理论教育 影响绝热材料性能的主要因素

影响绝热材料性能的主要因素

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果孔隙中的水结成冰,冰的导热系数更大,其结果使材料的导热系数更加增大。因此,在计算常压下工作的隔热材料时,应当考虑这一因素。对于常用隔热材料,上述各项因素中以表观密度和湿度的影响最大。因而在测定材料的导热系数时,必须同时测定材料的表观密度。

影响绝热材料性能的主要因素

1.材料类型

绝热材料类型不同,导热系数也就不同。隔热材料的物质构成不同,其物理热性能也就不同。隔热机理存在区别,其导热性能或导热系数也就各有差异。即使对于同一物质构成的隔热材料,内部结构不同,或生产的控制工艺不同,导热系数的差别有时也很大。对于孔隙率较低的固体隔热材料,结晶结构的导热系数最大,微晶体结构的次之,玻璃体结构的最小。但对于孔隙率高的隔热材料,由于气体(空气)对导热系数的影响起主要作用,固体部分无论是晶态结构还是玻璃态结构,对导热系数的影响都不大。

2.工作温度

温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响,温度提高,材料导热系数上升。因为温度升高时,材料固体分子的热运动增强,同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响,在温度为0~50℃范围内并不显著,只有对处于高温或负温下的材料,才要考虑温度的影响。

3.含湿比率

绝大多数的保温绝热材料具有多孔结构,容易吸湿。材料吸湿受潮后,其导热系数增大。当含湿率大于5%时,导热系数的增大在多孔材料中表现得最为明显。这是由于当材料的孔隙中有了水分(包括水蒸气)后,孔隙中水蒸气的扩散和水分子的运动将起主要传热作用,而水的导热系数比空气的导热系数大20倍左右,故引起其有效导热系数的明显升高。如果孔隙中的水结成冰,冰的导热系数更大,其结果使材料的导热系数更加增大。因此,对于非憎水型隔热材料在应用时必须注意防水避潮。

4.孔隙特征

在孔隙率相同的条件下,孔隙尺寸越大,导热系数越大;互相连通型孔隙的导热系数比封闭型孔隙高,封闭孔隙率越高,则导热系数越小。

5.容重

容重是在温度为110℃时经过烘干且呈松散状态的保温材料,其单位体积的质量。保温材料具有一个最佳容重值,即在最佳容重下,它才具有较小的导热系数和较好的保温效果。在工程上为了节约能源和减少保温管道支吊架结构荷重,应尽量采用容重小的保温材料。一般软质和半硬质材料的容重不得大于150 kg/m3,硬质材料的容重不得大于220 kg/m3

容重(或比重、密度)也是材料气孔率的直接反映,由于气相的导热系数通常小于固相导热系数,因此保温隔热材料往往具有很高的气孔率,也即具有较小的容重。一般情况下,增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降。但对于表观密度很小的材料,特别是纤维状材料,当其表观密度低于某一极限值时,导热系数反而会增大,这是由于孔隙率增大时互相连通的孔隙大大增多,从而使对流作用得以加强。因此这类材料存在一个最佳表观密度,即在这个表观密度时导热系数最小。

6.材料粒度

常温时,松散颗粒型材料的导热系数随着材料粒度的减小而减小。粒度大时,颗粒之间的空隙尺寸增大,其间空气的导热系数必然增大。此外,粒度越小,其导热系数受温度变化的影响越小。 (www.daowen.com)

7.热流方向

导热系数与热流方向的关系仅仅存在于各向异性的材料中,即在各个方向上构造不同的材料中。纤维质材料从排列状态看,分为纤维方向与热流向垂直和纤维方向与热流向平行两种情况。传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些。一般情况下纤维保温材料的纤维排列是后者或接近后者,同样密度条件下,其导热系数要比其他形态的多孔质保温材料的导热系数小得多。

对于各向异性的材料(如木材等),当热流方向平行于纤维方向时,受到阻力较小;而垂直于纤维方向时,受到的阻力较大。以松木为例,当热流方向垂直于木纹方向时,导热系数为0.17 W/(m·K);平行于木纹方向时,导热系数为0.35 W/(m·K)。

气孔质材料分为气泡类固体材料和粒子相互轻微接触类固体材料两种。具有大量或无数多开口气孔的隔热材料,由于气孔连通方向更接近于与传热方向平行,因而比具有大量封闭气孔的材料的绝热性能要差一些。

8.比热容

热导率=热扩散系数×比热容×密度。在热扩散系数和密度相同的情况下,比热容越大,导热系数越高。隔热材料的比热容与绝热结构在冷却与加热时所需要冷量(或热量)有关。在低温下,所有固体的比热容变化都很大。在常温常压下,空气的质量不超过隔热材料的5%,但随着温度的下降,气体所占的质量分数越来越大。因此,在计算常压下工作的隔热材料时,应当考虑这一因素。

对于常用隔热材料,上述各项因素中以表观密度和湿度的影响最大。因而在测定材料的导热系数时,必须同时测定材料的表观密度。至于湿度,对于多数隔热材料可取空气相对湿度为80%~85%时材料的平衡湿度作为参考状态,应尽可能在这种湿度条件下测定材料的导热系数。

9.填充气体

隔热材料中,大部分热量是从孔隙中的气体传导的。因此,隔热材料的热导率在很大程度上取决于填充气体的种类。低温工程中如果填充氦气或氢气,可作为一级近似,认为隔热材料的热导率与这些气体的热导率相当,因为氦气和氢气的热导率都比较大。

10.真空

热传递的方式有三种,即对流、传导和辐射,其中对流方式导热最为重要。通过真空阻绝了对流,导热系数就大大降低了,原理就像是热水瓶一样。而作为骨架的填充材料可能通过传导方式导热,所以可采用导热系数低的玻璃纤维做骨架。外表可加上铝膜包装袋对辐射进行阻隔。

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