Коэффициент теплопроводности строительных материалов: что означает показатель + таблица значений

—> 04.02.2021 image —>

Теплопроводность стали – это способность материала проводить через себя тепловую энергию от более нагретых частей к холодным. Процесс происходит за счёт электронов, атомов, молекул и друг частиц структуры стали. Высокая теплопроводность очень важна, например, для посуды, а низкая делает более надежными и долговечными строительные материалы.

image

Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали

Теплопроводность нержавеющей стали относительно низкая по сравнению с другими сплавами. Материал широко используется в агрессивных средах и в качестве элементов для архитектурных конструкций. Нередко его применяют для фасадов сооружений, печей и конвейеров на производстве. Преимущество низкой теплопроводности в высокой энергоэффективности и стабильности.

Если коэффициент теплопроводности стали углеродистого типа составляет в пределах 45 Вт/(м·К), то коэффициент теплопроводности нержавеющей стали имеет всего около 15 Вт/(м·К). На способность сплава передавать тепло влияет его состав, а также окружающая температурная среда. Покупая нержавеющий металлопрокат, очень важно уделить надлежащее внимание этому критерию.

Теплопроводность алюминия и стали

Если сравнивать теплопроводность алюминия и стали, то важно отталкиваться от условий их планируемой эксплуатации. Теплопроводность алюминия при типичной комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град). Ввиду этого, материал часто используется для производства радиаторов и теплоотводов.

Плавление алюминия происходит при температуре 660 °С, важные свойства материала при этом значительно теряются. Показатели во многом зависят от физических параметров, например, плотности. Сегодня спросом пользуются сплавы алюминия с медью, кремнием и цинком.

По технологическим особенностям их разделяют на:

Теплопроводность чугуна и стали

Оба материала представляют собой сплав углерода и железа. Очень широко применяются и в промышленности, и в быту. Сталь отличается повышенной твёрдостью и прочностью, а чугун лёгкостью и более низкой температурой плавления. Сталь лучше поддается обработке за счёт меньшего содержания в собственном составе углерода (по сравнению с чугуном).

Теплопроводность чугуна и стали очень важна и данному показателю почти каждый покупатель уделяет большое внимание. Теплопроводность сплавов, в отличие от показателей теплоемкости, не может быть определена по правилу смешения. А установить влияние отдельных элементов на теплопроводность чугуна можно лишь приблизительно.

Необходима отвечающая высоким требованиям сталь?

Выбирайте материал с подходящими свойствами на нашем сайте и оставляйте заказ! В нашем ассортименте представлен материал самого разнообразного назначения!

Выводы

Когда стоит задача купить нержавейку и теплопроводность материала имеет серьёзное значение, важно уделить внимание и другим его характеристикам. Необходимо учесть состав сплава, температурную среду в месте эксплуатации и другие не менее важные составляющие. Помочь с выбором стали вам всегда готовы специалисты нашей компании, обеспечив личной консультацией.

Низкая теплопроводность нержавеющей стали может стать весомым, если не главным преимуществом материала. Планируя покупку, обращайте внимание на все указанные технические показатели. А на дополнительные вопросы вам всегда будут рады дать исчерпывающие ответы наши сотрудники.

Компания «ВЕСТА» на украинском рынке металлопроката успешно работает и развивается с 2003 года. В ассортименте наших позиций для ваших нужд непременно найдётся подходящий по важным критериям вариант. Мы ценим выбор своих покупателей и осуществляем высокий контроль качества товара!

Термин «теплопроводность» применяется к свойствам материалов пропускать тепловую энергию от горячих участков к холодным. Теплопроводность основана на движении частиц внутри веществ и материалов. Способность передавать энергию тепла в количественном измерении – это коэффициент теплопроводности. Круговорот тепловой энергопередачи, или тепловой обмен, может проходить в любых веществах с неравнозначным размещением разных температурных участков, но коэффициент теплопроводности зависим от давления и температуры в самом материале, а также от его состояния – газообразного, жидкого или твердого.

Эквивалентная теплопроводимость строительных материалов и утеплителей

Физически теплопроводность материалов равняется количеству тепла, которое перетекает через однородный предмет установленных габаритов и площади за определенный временной отрезок при установленной температурной разнице (1 К). В системе СИ единичный показатель, который имеет коэффициент теплопроводности, принято измерять в Вт/(м•К).

Содержание

Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье

В заданном тепловом режиме плотность потока при передаче тепла прямо пропорциональна вектору максимального увеличения температуры, параметры которой изменяются от одного участка к другим, и по модулю с одинаковой скоростью увеличения температуры по направлению вектора:

q = − ϰ х grad х (T), где:

  • q – направление плотности предмета, передающего тепло, или объем теплового потока, который протекает по участку за заданную временную единицу через определенную площадь, перпендикулярный всем осям;
  • ϰ – удельный коэффициент теплопроводности материала;
  • T – температура материала.
Перенос тепла в неравновесной термодинамической системе

Знак «-» в формуле перед «ϰ» указывает, что тепло движется в противоположном направлении от вектора grad х (T)/ – в направлении уменьшения температуры предмета. Эта формула отражает закон Фурье. В интегральном выражении коэффициент теплопередачи согласно закону Фурье будет выглядеть как формула:

  • P = − ϰ х S х ΔT / l, выражается в (Вт/(м•К) х (м2•К) / м = Вт/(м•К) х (м•К) = Вт), где:
  • P ­– общая мощность потерь теплоотдачи;
  • S – сечение предмета;
  • ΔT – разница температуры по стыкам сторон предмета;
  • l – расстояние между стыками сторон предмета – длина фигуры.
Связь коэффициента теплопроводимости с электропроводностью материалов

Электропроводность и коэффициент теплопередачи

Собственно, коэффициент теплопроводности металлов «ϰ» связан с их удельной электропроводимостью «σ» согласно закону Видемана-Франца, в соответствии с которым коэффициент теплопроводности металлов зависит от удельной электропроводимости прямо пропорционально температуре:

Κ / σ = π2 / 3 х (К / e)2 х T, где:

  • К – постоянный коэффициент Больцмана, устанавливающий закономерность между тепловой энергией тела и его температурой;
  • e – заряд электрона;
  • T – термодинамическая температура предмета.

» alt=»»>

Коэффициент теплопроводности газовой среды

В газовой среде коэффициент теплопроводности воздуха может рассчитываться по приблизительной формуле:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х Λλ х v, где:

  • pv – плотность газовой среды;
  • cv – удельная емкость тепловой энергии при одном и том же объеме тела;
  • Λλ – расстояние свободного перемещения молекул в газовой среде;
  • v – скорость передачи тепла.
Что такое теплопроводимость

Или:

ϰ = I x К / 3 x π3/3 x d2 √ RT / μ, где:

  • i – результат суммирования уровней свободы прямого движения и вращения молекул в газовой среде (для 2-атомных газов i=5, для 1-атомных i=3;
  • К – коэффициент Больцмана;
  • μ – отношение массы газа к количеству молей газа;
  • T – термодинамическая температура;
  • d – ⌀ молекул газа;
  • R – универсальный коэффициент для газовой среды.

Согласно формуле минимальная теплопроводность материалов существует у тяжелых инертных газов, максимально эффективная теплопроводность строительных материалов – у легких.

» alt=»»>

Теплопроводимость в газовой разреженной среде

Газовая среда и теплопроводность

Результат по выкладкам выше, по которым делают расчет теплопроводности для газовой среды, от давления не зависит. Но в очень разреженной газовой среде расстояние свободного перемещения молекул зависит не от столкновений частиц, а от препятствий в виде стен резервуара. При этом ограничение перемещения молекул в соответствующих единицах измерения называют высоковакуумной средой, при которой степень теплообмена уменьшается в зависимости от плотности материала и прямо пропорциональна значению давления в резервуаре:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х l х v, где:

i – объем резервуара;

Р – уровень давления в резервуаре.

Согласно этой формуле теплопроводность в вакуумной среде стремится к нулевой отметке при глубоком вакууме. Это объясняется тем, что в вакууме частицы, которые передают тепловую энергию, имеют низкую плотность на единицу площади. Но тепловая энергия в вакуумной среде перетекает посредством излучения. В качестве примера можно привести обычный термос, в котором для уменьшения потерь тепловой энергии стенки должны быть двойными и посеребренными, без воздуха между ними.

Что такое тепловое излучение

При применении закона Фурье не принимают во внимание инерционность перетекания тепловой энергии, а это значит, что имеется в виду мгновенная передача тепла из любой точки на любое расстояние. Поэтому формулу нельзя использовать для расчетов передачи тепла при протекании процессов, имеющих высокую частоту повторения. Это ультразвуковое излучение, передача тепловой энергии волнами ударного или импульсного типа и т.д. Существует решение по закону Фурье с релаксационным членом:

τ х ∂q / ∂t = − (q + ϰ х ∇T) .

Если ре­лак­са­ция τ мгновенная, то формула превращается в закон Фурье.

Ориентировочная таблица теплопроводности материалов:

Основа Значение теплопроводности, Вт/(м•К)
Жесткий графен 4840 +/ 440 – 5300 +/ 480
Алмаз 1001-2600
Графит 278,4-2435
Бора арсенид 200-2000
SiC 490
Ag 430
Cu 401
BeO 370
Au 320
Al 202-236
AlN 200
BN 180
Si 150
Cu3Zn2 97-111
Cr 107
Fe 92
Pt 70
Sn 67
ZnO 54
 Черная сталь 47-58
Pb 35,3
Нержавейка Теплопроводность стали – 15
SiO2 8
Высококачественные термостойкие пасты 5-12
Гранит

(состоит из SiO2 68-73 %; Al2O3 12,0-15,5 %; Na2O 3,0-6,0 %; CaO 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe2O3 0,5-2,5 %; К2О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; TiO2 0,1-0,6 %)

2,4
Бетонный раствор без заполнителей 1,75
Бетонный раствор со щебнем или с гравием 1,51
Базальт

(состоит из SiO2 – 47-52%, TiO2 – 1-2,5%, Al2O3 – 14-18%, Fe2O3 – 2-5%, FeO – 6-10%, MnO – 0,1-0,2%, MgO – 5-7%, CaO – 6-12%, Na2O – 1,5-3%, K2O – 0,1-1,5%, P2O5 – 0,2-0,5 %)

1,3
Стекло

(состоит из SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2, AlF3 и т.д.)

1-1,15
Термостойкая паста КПТ-8 0,7
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия 0,7
Вода чистая 0,6
Силикатный

или красный кирпич

0,2-0,7
Масла

на основе силикона

0,16
Пенобетон 0,05-0,3
Газобетон 0,1-0,3
Дерево Теплопроводность дерева – 0,15
Масла

на основе нефти

0,125
Снег 0,10-0,15
ПП с группой горючести Г1 0,039-0,051
ЭППУ с группой горючести Г3, Г4 0,03-0,033
Стеклянная вата 0,032-0,041
Вата каменная 0,035-0,04
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа) 0,022
Гель

на основе воздуха

0,017
Аргон (Ar) 0,017
Вакуумная среда

Приведенная таблица теплопроводности учитывает теплопередачу посредством теплового излучения и теплообмена частиц. Так как вакуум не передает тепло, то оно перетекает при помощи солнечного излучения или другого типа генерации тепла.  В газовой или жидкой среде слои с разной температурой смешиваются искусственно или естественным способом.

Таблица теплопроводимости стройматериалов

Проводя расчет теплопроводности стены, необходимо принимать во внимание, что теплопередача сквозь стеновые поверхности меняется от того, что температура в здании и на улице всегда разная, и зависит от площади всех поверхностей дома и от теплопроводности стройматериалов.

Чтобы количественно оценить теплопроводность, ввели такое значение, как коэффициент теплопроводности материалов. Он показывает, как тот или иной материал способен передавать тепло. Чем выше это значение, например, коэффициент теплопроводности стали, тем эффективнее сталь будет проводить тепло.

  • При утеплении дома из древесины рекомендуется выбирать стройматериалы с низким коэффициентом.
  • Если стена кирпичная, то при значении коэффициента 0,67 Вт/(м2•К) и толщине стены 1 м при ее площади 1 м2 при разнице наружной и внутридомовой температуры 1 С кирпич будет пропускать 0,67 Вт энергии. При разнице температур 10 С кирпич будет пропускать 6,7 Вт и т.д.

Стандартное значение коэффициента теплопроводимости теплоизоляции и других строительных материалов верно для толщины стены 1 м. Чтобы провести расчет теплопроводности поверхности другой толщины, следует коэффициент поделить на выбранное значение толщины стены (метры).

Ориентировочные показатели коэффициентов теплопроводимости

В СНиП и при проведении расчетов фигурирует термин «тепловое сопротивление материала», он означает обратную теплопроводность. То есть при теплопроводности листа пенопласта 10 см и его теплопроводности 0,35 Вт/(м2•К) тепловое сопротивление листа – 1 / 0,35 Вт/(м2•К) = 2,85 (м2•К)/Вт.

Ниже – таблица теплопроводности для востребованных строительных материалов и теплоизоляторов:

Стройматериалы Коэффициент теплопроводимости, Вт/(м2•К)
Плиты из алебастра 0,47
Al 230
Шифер асбоцементный 0,35
Асбест (волокно, ткань) 0,15
Асбоцемент 1,76
Асбоцементные изделия 0,35
Асфальт 0,73
Асфальт для напольного покрытия 0,84
Бакелит 0,24
Бетон с заполнителем щебнем 1,3
Бетон с заполнителем песком 0,7
Пористый бетон – пено- и газобетон 1,4
Сплошной бетон 1,75
Термоизоляционный бетон 0,18
Битумная масса 0,47
Бумажные материалы 0,14
Рыхлая минвата 0,046
Тяжелая минвата 0,05
Вата – теплоизолятор на основе хлопка 0,05
Вермикулит в плитах или листах 0,1
Войлок 0,046
Гипс 0,35
Глиноземы 2,33
Гравийный заполнитель 0,93
Гранитный или базальтовый заполнитель 3,5
Влажный грунт, 10% 1,75
Влажный грунт, 20% 2,1
Песчаники 1,16
Сухая почва 0,4
Уплотненный грунт 1,05
Гудроновая масса 0,3
Доска строительная 0,15
Фанерные листы 0,15
Твердые породы дерева 0,2
ДСП 0,2
Дюралюминиевые изделия 160
Железобетонные изделия 1,72
Зола 0,15
Известняковые блоки 1,71
Раствор на песке и извести 0,87
Смола вспененная 0,037
Природный камень 1,4
Картонные листы из нескольких слоев 0,14
Каучук пористый 0,035
Каучук 0,042
Каучук с фтором 0,053
Керамзитобетонные блоки 0,22
Красный кирпич 0,13
Пустотелый кирпич 0,44
Полнотелый кирпич 0,81
Сплошной кирпич 0,67
Шлакокирпич 0,58
Плиты на основе кремнезема 0,07
Латунные изделия 110
2,21
2,44
Лиственное дерево при влажности 15% 0,15
Медные изделия 380
Мипора 0,086
Опилки для засыпки 0,096
Сухие опилки 0,064
ПВХ 0,19
Пенобетон 0,3
Пенопласт марки ПС-1 0,036
Пенопласт марки ПС-4 0,04
Пенопласт марки ПХВ-1 0,05
Пенопласт марки ФРП 0,044
ППУ марки ПС-Б 0,04
ППУ марки ПС-БС 0,04
Лист из пенополиуретана 0,034
Панель из пенополиуретана 0,024
Облегченное пеностекло 0,06
Тяжелое вспененное стекло 0,08
Пергаминовые изделия 0,16
Перлитовые изделия 0,051
Плиты на цементе и перлите 0,085
Влажный песок 0% 0,33
Влажный песок 0% 0,97
Влажный песок 20% 1,33
Обожженный камень 1,52
Керамическая плитка 1,03
Плитка марки ПМТБ-2 0,035
Полистирол 0,081
Поролон 0,04
Раствор на основе цемента без песка 0,47
Плита из натуральной пробки 0,042
Легкие листы из натуральной пробки 0,034
Тяжелые листы из натуральной пробки 0,05
Резиновые изделия 0,15
Рубероид 0,17
Сланец 2,100
Снег 1,5
Хвойная древесина влажностью 15% 0,15
Хвойная смолистая древесина влажностью 15% 0,23
Стальные изделия 52
Стеклянные изделия 1,15
Утеплитель стекловата 0,05
Стекловолоконные утеплители 0,034
Стеклотекстолитовые изделия 0,31
Стружка 0,13
Тефлоновое покрытие 0,26
Толь 0,24
Плита на основе цементного раствора 1,93
Цементно-песчаный раствор 1,24
Чугунные изделия 57
Шлак в гранулах 0,14
Шлак зольный 0,3
Шлакобетонные блоки 0,65
Сухие штукатурные смеси 0,22
Штукатурный раствор на основе цемента 0,95
Эбонитовые изделия 0,15
Влажность и теплопроводимость – зависимость

Кроме того, необходимо учитывать теплопроводность утеплителей из-за их струйных тепловых потоков. В плотной среде возможно «переливание» квазичастиц из одного нагретого стройматериала в другой, более холодный или более теплый, через поры субмикронных размеров, что помогает распространять звук и тепло, даже если в этих порах  будет абсолютный вакуум.

» alt=»»>

Рассмотрим одну из важнейших характеристик стройматериалов – коэффициент теплопроводности, так как именно от этого свойства во многом зависит, к примеру, уровень комфорта в доме.

Что такое КТП строительного материала?

Теоретически, да и практически тоже, строительными материалами, как правило, создаются две поверхности – наружная и внутренняя. С точки зрения физики, теплая область всегда стремится к холодной области.

Применительно к стройматериалу, тепло будет стремиться от одной поверхности (более теплой) к другой поверхности (менее теплой). Вот, собственно, способность материала относительно такого перехода и называется – коэффициентом теплопроводности или в аббревиатуре – КТП.

Схема, поясняющая эффект теплопроводности: 1 – тепловая энергия; 2 – коэффициент теплопроводности; 3 – температура первой поверхности; 4 – температура второй поверхности; 5 – толщина стройматериала

Характеристика КТП обычно строится на основе испытаний, когда берётся экспериментальный экземпляр размерами 100х100 см и к нему применяется тепловое воздействие с учётом разницы температур двух поверхностей в 1 градус. Время воздействия 1 час.

Соответственно, измеряется теплопроводность в Ваттах на метр на градус (Вт/м°C). Коэффициент обозначается греческим символом λ.

По умолчанию, теплопроводность различных материалов для строительства со значением меньше 0,175 Вт/м°C, приравнивает эти материалы к разряду изоляционных.

Современным производством освоены технологии изготовления стройматериалов, уровень КТП которых составляет меньше 0,05 Вт/м°C. Благодаря таким изделиям, удается достичь выраженного экономического эффекта в плане потребления энергетических ресурсов.

Влияние факторов на уровень теплопроводности

Каждый отдельно взятый стройматериал имеет определенное строение и обладает своеобразным физическим состоянием.

Основой этого являются:

  • размерность кристаллов структуры;
  • фазовое состояние вещества;
  • степень кристаллизации;
  • анизотропия теплопроводности кристаллов;
  • объем пористости и структуры;
  • направление теплового потока.

Все это – факторы влияния. Определенное влияние на уровень КТП также оказывает химический состав и примеси. Количество примесей, как показала практика, оказывает особенно выразительное влияние на уровень теплопроводности кристаллических компонентов.

Изоляционные стройматериалы – класс продуктов под строительство, созданных с учётом свойств КТП, приближенных к оптимальным свойствам. Однако достичь идеальной теплопроводности при сохранении других качеств, крайне сложно

В свою очередь влияние на КТП оказывают условия эксплуатации стройматериала – температура, давление, уровень влажности и др.

Стройматериалы с минимальным КТП

Согласно исследованиям, минимальным значением теплопроводности (около 0,023 Вт/м°C) обладает сухой воздух.

С точки зрения применения сухого воздуха в структуре строительного материала, необходима конструкция, где сухой воздух пребывает внутри замкнутых многочисленных пространств небольшого объёма. Конструктивно такая конфигурация представлена в образе многочисленных пор внутри структуры.

Отсюда логичный вывод: малым уровнем КТП должен обладать стройматериал, внутренняя структура которого представляет собой пористое образование.

Причём, в зависимости от максимально допустимой пористости материала, значение теплопроводности приближается к значению КТП сухого воздуха.

Созданию строительного материала с минимальной теплопроводностью способствует пористая структура. Чем больше содержится пор разного объема в структуре материала, тем лучший КТП допустимо получить

В современном производстве применяются несколько технологий для получения пористости строительного материала.

В частности, используются технологии:

  • пенообразования;
  • газообразования;
  • водозатворения;
  • вспучивания;
  • внедрения добавок;
  • создания волоконных каркасов.

Следует отметить: коэффициент теплопроводности напрямую связан с такими свойствами, как плотность, теплоемкость, температурная проводимость.

Значение теплопроводности может быть рассчитано по формуле:

λ = Q / S *(T1-T2)*t,

Где:

  • Q – количество тепла;
  • S – толщина материала;
  • T1, T2 – температура с двух сторон материала;
  • t – время.

Средняя величина плотности и теплопроводности обратно пропорциональна величине пористости. Поэтому, исходя из плотности структуры стройматериала, зависимость от нее теплопроводности можно рассчитать так:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d2 – 0,16,

Где: d – значение плотности. Это формула В.П. Некрасова, демонстрирующая влияние плотности конкретного материала на значение его КТП.

Влияние влаги на теплопроводность стройматериала

Опять же судя по примерам использования стройматериалов на практике, выясняется негативное влияние влаги на КТП стройматериала. Замечено – чем большему увлажнению подвергается стройматериал, тем более высоким становится значение КТП.

Различными способами стремятся защитить от воздействия влаги материал, используемый в строительстве. Эта мера вполне оправдана, учитывая повышение коэффициента для мокрого стройматериала

Обосновать такой момент несложно. Воздействие влаги на структуру строительного материала сопровождается увлажнением воздуха в порах и частичным замещением воздушной среды.

Учитывая, что параметр коэффициента теплопроводности для воды составляет 0,58 Вт/м°C, становится понятным существенное повышение КТП материала.

Следует также отметить более негативный эффект, когда вода, попадающая в пористую структуру, дополнительно замораживается – превращается в лёд.

Соответственно, несложно просчитать ещё большее увеличение теплопроводности, принимая во внимание параметры КТП льда, равного значению 2,3 Вт/м°C. Прирост примерно в четыре раза к параметру теплопроводности воды.

Одной из причин отказа от зимнего строительства в пользу стройки летом следует считать именно фактор возможного подмораживания некоторых видов стройматериалов и как следствие – повышения теплопроводности

Отсюда становятся очевидными строительные требования относительно защиты изоляционных стройматериалов от попадания влаги. Ведь уровень теплопроводности растёт в прямой пропорциональности от количественной влажности.

Не менее значимым видится и другой момент – обратный, когда структура строительного материала подвергается существенному нагреву. Чрезмерно высокая температура также провоцирует рост теплопроводности.

Происходит такое по причине повышения кинематической энергии молекул, составляющих структурную основу стройматериала.

Правда, существует класс материалов, структура которых, напротив, приобретает лучшие свойства теплопроводности в режиме сильного нагрева. Одним из таких материалов является металл.

Если под сильным нагревом большая часть широко распространенных стройматериалов изменяет теплопроводность в сторону увеличения, сильный нагрев металла приводит к обратному эффекту – КТП металла понижается

Методы определения коэффициента

Используются разные методики в этом направлении, но по факту все технологии измерения объединены двумя группами методов:

  1. Режим стационарных измерений.
  2. Режим нестационарных измерений.

Стационарная методика подразумевает работу с параметрами, неизменными с течением времени или изменяющимися в незначительной степени. Эта технология, судя по практическим применениям, позволяет рассчитывать на более точные результаты КТП.

Действия, направленные на измерения теплопроводности, стационарный способ допускает проводить в широком температурном диапазоне – 20 – 700 °C. Но вместе с тем, стационарная технология считается трудоёмкой и сложной методикой, требующей большого количества времени на исполнение.

Пример аппарата, предназначенного под выполнение измерений коэффициента теплопроводности. Это одна из современных цифровых конструкций, обеспечивающая получение быстрого и точного результата

Другая технология измерений – нестационарная, видится более упрощенной, требующей для исполнения работ от 10 до 30 минут. Однако в этом случае существенно ограничен диапазон температур. Тем не менее, методика нашла широкое применение в условиях производственного сектора.

Таблица теплопроводности стройматериалов

Подвергать измерениям многие существующие и широко используемые стройматериалы не имеет смысла.

Все эти продукты, как правило, испытаны неоднократно, на основании чего составлена таблица теплопроводности строительных материалов, куда входят практически все нужные на стройке материалы.

Один из вариантов такой таблицы представлен ниже, где КТП – коэффициент теплопроводности:

Материал (стройматериал) Плотность, м3 КТП сухая, Вт/мºC % влажн._1 % влажн._2 КТП при влажн._1, Вт/мºC КТП при влажн._2, Вт/мºC
Битум кровельный 1400 0,27 0,27 0,27
Битум кровельный 1000 0,17 0,17 0,17
Шифер кровельный 1800 0,35 2 3 0,47 0,52
Шифер кровельный 1600 0,23 2 3 0,35 0,41
Битум кровельный 1200 0,22 0,22 0,22
Лист асбоцементный 1800 0,35 2 3 0,47 0,52
Лист асбестоцементный 1600 0,23 2 3 0,35 0,41
Асфальтобетон 2100 1,05 1,05 1,05
Толь строительная 600 0,17 0,17 0,17
Бетон (на гравийной подушке) 1600 0,46 4 6 0,46 0,55
Бетон (на шлаковой подушке) 1800 0,46 4 6 0,56 0,67
Бетон (на щебенке) 2400 1,51 2 3 1,74 1,86
Бетон (на песчаной подушке) 1000 0,28 9 13 0,35 0,41
Бетон (пористая структура) 1000 0,29 10 15 0,41 0,47
Бетон (сплошная структура) 2500 1,89 2 3 1,92 2,04
Пемзобетон 1600 0,52 4 6 0,62 0,68
Битум строительный 1400 0,27 0,27 0,27
Битум строительный 1200 0,22 0,22 0,22
Минеральная вата облегченная 50 0,048 2 5 0,052 0,06
Минеральная вата тяжелая 125 0,056 2 5 0,064 0,07
Минеральная вата 75 0,052 2 5 0,06 0,064
Лист вермикулитовый 200 0,065 1 3 0,08 0,095
Лист вермикулитовый 150 0,060 1 3 0,074 0,098
Газо-пено-золо бетон 800 0,17 15 22 0,35 0,41
Газо-пено-золо бетон 1000 0,23 15 22 0,44 0,50
Газо-пено-золо бетон 1200 0,29 15 22 0,52 0,58
Газо-пено-бетон (пенно-силикат) 300 0,08 8 12 0,11 0,13
Газо-пено-бетон (пенно-силикат) 400 0,11 8 12 0,14 0,15
Газо-пено-бетон (пенно-силикат) 600 0,14 8 12 0,22 0,26
Газо-пено-бетон (пенно-силикат) 800 0,21 10 15 0,33 0,37
Газо-пено-бетон (пенно-силикат) 1000 0,29 10 15 0,41 0,47
Строительный гипс плита 1200 0,35 4 6 0,41 0,46
Гравий керамзитовый 600 2,14 2 3 0,21 0,23
Гравий керамзитовый 800 0,18 2 3 0,21 0,23
Гранит (базальт) 2800 3,49 3,49 3,49
Гравий керамзитовый 400 0,12 2 3 0,13 0,14
Гравий керамзитовый 300 0,108 2 3 0,12 0,13
Гравий керамзитовый 200 0,099 2 3 0,11 0,12
Гравий шунгизитовый 800 0,16 2 4 0,20 0,23
Гравий шунгизитовый 600 0,13 2 4 0,16 0,20
Гравий шунгизитовый 400 0,11 2 4 0,13 0,14
Дерево сосна поперечные волокна 500 0,09 15 20 0,14 0,18
Фанера клееная 600 0,12 10 13 0,15 0,18
Дерево сосна вдоль волокон 500 0,18 15 20 0,29 0,35
Дерево дуба поперек волокон 700 0,23 10 15 0,18 0,23
Металл дюралюминий 2600 221 221 221
Железобетон 2500 1,69 2 3 1,92 2,04
Туфобетон 1600 0,52 7 10 0,7 0,81
Известняк 2000 0,93 2 3 1,16 1,28
Раствор извести с песком 1700 0,52 2 4 0,70 0,87
Песок под строительные работы 1600 0,035 1 2 0,47 0,58
Туфобетон 1800 0,64 7 10 0,87 0,99
Облицовочный картон 1000 0,18 5 10 0,21 0,23
Многослойный строительный картон 650 0,13 6 12 0,15 0,18
Вспененный каучук 60-95 0,034 5 15 0,04 0,054
Керамзитобетон 1400 0,47 5 10 0,56 0,65
Керамзитобетон 1600 0,58 5 10 0,67 0,78
Керамзитобетон 1800 0,86 5 10 0,80 0,92
Кирпич (пустотный) 1400 0,41 1 2 0,52 0,58
Кирпич (керамический) 1600 0,47 1 2 0,58 0,64
Пакля строительная 150 0,05 7 12 0,06 0,07
Кирпич (силикатный) 1500 0,64 2 4 0,7 0,81
Кирпич (сплошной) 1800 0,88 1 2 0,7 0,81
Кирпич (шлаковый) 1700 0,52 1,5 3 0,64 0,76
Кирпич (глиняный) 1600 0,47 2 4 0,58 0,7
Кирпич (трепельный) 1200 0,35 2 4 0,47 0,52
Металл медь 8500 407 407 407
Сухая штукатурка (лист) 1050 0,15 4 6 0,34 0,36
Плиты минеральной ваты 350 0,091 2 5 0,09 0,11
Плиты минеральной ваты 300 0,070 2 5 0,087 0,09
Плиты минеральной ваты 200 0,070 2 5 0,076 0,08
Плиты минеральной ваты 100 0,056 2 5 0,06 0,07
Линолеум ПВХ 1800 0,38 0,38 0,38
Пенобетон 1000 0,29 8 12 0,38 0,43
Пенобетон 800 0,21 8 12 0,33 0,37
Пенобетон 600 0,14 8 12 0,22 0,26
Пенобетон 400 0,11 6 12 0,14 0,15
Пенобетон на известняке 1000 0,31 12 18 0,48 0,55
Пенобетон на цементе 1200 0,37 15 22 0,60 0,66
Пенополистирол (ПСБ-С25) 15 – 25 0,029 – 0,033 2 10 0,035 – 0,052 0,040 – 0,059
Пенополистирол (ПСБ-С35) 25 – 35 0,036 – 0,041 2 20 0,034 0,039
Лист пенополиуретановый 80 0,041 2 5 0,05 0,05
Панель пенополиуретановая 60 0,035 2 5 0,41 0,41
Облегченное пеностекло 200 0,07 1 2 0,08 0,09
Утяжеленное пеностекло 400 0,11 1 2 0,12 0,14
Пергамин 600 0,17 0,17 0,17
Перлит 400 0,111 1 2 0,12 0,13
Плита перлитоцементная 200 0,041 2 3 0,052 0,06
Мрамор 2800 2,91 2,91 2,91
Туф 2000 0,76 3 5 0,93 1,05
Бетон на зольном гравии 1400 0,47 5 8 0,52 0,58
Плита ДВП (ДСП) 200 0,06 10 12 0,07 0,08
Плита ДВП (ДСП) 400 0,08 10 12 0,11 0,13
Плита ДВП (ДСП) 600 0,11 10 12 0,13 0,16
Плита ДВП (ДСП) 800 0,13 10 12 0,19 0,23
Плита ДВП (ДСП) 1000 0,15 10 12 0,23 0,29
Полистиролбетон на портландцементе 600 0,14 4 8 0,17 0,20
Вермикулитобетон 800 0,21 8 13 0,23 0,26
Вермикулитобетон 600 0,14 8 13 0,16 0,17
Вермикулитобетон 400 0,09 8 13 0,11 0,13
Вермикулитобетон 300 0,08 8 13 0,09 0,11
Рубероид 600 0,17 0,17 0,17
Плита фибролит 800 0,16 10 15 0,24 0,30
Металл сталь 7850 58 58 58
Стекло 2500 0,76 0,76 0,76
Стекловата 50 0,048 2 5 0,052 0,06
Стекловолокно 50 0,056 2 5 0,06 0,064
Плита фибролит 600 0,12 10 15 0,18 0,23
Плита фибролит 400 0,08 10 15 0,13 0,16
Плита фибролит 300 0,07 10 15 0,09 0,14
Клееная фанера 600 0,12 10 13 0,15 0,18
Плита камышитовая 300 0,07 10 15 0,09 0,14
Раствор цементо-песчаный 1800 0,58 2 4 0,76 0,93
Металл чугун 7200 50 50 50
Раствор цементно-шлаковый 1400 0,41 2 4 0,52 0,64
Раствор сложного песка 1700 0,52 2 4 0,70 0,87
Сухая штукатурка 800 0,15 4 6 0,19 0,21
Плита камышитовая 200 0,06 10 15 0,07 0,09
Цементная штукатурка 1050 0,15 4 6 0,34 0,36
Плита торфяная 300 0,064 15 20 0,07 0,08
Плита торфяная 200 0,052 15 20 0,06 0,064

Рекомендуем также прочесть и другие наши статьи, где мы рассказываем о том как правильно выбирать утеплитель:

Выводы и полезное видео по теме

Видеоролик тематически направленный, где достаточно подробно разъясняется – что такое КТП и «с чем его едят». Ознакомившись с материалом, представленным в ролике, появляются высокие шансы стать профессиональным строителем.

Очевидный момент – потенциальному строителю обязательно необходимо знать о теплопроводности и ее зависимости от различных факторов. Эти знания помогут строить не просто качественно, но с высокой степенью надежности и долговечности объекта. Использование коэффициента по существу – это реальная экономия денег, допустим, на оплате за те же коммунальные услуги.

Если у вас появились вопросы или есть ценная информация  по теме статьи, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Разработка научнообоснованных принципов уп­равления металлургическими процессами с целью интенсификации производства, повышения каче­ства металла, экономии материальных и энерге­тических ресурсов требует достоверных данных о теплофизических свойствах расплавов метал­лургического производства, глубокого понимания природы жидкого состояния. Особое значение эти данные приобретают в связи с внедрением в металлургическое производство автоматизирован­ных систем управления технологическими про­цессами (АСУ ТП).

Для реализации АСУ переплавных процессов, разливки, кристаллизации металла в качестве исходной информации используются данные о тем­пературе ликвидуса и солидуса, плотности, теплоемкости, теплопроводности и вязкости жид­кого металла, изменении плотности при кристал­лизации и удельной теплоте кристаллизации. Проведенный в работе [1] расчет показал, что макроструктура слитка в модели кристаллиза­ции и ЭШП весьма чувствительна к используемым теплофизический характеристикам металлурги­ческого расплава. Так, для обеспечения точ­ности расчета пористости моделируемого слитка на уровне 10 % данные о температуре ликви­дуса и солидуса должны быть определены с точностью порядка 10 °С (~0,7%), плотности жидкого и твердого металла ~0,08 г/см3 (~1 %), теплоемкости ~0,03 Дж/(г∙К) (~10%), тепло­проводности ~2 Вт/(м∙К) (~8%), теплоте кристаллизации ~10 Дж/г (~4 %), вязкости ~0,003 Па∙с (~50%). Таким образом, особые требования по точности к используемым в модели процесса кристаллизации данным выдвигаются к температуре ликвидуса и солидуса (темпе­ратурному интервалу кристаллизации) и плотно­сти металла в жидком и твердом состояниях (скачку плотности при кристаллизации).

Температуру ликвидуса TL и солидуса TS ста­ли 35 марок определяли методом проникающего гамма-излучения по изменению интенсивности проникающего через образец излучения в точках начала и конца процессов кристаллизации и плавления [2].

Для расчета температуры ликвидуса и соли­дуса стали используют два простых метода — по диаграмме состояния системы Fe-C. или в приближении аддитивного влияния содержания в стали примесей — на температуру плавления чистого железа [3, 4].

TL =Tпл — ΣαLi∙[i]                    (1) TS =Tпл — ΣαSi∙[i]                   (2) где aL (j) и аS(V)коэффициенты, показываю­щие на сколько градусов изменяются температуры ликвидуса и солидуса стали при добавле­нии 1 % i-ro компонента.

Детальная проверка уравнения (1) в работе [4] показала, что при содержании легирующих элементов — марганца < 14 %, 4,5 %Si, 20 % Cr, 11 % Al, никеля, вольфрама, молибдена, ванадия менее 15 % каждого, рассчитанные зна­чения TL согласуются с экспериментальными в пределах 5 °С. По данным работы [3] раз­личие рассчитанных по уравнению (1) и опытных величин TL достигает в отдельных случаях 10…15 °С.

Определение температур ликвидуса стали по диаграмме состояния системы Fe — С дает ошибку в 10…40 °С, например, для стали 60С2 — 42 °С [3]. Этот метод можно ре­комендовать только для низколегированной угле­родистой стали.

Рассчитанная по уравнению (2) температура солидуса стали, а также определенная по диаграм­ме состояния системы Fe-С в большей части случаев плохо согласуются с опытными данны­ми. Отклонения результатов расчета от экспе­риментальных превышают 10 °С и достигают 50…80 °С. Это связано с сильным влиянием ле­гирующих элементов на вид фазовых диаграмм. Известно, что Сr, W, Mo и другие элементы сужают γ-область, Ni, С, Mn, Cu и др. являются аустенитообразующими компонентами стали. Не­значительные изменения в содержании легирую­щих и примесей могут привести к изменению состава фаз и смещению линии солидуса. Эта снижает надежность расчетных методов опреде­ления температуры солидуса.

Разброс известных данных о температуре со­лидуса частично связан с различием химиче­ского состава исследованных образцов стали, особенно по таким элементам, как С, Р, S, ко­торые наиболее сильно влияют на величину TS. Различие по содержанию углерода 0,10 %, фосфора и серы — 0 01 % может вызвать различие температуры ликвидуса и солидуса стали Р18 по данным [3 и 11]. В стали, исследованной в  работе [11] содержалось 0,73 % С, 0,007 % S и 0,025 % P; TL = 1454 °С, TS = 11312 °С. В работе [3] исследовали сталь, содержащую 11 % 0,019 % S и 0,012 % 3 (различие в концентрации остальных элементов не учитывается, так как оно несущественно влияет на TS и TL). По данным работы [3] температура ликвидуса также равна 1454 °С, а величина TS несколько ниже — 1301 °С. Результаты расчета по уравнениям (1) и (2) показывают различие в значениях TL и Ts, обусловленное содержанием С, Р и S, соответственно 2,9 и 13,4 °С. Это объясняет наблюдаемый разброс опытных величин. Известно, что условия кристаллизации стали зависят также от способа ее выплавки и обработки [5].

Теплофизические свойства стали

Марка стали TL, °С TS, °С ρL, г/см3 ρS, г/см3  ΔρкрS∙100, % аV-L, 104 К-1 aV-S, 104 K1 λ, Вт/(м∙К)
14ХН3МА 1506 1470 6,99 7,28 4,0 0,89 0,82 25
20ХНЗА 1508 1470 6,95 7,22 3,7 1,06 0,92 23
45ХН2МФА 1491 1431 6,89 7,17 3,9 0,84 0,76 21
12X13 1504 1470 6,89 7,10 2,9 1,03 1,09  
30X13 1499 1450 6,80 7,03 3,3 1,05 1,08  
12X17 1507 1485 6,8 7,02 3,1 0,85 0,72 22
Х25Т 1487 1424 6,75 6,97 3,2 0,93 1,11  
12Х18Н10Т 1459 1403 6,96 7,24 3,8 0,98 0,95  
10Х18Н9ТЛ2 1457 1405 6,95 7,23 3,8 0,96    
Р6АМ5 1435 1220 7,35 7,68 4,3 0,97 0,95 19
Р18 1454 1312 8,17 8,40 3,6 0,8 1.0  
Р181 1454 1301            
ШX15 1457 1331 7,01 7,29 3,8 0,89 0,70  
ШХ15СГ 1451 1317 7,02 7,28 3,6 0,90 0,71 18

Данные о плотности жидкой и твердой стали при температуре ликвидуса и солидуса, получен­ные в работе [11] методом проникающе­го гамма-излучения, приведены в таблице. Для стали большей части марок величина dL на­ходится в интервале 6,90±0,1 г/см3. Исключе­ние составляет сталь P18, Р6АМ5, ЗХ2В8Ф с повышенным содержанием вольфрама и мо­либдена.

VC = V = ΣVixi                                     (3)

где V, — атомный объем i-ro компонента; Xi = Mc[i] /(Mj∙100) — мольная доля компонен­та i, Mj и Мc — мольная масса соответствен­но компонента i и сплава. Из уравнения (3) следует:

dC = МС/VC = 100/(Σ[i]∙Vi/Mi)             (4)

Плотность сплава можно рассчитать через моль­ный объем в приближении аддитивности:

Для повышения точности расчета плотности стали, содержащей >0,3 % С, мольный объем углерода следует брать равным парциальному мольному объему углерода в расплаве железа — 3,0 см3/моль. Приближение аддитивного объема обеспечивает точность расчета плотности жид­кой стали в пределах 1,0…1,5 %.

Изобарные коэффициенты расширения аV для исследованных расплавов различаются между собой незначительно, их значения близки к величине ау для чистого жидкого железа (0,81∙10-4 К-1) и находятся в пределах (0,90±0,15)∙10-4 К-1.

Для оценки величины скачка плотности при кристаллизации стали нужно знать структуру и соотношение между, структурными составляющи­ми. Это затрудняет расчет. В настоящее время надежные данные об изменении плотности при кристаллизации могут быть получены только экспериментально.

В связи с затруднениями измерения коэф­фициентов теплопроводности жидкой стали боль­шое значение имеют расчетные методы их определения. Достаточно простым приближением, в частности, является закон Видемана — Фран­ца, связывающий теплопроводность металла с электросопротивлением:

λ = LT/z                                                (5) где L — функция Лоренца, в общем случае зависящая от температуры [2].

Для простых жидких металлов расчет по этому закону дает хорошие результаты при функции L, равной постоянной величине:

L = L = 2,445∙10-8 В2/К2, где L — число Лоренца.

При высокой температуре величина L близка к L и для твердых переход­ных металлов. Для жидкого железа и, особенно, кобальта величина L близка к L , для никеля — значительно выше. Для жидкой стали можно принять величину L = 2∙10-8 В22 (по данным работы [8] для железа L = 2,44∙10-8 В22).

Электросопротивление металлических распла­вов измеряется проще, чем теплопроводность и с более высокой точностью (~5 %), поэтому для определения теплопроводности можно рекомендо­вать уравнение (5).

Значения теплоемкости жидкой стали (по дан­ным [3]) имеют довольно узкий интервал — 0,76…0,85 Дж/(г∙К); разброс значений Cp, практи­чески не выходит за пределы эксперименталь­ной ошибки, а средняя величина Cp совпадает с теплоемкостью чистого жидкого железа, рав­ной 0,825 Дж/(г∙К).

Для расчета теплоемкости жидкой стали в работе [11] было получено следующее выра­жение (в приближении модели жестких сфер):

Cр = R∙(4,66 + 5,22∙10-4 Г).

Рассчитанные по этому уравнению значения теплоемкости (числитель) близки к опытным дан­ным (знаменатель), Дж/(г∙К): 20ХН3А — 0,84/0,80; 08Х18Н10Т — 0,83/0,76; Р18 — 0,73/0,78; 14Г2 — 0,84/02,84; 09Г2С — 0,84/0,85; Ст 3 — 0,84/0,83; 118ХГТ — 0,84/0,82; 30ХГСА — 0,83/0,80.

Значения удельной теплоты кристаллизации q [3] также близки к величине q для чистого железа, равной 272 Дж/г. В приближении мо­дели жестких сфер в работе [11] было получено следующее уравнение, связывающее теплоту кристаллизации стали (кДж/моль) со скач­ком плотности при их кристаллизации:

q = 244∙TLdV/V,

Для сталей 20ХНЗА, 12Х18Н10Т и P18, для кото­рых в таблице приведены данные об относи­тельном изменении объема (плотности) и известны значения об удельной теплоте кристаллиза­ции [3], рассчитанные значения q составили соответственно 16,1; 16,3; 15,2 кДж/моль. Резуль­таты расчета согласуются с опытными дан­ными, равными соответственно 15,6; 15,9; 15,0 кДж/моль.

Экспериментальные данные, касающиеся влия­ния примесей на вязкость жидкого железа (имеется в виду изменение вязкости при вве­дении в железо первых добавок), противоречивы.

В работах [6, 9] параметры, характеризующие изменение вязкости матрицы расплава (железа) под влиянием отдельных компонентов, опреде­ляются экспериментально и используются для расчета вязкости многокомпонентных систем.

Качественно характер влияния примесей на вязкость железа можно описать в приближений модели жестких сфер.

В общем случае вязкость жидкой стали и спла­вов зависит от технологии их выплавки, исполь­зуемых шихтовых материалов и других факто­ров металлургического производства [5], которые трудно учесть в тех или иных теоретических моделях.

Заключение

Температура ликвидуса и мольный объем стали с точностью порядка 1 % могут быть определены в приближении аддитивного влияния легирую­щих элементов и примесей на температуру плавления и мольный объем чистого жидкого железа. Теоретические оценки температуры соли­дуса и плотности твердой стали при TS нена­дежны. Для оценки коэффициента теплопровод­ности расплавов на основе железа можно воспользоваться законом Видемана — Франца, вязкости теплоемкости и удельной теплоты кри­сталлизации — приближением модели жестких сфер.

Библиографический список

  1. Островский О. И., Четвертных В. В., Станю­кович В. Н. и др. // Изв. вузов. Черная метал­лургия. 1983. № 8. С. 12…15.
  2. Ермаченков В. А., Островский О. И., Дюбанов В. Г. и др. // Гамма-метод в металлурги­ческом эксперименте: Темат. сб. науч. тр. / ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1981. С. 38…42.
  3. Казачков Е. А., Макуров С. Л. // Исследование процессов с участием оксидных и металлических распла­вов: Темат. сб. науч. тр. / МИИСиС. М.: Металлургия. 1983. № 148. С. 120…127.
  4. Лившиц А. Г., Еднерал Ф. П. // Производство стали и стального литья: Темат. сб. науч. тр. / МВМИ. М.: Металлургия, 1967. № 5. С. 82…110.
  5. Жидкая сталь / Баум Б. А, Хасин Г. А., Тягунов Г. В. и др. М.: Металлургия. 1984. 208 с.
  6. Арсентьев П. П., Коледов Л. А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металлургия. 1976. 375 с.
  7. Островский О. И., Ермаченков В. А., Григо­рян В. А. // Заводская лаборатория. 1979. № 11. С. 1023…1026.
  8. Зиновьев В. Е., Полев В. Ф., Талуц С. Г. и др. // ФММ, 1986. Т. 61. Вып. 6. С. 1128…1135.
  9. Арсентьев П. П., РыжоиковД. И., Аникин Ю. А. и др. // Исследование процессов с участием оксид­ ных и металлических расплавов: Темат. сб. науч. тр. / МИСиС. М.: Металлургия. 1983. С. 148. С. 5…10.
  10. Басин А. С, Денисов В. А., Колотов Я. Л. // Гамма-метод в металлургическом эксперименте: Темат. сб. науч. тр. / ИТФ СО АН СССР, Новосибирск. 1981. С. 121…136.
  11. Островский О. И., Григорян В. А., Станюкович В. Н.  и др. Теплофизические свойства стали // Сталь. 1988. №3. С. 37…40.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий