Коэффициент теплопроводности газоблока: расчет стены, сравнение с другими материалами, характеристики

Автор

Содержание

расчет стены, сравнение с другими материалами, характеристики

В течение многих десятилетий и даже веков в строительстве отдавалось предпочтение кирпичу, как самому износоустойчивому, прочному и долговечному кладочному материалу. Никто и не оспаривает его достоинств, но при строительстве малоэтажного жилья совсем другие приоритеты. Вряд ли кому-то нужна «крепость» в прямом смысле слова. Главное, чтобы ограждающие конструкции как можно лучше сопротивлялись теплопередаче, с чем успешно справляются ячеистые бетоны. Коэффициент теплопроводности газобетона позволяет строить теплые комфортные частные дома без дополнительного утепления. При этом стены получаются достаточно прочные и долговечные со сроком эксплуатации от 100 лет и выше, срок эксплуатации до первого ремонта от 50 лет.

Активное использование газоблоков в отечественном строительстве началось с середины 20 века, после того, как в Европе смогли создать бетонные панели с плотностью, сниженной до 300 кг/м³.

При этом в нашей стране была наработана прогрессивная научно-техническая база по производству и применению газобетона. С началом перестройки была даже принята программа по созданию систем эффективного строительства из автоклавных ячеистых бетонов, и увеличения объёмов их производства путём строительства новых заводов-изготовителей.

В то время выпускали блоки только плотностью 600-700 кг/м³, но девиз программы гласил, что при 7-кратном увеличении количества выпускаемой продукции нужно стремиться к 2-х кратному снижению плотности, что автоматически влекло и снижение теплопроводности газоблока.

С развалом Советского Союза и закрытия многих производственных площадок весь опыт наших инженеров остался на бумаге. Уже в 2000х годах начинают открываться на территории России коммерческие производства с патентами и оборудованием западных компаний. Их число продолжает расти, а это значит, что продукция пользуется спросом и качество построенного из газобетона жилья оказалось на высоте.

Именно поэтому теплопроводность и другие характеристики газоблока так интересуют потенциальных застройщиков.

Технология его производства несколько схожа с получением силикатного кирпича: компоненты те же — только к цементу, песку и извести добавляются ещё ингредиенты, провоцирующие процесс порообразования. Это алюминиевая пыль или паста, а также сульфат и гидроксид натрия, взаимодействие которых запускает химическую реакцию с высвобождающимся кислородом.

При этом блоки не подвергаются прессованию, так как требуется получить не максимально плотные, а наоборот, воздухонаполненные изделия. Созревание бетона происходит в автоклавах – камерах, где он в течение 12 часов обрабатывается подаваемым под давлением высокотемпературным паром. Это обеспечивает ускоренное твердение камня и более высокую, чем при естественной гидратации прочность.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

На заметку: В процессе автоклавирования в бетоне образуется новый минерал под названием тоберморит (силикат кальция), который встречается в составе камня базальтовых пород и портландцементе. При реакции с водой он принимает участие в связывании цемента, что позволяет получить более высокую прочность.

По этой причине преимущество на стороне автоклавного газобетона, и обсуждая его характеристики, мы по умолчанию будем вести речь именно о нём.

Представляем таблицу с перечнем положительных свойств газобетона и его недостатков:

Достоинства Недостатки
Низкий коэффициент теплопроводности газоблока. Зависит от марки изделия по плотности, но в среднем составляет 0,14 Вт/м*С, что втрое меньше, чем у керамзитобетона и в 6 раз – чем у полнотелого кирпича. Применяемость. Характеристики, безусловно являющиеся достоинствами материала, можно рассматривать и как недостатки. В частности, из-за относительно невысокой прочности ограничена применяемость поризованного бетона в многоэтажном строительстве. Здесь их используют только для заполнения пролётов несущих каркасов из железобетона.
Теплоемкость газобетона. Цифра характеризует количество тепла, необходимого, чтобы нагреть материал на 1 градус. При условии влажности, не превышающей 5-6%, теплоемкость газобетона d400 составляет не более 1,10 кДж/кг, в абсолютно сухом состоянии — до 0,84, как и у кирпича. Повышенная чувствительность к влаге. Наличие открытых пор делает камень гигроскопичным, а это требует принятия мер для защиты стен от воздействия паров и насыщения водой. Этот недостаток легко нивелируется за счёт правильного структурирования стенового пирога.
Сопротивление теплопередаче газобетона d500 (среднее значение). Чем выше цифра, тем лучше слои материала сопротивляются отдаче тепла. Составляет 2,67 м²*С/Вт при толщине стены 300 мм. Для примера, у кирпичной стены в два кирпича эта цифра составляет всего 1,09 м²*С/Вт. Трещиностойкость. Газобетон – материал довольно хрупкий, и сильно реагирует на перепады температуры и влажности. В результате возникающих напряжений появляются трещины, которые хоть и не ослабляют прочность кладки, но портят её внешний вид. Именно поэтому для ячеистобетонной кладки предусматривают наружное утепление – а не потому, что
теплоизоляционные свойства газобетона
не позволяют без него обойтись. Примечание: Однако трещины могут появляться и из-за недостаточно жёсткого основания. Поэтому фундаменты для газобетонных домов всегда нужно проектировать в монолите.
Геометрия блоков на самом высоком уровне. Погрешности в параметрах составляют не более 2 мм, что позволяет производить монтаж на тонкий слой клея. При наличии у блоков пазогребневых соединений, вертикальные клеевые швы и вовсе отсутствуют. Морозостойкость. Чем ниже прочность бетонного камня, тем меньше циклов заморозки и оттайки он выдерживает. Газобетон D600 соответствует классу прочности В2,5, что обеспечивает только 25 циклов. Но это распространяется только на незащищённый от увлажнения материал — а в таких условиях даже и кирпич не всегда служит дольше.
Трудоёмкость и скорость возведения стен. Благодаря малому весу и крупному формату блоков, в процессе кладки не приходится пользоваться грузоподъёмными механизмами. Работа продвигается быстро, 1 м² кладки в час – это в 4 раза быстрее, чем с использованием кирпича. Ограничения по выбору материалов для утепления и внешней отделки. Чтобы дать пару беспрепятственно проходить через кладку, не конденсируясь в её толще, коэффициент паропроницаемости каждого следующего слоя в направлении от стены к улице должен быть более высоким.
Экологичность. Больше всего поборников экологичности волнует радиоактивность материала, которая в общепринятой норме составляет 370 Бк/кг. Фон газобетона далеко не дотягивает до этой цифры и составляет чуть больше 50 Бк/кг. У того же кирпича в зависимости от вида глины он варьируется в пределах 126-840 Бк/кг. Необходимость в специальном крепеже. Стены из пористого бетона имеют слабую устойчивость к вырывающим нагрузкам. По этой причине повесить тяжёлый предмет на обычные дюбель-гвозди невозможно. Нужны более дорогие спиральные, распорные или забивные дюбели.
Огнестойкость. Поризованный бетон имеет класс пожарной устойчивости К0 – как не представляющий опасности. Показатель REI (предел огнестойкости) составляет 4 часа при толщине стен более 20 см. Именно столько времени они выдержат воздействие открытого огня без деформации. При этом газобетон не выделяет токсичных веществ. Слабая адгезия. Очень гладкая поверхность блоков снижает сцепляемость бетона со штукатуркой. Делать насечки бучардой, как в случае с тяжёлым бетоном, здесь нежелательно, проще всего использовать грунтовки с кварцевым наполнителем.
Затраты на фундамент. Достаточно высокие, если учесть, что кладка из ячеистого материала чувствительна к подвижкам основания, и надо обязательно заливать монолит. Но высокое сопротивление теплопередаче газобетона позволяет уменьшать толщину стен — а это реальная экономия на количестве бетона.  
Затраты на кладочный материал. Несмотря на то, что клеевая смесь обходится вдвое дороже аналогичного количества обычного ЦПС, за счёт более низкого расхода (в 5-6 раз) получается немалая экономия.  
Простота обработки. С газобетонными блоками легко работать, так как их можно пилить и штробировать ручным инструментом. Камню несложно придать нужную форму, что позволяет быстро изготовить доборный элемент и выкладывать стены радиусной формы.  
Стоимость. Всё, конечно, относительно. Однако по цене кубометр газобетонных блоков в три раза дешевле кирпича и более чем в 5 раз – пиломатериала.  

Перечень недостатков не так велик по сравнению с количеством преимуществ, да и те не столь существенны, чтобы быть помехой для постройки прочного, долговечного, а главное — тёплого жилого дома.

Коэффициент теплопроводности газобетонных блоков, как и любого другого материала, характеризует его возможность проводить тепло. Численно он выражается плотностью теплового потока при определённом температурном градиенте. Способность удерживать тепло зависит от влияния таких факторов, как:

  1. степень паропроницаемости;
  2. плотность материала;
  3. способность усваивать тепло;
  4. коэффициент водопоглощения.

Последнее особенно хорошо видно в представленной ниже таблице:

Марка газобетона по плотности Теплопроводность газоблока в сухом состоянии (Вт/м*С) Коэффициент теплопроводности газобетона при влажности до 6% (ВТ/м*С) Теплоемкость газобетона (Вт/м²*С) за 24 часа Паропроницаемость (мг/м ч Па)
d400 0,09 0,14 3,12 0,23
d500 0,11 0,16 3,12 0,20
d600 0,12 0,18 3,91 0,17
D700 0,14 0,19 3,91 0,16

Как видите, чем более плотная у бетонного камня структура, тем меньше он пропускает пара и больше тепла. Поэтому, выбирая материал для строительства дома, не стоит стремиться покупать блоки с запасом прочности без необходимости.

Теплопроводность газобетонного блока во многом обусловлена структурой материала, который более чем на 80% состоит из заполненных воздухом пор. Воздух является лучшим утеплителем, благодаря его присутствию меняется характеристика бетонного камня. Влажность воздуха тоже оказывает влияние на показатели теплопроводности – они будут тем ниже, чем суше климат.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Примечание: При стабильно высокой влажности всё преимущество пористого материала может быть сведено к нулю, и его способность пропускать тепло станет такой же, как у кирпича. Поэтому в районах с климатически обусловленной высокой влажностью внешние ограждающие конструкции увеличивают в толщине.

  • Очень важно предварительно сделать теплотехнический расчет стены из газобетона – чтобы в итоге проживание в доме не оказалось некомфортным. При этом обязательно учитывают параметры применяемых для кладки блоков, округляя итоги в большую сторону до ближайшего показателя толщины.
  • Теплопроводность готовой стены может отличаться от теплопроводности газобетона d400, если, к примеру, блоки смонтировали не на клею, и на растворе. Затвердевшая пескоцементная стяжка имеет коэффициент теплопроводности 0,76 Вт/м*С – и это при расчётном коэффициенте газобетона этой марки 0,12 Вт/м*С!
  • Разница очевидна, и не надо быть великим специалистом, чтобы понять, что тепло будет уходить если не через блоки, то через их стыки. Вывод напрашивается сам: чем тоньше слой, тем лучше. А это возможно только при использовании тонкослойных клеёв.

Это же касается и армирующего пояса из тяжёлого бетона. Чтобы он не оказался одним большим мостом холода, монтировать его лучше по несъёмной опалубке. Её роль исполняют газобетонные U-блоки, внутрь которых укладывается арматура и производится уже заливка обычного бетона.

Низкая теплопроводность газобетонных блоков даёт возможность получить экономию не только за счёт уменьшенной толщины стен и ширины фундамента, но и снизить расходы на эксплуатацию дома. Ведь для поддержания комфортной температуры в помещениях будет тратиться гораздо меньше электричества или газа.

Как этого добиться, мы расскажем чуть позже, а пока предлагаем оценить теплопроводность газоблока в сравнении с другими материалами:

Характеристика Газобетон Пенобетон Керамзитобетон Полистиролбетон Пустотелый кирпич Керамоблок Древесина
Плотность кг/м³ 300-600 400-700 850-1800 350-550 1400-1700 400-1000 500
Теплопроводность Вт/м*С 0,08-0,14 0,14-0,22 0,38-0,08 0,1-0,14 0,5 0,18-0,28 0,14

Как видите, теплопроводность газобетона в сравнении с группой популярных теплоэффективных материалов стен соответствует показателю древесины. Из кладочных материалов конкурировать с ним могут только пенобетон и полистиролбетон.

Если теплопроводность газобетона в большинстве случаев обеспечивает комфорт проживания в доме, зачем тогда утеплять стены? Выше уже было сказано, что поризованный материал необходимо защитить от перепадов температур и влажности. Но это лишь один аспект, второй заключается в стремлении снизить расходы на отопление помещений.

Для дачного дома, который в зимнее время практически не эксплуатируется, толщины стен в 200 мм более чем достаточно. Что касается жилья постоянного проживания, то имеет смысл сделать стены более толстыми. Теплопроводность газоблока 30 см будет при аналогичной плотности такой же, но уменьшится количество теплопотерь.

По этой причине, особенно в холодных регионах, для возведения стен берут более толстые блоки. Теплопотери дома из газобетона 375 мм снижаются ещё на треть, и стены получаются гораздо теплее тех нормативов, что применяются в официальном строительстве. При плотности 400 кг/м³ теплопроводность такой кладки составит 0,08 Вт/м*С, а сопротивление передаче тепла установится на уровне 3,26 м²*С/Вт.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Примечание: Чтобы получить точные цифры, необходимо произвести теплотехнический расчет газобетонной стены, с учётом среднезимних температур, характерных для данной местности. Приобретая типовой, или заказывая индивидуальный проект для будущего дома, заказчик вместе с рабочей документацией получает и такой расчёт.

Однако в частном строительстве многие предпочитают обходиться без проектирования. Для самостоятельного расчёта можно использовать онлайн калькулятор теплопотерь дома из газобетона.

Вот когда газобетонные стены однозначно нуждаются в утеплении:

  1. При плотности блоков d500 и выше.
  2. При толщине стены менее 30 см.
  3. Когда газоблоками производится заполнение пролётов железобетонного каркаса.
  4. Когда кладка производится не на клей, а на раствор.
  5. При использовании неавтоклавных изделий более низкого качества.

В таком случае, автоматически возникает вопрос: чем утеплять?

В силу ячеистой структуры газобетон называют дышащим материалом, в среднем, его коэффициент паропроницаемости составляет 0,20 мг/м*ч*Па (это в 3,5 раза выше, чем у дерева поперёк волокон).

  • Чтобы пар не задерживался в толще бетона и не конденсировался в нём, утеплитель должен иметь ещё больший показатель паропроницаемости. У пенопласта, даже невысокой плотности, этот коэффициент намного ниже – порядка 0,023 мг/м*ч*Па, то есть пар он практически не пропускает.
  • Если утеплить ячеистобетонные стены пенопластом снаружи, сырость и грибок вам будут обеспечены. Уж если и использовать пенопласт в качестве утеплителя, то только изнутри. Там он будет препятствовать попаданию пара в стены, но для этого нужно, чтобы все стыки между плитами были хорошо герметизированы, и использовалась пароизоляционная плёнка.
  • Толщина утеплителя для блоков D400 толщиной 300 мм должна быть не менее 100 мм. Но если при этом стены не будут утеплены снаружи, влажность кладки с нормативных 6% увеличится до 12%.

Это значит, что в итоге теплопроводность газоблока окажется выше расчётной, ухудшив теплоэффективность стен в целом.

Минвата – самый надёжный и подходящий по паропроницаемости вариант, её показатели в зависимости от плотности варьируются в пределах 0,30-0,60 мг/м*ч*Па. Это выше, чем у газобетона, поэтому для пара этот утеплитель не создаёт никаких препон.

Здесь важно, чтобы сама минвата не аккумулировала в себе влагу и не отсыревала. Поэтому, поверх неё монтируют паропроницаемую мембрану с ещё большей степенью проходимости. Так же, если для наружной отделки будет использоваться навесной материал или кирпич, для хорошей вентиляции предусматривают технологический зазор.

Если же по утеплителю будет выполняться штукатурка, то её коэффициент паропроницаемости должен быть выше, чем у минваты. При толщине плит в 50 мм, влажность газобетона может достигать 7%. Это хоть и незначительно, но превышает норму, поэтому лучше всего в расчёт закладывать утеплитель толщиной 100 мм.

Эковатой называют рыхлый целлюлозный утеплитель, обработанный для биологической стойкости борной кислотой. У него аналогичный минеральной вате коэффициент паропроницаемости и теоретически он подходит для наружного утепления ячеистобетонных стен.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Внимание: На практике же любой насыпной материал неудобен для утепления стен, так как имеет способность самоуплотняться, в результате чего в теплоизоляционной прослойке образуются пустоты. Эковата сильнее минваты подвержена сорбционному увлажнению, поэтому проектировщиками в качестве материала для утепления стен она вообще не рассматривается.

Существует такое понятие, как тёплая штукатурка, которая получила своё название за счёт применения в качестве крупного заполнителя гранул перлита или пеностекла – материалов, которые сами по себе являются утеплителем. Если вы взяли для строительства дома блоки толщиной 375 мм, можно прекрасно обойтись теплоизоляционной штукатуркой, используя её и внутри, и снаружи.

Для внутренних работ применяют составы на основе цемента, гипса или извести с более низкой паропроницаемостью. Фасадные штукатурки имеют цементно-карбонатно-перлитовый состав с коэффициентом паропроницаемости 0,17 мг/м*ч*Па. Это немного меньше, чем у газобетона, но учитывая его толщину и наличие почти непроницаемого слоя штукатурки внутри, стена будет работать как надо.

Вопрос, как правильно утеплять дом из газобетона, является одним из самых важных, потому что от выбора теплоизоляционного материала зависит и долговечность конструкций, и комфорт эксплуатации жилья в целом. Надеемся, что представленная здесь информация окажется полезной, хотя окончательное решение, конечно же, остаётся за вами.

Теплопроводность газобетона, технические характеристики, способы определения

Низкий коэффициент теплопроводности считается главным преимуществом газобетона наряду с легкостью, хорошей морозостойкостью и прочностью на сжатие. Его обеспечивает высокая (до 85 %) пористость структуры и закрытость ячеек, благодаря этому свойству материал успешно совмещает конструкционные и утепляющие функции и является оптимальным при строительстве энергосберегающих домов.

Факторы влияния и методы определения

Теплопроводность газоблока отражает его способность к передаче тепла от более нагретых частей к холодным в ходе движения молекул. В численном выражении данная характеристика измеряется в Вт/м·°C. Низкое значение у автоклавных газо- и пенобетона (не более 0,12-0,14 у востребованных марок D500 и D600) свидетельствует о хороших энергосберегающих свойствах, что позволяет сократить затраты на обогрев зданий в зимнее время и на кондиционирование – в летнее.

Все изготавливаемые изделия проходят обязательный контроль, подтверждающий данный коэффициент опытным путем, соответствующая информация указывается в сертификате продукции и является ориентиром при расчете толщины стен и перекрытий.

Метод проверки теплопроводности регламентирован требованиями ГОСТ 7076, его суть заключается в подаче стационарного теплового потока через блоки в перпендикулярном направлении и последующем измерении его плотности и температуры лицевой поверхности и граней образца.

Результаты сертификации продукции принято разделять на 2 группы, отражающих значения в сухом состоянии и при определенной влажности. Также теплопроводность напрямую зависит от состава и плотности. Ориентировочные показатели для самых востребованных в частном строительстве марок приведены ниже:

Коэффициент, Вт/м·°C Марка газоблоков
D300 D400 D500 D600
В сухом состоянии 0,072 0,096 0,12 0,14
При влажности 4 % 0,084 0,113 0,141 0,16

Теплопроводность снижается при поглощениях ячейками влаги, материал нуждается в защите от внутреннего пара и конденсатов и внешних осадков. У изделий, изготовленных на золе, при равной прочности она на несколько единиц меньше, чем у чисто песчаных (0,1 Вт/м·°C у марки D500, 0,13 у D600), но в первую очередь способность к удерживанию тепла зависит от их плотности и условий эксплуатации. Для сравнения – у незащищенных газобетонных стен, подвергаемым стандартным влажностным нагрузкам в пределах 60%, коэффициент повышается почти в два раза. По этой же причине помимо данной характеристики (отклонения не должны отходить на ± 20 %) в ходе выпуска блоков контролируется показатель отпускной влажности, допустимый нормами максимум не превышает 25-30 %.

Сравнение теплопроводности

В строительстве этот коэффициент учитывают прежде при выборе кладочных материалов для возведения стен, потребность в утеплителе. Ориентировочные значения для самых востребованных из них приведены в таблице:

Наименование Диапазон плотности, кг/м3 Теплопроводность, Вт/м·°C
Автоклавные газоблоки 280-1000 0,07-0,21
Пенобетон 300-1250 0,12-0,35
Плотный красный кирпич 1700-2100 0,67
Дерево (на примере соснового бруса) 500 0,18
То же, пористый 1500 0,44
Клинкер 1800-2000 0,8-1,6
Облицовочные марки 1800 0,93
Кирпич строительный 800-1500 0,23-0,3
Силикатный сплошной 1000-2200 0,5-1,3
То же, с тех.пустотами 0,7
Силикатный щелевой 0,4

На практике на теплопроводность стен оказывает влияние не только тип газоблоков, но и наличие и вид используемого соединительного раствора. Результаты сравнения для разных кладок приведены ниже:

Вид стены Диапазон плотности, кг/м3 Теплопроводность, Вт/м·°C
Газобетонные блоки, монтируемые на клей 630-820 0,26-0,34
То же, при использовании газосиликатных теплоизоляционных плит 540 0,24
Керамический сплошной кирпич на цементно-перлитовом растворе 1600 0,47
То же, на ЦПС 1800 0,56
То же, на цементно-шлаковом составе 1700 0,52
Керамический пустотный кирпич на ЦПР 1000-1400 0,35-0,47
Малоразмерные кладочные изделия 1730 0,8
Пустотелые стеновые 1220-1460 0,5-0,65
Силикатный 11-ти пустотный кирпич на ЦПС 1500 0,64
То же, 14-ти пустотный 1400 0,52

Результаты сравнения выявляют однозначное преимущество пористых материалов перед плотными и сплошными в плане способностей к энергосбережению. По этой причине и автоклавные газоблоки, и прошедший обычную сушку пенобетон выигрывают у кирпича при условии кладки их на тонкий шов облегченного раствора с близким показателями теплопроводности. Монтаж на ЦПС нивелирует это преимущество и приводит к образованию в стенах мостиков холода, то есть к потребности в наружном утеплении. Пенобетон в сравнении с газобетоном уступает в равномерности структуры (и как следствие – чуть хуже держит тепло), но при равной плотности их коэффициенты теплопередачи практически не отличаются.


 

Теплопроводность газобетона: характеристики и сравнение по маркам | АлтайСтройМаш

В условиях постоянного роста количества населения все больше внимания уделяется совершенствованию технологий строительства. Газобетонные блоки отличаются внушительными габаритами, легким монтажом и улучшенными техническими характеристиками. Например, теплопроводность газоблока значительно ниже, чем у кирпича. Это делает материал экономичным при покупке и возведении зданий любого типа за счет сокращения количества сырья при сохранении должного уровня теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности газобетона по марке

Каждая марка газобетонных блоков служит определенной цели в работах по возведению зданий:

  • D400 применяется для строительства временных малогабаритных построек жилого типа. Сырье требует дополнительной отделки или облицовки. Цифра «400» говорит о том, что в 1 куб.м. газобетона содержится 400 кг твердого материала; остальное пространство занимают пузырьки воздуха.
  • D500 подходит для построек бытового и сельскохозяйственного назначения. Блоки немного прочнее, чем марка D400, однако еще не способны выдерживать нагрузку тяжелой кровли. 
  • Блоки D600 и выше применяются при малоэтажном строительстве, обычно при возведении частных одноуровневых домов. 

Пористая структура газобетонных блоков препятствует выдуванию тепла из внутренней части здания. Это позволяет экономить на теплоизоляционных материалах при дальнейших отделочных работах.

Таблица теплопроводности газобетона

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/м*°С. Приведенные характеристики отражают низкий уровень выдувания тепла. Показатель достигается ввиду того фактора, что пузырьки воздуха, находящиеся внутри блока, медленно меняют свою температуру. 

Теплопроводность газобетона: сравнение с деревом и кирпичом

  • Средневзвешенные показатели теплопроводности для газоблоков составляют 0,08-0,14 Вт/м*°С. 
  • Для декоративного керамического кирпича, который используется при внешней облицовке стен здания, уровень теплоотдачи указывается в диапазоне от 0,36 до 0,42 Вт/м*°С. 
  • Стены из обычного глиняного кирпича, уложенного в один ряд, соответствуют показателю 0,56 Вт/м*°С. 
  • Самый дорогой силикатный кирпич также служит декоративным целям и не сохраняет тепло в здании из-за показателя в 0,71 Вт/м*°С. 
  • Теплопроводность древесины зависит от сорта дерева и влажности окружающей среды. Ее характеристики находятся в диапазоне от 0,09 до 0,218 Вт/м*°С. 

При просмотре нашего каталога товаров вы найдете объекты строительного машиностроения для производства блоков из газобетона. Материал для возведения и облицовки стен обладает хорошими перспективами и будет распространяться на новые сферы промышленности. 

Теплопроводность газобетона: для чего нужен коэффициент

Физико-технические характеристики кладочных блоков зависят от технологии производства и свойств исходного сырья. Строители учитывают теплопроводность газобетона на стадии проектирования дома. Этот показатель важно узнать заранее, поскольку специалисты рекомендуют определять способ утепления до начала кладки стен. Гораздо проще монтировать крепления для утеплителя между блоками.

Для чего нужен коэффициент теплопроводности?

Температура внутри помещения зависит от скорости остывания стен и циркуляции воздуха. В целях сбережения тепла проектировщики стремятся подбирать кладочные стройматериалы с низким показателем плотности. Газобетонные блоки имеют пористую структуру, которая в холодную пору года не пропускает теплые потоки с помещения. Пустоты с воздухом составляют большую часть объема газобетона, что обеспечивает низкий уровень теплопроводности. Это свойство способствует медленному нагреву в жаркое время года.

Объем пропускаемого тепла за единицу времени при условии разности температур называется коэффициентом теплопроводности. Параметры, которые определяют теплоизоляционные свойства следующие:

  • Плотность. Чем меньше показатель, тем лучше сохраняется тепло в доме.
  • Влажность. Газобетон неустойчив к воздействию осадков. Влага накапливается в порах, вытесняя воздух, и теплоизоляционные свойства нарушаются.
  • Размер пустот. Чем меньше поры в газобетоне, тем медленнее материал нагревается.

Показатель теплопроводности рассчитывают в таких целях:

Показатель теплопроводности расчитывают для того, чтобы знать затраты на обогрев дома.
  • Подсчет затрат на обогрев дома. Если коэффициент теплопроводности газобетона увеличится, возрастут расходы на тепло и электроэнергию.
  • Необходимость утепления дома. Чем больше кладочный материал пропускает тепла, тем сильнее нужно утеплять фасад.
  • Выбор способа теплоизоляции. Стены из газобетона можно утеплять с одной стороны или с двух одновременно.

Теплопроводность блоков из газобетона

Материал для кладки стен выбирают с учетом предназначения будущего строения. Газобетон с высоким уровнем теплоизоляции имеет небольшую плотность. Такая кладка деформируется под воздействием механической нагрузки. Условно можно обобщить типы газобетона в 3 группы:

  • Строительные блоки марки ниже D400. Газобетон имеет наименьший уровень теплопроводности. Применяют для утепления помещения или возведения простенков.
  • Газобетон до марки D800. Оптимальный вариант с приемлемым для строительства несущих конструкций уровнем плотности и высокими теплоизоляционными свойствами.
  • Блоки с наибольшей плотностью до марки D1200. Применяют для строительства двухэтажных домов. Такому строению нужна дополнительная теплоизоляция.

Значение теплопроводности монолитного газобетона позволяет применять материал для устройства полов с подогревом.

Как утеплять: внутри или снаружи?

Утепление сооружения снаружи рекомендовано делать для повышения прочности кладки.

Внешнюю отделку газобетонных стен проводят обязательно с целью гидроизоляции дома и повышения уровня прочности кладки. Необходимо утеплить помещение снаружи в следующих случаях:

  • Для возведения стен запланировано применение газобетона наибольших или самых низких марок.
  • Несущие элементы конструкции выполнены из пустотелых блоков.
  • Вместо специального клеящего вещества применили цементно-песчаный состав.
  • Толщина швов достигает полсантиметра и больше.
  • Раствор нанесен неравномерно.

С целью предотвращения накопления влаги между стеной и шаром утеплителя, нужно подбирать газобетон с высоким уровнем паропроницаемости для внешней отделки, а для внутренней — наоборот. Наибольшей популярностью пользуется наружное утепление, поскольку одновременно можно выполнять эстетическое оформление. В обоих случаях используют одинаковые теплоизоляционные материалы. По мере утепления увеличивается уровень звукоизоляции. Можно монтировать теплоизоляционный материал с обеих сторон сразу.

Чем лучше всего проводить утепление?

Существует несколько типов теплоизоляционных материалов для газоблоков с разными физико-техническими характеристиками. Строительными нормами допускается утепление пористого газобетона специальными красками и штукатуркой. Главный минус — тонкий плотный слой забивает поры легких бетонных блоков. Более привлекательно выглядит отделка кирпичными плитами и сайдинговыми листами.

Применение пенополистирола

Применение пенополистирола имеет ряд преимуществ, таких как быстрый монтаж и высокая влагоустойчивость.

Такое утепление быстро изнашивается и имеет низкую паропроницаемость. Перед нанесением слоя стены чистят и монтирую специальную сетку. Материал крепят с помощью клеящего вещества. Для повышения надежности утеплитель фиксируют дюбелями. Главные преимущества пенополистирола:

  • низкая стоимость;
  • влагоустойчивый;
  • относительно быстрый монтаж.

Использование минеральной ваты

Материал считается экологически чистым и недорогим. Специалисты рекомендуют использовать зарубежные экземпляры. На плиты из стекловолокна крепят армирующую сетку и наносят клеящее вещество. Такое утепление нуждается в дополнительной отделке специальной штукатуркой или красками. Главные преимущества монтажа минеральной ваты:

  • огнеупорный материал;
  • устойчивость к механическим нагрузкам;
  • многолетний срок полезной службы.

Краткие выводы

Теплопроводность газобетонных блоков зависит от технических свойств. Популярность кладочного материала объясняется способностью сохранять тепло в помещении зимой и прохладу летом. Такие стены нуждаются в дополнительной отделке и утеплении, поскольку газоблоки теряют преимущества под воздействием условий окружающей среды. Выбор облицовки зависит от марки газобетона и бюджета владельцев. Лучше не экономить на безопасности и надежности строения.

Технические характеристики газобетонных блоков и их размеры

Газобетон – современный и широко используемый материал для возведения стен. Это ячеистый бетон, поры в котором образуются благодаря газу, выделяемому при смешивании алюминиевой пудры и цемента. Технические характеристики газобетонных блоков позволяют строить из них дома высотой до трех этажей, причем дома строятся быстро и получаются теплыми и прочными.

Марка по плотности D300 D400 D500 D600
Нормируемая объемная плотность, кг/м3 300 400 500 600
Класс по прочности на сжатие B1,0; В1,5 В2,0; В2,5 В2,5 В 3,5
Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, λ0 [Вт/(м · ºС)] 0,072 0,096 0,12 0,14
Коэффициент теплопроводности при влажности 4%, λА [Вт/(м · ºС)] 0,084 0,113 0,141 0,160
Коэффициент теплопроводности при влажности 5%, λБ [Вт/(м · ºС)] 0,088 0,117 0,147 0,183
Усадка при высыхании, [мм/м], не более 0,3 0,3 0,3 0,3
Марка по морозостойкости F 35 F 50 F 50 F 50
Коэффициент паропроницаемости, μ [мг/м·ч·Па] 0,26 0,23 0,20 0,16
Отклонение от заданных геометрических размеров (I категория):
длина, [мм], не более 2 2 2 2
ширина, [мм], не более 2 2 2 2
высота, [мм], не более 1 1 1 1

Размеры:

Высота (мм) Ширина (мм) Длина (мм) Кол-во штук в 1 м3
200 250 625 32,0000
200 290 590 29,2227
200 300 600 27,7778
200 400 600 20,8333
250 250 625 25,6000
250 300 625 21,3333
250 350 625 18,2815
250 375 625 17,0667
250 400 625 16,0000
250 500 625 12,8000

Газобетон – легкий, но достаточно прочный материал. Он легко заменяет собой привычный кирпич или дерево при строительстве, обеспечивает необходимую тепло- и шумозащиту. Это экологичный материал, который легко использовать при индивидуальном строительстве, благодаря удобным размерам и небольшому весу. Газоблоки из-за пористой структуры легко обрабатываются, но также из-за этого они легко вбирают влагу. При правильной эксплуатации газоблоки выдерживают не менее 35 циклов замораживания и оттаивания, а значит, отличаются хорошей морозостойкостью и могут применяться для строительства в достаточно суровых условиях без потери качества.

Коэффициент теплопроводности газосиликатных блоков


Стены из газобетона благодаря пористой структуре блоков обладают высокими теплоизоляционными свойствами. При определенной толщине их можно возводить даже без дополнительного утепления. Но какой должна быть ширина кладки, зависит от многих факторов.

Выбор толщины для несущих стен

Есть три основных параметра, которые следует «увязать» между собой, чтобы определить оптимальные параметры:

  • прочностные характеристики;
  • сопротивляемость теплопотерям;
  • экономическая целесообразность.

То есть, очень мощные газобетонные стенки будут прочными и теплыми, но неоправданно дорогими. А более дешевая кладка в полблока сможет выдержать разве что небольшую крышу холодного гаража, но в жилом доме не сохранит тепло. Но если газобетон проходит по прочности, толщину конструкций можно не увеличивать, а просто подобрать доступный по цене утеплитель под отделку.

Оптимальные размеры кладки нужно просчитывать несколько раз, выбирая наиболее подходящее сочетание все трех параметров.

Газобетонный блок – что это

Стеновые бетонные кирпичи получают путём отливки вспененного бетонного раствора в специальных формах. Сырьевая масса включает в себя кварцевый песок (силикат), цемент, известь и воду. Чтобы получить вспученную затвердевшую массу, в раствор засыпают алюминиевый порошок. Известь вступает в бурную химическую реакцию с алюминиевым порошком. В результате происходит активное выделение кислорода и водорода (гидролиз воды).

Кислород образует в вязкой массе раствора большое количество пузырьков. Застывшая смесь образует ячеистую массу, которая напоминает структуру поролона. Такой материал носит название газобетона или газосиликата.

Толщина перегородочных стен

Этот параметр выбирается с учетом определенных факторов, при этом рассчитывается несущая возможность и учитывается высота перегородки.

Выбирая блоки для таких стен, следует обратить пристальное внимание на значение высоты:

  • если она не переваливает за трехметровую отметку, то оптимальная толщина стен – 10 см;
  • при увеличении высотного значения до пяти метров, рекомендуется применять блоки, толщина которых равна 20 см.

Если возникнет необходимость получить точные сведения без выполнения расчетов, можно воспользоваться стандартными значениями, в которых учтены сопряжения с верхними перекрытиями и значения длины возводимых стен. Особое внимание уделяется следующим советам:

  • при определении эксплуатационной нагрузки на внутреннюю стену появляется возможность выбора оптимальных материалов;
  • для перегородок несущего типа рекомендуется использовать блоки D 500 либо D 600, длина которых достигает 62.5 см, ширина – варьируется от 7.5 до 20 см;
  • устройство обычных перегородок подразумевает использование блоков с показателем плотности D 350 – 400, позволяющих улучшить стандартные параметры звукоизоляции;
  • показатель звукоизоляции в полной мере зависит от толщины блока и его плотности. Чем она выше, тем лучшими шумоизоляционными свойствами обладает материал.

Статья по теме: Чем утеплить стены снаружи из газосиликатных блоков

Если длина перегородки равна восьми метрам и более, и высота ее от четырех метров, то с целью увеличения прочности всей конструкции каркасная основа усиливается железобетонным армирующим поясом. Кроме того, нужной прочности перегородки можно достичь клеевым составом, с помощью которого ведется кладка.

Размеры газобетонных блоков

Большинство предприятий выпускают газосиликатные кирпичи, у которых одинаковая длина (600 мм) и высота (200 мм). Меняется только толщина изделия.

Готовую продукцию перевозят на специальных поддонах – паллетах. В таблице приведены толщины блоков и транспортная загрузка.

Толщина блокаКол-во блоков на паллете, шт
1100150
2150100
325060
430050

Перевозят стеновой материал, уложенный на паллетах высотой 180 см. Чтобы во время перевозки изделия не напитались влагой, их укрывают полиэтиленовой плёнкой.


Газосиликатные блоки с профильными торцами
Газосиликатные блоки могут быть с гладкими и профильными торцами. Профильный рельеф торцов исполняет роль замковой системы – «шип-паз». По словам специалистов, наличие замковой системы существенно не влияет на прочность кладки.

Требования

Для использования всех видов стройматериалов существуют определенные нормативные требования. Перед строителями выдвигаются следующие условия:

  1. Прежде всего, следует произвести точный расчет и определить максимально допустимую высоту стен.
  2. Максимальная высота постройки из ячеистых блоков ограничена. Для стройки несущих стен допускается высота до 20 метров (5 этажей), самонесущих конструкций не более 30 метров (9 этажей), для несущих стен постройки до 10 метров используют пеноблоки.
  3. Непосредственно от высоты зависит прочность используемых блоков. Для внутренних и наружных стен постройки до 20 м используется газоблок только класса «В3,5», для зданий до 10 м – «В2,5», для зданий в один или два этажа – «В2,0». Следует также учесть, что для возведения самонесущих стен строения до 10 м требуется использование газобетона класса «В2,0», для зданий выше 10 м – «В2,5».

Статья по теме: Как сшить штору в детскую комнату самостоятельно — самый быстрый способ

Ячеистый бетон является эффективным материалом со стороны теплоизоляции, но не следует забывать, что он менее прочный, чем обычный бетон или кирпич. Исходя из этого, при расчете толщины стен дома из газобетона должен учитываться еще один важный момент – способность выдерживать нагрузки. Также следует учесть следующий факт: прочность и теплоизоляционный уровень газоблока имеют обратную зависимость.

Большая плотность вспененного бетона гарантирует высокую прочность, но сопротивляемость потерям тепла пропорционально становится ниже. Поэтому, если вы делаете упор на прочность, используйте марку D 1200, если хотите сделать помещение более теплым – D 400. Оптимальным со всех сторон будет использование марки D 600. Подумайте над термоизоляцией фундамента, окон, кровли; подберите оптимальные параметры кладки и размеры помещений, чтоб обойтись без использования утеплителя и других материалов.

Преимущества и недостатки газобетонных изделий

Газобетонные стены обладают определёнными преимуществами и недостатками. Наиболее яркие представители данных категорий представлены несколько ниже.

Преимущества:

  • возведение стен из газоблоков приносит экономию до 30% по сравнению со строительством наружных ограждений здания из кирпича или железобетона;
  • изделия из ячеистого бетона надёжно сохраняют тепло внутри дома; внешние несущие стены не нуждаются в дополнительном утеплении;
  • стены дома обладают высокой звукоизоляцией и огнестойкостью;
  • экологичность и паронепроницаемость материала позволяют стенам дышать; газобетонные стены не впитывают в себя влагу;
  • показатели экологичности материала приравнивают к свойствам деревянных строительных конструкций;
  • высокая геометрическая точность поверхностей блоков позволяет строителям возводить стены с идеально ровной плоскостью.

Недостатки:

  • слабая прочность материала;
  • какой бы ни была толщина стен из газобетонных блоков для дома, высота строения ограничена 3-мя этажами.

2-х этажный дом из газоблоков

Как рассчитать толщину: расчет по формуле

Толщина несущих стен из газобетона вычисляется следующим образом: T=Rreg*λ, где первое — величина сопротивления теплопередаче стеновых поверхностей, второе — коэффициент теплопроводности строительных блоков, подбирается по схемам значений газобетона или на основании производственных испытаний материала. Rreg=0,00035xDd+1,4, где Dd — градусо-сутки отопительного сезона, значение представляет собой разницу температур в помещении и уличной в течение отопительного периода, умноженную на количество дней сезона отопления. Величины Dd приводятся в «Строительной климатологии», в нормах СНиПа 23—01—99.

Посмотреть «СНиП 23-01-99» или

Плотность газобетона

Плотность газосиликата определяется его удельным весом. Показатель плотности обозначается латинской буквой D. Если материалу присвоена марка D 500, то это значит, что 1 м3 бетона весит 500 кг.

Помимо этого число в маркировке блоков может соответствовать ширине изделия. Так, например, толщина стены для дома из газобетона марки D 400 будет примерно равняться 40 см.

Кладку несущих стен осуществляют из блоков марки D 300, 400 и 500. Марки D от 600 до 900 применяют для ограждений специального применения. Если меньше число марки бетона, то тогда больше его пористость. Следовательно, меньше и прочность самого материала.

D 400

Выбирать кирпичи этой марки нужно для строительства домов не больше 2 этажей. При высокой теплоизоляции материал достаточно хрупок для строительства зданий большей этажности. Большинство частных домов и дачных построек строятся в основном высотой в 2 этажа. Именно это обстоятельство склоняет потребителя выбрать стеновой материал марки D 400.

Кладка несущих ограждений из этого материала выдерживает только лёгкие перекрытия, уложенные на деревянные балки. Под перекрытия из железобетонных плит кладут блоки марки 500, 600.

D 500

Марку D 500 применяют при строительстве 3-х этажных зданий. Увеличенная плотность бетона значительно повышает несущую способность кладки. Правда при этом понижается уровень теплоизоляции стен.

Применение марки D 500 позволяет укладывать перекрытия из железобетона небольшой толщины.

D 600

Изделия этой категории самые дорогие, но они морозоустойчивые, обладают высокой прочностью. Они позволяют возводить фасадные стены в 3-х этажных домах с устройством перекрытий из железобетонных плит.

Марки D 50, 100, 250 имеют наименьшую плотность, поэтому их применяют для кладки внутренних стен без нагрузок.

Размер блоков из газобетона для кладки несущих конструкций

По своим характеристикам газобетон подходит как для кладки несущих конструкций, так и возведения изоляционных перегородок. При выборе конкретной марки и размеров изделия отталкиваются от назначения и условий эксплуатации объекта строительства. Толщину стен, разделяющих разные температурные зоны, определяет теплотехнический расчет. Но главным требованием является обеспечение соответствующей несущей способности, а именно выдержки весовой и механической нагрузки. Нормы, зависящие от типа перегородки или перекрытия, являются минимально допустимыми, уменьшать их нельзя.

Виды газобетонных блоков

В зависимости от формата и типа поверхности различают обычные прямоугольные варианты с гладкими стенками, аналогичные с системами захвата или «шип-паз», Т-образные для монтажа перекрытий, U-образные для закладки армопояса, дверных или оконных проемов. Прочностные характеристики газобетона определяются его плотностью и пористостью, как и теплоизоляционные свойства. Выделяют следующие марки:

1. От D350 до D500 – теплоизоляционные, оптимальные для возведения газобетонных перегородок или внутренней утепляющей прослойки. Выделяются высокой пористостью и имеют самый низкий коэффициент теплопроводности из всех разновидностей.

2. D500-D900 – конструкционно-теплоизоляционные, востребованные в частном строительстве, в том числе для кладки наружных стен и несущих перегородок. На практике для легких построек используют газоблоки от М400, но лишь при условии их качественной автоклавной обработки и надежной защиты от внешней влаги.

3. D900-D1200 – конструкционные, с повышенной прочностью.

Типовой размер газобетонного блока для несущей стены: 600 мм по длине (у некоторых производителей – 625), в пределах 200-300 по высоте, и от 75 до 500 по ширине. Данные значения приведены для прямых и пазогребневых изделий, к стеновым обычно относят превышающие 300 мм в ширину, остальные – к перегородочным, хотя встречаются и исключения. Самыми востребованными считаются 600×300×200 и 625×300×250 мм, вес варьируется в пределах 17-40 кг, одна штука замещает не менее 17 кирпичей.

Выбор газоблоков для кладки несущих стен

Рекомендуемый минимум:

Назначение конструкции, дополнительные условияОптимальная марка газоблоковТолщина стены из газобетона, мм
Несущие наружные стены и внутренние перегородки в частных домахD600300
Нежилые помещения: хозпостройки, гаражи, летние кухниD400 и D500200
Несущие наружные в домах без внешнего утепленияD500360
Цокольные этажи и подвалы, при условии обязательной и качественной гидроизоляцииD600300-400
(меньше – для внутренних подвальных ненесущих стен)
Межквартирные перегородкиD500 и D600200-300
Утепляющие прослойкиD300От 300
Внутренние ненесущие перегородки, возводимые с целью разделения жилых зон и звукоизоляции100-150

Требуемый класс (и, соответственно, марка) газобетона также зависит от этажности. Допустимый минимум для одноэтажных легких построек составляет В2,0, в пределах 3-х этажей – В2,5, В3,5. Чем выше здание, тем жестче нормативы к прочности блоков, при строительстве частного дома выше двух армирование (закладка монолитной ленты по всему периметру) в верхней части стены из газобетона обязательно. Самонесущие перегородки разрешается строить из В2,0. В целях экономии их обычно выкладывают толщиной в пределах 100-150 мм. Рост ширины перегородки возможен в двух случаях: при повышенных требованиях к шумозащите и при планировании размещения на них подвесных конструкций: полок, мебели, пролетов или тяжелой техники. Допустимый минимальный предел – 200 мм.

Дополнительные учитываемые факторы при выборе толщины стен из газобетона

Указанные размеры актуальны исключительно при использовании материла автоклавной обработки, изготовленного в заводских условиях. Их качество можно и нужно проверять визуально и на ощупь: правильные изделия имеют гладкие стенки без сколов и внешних дефектов, они ни в коем случае не раскрашиваются. Блоки, не прошедшие пропаривание под давлением, уступают в прочности и не обеспечат требуемую несущую способность. Также по умолчанию они используются при строительстве домов в средней полосе, для конструкций, эксплуатируемых при нормальной влажности. При необходимости возведения в бассейнах, ванных, банях, подвалах применяются усиленные меры гидроизоляции.

Для исключения ошибок на стадии составления проекта следует провести прочностной и теплотехнический расчет размеров несущих конструкций с учетом их ожидаемой нагрузки и климатических условий. Коэффициент теплопроводности газобетона зависит от марки: от 0,072 Вт/м·°C у блоков D300, до 0,12 и выше у D600.

Взаимосвязь очевидна: чем плотнее и прочнее изделия, тем хуже их изоляционные способности. При равной средней температуре окружающего воздуха зимой разница между требуемым минимумом толщины стен, способных обеспечить нужное сопротивление потерям тепла, у марок с отличием в удельном весе от 100 кг/м3 достигает 1/3.

Требования к несущим конструкциям повышаются при строительстве домов в оконными проемами с большой площадью, эксплуатируемыми кровлями, высокой этажностью. В этом случае возможны несколько вариантов: использование конструктивных блоков с повышенной прочностью (более дорогих, что не всегда выгодно) или вертикальное армирование. Задействование монолитного ж/б каркаса с закладкой менее прочных, но хорошо держащих тепло элементов, считается разумной альтернативой. Но такие проекты требуют привлечения специалистов, они более сложны в реализации.

Толщина стен из газобетонных блоков

По сравнению с железобетоном газосиликатные конструкции обладают низкой прочностью. Оптимальная толщина газобетонных стен определяется двумя критериями: несущей способностью и теплопроводностью.

По специальной методике расчётов определяют, какая должна быть толщина стен из газосиликатных блоков. При проектировании небольших сооружений (подсобных строений, гаражей, дачных домиков) можно вполне обойтись без специальных расчётов толщины стен. Если для строительства этих объектов владелец хозяйства выберет стеновой материал шириной 200 – 300 мм, то он не ошибётся.

Планируя строительство 2 и 3 этажных домов, лучше обратиться к специалистам по проектированию зданий и сооружений.

Учитывая нагрузки и местные климатические условия, проектная организация на основе расчётов, определит – какой толщины должны быть стены дома.

Определение толщины газобетонной кладки:

В районах с холодным климатом нужно подбирать ширину блоков размером 600 мм. Особого смысла делать стены толще, нет. Это может принести только лишние затраты. При толщине стены более 600 мм теплоизоляция ограждающих конструкций не изменится. Что касается перегородок, то их толщина может быть от 100 до 250 мм.

От того, какими будут перегородки по толщине, зависит насколько тяжёлое навесное оборудование можно устанавливать (антресоли, микроволновая печь, телевизор и прочее).

Способы кладки

Выкладывая наружные стены из газобетонных блоков, рекомендовано создание одного или нескольких слоев ограждающей конструкции. Подробно об этом в таблице:

Способ оформленияОписание
ОднослойноеДекоративная штукатурка с армированием стекловолокном
ДвухслойноеУтеплитель из ваты базальтовой полужесткой с последующим оштукатуриванием
Двухслойное без утепленияВентиляционная прокладка и кирпич
ТрехслойноеФасад с вентиляцией и утеплителем либо кирпич с утеплением между стенами

Для скрепления газобетонных блоков целесообразно использование сухого клея с содержанием полимерных модификаторов и минеральных добавок. Толщина клеящего шва — 3 мм, позволяет избежать теплопотерь. При использовании раствора цемента с песком в качестве клея толщина шва увеличивается и приводит к образованию «мостиков холода».

Что такое плотность газобетона и на что она влияет? – ЖБИ России

При выборе и покупке газобетонных блоков к нам часто обращаются с вопросами, касающимися плотности материала и её связи с прочностными и теплотехническими характеристиками. Чтобы разобраться и дать аргументированный ответ, предлагаем рассмотреть структуру блоков и вспомнить физику.

Что такое газобетон?

Автоклавный газобетон, по сути, синтезированный камень, полученный в результате химической реакции, возникающей при взаимодействии газообразующего агента и остальных компонентов. Вследствие активного газообразования исходный объем смеси увеличивается в несколько раз, а в её структуре образуются мелкодисперсные полости. После её схватывания и отвердения получаются газобетонные блоки полостями-порами, имеющими твердую оболочку и наполненными воздухом, имеющим низкий коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность газобетона

Плотность материала показывает, какая масса вещества содержится в занимаемом им объеме, и зависит от макроструктуры — чем меньше пустотность (объем ячеек), тем ниже её значение. Теплопроводность измеряется в количестве теплоты, проходящей через образец газобетона в единицу времени.

Показатели плотности и теплопроводности прямо пропорциональны друг другу. Материал с мелкопористой структурой содержит множество ячеек с небольшим объемом и количеством воздуха, поэтому пропускает больше тепла. Соответственно, газобетон D500 c плотностью 500 кг/м3 имеет теплопроводность выше, чем D400 с параметрами 400 кг/м3.

Прочность газобетона

Как и в случае с теплопроводностью, значения плотности и прочности находятся в прямой зависимости друг от друга. Объяснение лежит в буквальном смысле на поверхности.

Из курса физики, прочность — способность сопротивляться разрушению под внешним воздействием, предел которой определяется отношением величины приложенной силы к площади поперечного сечения. Следовательно, показатели плотности при её вычислении не учитываются.

Почему же тогда прочность газобетона D500 выше, чем D400? Причина опять в макроструктуре — чем меньше пористость материала и объем ячеек, тем выше плотность, больше поверхность контакта, сила сцепления частиц и сопротивление ударному разрушению.

Смотрите информацию о продукции в каталоге газобетонных блоков.

HTPage4

    Три механизма теплопередачи:
    Проводимость

    Кондуктивный перенос тепла — это перенос энергии за счет движения молекул. и взаимодействие. Передача тепла через твердые тела происходит за счет молекулярной вибрация. Фурье определил, что Q / A, теплопередача на единицу площади (Вт / м2) пропорционален градиенту температуры dT / dx. Постоянная пропорциональности называется теплопроводностью материала k

    Уравнение Фурье:

    Коэффициент теплопроводности k зависит от материала, например, различные материалы, используемые в двигателях, обладают следующей теплопроводностью (Вт / м · К):

    Таблица I.Теплопроводность обычных материалов
    Медь 400
    Алюминий 240
    Чугун 80
    вода 0,61
    воздух 0,026
    Теплопроводность также несколько зависит от температуры материал.
Рисунок 8. Проводимость через стенку поршневого цилиндра.

Для чугунного блока цилиндров 0,012 м (½ дюйма) в устойчивом состоянии,

Следующий апплет представляет простой пример проводимости. Аплет.

Рисунок 9. Граничный слой.

Конвекция

Конвекционная теплопередача — это перенос энергии за счет движения жидкости в объеме.Конвекционная теплопередача через газы и жидкости от твердой границы возникает в результате движения жидкости по поверхности.

Ньютон определил, что теплопередача / площадь Q / A пропорциональна к разности температур твердого тела Ts-Tf. Разница температур обычно происходит через тонкий слой жидкости, прилегающий к твердой поверхности. Этот тонкий слой жидкости называется пограничным слоем. Константа пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи h.

Уравнение Ньютона:

Коэффициент теплопередачи зависит от типа жидкости и жидкости скорость. Тепловой поток, в зависимости от исследуемой области, является локальным или усредненная по площади. Обычно используются различные типы конвективной теплопередачи. подразделяются на следующие области:

Таблица II. Коэффициенты конвективной теплопередачи

Тип конвекции Описание Типичное значение h (Вт / м2 · К)
естественная конвекция Движение жидкости, вызванное разницей плотности 10 (газ)

100 (жидкость)

принудительная конвекция Движение жидкости, вызванное перепадом давления от вентилятора или насоса 100 (газ)

1000 (жидкость)

кипящая движение жидкости, вызванное переходом фазы с жидкости на пар 20 000
конденсация движение жидкости, вызванное переходом фазы с пара на жидкость 20 000
Рисунок 10.Диаграмма проблемы конвекции

Для блока цилиндров с принудительной конвекцией h 1000, температура поверхности 100 ° C, а температура охлаждающей жидкости 80 ° C, местная скорость теплоотдачи является :

Нажмите здесь, чтобы активировать конвекцию Аплет.

Рисунок 11. Излучение через стенку поршневого цилиндра

Излучение

Радиационная теплопередача — перенос энергии за счет излучения электромагнитных волны или фотоны от поверхности или объема.Радиация не требует теплоноситель и может происходить в вакууме. Передача тепла излучение пропорционально четвертой степени абсолютного материала температура. Константа пропорциональности s — постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67 x 10 -8 Вт / м2 · K4. Радиационная теплопередача также зависит от представленных свойств материала. на e — коэффициент излучения материала.

Для поверхности с коэффициентом излучения e = 0.8 и T = 373 K (100C) радиационная теплопередача равна

Для умеренных (менее 100 C) перепадов температур необходимо отметил, что радиационная и естественная конвекционная теплопередача примерно такой же.

Следующий апплет вычисляет тепло, передаваемое излучением от поверхность при температуре, Т с : Излучение Аплет.

Теплопроводность и коэффициент диффузии | от Lucid Learning

Что такое теплопроводность?

Когда система нагревается, она накапливает часть своей тепловой энергии и передает оставшуюся тепловую энергию какой-либо другой системе.Способность системы передавать тепловую энергию называется теплопроводностью системы. По сути, это свойство транспорта системы.

Теплопроводность обозначается буквой k. Единицей теплопроводности, как мы видели ранее, является Вт / м * К.

Что регулирует проводимость в твердых телах, жидкостях и газах?

Прежде чем анализировать теплопроводность для различных фаз, давайте рассмотрим явления, которые определяют теплопроводность через твердые тела, жидкости и газы.

В твердых телах тепло может передаваться через два механизма. Первый — это колебания решетки, а второй — поток свободных электронов. Повышенные колебания решетки способствуют передаче тепловой энергии через среду. Поток свободных электронов увеличивает электропроводность. Это также помогает в процессе распространения тепловой энергии через среду.

В жидкостях и газах теплопроводность происходит в основном за счет двух механизмов. Во-первых, это столкновение между атомами, молекулами или ионами, а во-вторых, молекулярная диффузия.По мере увеличения числа столкновений увеличивается обмен энергией между молекулами. Это помогает в транспортировке тепловой энергии через среду. Молекулярная диффузия — это случайное движение молекул в среде. По мере увеличения беспорядочного движения молекул это препятствует передаче тепловой энергии в определенном направлении.

От каких факторов зависит теплопроводность металлов, неметаллов и сплавов?

Как мы видели выше, теплопроводность через твердые тела зависит от двух эффектов, а именно колебаний решетки и потока свободных электронов.Теплопроводность достигается добавлением решетки и электронных компонентов.

где

= теплопроводность из-за колебаний решетки

= теплопроводность из-за электронного эффекта

В чистых металлах электронный эффект играет доминирующую роль. Таким образом, они имеют относительно более высокие значения теплопроводности. Для чистых металлов k ~ ke.

В неметаллах влияние колебаний решетки играет доминирующую роль. Неметаллы обычно имеют высокое электрическое сопротивление, которое препятствует прохождению электронов.Следовательно, для неметаллов k ~ kl.

Решеточная составляющая теплопроводности сильно зависит от того, как расположены молекулы. Например, древесина, которая представляет собой аморфное твердое тело (молекулы расположены очень беспорядочно), имеет относительно более низкие значения теплопроводности и действует как теплоизолятор. Теперь рассмотрим алмаз. Это высокоупорядоченное кристаллическое твердое вещество. Таким образом, он имеет самую высокую теплопроводность при комнатной температуре. Оксид бериллия (BeO), также не являющийся металлом, имеет относительно более высокую теплопроводность из-за своей кристалличности.

Металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла, поскольку в них есть свободные электроны, а также колебания решетки. С другой стороны, неметаллы не имеют свободных электронов, что означает, что они являются электрически непроводящими материалами. И вообще неметаллы, такие как дерево, не являются теплопроводными материалами. Однако неметаллы, такие как алмаз и оксид бериллия, являются хорошими проводниками тепла. В результате такие материалы находят широкое применение в электронной промышленности. Например. алмазные радиаторы, используемые для охлаждения электронных компонентов.

Чистые сплавы обладают высокой теплопроводностью. Можно было бы ожидать, что сплав из двух металлов с теплопроводностью k1 и k2 будет иметь проводимость k между k1 и k2. Удивительно, но это не так. Теплопроводность сплава двух металлов обычно намного ниже. Например, теплопроводность меди и алюминия составляет 401 Вт / м ° C и 237 Вт / м ° C соответственно.

От каких факторов зависит теплопроводность жидкостей и газов?

В газах преобладающую роль играет эффект столкновения молекул.Молекулярная диффузия, которая представляет случайность в среде, играет второстепенную роль. Увеличение числа столкновений молекул увеличивает обмен энергией между молекулами. Это увеличивает теплопроводность газов.

В жидкостях молекулы относительно более плотно упакованы, чем в газах. Следовательно, теплопроводность жидкостей в основном зависит от эффекта молекулярной диффузии, то есть от беспорядочного движения молекул. Как мы видели ранее, увеличивающееся беспорядочное движение молекул препятствует прохождению тепла через жидкости.

Сравнение теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов

Как теплопроводность зависит от температуры?

В случае чистых металлов и сплавов теплопроводность в основном зависит от электронного эффекта. С повышением температуры увеличивается как количество свободных электронов, так и колебания решетки. Таким образом, ожидается, что теплопроводность металла увеличится. Однако повышенные колебания решетки препятствуют потоку свободных электронов через среду.Комбинированный эффект этого явления в большинстве случаев приводит к снижению теплопроводности металлов и сплавов с повышением температуры. Из этого правила есть некоторые исключения. Для железа теплопроводность сначала уменьшается, а затем немного увеличивается с повышением температуры. Для платины теплопроводность увеличивается с повышением температуры.

В газах столкновения молекул усиливаются с ростом температуры. Таким образом, теплопроводность газа увеличивается с повышением температуры.

В жидкостях, как мы видели ранее, теплопроводность в основном зависит от эффекта молекулярной диффузии. С повышением температуры увеличивается хаотичность молекулярных движений. Это препятствует передаче тепла через жидкости. Таким образом, теплопроводность жидкостей уменьшается с повышением температуры. Однако есть одно исключение — чистая вода. В случае чистой воды теплопроводность сначала увеличивается с повышением температуры, а затем начинает уменьшаться.

(Источник: http: // www1.lsbu.ac.uk/water/thermodynamic_anomalies.html)

Как теплопроводность зависит от давления?

Поскольку большинство твердых тел и жидкостей по своей природе несжимаемы, теплопроводность не зависит от давления.

В случае газов кинетическая теория газов предсказывает, а эксперименты подтверждают, что теплопроводность газов пропорциональна квадратному корню из температуры T и обратно пропорциональна квадратному корню из молярной массы M. проводимость газов не зависит от давления в широком диапазоне давлений, встречающихся на практике.

Что такое температуропроводность?

Когда система нагревается, она накапливает часть тепловой энергии и передает оставшуюся тепловую энергию какой-либо другой системе. Как мы видели, способность материала передавать тепловую энергию называется теплопроводностью. Способность материала аккумулировать тепло называется теплоемкостью материала. Теплоемкость материала представлена ​​Cp.

Температуропроводность показывает, насколько быстро тепло распространяется через материал.Он определяется как

. Обратите внимание, что теплопроводность показывает, насколько хорошо материал проводит тепло, а теплоемкость Cp представляет, сколько энергии материал хранит на единицу объема. Следовательно, температуропроводность материала можно рассматривать как отношение тепла, проводимого через материал, к теплу, накопленному на единицу объема.

Как это связано с теплопроводностью?

Материал с более высокой теплопроводностью или более низкой теплоемкостью будет иметь большой коэффициент температуропроводности.Чем больше коэффициент температуропроводности, тем быстрее распространяется тепло в среду. Небольшое значение коэффициента температуропроводности означает, что тепло в основном поглощается материалом, а небольшое количество тепла отводится дальше.

Теплопроводность — теплопроводность | Определение

Теплопроводность , также называемая теплопроводность , происходит внутри тела или между двумя телами в контакте без участия массового потока и перемешивания. Это прямой микроскопический обмен кинетической энергией частиц через границу между двумя системами.Передача тепла за счет теплопроводности зависит от движущей «силы» разницы температур и теплопроводности (или сопротивления теплопередаче). Теплопроводность зависит от природы и размеров теплоносителя. Все задачи теплопередачи связаны с разницей температур , геометрией и физическими свойствами исследуемого объекта . В задачах теплопроводности исследуемый объект обычно является твердым телом.

Микроскопически этот режим передачи энергии приписывается потоку свободных электронов с более высоких уровней энергии на более низкие, колебаниям решетки и столкновениям молекул . Рассмотрим блок из камня при высокой температуре, который состоит из атомов, которые интенсивно колеблются вокруг своего среднего положения. При низких температурах атомы продолжают колебаться, но с меньшей интенсивностью на .

Если более горячий блок камня соприкасается с более холодным блоком, интенсивно колеблющиеся атомы на краю более горячего блока отдают свою кинетическую энергию менее колеблющимся атомам на краю холодного блока.В этом случае происходит передача энергии между этими двумя блоками и тепловых потоков от более горячего блока к более холодному за счет этих случайных колебаний. Современная точка зрения состоит в том, чтобы приписать перенос энергии волнам решетки, вызванным движением атомов. В электрических изоляторах передача энергии происходит исключительно через эти волны решетки. В проводнике это также связано с поступательным движением свободных электронов.

Как правило, металлов являются хорошими проводниками тепловой энергии.Это тесно связано с его хорошей электропроводностью . У металлов довольно высокая теплопроводность, и те металлы, которые являются лучшими электрическими проводниками, также являются лучшими проводниками тепла. Это связано с тем, как металлы связываются химически. Металлические связи имеют 90 249 свободно движущихся электронов, 90 250 (свободных электронов), которые быстро передают тепловую энергию через металл. Электронная жидкость проводящего металлического твердого тела проводит большую часть теплового потока через твердое тело.Фононный поток все еще присутствует, но несет меньше энергии. Об этих механизмах теплопроводности мы поговорим позже.

Закон теплопроводности Фурье

Теплопередача процессов можно количественно оценить с помощью соответствующих скоростных уравнений. Уравнение скорости в этом режиме теплопередачи основано на закон Фурье теплопроводности. Этот закон гласит, что время скорости передачи тепла через материал составляет , пропорционально отрицательному градиенту температуры и площади, перпендикулярной этому градиенту, через которую течет тепло.Его дифференциальная форма:

Тепловой поток

Скорость передачи тепла на единицу площади перпендикулярно направлению теплопередачи называется тепловым потоком . Иногда его также называют плотностью теплового потока . В системе СИ его единицы — ватты на квадратный метр (Вт.м −2 ). У него есть направление и величина, поэтому это векторная величина. Средний тепловой поток выражается как:

, где A — площадь теплопередачи.Единица теплового потока в английских единицах — БТЕ / ч · фут 2 . Обратите внимание, что тепловой поток может меняться со временем, а также от положения на поверхности.

В ядерных реакторах ограничение локального теплового потока имеет первостепенное значение для безопасности реактора. Поскольку ядерное топливо состоит из топливных стержней, тепловой поток здесь определяется в единицах Вт / см (локальный линейный тепловой поток) или кВт / стержень (мощность на топливный стержень).

Константа пропорциональности, полученная в соотношении, известна как теплопроводность , k (или λ ) материала.Материал, который легко передает энергию за счет проводимости, является хорошим проводником тепла и имеет высокое значение k . Закон Фурье — это выражение, определяющее коэффициент теплопроводности .

Как видно, для решения закона Фурье мы должны учитывать разницу температур, геометрию и теплопроводность объекта. Этот закон был впервые сформулирован Джозефом Фурье в 1822 году, который пришел к выводу, что «тепловой поток, возникающий в результате теплопроводности, пропорционален величине градиента температуры и противоположен ему по знаку».

Точно так же, как закон Фурье определяет тепловой поток через плиту, его также можно использовать для определения разницы температур, если известно q . Это можно использовать для расчета температуры в центре топливной таблетки, как будет показано в следующих разделах.

Теплопроводность

Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются с помощью свойства, называемого теплопроводностью , k (или λ), измеряемой в Вт / м.К . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности. Обратите внимание, что закон Фурье применяется ко всем веществам, независимо от их состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.

Коэффициент теплопроводности большинства жидкостей и твердых тел зависит от температуры. Для паров это также зависит от давления. В общем:

Большинство материалов почти однородны, поэтому обычно можно записать k = k (T) .Подобные определения связаны с теплопроводностью в направлениях y и z (k y , k z ), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, k x = k y = k z = k.

Из приведенного выше уравнения следует, что теплопроводный поток увеличивается с увеличением теплопроводности и увеличивается с увеличением разницы температур. В общем, теплопроводность твердого тела больше, чем у жидкости, которая больше, чем у газа.Эта тенденция в значительной степени обусловлена ​​различиями в межмолекулярном расстоянии для двух состояний вещества. В частности, алмаз имеет самую высокую твердость и теплопроводность среди всех сыпучих материалов.

См. Также: Теплопроводность

Теплопроводность диоксида урана

В большинстве реакторов PWR используется урановое топливо , которое находится в форме диоксида урана . Диоксид урана представляет собой черное полупроводниковое твердое вещество с очень низкой теплопроводностью .С другой стороны, диоксид урана имеет очень высокую температуру плавления и хорошо известное поведение . UO2 прессуется в гранулы , затем эти гранулы спекаются в твердое тело.

Эти таблетки затем загружаются и заключаются в топливный стержень (или топливный стержень), который изготовлен из циркониевых сплавов из-за его очень низкого поперечного сечения поглощения (в отличие от нержавеющей стали). Поверхность трубки, закрывающей пеллеты, называется оболочкой твэла .Топливные стержни являются базовым элементом тепловыделяющей сборки.

Теплопроводность диоксида урана очень низкая по сравнению с металлическим ураном, нитридом урана, карбидом урана и материалом оболочки из циркония. Теплопроводность является одним из параметров, определяющих температуру по средней линии топлива . Такая низкая теплопроводность может привести к локальному перегреву на центральной линии топлива, поэтому этого перегрева следует избегать. Перегрев топлива предотвращается за счет поддержания установившегося пика , линейного теплового потока (LHR) или коэффициента горячего канала теплового потока — F Q (z) ниже уровня, при котором происходит плавление средней линии топлива.Расширение топливной таблетки при плавлении по средней линии может привести к тому, что таблетка нагнетает оболочку до точки разрушения.

Теплопроводность твердого UO 2 с плотностью 95% оценивается по следующей корреляции [Клименко; Зорин]:

где τ = T / 1000. Неопределенность этой корреляции составляет + 10% в диапазоне от 298,15 до 2000 K и + 20% в диапазоне от 2000 до 3120 K.

Специальная ссылка: Тепловые и атомные электростанции / Справочник под ред.А.В. Клименко, В. Зорин. MEI Press, 2003.

Специальная ссылка: Теплофизические свойства материалов для ядерной техники: Учебное пособие и сбор данных. IAEA-THPH, МАГАТЭ, Вена, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Термическое сопротивление

В технике часто используется еще одно очень важное понятие. Поскольку существует аналогия между диффузией тепла и электрическим зарядом , инженеры часто используют тепловое сопротивление (т.е.е. тепловое сопротивление против теплопроводности) для расчета теплопередачи через материалы. Тепловое сопротивление является обратной величиной теплопроводности. Подобно тому, как электрическое сопротивление связано с проводимостью электричества, тепловое сопротивление может быть связано с проводимостью тепла.

Рассмотрим плоскую стенку толщиной L и средней теплопроводностью k. Две поверхности стены поддерживаются при постоянных температурах T 1 и T 2 .Для одномерной устойчивой теплопроводности через стенку имеем T (x). Тогда закон Фурье теплопроводности для стены может быть выражен как:

Уравнение теплопроводности

В предыдущих разделах мы имели дело, в частности, с одномерным стационарным теплопереносом, который может быть охарактеризован уравнением Фурье. закон теплопроводности. Но его применимость очень ограничена. Этот закон предполагает стационарную теплопередачу через плоское тело (обратите внимание, что закон Фурье может быть получен также для цилиндрических и сферических координат) без источников тепла .Это просто уравнение скорости в этом режиме теплопередачи, где известен температурный градиент.

Но основная проблема в большинстве анализов проводимости состоит в том, чтобы определить температурное поле в среде, возникающее в результате условий, наложенных на ее границы. В инженерии мы должны решать задачи теплопередачи, связанные с различной геометрией и различными условиями, такими как цилиндрический ядерный топливный элемент, который включает внутренний источник тепла или стенку сферической оболочки.Эти проблемы более сложны, чем планарный анализ, который мы проводили в предыдущих разделах. Поэтому эти проблемы будут предметом данного раздела, в котором будет введено и решено уравнение теплопроводности .

См. Также: Уравнение теплопроводности

Уравнение теплопроводности — общая форма

Уравнение теплопроводности — это уравнение в частных производных, которое описывает распределение тепла (или температурное поле ) в данном теле во времени .Детальное знание температурного поля очень важно для теплопроводности через материалы. Как только это распределение температуры известно, теплопроводность в любой точке материала или на его поверхности может быть вычислена по закону Фурье.

Уравнение теплопроводности получено из закона Фурье и сохранения энергии . Закон Фурье гласит, что время скорости передачи тепла через материал составляет , пропорционально отрицательному градиенту температуры и площади, перпендикулярной этому градиенту, через которую течет тепло.

Изменение внутренней энергии на единицу объема материала ΔQ пропорционально изменению температуры Δu. То есть:

∆Q = ρ.c p .∆T

Общая форма

Используя эти два уравнения, мы можем получить общее уравнение теплопроводности:

Это уравнение также известно как уравнение Фурье-Био и представляет собой основной инструмент для анализа теплопроводности.Из ее решения мы можем получить температурное поле как функцию времени.

На словах уравнение теплопроводности утверждает, что:

В любой точке среды чистая скорость передачи энергии путем теплопроводности в единицу объема плюс объемная скорость производства тепловой энергии должна равняться скорости изменения тепловая энергия, запасенная в объеме.

См. Также: Коэффициент теплопроводности

Пример — теплопроводность в топливном стержне

В большинстве реакторов PWR используется урановое топливо , которое находится в форме диоксида урана .Диоксид урана — это черный полупроводник с очень низкой теплопроводностью. С другой стороны, диоксид урана имеет очень высокую температуру плавления и хорошо известное поведение. Из UO 2 прессуют цилиндрических гранул , затем эти гранулы спекают в твердое тело.

Эти цилиндрические таблетки затем загружаются и заключаются в топливный стержень (или топливный стержень), который изготовлен из циркониевых сплавов из-за его очень низкого поперечного сечения поглощения (в отличие от нержавеющей стали).Поверхность трубки, закрывающей пеллеты, называется оболочкой твэла .

См. Также: Теплопроводность диоксида урана

Тепловое и механическое поведение топливных таблеток и топливных стержней составляют одну из трех основных дисциплин проектирования активной зоны. Ядерное топливо эксплуатируется в очень неблагоприятных условиях (тепловых, радиационных, механических) и должно выдерживать более высокие, чем нормальные условия эксплуатации. Например, температуры в центре топливных таблеток достигают более 90 249 1000 ° C 90 250 (1832 ° F), что сопровождается выделением газа деления.Поэтому подробные сведения о распределении температуры в отдельном топливном стержне необходимы для безопасной эксплуатации ядерного топлива. В этом разделе мы изучим уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах , используя граничное условие Дирихле с заданной температурой поверхности (т.е. используя граничное условие Дирихле). Подробный анализ температурного профиля твэлов будет рассмотрен в отдельном разделе.

Температура по средней линии топливной таблетки

Рассмотрим топливную таблетку с радиусом r U = 0.40 см , в котором происходит равномерное и постоянное тепловыделение на единицу объема, q V [Вт / м 3 ] . Вместо объемного теплового потока q V [Вт / м 3 ] инженеры часто используют линейный тепловой расход , q L [Вт / м] , который представляет собой тепловой расход одного метра топливного стержня. Линейная тепловая мощность может быть рассчитана из объемной тепловой мощности по следующей формуле:

Центральная линия принимается в качестве начала координат r.Благодаря симметрии в z-направлении и азимутальном направлении, мы можем разделить переменные и упростить эту задачу до одномерной задачи . Таким образом, мы решим только температуру как функцию радиуса, T (r) . Для постоянной теплопроводности k соответствующая форма цилиндрического уравнения теплопроводности :

Общее решение этого уравнения:

где C 1 и C 2 — константы интеграция.

Рассчитайте распределение температуры T (r) в этой топливной таблетке, если:

  • температура на поверхности топливной таблетки составляет T U = 420 ° C
  • радиус топливной таблетки r U = 4 мм .
  • усредненная проводимость материала составляет k = 2,8 Вт / м · K (соответствует диоксиду урана при 1000 ° C)
  • линейная тепловая мощность составляет q L = 300 Вт / см и, таким образом, объемная тепловая мощность равна q V = 597 x 10 6 Вт / м 3

В этом случае поверхность поддерживается при заданных температурах T U .Это соответствует граничному условию Дирихле. Более того, эта задача является термосимметричной, и поэтому мы можем использовать также граничное условие термосимметрии. Константы могут быть оценены с помощью подстановки в общее решение и имеют вид:

Результирующее распределение температуры и температура (максимальная) по средней линии (r = 0) в этой цилиндрической топливной таблетке при этих конкретных граничных условиях будут:

Радиальный тепловой поток на любом радиусе, q r [W.m -1 ], в цилиндре, конечно, можно определить с помощью распределения температуры и закона Фурье. Обратите внимание, что с тепловыделением тепловой поток больше не зависит от r.

∆T в топливной таблетке

Детальное знание геометрии, внешнего радиуса топливной таблетки, объемного теплового потока и температуры поверхности таблетки (T U ) определяет ∆T между внешней поверхностью и центральной линией топливной таблетки . Таким образом, мы можем рассчитать центральную температуру (T Zr, 2 ), просто используя сохранение энергии между теплом, выделяемым в объеме, и передаваемым за пределы объема:

На следующем рисунке показано распределение температуры в топливной таблетке при различных температурах. уровни мощности.

______

Температура в рабочем реакторе варьируется от точки к точке внутри системы. Как следствие, всегда есть один топливный стержень и один локальный объем , которые на горячее на , чем все остальные. Чтобы ограничить эти горячих точек , должны быть введены пределы пиковой мощности . Пределы пиковой мощности связаны с кризисом кипения и условиями, которые могут вызвать плавление топливных таблеток.Однако по металлургическим соображениям верхний предел составляет для температуры оболочки твэла и топливной таблетки. Выше этих температур существует опасность повреждения топлива. Одной из основных задач при проектировании ядерных реакторов является обеспечение отвода тепла, производимого на желаемом уровне мощности, при обеспечении того, чтобы максимальная температура топлива и максимальная температура оболочки всегда были ниже этих заранее определенных значений.

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 эти потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Электроэнергия в домашних условиях 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 электричество .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 кондукции 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. Когда 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 точками. 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 (и)

237

Песок

0.06

Латунь (ы)

110

Целлюлоза (и)

0,039

Медь (и)

398

Стекловата (и)

0.040

Золото

315

Вата (и)

0,029

Чугун (и)

55

Овечья шерсть

0.038

Выводы

35,2

Целлюлоза (и)

0,039

Серебро (а)

427

Пенополистирол (и)

0.03

Цинк (ов)

113

Дерево (-и)

0,13

Полиэтилен (HDPE) (и)

0.5

Ацетон (л)

0,16

Поливинилхлорид (ПВХ) (ы)

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 в себя 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 в качестве войлока из стекловолокна (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Еще одна переменная, которая влияет на скорость теплопередачи — это 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. Перед выходом на улицу нас просят 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 разница 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:

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, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Это применимо 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 составляет 21 ° C, а температура снаружи дома -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 .

Нам 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 значению 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, с которой тепло передается 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 .

% PDF-1.3 % 890 0 объект > эндобдж xref 890 82 0000000016 00000 н. 0000001991 00000 н. 0000002091 00000 н. 0000002765 00000 н. 0000003045 00000 н. 0000003174 00000 п. 0000003550 00000 н. 0000003673 00000 н. 0000004799 00000 н. 0000005098 00000 н. 0000005374 00000 п. 0000006481 00000 н. 0000006503 00000 н. 0000007488 00000 н. 0000007618 00000 н. 0000007641 00000 п. 0000008739 00000 н. 0000008761 00000 н. 0000009712 00000 н. 0000009734 00000 н. 0000010704 00000 п. 0000010819 00000 п. 0000010841 00000 п. 0000011873 00000 п. 0000012158 00000 п. 0000013273 00000 п. 0000013295 00000 п. 0000014134 00000 п. 0000014426 00000 п. 0000015540 00000 п. 0000015834 00000 п. 0000016953 00000 п. 0000016975 00000 п. 0000017965 00000 п. 0000018236 00000 п. 0000018523 00000 п. 0000018546 00000 п. 0000019627 00000 п. 0000019648 00000 п. 0000019669 00000 п. 0000019692 00000 п. 0000021358 00000 п. 0000021381 00000 п. 0000024328 00000 п. 0000024351 00000 п. 0000027533 00000 п. 0000027556 ​​00000 п. 0000029036 00000 н. 0000029059 00000 н. 0000032168 00000 п. 0000032191 00000 п. 0000036146 00000 п. 0000036169 00000 п. 0000042689 00000 п. 0000042712 00000 н. 0000049556 00000 п. 0000049579 00000 п. 0000057091 00000 п. 0000057114 00000 п. 0000062900 00000 п. 0000062923 00000 п. 0000064750 00000 п. 0000064773 00000 п. 0000068684 00000 п. 0000068707 00000 п. 0000072698 00000 п. 0000072721 00000 п. 0000076622 00000 н. 0000076645 00000 п. 0000079754 00000 п. 0000079777 00000 п. 0000082869 00000 п. 0000082892 00000 п. 0000086675 00000 п. 0000086698 00000 п. 0000089706 00000 п. 0000089729 00000 н. 0000093386 00000 п. 0000093408 00000 п. 0000093887 00000 п. 0000002155 00000 н. 0000002743 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 891 0 объект > эндобдж 892 0 объект > эндобдж 970 0 объект > транслировать Hb«`f`e`xX

(PDF) Теплопроводность газа методом импульсной инжекции с использованием детектора удельной теплопроводности (TCD)

840 Cataluña et al.J. Braz. Chem. Soc.

Jr (энергия) = — κA (dT / dr) (1)

Согласно кинетической теории газов, тепловая проводимость

, κA, идеального газа A с молярной концентрацией

[A] равна задается выражением

κA = 1/3 λ CV, м [A] (2)

где λ — длина свободного пробега, ĉ — средняя молекулярная скорость молекул

, а CV, m — молярная теплота

емкость при постоянном объеме.11 Строгая обработка

предсказывает теплопроводность многоатомных жидкостей

потребует, следовательно, всестороннего знания

раздельного и интерактивного поведения поступательных,

вращательных и колебательных степеней свободы многоатомной молекулы

.12 Используя импульсный метод, две

различной информации, а именно удельная теплоемкость и тепловая проводимость

, могут быть получены в рамках одного измерения

.13

В дополнение к экспериментальным результатам мы разработали новый упрощенный теоретический подход

, который позволяет испытать

полученные экспериментальные результаты для различных газов и

смесей.

Экспериментальные

Контрольно-измерительные приборы конкретного TCD

Общий принцип обнаружения тепловых датчиков проводимости

следующий.Между «холодным» и «горячим» элементом

поддерживается известная разница температур

. Тепло передается от «горячего» элемента к «холодному» элементу

посредством теплопроводности через газ-носитель

. Температурный градиент устанавливается за счет тепловой энергии потока

в газовой среде. Таким образом, мощность, необходимая для нагрева

«горячего» элемента, является прямой мерой выходного электрического сигнала

для теплопроводности.

Потери тепла из-за излучения, конвекции и теплопроводности

через выводы «горячего» элемента должны быть минимизированы

за счет конструкции датчика.14

На рисунке 1 (а) показан мост Уитстона, а на рисунке

1 ( б) соответствующее устройство TCD. Датчик

состоит из четырех камер: измерительной камеры и трех эталонных камер

. Камеры состоят из трубок из боросиликатного стекла

(Pyrex ™) с внутренним диаметром 2 мм и длиной

40 мм.Мощность нагрева требуется для поддержания разницы температур

между «горячим» элементом и температурой

окружающей среды. Четыре камеры расположены внутри

алюминиевого блока, который оснащен электронным управлением

для поддержания постоянной температуры блока и, следовательно, датчика

. Используя гелий, который обладает высокой теплопроводностью

, в качестве газа-носителя, температура нити

поддерживается как можно более низкой.Поток газа-носителя составляет

30 мл мин-1, вводимый объем газа составляет 200 мкл, температура алюминиевого блока

установлена ​​на уровне 323 K, а источник электропитания

составляет 14 В. Система работает на

постоянное давление. При проведении измерений выходной сигнал

моста напряжения записывается

непрерывно с помощью компьютерной платы CIODAS-08.

Измерения с помощью TCD основаны на отслеживании

изменений электропроводности нити, вызванных

изменением ее температуры во время прохождения образца

газа.Выходной сигнал «E (t)» в мосте Уитстона равен

на основе изменений сопротивления датчика «Rf».

Предлагаемый подход к оценке теплопроводности

с использованием TCD

В стационарных условиях количество тепла

, переданное от нити накала в газовую фазу, составляет

, пропорционально теплопроводности текущей газовой смеси

и теплопроводности. разница температур

нити накала и стенок ячеек.Температура датчика

постоянная при стационарных условиях нагрева и постоянный расход

неизменного газа. В этом случае температура нити

остается постоянной и dTf (t) / dt = 0. Когда образец газа

,

вводится в текучую среду, текущую внутри канала, переходная температура нити

создает переходное напряжение

в мосте Уитстона E (t).

Теплопроводность газовой фазы в датчике камеры

во время измерительного эксперимента будет

как результат носителя и пробы газа.Поскольку тепловые потери

из-за перехода газовой фазы, температура

датчика нити также изменится. Изменение состава

протекающих газов отражается в изменении

температуры датчика, вызывая изменение сопротивления

датчика, Rf, таким образом обеспечивая электрически обрабатываемый сигнал

.8 Когда кольцевая оболочка вокруг нити накала

, а тепло в радиальном и осевом направлениях уравновешено,

Рисунок 1.Схематический чертеж конструкции датчика и электрической схемы для измерения выходных сигналов для ввода импульсов.

Измерители теплопроводности | Нормандальский муниципальный колледж

Фил Дэниэлсон

Манометры теплопроводности чрезвычайно распространены в вакуумной технике, но понимание их принципов измерения и работы может помочь в их правильном применении.

Измерение давления необходимо практически для всех вакуумных процессов и практикующих специалистов, но существует так много вариаций в диапазонах давления и степени требуемой точности и точности, что нет возможности определить единственный тип манометра, который будет использоваться для все.Приложения могут варьироваться от простого контроля всего или части цикла откачки до точного измерения предельного давления в строгих условиях или измерения и контроля критического технологического газа. Однако есть два типа датчиков, которые, вероятно, являются наиболее часто используемыми из многих доступных типов: ионизационные датчики и датчики теплопроводности.

Процесс высокого вакуума должен быть обеспечен системой измерения, которая следует за циклом откачки от атмосферного давления через объемную зону в зону осушки.Датчик теплопроводности может отслеживать давление на всем протяжении всей объемной зоны, но когда система переходит в зону осушки ниже примерно 10 -3 торр, где водяной пар становится преобладающим остаточным газом, требуется датчик ионизации. В общем, за исключением некоторых модификаций манометров с расширенным диапазоном, эти два манометра вместе могут использоваться для охвата полного цикла откачки. Вот почему так много электронных контроллеров манометров объединяют оба типа манометров в одном устройстве.

(Слева) Схематическое изображение датчика термопары: Чувствительный элемент с нагретой проволокой является одной из опор моста Уитстона, и когда температура провода изменяется в ответ на изменения давления, мост выходит из равновесия, чтобы обеспечить аналог считывания давления. (справа) Схема датчика Пирани: чувствительный элемент с нагретой проволокой изменяет температуру в ответ на изменение давления, а термопара измеряет температуру проволоки.

Теплопроводность и давление

Горячий провод, помещенный в оболочку, будет передавать тепловую энергию от проволоки к любым молекулам газа, которые с ней соприкасаются, и эта энергия снова будет передаваться стенкам оболочки. При непрерывном движении молекул газа тепловое равновесие будет достигаться до тех пор, пока количество молекул газа (давление) остается постоянным. Однако если давление изменится и провод будет резистивно нагрет током от источника постоянного тока, будет достигнуто новое тепловое равновесие, и температура провода изменится, чтобы отразить новое количество молекул газа, которые могут уносить тепло. из проволоки.Это означает, что температуру провода можно использовать как показатель давления внутри оболочки.

Это основной принцип всех датчиков теплопроводности. Изменение давления в зависимости от температуры проволоки остается довольно линейным в диапазоне давлений примерно 10 -3 -1 торр. Ниже этого диапазона теплопередача происходит в основном за счет излучения от поверхности провода и в основном за счет тепловой конвекции над ней. Датчики теплопроводности, охватывающие этот диапазон, используются в течение многих лет и делятся на две основные группы: датчики с термопарами и датчики Пирани.

Термопары

Термопары

, как следует из названия, используют термопару, прикрепленную к горячему проводу, для измерения его температуры. Если, например, датчик термопары используется для контроля цикла откачки, проволока будет становиться все горячее и горячее по мере падения давления и все меньше и меньше молекул будет доступно для передачи тепла от проволоки.

Тепло также передается потоком через провод термопары и опорные / проходные штифты для горячей проволоки.

Это означает, что вся чувствительная матрица должна быть сконструирована из проводящих металлических выводов с минимально возможным диаметром, чтобы избежать чрезмерных потерь тепла. Эта проблема становится более острой при самых низких давлениях манометра, когда проволока находится в самом разогретом состоянии. Поскольку нагретая проволока в большинстве термопреобразователей должна работать при максимальных температурах от 200 до 300 ° C, она сделана из благородного металла, такого как платина, во избежание проблем с окислением.

При самых низких давлениях горячая проволока часто подвергается воздействию паров масла, если используются механические насосы с масляным уплотнением.Пары масла могут либо трескаться, оставляя нагар, либо полимеризоваться, оставляя на проводе слой теплоизоляции. Поскольку скорость обратного потока масла в насосе максимальна при низких давлениях, это может стать серьезной проблемой, поскольку приведет к изменению калибровки манометра. Хотя иногда можно очистить датчики промыванием растворителями, успех отнюдь не гарантирован. Растворители могут не полностью удалять покрытия, и решетки электродов должны быть достаточно деликатными, чтобы брызги жидкости могли легко вызвать механические повреждения.Необходимая деликатность также означает, что они не выдержат ударов при неправильном обращении, например, свободного падения на бетонный пол.

Термопары

откалиброваны таким образом, что температура провода отображается как показание давления. Это позволяет учитывать такие проблемы, как колебания теплового потока через поддерживающие электроды. Одна проблема, для которой невозможно откалибровать, основана на том факте, что проволока должна изменять температуру при изменении давления. Несмотря на то, что характеристики теплоемкости и теплового потока сенсорной матрицы сведены к минимуму, существует некоторое время запаздывания, связанное с изменениями температуры в ответ на изменения давления.В большинстве случаев это не проблема, но быстрые изменения давления, которые могут быть обнаружены при быстрой откачке или обратной засыпке, могут привести к значительным задержкам во времени реакции.

Манометры Пирани

Датчики Пирани

также используют изменение температуры нагретой проволоки, но в отличие от датчиков термопар, они не измеряют температуру проволоки напрямую. Вместо этого они используют тот факт, что сопротивление металлической проволоки изменяется в зависимости от температуры проволоки. Если нагретый провод выполнен в качестве одной из опор моста Уитстона с балансирующей опорой, подверженной воздействию температуры окружающей среды в качестве компенсатора, и оба они установлены против двух постоянных резисторов, симметричная схема выйдет из равновесия при изменении провода датчика. сопротивление при изменениях давления, которые изменяют температуру проволоки.Датчики Пирани, как правило, работают с нагретым проводом, который намного холоднее (120-200 ° C), чем датчик термопары, и это снижает вероятность их загрязнения маслом механического насоса.

Датчики Пирани

, которые нагреваются постоянным током, обычно имеют более быстрое время отклика, чем датчики термопары, из-за таких различий, как меньшие электроды. Многие современные датчики сейчас работают в режиме постоянной температуры. Отдельная схема постоянно меняет потребляемую мощность, чтобы поддерживать постоянное сопротивление датчика.Это дает полное время отклика в миллисекундах.

Чувствительность к газам

Как термопара, так и манометры Пирани имеют общую потенциальную проблему применения в том, что они оба имеют сильно различающуюся чувствительность к конкретным измеряемым газам. Это связано с большими вариациями теплопроводности, которые отображают разные газы. Поскольку эти манометры чаще всего используются для контроля откачки от атмосферного давления, это редко является проблемой, но может быть проблемой, если требуются тщательные измерения давления конкретного газа.Когда измеряемый газ известен, большинство коммерческих устройств будут снабжены калибровочными таблицами, кривыми или коэффициентами, позволяющими преобразовать показания давления. Если показания давления чрезвычайно точны, например, для технологического газа, было бы лучше рассмотреть емкостной манометр, который одинаково реагирует на все газы.

Улучшение конвекции

Хотя ранние датчики теплопроводности были ограничены диапазоном высокого давления ниже примерно 1 торр, поскольку теплопередача смещалась с теплопроводности на конвекцию при более высоких давлениях, новые датчики решили эту проблему.Сейчас доступно множество манометров, которые расширили свой диапазон до атмосферного давления. Для учета изменений температуры проволоки из-за конвективного движения газа применялись различные методы. В этот список входят компенсационные электроды и расстояние, которое достаточно мало, чтобы исключить конвективное движение. Во многих случаях методы улучшения требуют, чтобы трубки были установлены в определенном положении для учета движения газа в более высоком диапазоне.

Расширение диапазона также привело к дополнительной проблеме специфической чувствительности к газам.Если манометр используется для заполнения камеры до атмосферного давления тяжелым газом, таким как аргон, показания, откалиброванные для азота, будут настолько низкими, что в камере будет повышенное давление задолго до того, как будет отображаться атмосфера, и очевидная проблема безопасности полученные результаты.

Приложения

Как и все вакуумные устройства, датчики теплопроводности чувствительны к применению.

Ответить

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *