

Были рассчитаны материалы, вызванные перепадом температуры, весом, влажностью и замерзанием, соответственно. Затем материалы были рассчитаны в рабочей среде на влияние теплопроводности на температуру и влажность.

Модель, использованная для описания влияния температуры и влажности на коэффициент теплопроводности неорганических вяжущих материалов, была [18]

Испытания на теплопроводность проводились на основе стандартов испытаний теплопроводности цементного раствора и повторно используемого бетонного кирпича [16].Затем можно было рассчитать изменения теплопроводности материалов, вызванные температурой, весом, влажностью и замерзанием, соответственно. Коэффициенты теплопроводности () (относительное изменение при изменении 0 ° C) цементного раствора и повторно используемых бетонных кирпичей были рассчитаны как 0,7526 Вт · м −1 K −1 и 0,6160 Вт · м −1 K −1. соответственно.

Влияние влажности на коэффициент теплопроводности шаблона EPS можно игнорировать [19]. Модель, используемая для описания влияния температуры на коэффициент теплопроводности шаблонов EPS, была [20] где — коэффициент теплопроводности неорганических связующих материалов при средней температуре, — коэффициент теплопроводности при 20 ° C, — коэффициент теплопроводности при 0 ° C. , — средняя температура материала, — коэффициент теплопроводности пенополистирола при 10 ° C, — коэффициент теплопроводности влаги, — влажность материала (%), — коэффициент с поправкой на влажность, — плотность материала (кг · м −3 ).

Когда стены демонстрируют явление конденсации, суточное количество конденсации может быть выражено как [17] где — суточное количество конденсации (г), — это парциальное давление водяного пара на стороне с более высоким парциальным давлением (), — водяной пар парциальное давление стороны с более низким парциальным давлением (), является сопротивлением проницаемости водяного пара втекающего водяного пара (m 2 h g -1 ), и является сопротивлением проницаемости водяного пара вытекающего водяного пара (m 2 ч г −1 ).

3.3.2. Принципы расчета скорректированного значения

Теплопередача ограждающей конструкции здания обычно рассчитывалась на основе устойчивой теплопередачи с фиксированными значениями теплопроводности материалов. Тем не менее, теплопроводность при различных материалах оболочки здания и типах конструкций, независимо от того, отличаются ли эти изменения от постоянной теплопередачи в реальных рабочих условиях, традиционно не корректировалась в контексте исследований по энергосбережению.Следовательно, существует необходимость корректировать теплопроводность в зависимости от температуры и влажности. Расчет должен удовлетворять закону сохранения энергии, а плотность теплового потока через стену и каждый слой должна быть одинаковой. Рассмотрим, где — тепловой поток, — тепловой поток на внутренней поверхности стенки (Вт · м -2 ), — тепловой поток на поверхности стенки (Вт · м −2 ), — тепловой поток через стенку (Вт · м −2 ), — это внутренний тепловой поток. температура поверхности любого слоя многослойной стены (K), температура воздуха в помещении (K), температура наружного воздуха (K) и сопротивление теплопередаче (м 2 K Вт -1 ).

Кроме того, расчет должен удовлетворять тому, что осмотическое количество было не только пропорционально разнице давления пара между внутренним и внешним пространством, но также обратно пропорционально сопротивлению в процессе проникновения. Уравнение представлено как где — интенсивность инфильтрации водяного пара (г · м -2 ч -1 ), — парциальное давление водяного пара воздуха в помещении (), — парциальное давление водяного пара наружного воздуха (), — полное сопротивление проникновению водяного пара из ограждающей конструкции (м 2 h g −1 ), — сопротивление материалов проникновению водяного пара (m 2 h g −1 ), — парциальное давление пара на внутренней поверхности любой слой многослойной стены ().

3.3.3. Правильный расчет коэффициента теплопередачи

В сочетании с этими известными значениями, такими как толщина материала каждой стены, теплопроводность и коэффициент проникновения водяного пара, распределение температуры внутри стены, распределение парциального давления водяного пара, содержание воды, и тогда можно было рассчитать количество льда. Это изменит теплопроводность каждого материала для расчета коэффициента теплопередачи. Затем модифицированные значения теплопроводности были повторно использованы для повторения расчета.Затем итеративно решается коэффициент теплопередачи до тех пор, пока изменение значений не будет соответствовать критерию сходимости (рисунок 5).


4. Результаты
4.1. Экспериментальные результаты и анализ неопределенностей

Средние значения соответствующих параметров окружающей среды для четырех образцов были показаны в таблице 2 соответственно. Неопределенность результатов измерения может быть связана с несколькими составляющими неопределенности. Суммарные стандартные неопределенности, вызванные повторяемостью измерений (), составили; ; ; , соответственно.Комбинированные стандартные неопределенности, вызванные ошибкой испытательного значения мощности () и ошибкой испытательного значения температуры (), составили 0,1% и 1%, в которых коэффициент охвата () равен 2. Таким образом, комбинированная стандартная неопределенность эксперимента с коэффициентом теплопередачи была синтезируются этими компонентами неопределенности [21]. Рассмотрим, какой коэффициент охвата () равен 2. Объединенные расширенные неопределенности для коэффициента теплопередачи составили 2,06%, 2,04%, 2,33% и 2,20% соответственно.

9 СДЖ0 906 9002. Контрольные и теоретические значения

Контрольное значение коэффициента теплопередачи может быть рассчитано с использованием данных испытаний образца стены и расчетной модели (Таблица 3). Теоретическое значение коэффициента теплопередачи можно рассчитать с помощью теоретической расчетной модели. Коэффициент теплопроводности кирпичной стены из вторичного бетона был рассчитан по результатам испытаний SJ1. Коэффициенты теплоотдачи SJ2 и SJ3 рассчитывались с учетом коэффициента теплопроводности кирпичной стены из вторичного бетона.


Типы образцов (° C) (° C) (%) (%) (Вт)
34.92 -10,17 54,30 49,70 122,71
SJ1 34,91 -10,03 55,40 43,80 46.20 38.27
SJ3 35.09 −10.02 60.90 50.30 30.21

) .391 ()

Типы образцов Экспериментальные значения
2 K Вт -1 )
Теоретические значения
2 K W -1

SJ0 1,607 ()
SJ1 2,046 ()
SJ2
SJ2
0,519

4.3. Результаты испытаний и теоретические значения

Экспериментальное значение коэффициента теплопередачи SJ0 было ниже, чем у SJ1; экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи SJ2 было ниже, чем у SJ1; после добавления 60-миллиметрового одностороннего шаблона EPS коэффициент теплопередачи стенок SJ2 был уменьшен на 76%, а эффект энергосбережения значительно увеличился. После добавления 60-миллиметрового шаблона EPS в середине стены из повторно использованного кирпича, коэффициент теплопередачи стены SJ3 был снижен на 81%; значение коэффициента теплопередачи у SJ3 меньше, чем у SJ2.

Коэффициенты теплопередачи образцов различаются между экспериментальными и теоретическими значениями. Теоретические значения с использованием пограничного слоя термического сопротивления и коэффициента теплопроводности материала отличаются от скорректированного значения коэффициента теплопроводности материала. Погрешность размера материала образца имеет большое влияние на коэффициент теплопередачи расчетного теоретического значения. был сильно, значительно связан с толщиной шаблона EPS () (Рисунок 6), уменьшаясь с увеличением толщины шаблона EPS.Соответствующие линии на рисунке 6 были получены из эмпирической модели. Значения коэффициента теплопередачи опорной стены уменьшались с увеличением толщины изоляционной плиты EPS (Рисунок 6). Он показал, что после добавления более тонкой теплоизоляционной плиты EPS коэффициент теплопередачи может быть значительно снижен. Однако с постоянно увеличивающейся толщиной изоляционной плиты EPS значение коэффициента теплопередачи больше не уменьшается значительно. Точно так же тепловое сопротивление образца имеет монотонно увеличивающийся коэффициент общего теплового сопротивления, и скорость замедляется.По результатам расчетов толщина изоляционной плиты EPS толщиной 60 мм уменьшилась на 5 мм, а коэффициент теплопередачи служебной стены увеличился на 6,6%.


4.4. Анализ результатов правильного расчета коэффициента теплопередачи

В соответствии с моделью расчета истинного значения коэффициента теплопередачи, коэффициенты теплопередачи SJ2 и SJ3 были оценены в тестовой среде, и на Рисунке 7 показаны результаты сравнения теоретических значений. и экспериментальные значения.


Рисунок 7 показывает результаты; при рассмотрении влияния температуры и влажности на изменение материалов все коэффициенты теплопередачи скорректированных расчетных значений были ниже теоретических значений и намного ближе к экспериментальным значениям, что могло доказать, что скорректированный расчет был правильным и точно отражать характеристики теплопередачи.

5. Выводы

В этом исследовании четыре тактических формы образцов стен были испытаны для исследования их коэффициентов теплопередачи; Коэффициент теплопередачи стен из вторичного бетона из кирпича значительно снижается после получения изоляционной плиты из композитного пенополистирола.Коэффициент теплопередачи с обеих сторон стены из вторичного бетона со средней изоляционной панелью из пенополистирола толщиной 60 мм не только меньше, чем такая же толщина внешней изоляции, но также имеет отличную долговечность. Основываясь на основном механизме теплопроводности вторичного бетонного кирпича и изоляционной плиты из пенополистирола, можно определить соотношение между коэффициентом теплопроводности различных материалов и температурой, влажностью. По выражению истинной теплопроводности материала предложены методы расчета коэффициента теплопередачи кирпичной стены из композитного пенополистирола.Путем анализа экспериментальных значений, теоретических значений и скорректированных значений тестовых образцов было доказано, что метод расчета скорректированных значений является правильным и разумным и может обеспечить лучшую энергоэффективность.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано Пекинским технологическим университетом и грантами Китайского фонда естественных наук (51308011) и Национального проекта поддержки науки и технологий Китая (2011BAJ08B02).Авторы благодарят Пекинский испытательный центр строительных материалов за помощь с приборами для испытаний.

Факторы, влияющие на теплопроводность | Sciencing

Теплопроводность, также называемая теплопроводностью, представляет собой поток энергии от чего-то более высокой температуры к чему-то более низкой температуре. Он отличается от электропроводности, которая имеет дело с электрическими токами. Несколько факторов влияют на теплопроводность и скорость передачи энергии. Как указывает веб-сайт Physics Info, поток измеряется не количеством передаваемой энергии, а скоростью ее передачи.

Материал

Тип материала, используемого для теплопроводности, может влиять на скорость потока энергии между двумя областями. Чем больше проводимость материала, тем быстрее течет энергия. Согласно гипертексту физики, материал с наибольшей проводимостью — это гелий II, сверхтекучая форма жидкого гелия, которая существует только при очень низких температурах. Другие материалы с высокой проводимостью — это алмазы, графит, серебро, медь и золото. Жидкости имеют низкий уровень проводимости, а газы еще ниже.

Длина

Длина материала, через который должна проходить энергия, может влиять на скорость, с которой она течет. Чем короче длина, тем быстрее будет течь. Теплопроводность может продолжать увеличиваться даже при увеличении длины — просто она может увеличиваться более медленными темпами, чем раньше.

Разница температур

Теплопроводность зависит от температуры. В зависимости от материала проводника с повышением температуры часто повышается и теплопроводность материала, увеличивая поток энергии.

Типы поперечного сечения

Тип поперечного сечения, например круглый, C- и полый, может влиять на теплопроводность, согласно Журналу материаловедения. В статье сообщается, что коэффициент температуропроводности композитов, армированных углеродным волокном С-образной и полой формы, примерно в два раза выше, чем у композитов круглого типа.

Экспериментальная установка для определения теплопроводности

В этой статье вы можете узнать больше об экспериментальном определении теплопроводности материалов с использованием пара и льда.

Теплопроводность

Теплопроводность — это показатель того, насколько хорошо или плохо материал проводит тепло. Коэффициент теплопроводности λ описывает взаимосвязь между температурным градиентом ΔT на расстоянии Δx и результирующей скоростью теплового потока Q * через область A:

\ begin {align}
& \ boxed {\ dot Q = \ lambda \ cdot A \ cdot \ frac {\ Delta T} {\ Delta x}} ~~~~~ \ text {and} ~~~~~ [\ lambda] = \ frac {\ text {W}} {\ text {m} \ cdot \ text {K}} ~~~~~ \ text {теплопроводность} \\ [5px]
\ end {align}

Подробную информацию об этом уравнении, известном также как закон Фурье, можно найти в статье о теплопроводности.В этой статье мы сосредоточимся только на экспериментальном определении теплопроводности, которое основано на приведенном выше уравнении:

\ begin {align}
\ label {a}
& \ boxed {\ lambda = \ frac {\ dot Q \ cdot \ Delta x} {\ Delta T \ cdot A}}
\ end {align}

Для определения теплопроводности λ материала толщиной Δx и площадью A сначала необходимо применить разность температур ΔT и определить итоговую скорость теплового потока Q *.

Принцип измерения

Далее будет представлен относительно простой эксперимент, с помощью которого можно определить теплопроводность образца материала.

Анимация: Экспериментальная установка для измерения теплопроводности

Для этого используется пластинчатый образец, для материала которого определяется теплопроводность. В показанном случае это металлическая пластина. Эта металлическая пластина имеет толщину Δx = 10 мм и нагревается с одной стороны и охлаждается с другой. На рисунках ниже показана экспериментальная установка.

Рисунок: Экспериментальная установка для измерения теплопроводности Рисунок: Испытательная установка для экспериментального определения теплопроводности с паровой камерой и ледяным блоком

Нагрев осуществляется горячим паром, который создает температуру точно 100 ° C при конденсации на пластине.Для регулирования температуры холодной стороны используется ледяной блок, который создает на пластине температуру ровно 0 ° C во время таяния. Это приводит к перепаду температуры ΔT = 100 ° C по толщине пластины.

Рисунок: Температурный градиент в образце

Скорость теплового потока определяется количеством талой воды. Для этого талую воду в течение определенного времени собирают и взвешивают. Используя удельную теплоту плавления льда q f = 334 кДж / кг и массу талой воды m за время Δt, скорость теплового потока Q * через пластину для образца определяется следующим образом:

\ begin {align}
& \ dot Q = \ frac {Q} {\ Delta t} = \ frac {q_s \ cdot m} {\ Delta t}
\ end {align}

Если, например, лед массой m = 50 г тает за время Δt = 17 с, то согласно верхней формуле получается расход тепла Q * = 982 Дж / с.

Однако отсчет времени и сбор талой воды не следует начинать сразу после того, как ледяной блок был помещен на образец. Прежде всего, необходимо установить устойчивое состояние, то есть вы должны подождать некоторое время, пока температура в материале больше не изменится и не будет установлен температурный градиент, который будет постоянным во времени. Теплопроводность относится только к таким установившимся состояниям , где скорость теплового потока постоянна во времени. Однако изменение температуры, пока образец все еще нагревается, описывается так называемой температуропроводностью (хотя обе величины связаны вместе).Это распространение температуры представляет собой так называемое нестационарное состояние , в котором скорость теплового потока не постоянна во времени. В приведенном ниже моделировании установившееся состояние достигается примерно через 10 секунд.

Анимация: Распределение температуры в образце (двумерный тепловой поток)

В качестве дополнительной величины для расчета теплопроводности также требуется площадь A, через которую проходит тепловой поток. Это соответствует контактной поверхности ледяной глыбы. Примечание. Не всю поверхность пластины можно использовать в качестве основы, поскольку тепловой поток, необходимый для таяния ледяной глыбы, проходит только через область, где находится ледяная глыба.Тепловые потоки за пределами этой области, которые считаются одномерными, передаются воздуху и не учитываются в процессе плавления (подробнее об этом позже).

Рис.: Тепловой поток, соответствующий таянию ледяной глыбы

С диаметром ледяной глыбы, например 5 см, получается площадь A = 0,00196 м².

Теперь, когда все соответствующие параметры определены (толщина образца, перепад температуры, площадь и скорость теплового потока), теплопроводность используемого образца материала может быть окончательно определена в соответствии с уравнением (\ ref {a}).С этими данными значениями получается теплопроводность λ = 50 Вт / (м⋅К).

\ begin {align}
& \ lambda = \ frac {\ dot Q \ cdot \ Delta x} {\ Delta T \ cdot A} = \ frac {982 \ frac {\ text {J}} {\ text {s }} \ cdot 0,01 \ text {m}} {100 \ text {K} \ cdot 0,00196 \ text {m²}} = 50 \ frac {\ text {W}} {\ text {m} \ cdot \ text {K }}
\ end {align}

Минусы этой экспериментальной установки

Нет чистой теплопроводности

При экспериментальном определении теплопроводности следует отметить, что теплопроводность по определению относится только к передаче тепла за счет теплопроводности, а не конвекции или излучения! В случае материалов, содержащих газы (например,грамм. автоклавный газобетон), однако тепловой конвекции в порах газа не избежать. Тепловое излучение также может проникать в материал при определенных обстоятельствах. Эти механизмы теплопередачи (непреднамеренно) учитываются при экспериментальном определении теплопроводности. Однако влияние теплового излучения можно свести к минимуму, если образец будет как можно более толстым, чтобы излучение почти не проникало в образец. Однако, как будет показано ниже, у этого есть еще один недостаток.

Нет одномерного теплового потока

Еще одним недостатком описанного эксперимента является то, что во время проведения эксперимента нет одномерного теплового потока через материал, как того требует закон Фурье в макроскопическом масштабе. Тепло, так сказать, не течет прямо через образец, а попадает в зону теплопроводности (зону измерения) сбоку. Таким образом, тепловой поток основан на большей площади поверхности на горячей нижней стороне образца, чем на верхней стороне, где находится ледяной блок (см. Рисунок ниже).Этот эффект двумерного теплового потока оказывает меньшее влияние на результат, чем тоньше материал образца по сравнению с поверхностью. Однако при этом усиливается влияние теплового излучения, так как оно проникает в тонкие образцы сильнее, чем толстые.

На рисунке ниже показано упрощенное моделирование распределения температуры и, следовательно, теплового потока. Моделирование проводилось с постоянной температурой внизу пластины и постоянной температурой вверху.Предполагалось, что температура по направлению к ледяной глыбе и к окружающей среде резко ограничена. Моделирование показывает формирование двумерного теплового потока, как это происходит в действительности. Для сравнения, на рисунке также показан одномерный тепловой поток, поскольку он фактически необходим для выполнения закона Фурье.

Рисунок: Распределение температуры в образце (двумерный тепловой поток)

Температурная зависимость теплопроводности

Еще одним недостатком описанного метода является регулировка температур.Строго говоря, теплопроводность не является постоянной величиной материала, а зависит от температуры. Таким образом, этот метод измеряет только среднюю теплопроводность в диапазоне от 0 ° C до 100 ° C. Более детальное исследование теплопроводности как функции температуры на такой экспериментальной установке невозможно. Температура фиксирована при использовании пара и льда и не может быть изменена.

Создание одномерных тепловых потоков

Для того, чтобы определение теплопроводности в соответствии с уравнением (\ ref {a}) было вообще достоверным, необходимо обеспечить одномерный тепловой поток.Это может быть достигнуто, например, путем регулирования температуры за пределами фактической зоны теплопроводности (зоны измерения). Температура выбирается идентично температуре охлаждаемой стороны. Поэтому пластина для образцов вокруг ледяной глыбы также нагревается до 0 ° C.

Рисунок: Распределение температуры в образце при использовании защиты для создания одномерного теплового потока

Конечно, ледяное кольцо здесь не может быть использовано, потому что оно также расплавится и, таким образом, будет учтено при расчете теплопроводности. .Это только увеличило бы первоначальный ледяной блок. Двумерные тепловые потоки на краях зоны теплопроводности остались бы. Однако вокруг ледяного блока можно было разместить металлическое кольцо и охладить его до температуры 0 ° C. Таким образом, двумерный тепловой поток будет смещен ближе к металлическому кольцу и обеспечит почти одномерный тепловой поток в пределах реальной зоны измерения.

Анимация: Распределение температуры в образце при использовании ограждения для создания одномерного теплового потока

Такое кольцо с регулируемой температурой, которое направляет тепловой поток в одномерном направлении, также известно как защитное кольцо ( Guard для краткости).Этот принцип управляемого теплового потока используется, например, в так называемом методе защищенной горячей плиты (GHP), который более подробно описан в связанной статье.

Сверхнизкая теплопроводность, вызванная внутренней наноструктурой, дает улучшенные термоэлектрические характеристики в фазе Zintl Eu2ZnSb2

  • 1.

    Niedziela, J. L. et al. Селективный пробой фононных квазичастиц через суперионный переход в CuCrSe2. Nat. Phys. 15 , 73–78 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 2.

    Симончелли М., Марзари Н. и Маури Ф. Единая теория теплопереноса в кристаллах и стеклах. Nat. Phys. 15 , 809–813 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 3.

    Lv, W. & Henry, A. Прямой расчет модальных вкладов в теплопроводность с помощью модального анализа Грина – Кубо. New J. Phys. 18 , 013028 (2016).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 4.

    Wingert, M.C., Zheng, J., Kwon, S. & Chen, R. Тепловой перенос в аморфных материалах: обзор. Semiconductor Sci. Technol. 31 , 113003 (2016).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 5.

    Мухопадхяй, С.и другие. Двухканальная модель сверхнизкой теплопроводности кристаллического Tl3VSe4. Наука 360 , 1455 (2018).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 6.

    Марколонго А., Умари П. и Барони С. Микроскопическая теория и квантовое моделирование атомного переноса тепла. Nat. Phys. 12 , 80–84 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 7.

    Линдси, Л., Хуа, К., Руан, X. Л. и Ли, С. Обзор ab initio теплового переноса фононов. Mater. Сегодня Phys. 7 , 106–120 (2018).

    Артикул Google ученый

  • 8.

    Нолас, Г. С., Морелли, Д. Т. и Тритт, Т. М. Скуттерудиты: подход фонон-стекло-электронный кристалл к передовым приложениям термоэлектрического преобразования энергии. Annu. Rev. Mater. Sci. 29 , 89–116 (1999).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Хе, Дж. И Тритт, Т. М. Достижения в исследованиях термоэлектрических материалов: оглядываясь назад и двигаясь вперед. Наука 357 , eaak9997 (2017).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 10.

    Роу, Д. М., Шукла, В. С., Саввидес, Н. Рассеяние фононов на границах зерен в высоколегированных мелкозернистых сплавах кремний-германий. Природа 290 , 765–766 (1981).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 11.

    Xi, Q. et al. Распространенная формула теплопроводности жидкостей, полимерного стекла и аморфных твердых тел. Подбородок. Phys. Lett. 37 , 104401 (2020).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 12.

    Бикман, М., Морелли, Д.Т. и Нолас, Г. С. Улучшение термоэлектриков через стеклообразные кристаллы. Nat. Матер. 14 , 1182–1185 (2015).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 13.

    Сейлз, Б. К., Мандрус, Д., Чакумакос, Б. К., Кеппенс, В. и Томпсон, Дж. Р. Заполненные антимониды скуттерудита: электронные кристаллы и фононные стекла. Phys. Ред. B 56 , 15081–15089 (1997).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 14.

    Takabatake, T., Suekuni, K., Nakayama, T. и Kaneshita, E. Электронно-кристаллические термоэлектрические клатраты фононного стекла: эксперименты и теория. Ред. Мод. Phys. 86 , 669–716 (2014).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 15.

    Xie, H. et al. Положительный вклад беспорядка сплава в электронный и фононный транспорт в термоэлектрических материалах полугейслера. Adv. Функц. Матер. 23 , 5123–5130 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 16.

    Poudel, B. et al. Высокие термоэлектрические характеристики массивных сплавов наноструктурированного теллурида сурьмы висмута. Наука 320 , 634 (2008).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 17.

    Нильсен, М. Д., Озолинс, В. и Хереманс, Дж. П. Электроны с неподеленной парой электронов минимизируют теплопроводность решетки. Energy Environ. Sci. 6 , 570–578 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 18.

    Isaacs, E. B., Lu, G. M. и Wolverton, C. Обратный дизайн материалов со сверхнизкой решеткой теплопроводности с помощью скрининга базы данных материалов координационной среды катионов неподеленных пар. J. Phys. Chem. Lett. 11 , 5577–5583 (2020).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 19.

    Скоуг, Э. Дж. И Морелли, Д. Т. Роль неподеленной пары электронов в создании минимальной теплопроводности в халькогенидных соединениях группы азота. Phys. Rev. Lett. 107 , 235901 (2011).

    ADS PubMed Статья CAS Google ученый

  • 20.

    Мухопадхьяй, С., Сингх, Д. Дж. И Рейнеке, Т. Л. Сверхнизкая теплопроводность в соединениях Cs – Sb – Se: нестабильность решетки по сравнению с электронами на неподеленной паре. Chem. Матер. 32 , 8906–8913 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 21.

    Тоберер, Э. С., Зевалкик, А. и Снайдер, Г. Дж. Фононная инженерия через кристаллохимию. J. Mater. Chem. 21 , 15843–15852 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 22.

    Shuai, J. et al. Недавний прогресс и будущие проблемы с термоэлектрическими материалами Zintl. Mater. Сегодня Phys. 1 , 74–95 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 23.

    Сан, Дж. Ф., Шуай, Дж., Рен, З. Ф. и Сингх, Д. Дж. Вычислительное моделирование термоэлектрических свойств соединения Zintl p-типа CaMg2Bi2. Mater. Сегодня Phys. 2 , 40–45 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 24.

    Фенг, З., Fu, Y., Zhang, Y. & Singh, D.J. Характеристика дребезжания в зависимости от теплопроводности: упорядоченные полупроводники Гейслера. Phys. Ред. B 101 , 064301 (2020).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 25.

    Пандей Т., Ниссимагудар А. С., Мишра А. и Сингх А. К. Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая добротность в соединениях In5X5Br (X = S и Se) смешанной валентности. J. Mater. Chem. A 8 , 13812–13819 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 26.

    Lanigan-Atkins, T. et al. Длительный ангармонический коллапс фононных дисперсий в SnS и SnSe. Nat. Commun. 11 , 4430 (2020).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 27.

    Цю, П., Ши, X. и Чен, Л. Термоэлектрические материалы на основе меди. Energy Storage Mater. 3 , 85–97 (2016).

    Артикул Google ученый

  • 28.

    Zhao, L.-D. и другие. Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая добротность кристаллов SnSe. Природа 508 , 373–377 (2014).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 29.

    Li, X. et al. Сверхнизкая теплопроводность от подавления поперечных акустических фононов в искаженном кристаллическом α-MgAgSb. Nat. Commun. 11 , 942 (2020).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 30.

    Тоберер, Э. С., Браун, С. Р., Икеда, Т., Каузларич, С. М., Джеффри Снайдер, Г. Высокая термоэлектрическая эффективность Yb14MnSb11, легированного лантаном. Заявл.Phys. Lett. 93 , 062110 (2008).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 31.

    Lin, S. et al. Высокие термоэлектрические характеристики Ag9GaSe6 за счет низкой частоты отсечки акустических фононов. Джоуль 1 , 816–830 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 32.

    Minnich, A. J., Dresselhaus, M. S., Ren, Z.Ф. и Чен Г. Объемные наноструктурированные термоэлектрические материалы: текущие исследования и перспективы на будущее. Energy Environ. Sci. 2 , 466–479 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 33.

    Chen, C. et al. Цинт-фаза Eu2ZnSb2: перспективный термоэлектрический материал со сверхнизкой теплопроводностью. Proc. Natl Acad. Sci. 116 , 2831 (2019).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 34.

    Chanakian, S. et al. Исключительно высокая электронная подвижность в богатых дефектами сплавах Eu2ZnSb2-xBix. J. Mater. Chem. A 8 , 6004–6012 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 35.

    Yao, H. et al. Упорядочение вакансий индуцировало топологический электронный переход в объемном Eu2ZnSb2. Sci. Adv. 7 , eabd6162 (2021 г.).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • 36.

    Уилсон Д. К., Сапаров Б. и Бобев С. Синтез, кристаллические структуры и свойства фаз Zintl Sr2ZnP2, Sr2ZnAs2, A2ZnSb2 и A2ZnBi2 (A = Sr и Eu). Z. Anorganische Allg. Chem. 637 , 2018–2025 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 37.

    Mishra, T., Schellenberg, I., Eul, M. & Pöttgen, R. Структура и свойства EuTSb (T = Cu, Pd, Ag, Pt, Au) и YbIrSb. Z.Кристаллогр 226 , 590–601 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 38.

    Zhang, W. et al. Перспективный термоэлектрический компаунд на основе цинка SrAgSb. Chem. Матер. 32 , 6983–6989 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 39.

    Ким, Х.-С., Гиббс, З. М., Танг, Ю., Ван, Х. и Снайдер, Г. Дж. Характеристика числа Лоренца с помощью измерения коэффициента Зеебека. APL Mater. 3 , 041506 (2015).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 40.

    Putatunda, A. & Singh, D. J. Число Лоренца в зависимости от оценок, основанных на коэффициенте Зеебека. Mater. Сегодня Phys. 8 , 49–55 (2019).

    Артикул Google ученый

  • 41.

    Ким, Х.С., Лю, В., Чен, Г., Чу, К.-W. И Рен, З. Взаимосвязь между термоэлектрической добротностью и эффективностью преобразования энергии. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 8205 (2015).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 42.

    Кэхилл, Д. Г. и Поль, Р. О. Колебания решетки и перенос тепла в кристаллах и стеклах. Annu. Rev. Phys. Chem. 39 , 93–121 (1988).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 43.

    Кэхилл Д. Г., Уотсон С. К. и Поль Р. О. Нижний предел теплопроводности неупорядоченных кристаллов. Phys. Ред. B 46 , 6131–6140 (1992).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 44.

    Shi, X. et al. Многонаполненные скуттерудиты: высокая термоэлектрическая добротность за счет раздельной оптимизации электрического и теплового переноса. J. Am. Chem. Soc. 133 , 7837–7846 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 45.

    Сейф, Х. Р. и др. Переосмысление фононов: проблема беспорядка. npj Comput Mater. 3 , 49 (2017).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 46.

    Фельдман, Дж. Л., Сингх, Д. Дж., Мазин, И., Мандрус, Д. и Сэйлс, Б. С. Динамика решетки и пониженная теплопроводность наполненных скуттерудитов. Phys. Ред. B 61 , R9209 – R9212 (2000).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 47.

    Хори Т., Шиоми Дж. И Деймс К. Эффективная длина свободного пробега фононов в поликристаллических наноструктурах. Заявл. Phys. Lett. 106 , 171901 (2015).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 48.

    Qiu, B. et al.Моделирование из первых принципов спектров длины свободного пробега электронов и термоэлектрических свойств в кремнии. EPL 109 , 57006 (2015).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 49.

    Пердью, Дж. П., Берк, К. и Эрнцерхоф, М. Обобщенное приближение градиента стало проще. Phys. Rev. Lett. 77 , 3865–3868 (1996).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 50.

    Кресс, Г. и Жубер, Д. От сверхмягких псевдопотенциалов к методу расширенных волн проектора. Phys. Ред. B 59 , 1758–1775 (1999).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 51.

    Кресс, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективные итерационные схемы для ab initio расчетов полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Phys. Ред. B 54 , 11169–11186 (1996).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 52.

    Хеллман О., Абрикосов И. А., Симак С. И. Решеточная динамика ангармонических твердых тел из первых принципов. Phys. Ред. B 84 , 180301 (2011).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 53.

    Хеллман О. и Абрикосов И. А. Температурно-зависимые эффективные межатомные силовые постоянные третьего порядка из первых принципов. Phys. Ред. B 88 , 144301 (2013).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 54.

    Нозе, С. Метод молекулярной динамики для моделирования в каноническом ансамбле. Мол. Phys. 52 , 255–268 (1984).

    ADS Статья Google ученый

  • 55.

    Того, А. и Танака, И. Первые принципы фононных вычислений в материаловедении. Scr. Mater 108 , 1–5 (2015).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 56.

    Ли В., Каррет Дж., А. Катчо, Н. и Минго, Н. ShengBTE: решатель уравнения переноса Больцмана для фононов. Comput Phys. Commun. 185 , 1747–1758 (2014).

    ADS CAS МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 57.

    Xiao, Y. et al. Происхождение низкой теплопроводности в SnSe. Phys. Ред. B 94 , 125203 (2016).

    ADS Статья Google ученый

  • Значения R и U

    Значения R и U

    При расчете теплопроводности через оконное стекло или систему стеклянных окон необходимо учитывать влияние внутренней и внешней воздушных пленок, которые, поскольку воздух является хорошим изолятором, вносят значительный вклад в тепловое сопротивление (значение R ) оконного стекла. Диаграмма 1 ниже показывает внутреннюю и внешнюю воздушную пленку и их влияние на значение R окна (обратите внимание, что эквивалентное термическое сопротивление можно найти, просто суммируя значения R каждого материала в термодинамической системе). Однако сначала важно понять, что на самом деле представляет собой значение R.

    Значение R — это тепловое сопротивление теплопередаче данной толщины данного материала. Чтобы найти значение R материала, нужно разделить толщину материала [x] на коэффициент теплопроводности [k].Примечание. Следует обратить внимание на однородность уравнения по размерам.

    Это значение R полезно при расчете потерь тепла через оконное стекло за счет теплопроводности. Удельные тепловые потери q можно рассчитать следующим образом.

    Для сравнения внизу этой страницы можно найти некоторые общие значения R для обычных строительных материалов.

    В частности, что касается окон, простого значения R часто недостаточно по причинам быстрого сравнения и довольно сложно, требуя, чтобы термодинамическая инженерия превышала средний уровень, чтобы преобразовать его в значимые значения для среднего потребителя.Чтобы решить эту дилемму, был создан общий коэффициент теплопередачи , U. Значение U представляет собой просто обратную сумму значений R (включая значение внутренней и внешней воздушной пленки для окна).

    Учитывая это, удельные тепловые потери q можно получить, умножив значение U на изменение температуры. Как показано в уравнении ниже:

    Затем это значение удельной теплопотери можно умножить на площадь, через которую проходит тепло (Q = qA = AUdT), чтобы определить чистый поток тепла через данную площадь в течение заданного интервала времени.

    Пример: значение U в приведенном выше уравнении можно найти следующим образом:

    Пример: Используя значение U для определения потерь тепла Q для оконного стекла 2 x 3 фута, приведенного на диаграмме 1 можно найти следующим образом:

    Это огромное число (почти в 25 раз больше) по сравнению с потерями тепла через секцию стены с изоляцией из стекловолокна аналогичного размера (гипсокартон 5/8 дюйма, конструкция 2×6, изоляция из стекловолокна R-19) и 1/2 дюймовая фанера снаружи).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *