Особенности экранно-вакуумной и порошковой теплоизоляции

Что такое порошковая и экранно-вакуумная теплоизоляция. Обзор характеристик материалов, их плюсы, минусы и области применения.

Физические принципы создания теплоизоляции с вакуумированием порошковых материалов

Для понимания высоких теплоизоляционных свойств вакуумной теплоизоляции необходимо вспомнить механизмы переноса тепла. Основной механизм переноса тепла в твердых телах – это теплопроводность. При нагревании одного из концов металлического стержня поток тепла движется к его другому концу.

Путем теплопроводности тепло может переноситься и через газы. При этом быстрые молекулы теплого слоя газа сталкиваются с медленными молекулами соседнего холодного слоя. В результате возникает поток тепла. Газы из легких молекул (водород) проводят тепло лучше, чем тяжелые газы (азот).

Путем конвекции теплоперенос осуществляется только в газах и жидкостях и основан на том, что при нагревании газа его плотность уменьшается. При неравномерном нагревании более легкие слои поднимаются, тяжелые опускаются. Вертикальный поток теплоты, связанный с этим движением, как правило, значительно превышает поток, связанный с теплопроводностью.

Излучение – это механизм передачи теплоты электромагнитными волнами. Таким путем происходит нагревание солнцем поверхности земли. Способность тела излучать и поглощать электромагнитные волны определяется его атомной структурой.

Рис 2. Строительные материалы с вакуумированием сохраняют свои теплоизоляционные свойства даже при высоком давлении.

Вакуумная технология позволяет исключить все три механизма передачи тепла. Сосуд Дьюара, или термос, – широко известный пример вакуумной изоляции. В пространстве между двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум порядка 10−2 Пa. Из-за этого перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, практически полностью устранен, и теплопроводность исключительно мала – 10−3 – 10−4Вт/(м•К). Необходимость создания глубокого вакуума значительно ограничивает возможности выбора формы сосуда и конструкционных материалов. Поскольку разгерметизация сосуда способна нарушить теплоизоляцию, его стенки должны быть абсолютно газо- и влагонепроницаемы. С целью снижения радиационного переноса тепла между стенками сосуда Дьюара перечень используемых материалов ограничен металлом и стеклом с металлическим напылением.

Известно, что теплопроводность газов практически не зависит от давления до тех пор, пока длина свободного пробега молекулы газа не становится сравнимой с размерами полости, в которой находится газ. Это обстоятельство требует создания глубокого вакуума для существенного снижения теплопроводности прослойки между разделяемыми средами, но в то же время, данное свойство послужило основой для применения мелкопористых материалов в качестве теплоизоляции.

Использование мелкодисперсных пористых материалов позволяет решить задачу создания утеплителей с чрезвычайно малым значением коэффициента теплопроводности при гораздо менее жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.

Требования к свойствам материалов для вакуумной теплоизоляции и основы расчета теплоизоляционных систем указанного типа также разработаны в 60-е годы прошлого века, в том числе в исследованиях советских ученых.

Основную роль в процессе передачи тепла в пористых порошковых структурах играет газ, находящийся в порах. Чем меньше размеры пор или пустот материала и разветвленнее его структура, тем раньше в нем достигается условие высокого вакуума и лучше его теплофизические свойства. Так, в микропористом материале с размером пор 10−8 м механизм передачи тепла через молекулы воздуха практически исключается уже при давлении 100 Па. Все материалы наполнителей вакуумных изоляционных панелей при высоких уровнях вакуума имеют сравнимые характеристики, значительная разница между ними появляется при увеличении внутреннего давления до 10–100 Па.

В таблице 1 приведены расчетные и экспериментальные значения коэффициента эффективной теплопроводности ряда дисперсных материалов, находящихся в воздушной среде с различной степенью разрежения.

Заметим, что все материалы наполнителей обладают сравнимыми характеристиками при высоких уровнях вакуума до 1 Па. Значительная разница между ними появляется при небольшом увеличении внутреннего давления.

Из приведенных в таблице материалов наиболее перспективными представляются кремнегели с размером частиц 5•10−3мм и пористостью до 95%, а также перлит с высокой степенью пористости (до 95%). Коэффициент теплопроводности этих материалов не превышает 0,003 Вт/(м•К) до значений давления газа 100 Па для кремнегеля и 10 Па для перлита, что на порядок ниже, чем у традиционно используемых теплоизоляционных материалов.

Представленные в публикации немецких авторов за 1999 год зависимости влияния внутреннего давления на теплопроводность для вакуумной панели на основе Porextherm Vacupor-наполнителя в сравнении с панелями, сделанными на основе других наполнительных материалов, имеют хорошее совпадение с представленными в таблице числовыми данными.

Что такое вакуумная тепловая изоляция?

Идея применения вакуума для утепления базируется на отсутствии теплопередачи в разреженном пространстве. Разработано 3 варианта применения технологии:

• Высоковакуумная изоляция — из пустоты откачивают воздух, исключая перенос энергии газом. Данный метод оставляет потери тепла с поверхности твёрдого тела.
• Вакуумно-порошковая изоляция — в вакуумированную полость помещается небольшой порошок, поглощающий движение оставшихся молекул газа. Применение наполнителя дает возможность держать геометрическую форму тепловой изоляции и снижает цену производство.
• Вакуумно-многослойная изоляция — наиболее эффективная методика, она включает создание нескольких отражающих слоев, служащих экранами для теплового излучения. Они делятся прокладками из стеклоткани, а в середине поддерживается вакуум.

Разработки перспективного направления и создание прочных материалов на пленочной основе дало возможность применить технологию для широкого изготовления нового строительного утепления. Экранно-вакуумнаятепловая изоляция строений производится в виде панелей, наполненных порошком или аэрогелем. Это изделие имеет пленку-оболочку, формирующую стенки панели. Материалом для нее служит металлизированная полиэфирная пленка или фольга из алюминия.

Для оснащения прочности на нее с двух сторон наноситься пластик. От теплопередачи путем излучения панели оберегает металлический экран, создаваемый слоем фольги. Во избежание теплопотери по краешкам изделия оболочка наноситься способом тонкопленочного напыления. Заваривание корпуса происходит под воздействием температуры и давления. Соединение должно быть широким и тонким, чтобы исключить проницаемость для газа и влаги.

Наполнением для панелей служит небольшой пористый порошок: вспученный перлитовый песок или аэрогель кремниевой кислоты, а еще пенопласт и искусственный латекс. От величины его пор и разветвленности структуры зависят теплофизические характеристики материала. Наполнитель поддерживает стенки панели и исключает радиационную теплопередачу электромагнитными волнами. Прекрасным выбором являются кремнегели и перлитовый песок с бесчисленными мелкими порами и хорошей способностью поглощать газ и влажность.

Архив объявлений

… 6. Энергосберегающий 7. Долговечный 8. Огнеупорный Применение пробкового агломерата (панелей): — Тепло и звукоизоляция наружных стен — Тепло и звукоизоляция полых стен — …

Москва доставка до ТК 500₽ • У нас все составляющие для производства отечественных панелей — с европейским качеством ! • У нас проведены лабораторные испытания на адгезию, …

… внутренней герметизации швов и стыков металлических кровель, профнастила, сендвич-панелей, стыков автофургонов и других строительных швов. Герлен АГ 30/2 …

… также широко применяется для герметизации швов профнастила, металлочерепицы, сэндвич-панелей. Работоспособность от -60С до +120С. Срок эксплуатации герметика Герлен …

… балконов и лоджий, полов и потолков, оконных откосов, стыков панелей, подвалов, фундаментов, перекрытий. Материал используется для теплоизоляционной отделки бетонных и …

… надежной герметизации строительных швов и трещин, кровель, профнастила, сэндвич-панелей, стыков при установке окон, автофургонов, кузовов и др. Бутилкаучуковые герметизирующие …

… фальцевой кровли. Успешно используется для герметизации и склеивания сэндвич панелей. Герметизирующая лента Липлент изготовленная на основе бутилкаучука является самым удобным …

Москва доставка до ТК бесплатно … поверхностях. Может использоваться в качестве клея для монтажа полиуретановых панелей, пенопласта и других материалов. Обладает отличной липкостью к рубероиду и …

… минут до получения однородной массы. Наносят на поверхность стыка панелей с помощью шпателя, пневматических или ручных шприцов. Слой наносимой мастики …

Смотрите все объявления в архиве

Свойства утепления на основе вакуума

Уникально низкий коэффициент теплопроводности вакуумных изоляционных панелей составляет 0,004-0,006 Вт/м*К. Для сравнения:

• пенополиуретан — 0,024 Вт/м*К;
• пеноплекс — 0,03 Вт/м*К;
• пенопласт — 0,041 Вт/м*К;
• минеральная вата — 0,05Вт/м*К.

Использование нового утеплителя позволяет уменьшить толщину изоляционного слоя в 6-10 раз. Например, 4,6 см вакуумной панели по сопротивлению передачи тепла соответствует 4,6 м кирпичной кладки.

Среди основных характеристик материала:

• Безопасность при пожаре, его класс огнестойкости А.
• Толщина панели составляет 20 мм.
• Отсутствие запаха и токсичных выделений.
• Длительный срок службы — 50-80 лет.
• Полная паронепроницаемость.
• Отсутствие ограничений формы, панели выпускают круглые, шаровые, цилиндрические, с 3D-поверхностью, с готовыми отверстиями.
• Возможность повторного применения.
• Безопасность для здоровья людей.

На срок эксплуатации вакуумных панелей влияет нескольких факторов: степень первоначального вакуума, размер изделия, свойства наполнителя, качество материала оболочки, эффективность поглотителя газа и влаги. Поглотители играют важную роль в увеличении продолжительности использования теплоизоляции.

Они нейтрализуют молекулы газа, проникающие снаружи или выделяющиеся из материала, помещенного в оболочку. Даже минимальное увеличение внутреннего давления повлечет снижение уровня теплоизоляции. Пористые наполнители (кремнезем, перлит) сами справляются с абсорбированием влаги и поглощением газа.

Производство вакуумных теплоизоляционных материалов

Новый вид утеплителей производится не во всех странах. Успехов в разработке и производстве вакуумной теплоизоляции добилась Германия. Панели FRONT-VIP компании VACU-IZOTEC KG имеют сердцевину из порошка кремниевой кислоты, завернутого в многослойную комбинированную пленку. Вакуумная оболочка защищается плитами вспененного полистирола толщиной 10 мм.

Изделие используется при возведении фасадов, устройстве полов и слуховых окон. Использование натуральных материалов гарантирует 100% утилизацию и безопасность панелей. Их теплопроводность составляет 0,005 Вт/м*К.

Один из мировых лидеров в производстве теплоизоляции компания IZOVER предлагает вакуумный утеплитель для размещения внутри здания. Она представляет собой панель, состоящую из вакуумированной сердцевины с алюминиевой пленкой и защитного покрытия для упрощения монтажа. Центральный слой по периметру окружает эластичный материал, обеспечивающий плотное прилегание конструкции. Изделие называется VacuPad 007, цифровое обозначение соответствует степени теплопроводности утеплителя. Использование панелей гарантирует минимальное уменьшение пространства помещений при высокой эффективности изоляции.

Внешнее покрытие материала подбирается исходя из назначения:

• полиэстеровая фибролитовая плита — крыши и террасы;
• экструдированный пенополистирол — внутренние стены и подвалы;
• МДФ — монтаж каркасных конструкций.

Монтаж панелей выполняется с помощью клеевой смеси, их нельзя крепить шурупами или резать.

Недостатки вакуумной теплоизоляции:

• Сложность монтажа, для установки необходимы знания и аккуратность. Особенность материала исключает возможность разрезания, сверления или подгонки под нужный размер. При повреждении оболочки панели лишаются теплоизоляционных свойств.
• Необходимо соблюдать осторожность не только при монтаже, но и в процессе складирования и транспортировки.
• Высокая стоимость вакуумной теплоизоляции не способствует популяризации материала.
  Область применения вакуумных панелей

Экранно-вакуумная теплоизоляция часто устанавливается внутри ограждающих конструкций на этапе возведения стен. Размещение между двумя перегородками из бетона или кирпича исключает механическое воздействие и повреждение утеплителя.

Сфера применения не ограничивается стенами, часто дорогостоящая изоляция используется для входной двери и кровли. Материал с каучуковым защитным покрытием устанавливается на пол.

Вакуумная изоляция применяется во многих сферах:

• животноводческие комплексы;
• теплицы и овощехранилища;
• медицина и криогенная техника;
• спортивные комплексы;
• холодильное оборудование;
• судостроение.

Технологические аспекты изготовления и использования порошковой теплоизоляции с вакуумированием

Теплоизолирующие свойства и продолжительность жизни вакуумной изоляционной панели определяются многими факторами: свойствами наполнителя; начальным уровнем вакуума в панели; проницаемостью оболочки; количеством и эффективностью поглотителя остатков газа; размером и толщиной панели; условиями ее работы.

Использование вакуумной теплоизоляции в строительстве

Если в предыдущие десятилетия порошковая теплоизоляция с вакуумированием употреблялась преимущественно в криогенной технике, то современные способы производства упаковочных и мелкопористых материалов дают возможность массового использования данной технологии утепления в строительстве.

В 1999 году впервые в строительной практике достаточно большая площадь (около 40 м2) фасада лабораторного здания в г. Вюрцбург (Германия) была утеплена вакуумными панелями, наполнителем в которых служил микропористый кремнезем. Из представленного графика (рис. 2) видно, что изделия из данного материала сохраняют свои теплоизолирующие свойства (0,002 λ 0,008 Вт/(м•К)) до давления газа внутри панели около 10000 Па, что составляет 0,1 атмосферного.

Исследования, проведенные после года эксплуатации, показали устойчивость свойств панелей. Давление внутри их выросло за это время на 100 Па.

Следовательно, при данном исходном давлении изделие будет сохранять свои теплоизолирующие свойства как минимум 100 лет. Применение в вакуумной панели более крупнопористого материала (например, пенополистирола с открытой пористостью) приводит к увеличению значения коэффициента теплопроводности до этого же значения уже при давлении внутри панели на уровне 200 Па (рис. 2), то есть изделия из данного материала сохранят свои свойства на протяжении не более 2 лет.

При использовании вакуумных теплоизоляционных панелей необходимо учитывать обязательное требование сохранения их герметичности. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию систем утепления и первостепенные сферы применения таких изделий, в частности в трехслойных стеновых панелях. Если в их современной конструкции необходим слой утеплителя не менее 15 см, то благодаря вакуумным панелям его толщина уменьшится до 2 см. При этом изделие будет защищено с двух сторон от механических повреждений слоями бетона. Упростится конструкция системы утепления, так как снизятся требования к прочности гибких связей между слоями бетона. Возможно использование вакуумных панелей между слоями кирпичной кладки, а также для утепления перекрытий верхнего и пола первого этажей.

Существуют примеры применения вакуумных теплоизоляционных панелей для утепления фасада здания при его санировании, а также пола в помещении в области балкона пассивного здания. На рис. 3 представлена схема теплоизоляции пола. На бетонную плиту укладывается полиэтиленовая пленка, затем плита экструдированного пенополистирола (2 см), на которой лежат два слоя вакуумных панелей толщиной по 2 см каждая, что необходимо для устранения мостиков холода через стыки панелей. Затем еще одна плита экструдированного пенополистирола, покрытая полиэтиленовой пленкой. Общее термическое сопротивление системы составляет 11,8 м2•К/Вт.

Для высотного строительства с целью уменьшения толщины наружных стен рядом исследователей предложено использование вакуумных панелей в трехслойной конструкции, где наружным слоем служит стекло, а внутренним – металлический лист. Имеются также примеры применения данных изделий в различных строительных конструкциях. Так, с помощью вакуумной теплоизоляции выполнялась тепловая модернизация старого здания. Для устранения перегрева его восточной части в летнее время использовалась размещенная между внутренней стеной здания и наружной облицовкой из кирпича полупрозрачная ширма с электродвигателем, выдвигающим ее перед окном. Между ширмой и внутренней стеной здания с целью устранения теплопотерь установлена вакуумная теплоизоляционная панель. Схема наружного утепления здания с применением вакуумных теплоизоляционных панелей представлена на рис. 4.

Таким образом, современное состояние техники упаковочных материалов позволяет реализовать вакуумную теплоизоляцию на основе порошковых материалов. Эта технология сегодня успешно продвигается на рынках Западной Европы и находит применение как в новом строительстве, так и при выполнении работ по тепловой модернизации зданий. По сравнению с традиционными, преимущества нового теплоизоляционного материала неоспоримы. Он позволяет уменьшить толщину слоя утеплителя при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.

Сегодня, на наш взгляд, имеется настоятельная необходимость организации серийного выпуска вакуумной теплоизоляции для массового использования в строительстве. Производство необходимых упаковочных материалов по западным технологиям может быть освоено как в России, так и в Беларуси. Установки для создания вакуума любой степени имеются на предприятиях радиотехнического профиля, выпуск аэрогелей в состоянии наладить отечественная химическая промышленность.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием, состоящим из полимерной подложки, электропроводного слоя с износостойким слоем на внешней поверхности и отражающего слоя на внутренней поверхности, отличающаяся наличием временного защитного слоя на внешней поверхности и укрепляющей полимерной сетки на внутренней поверхности.

2. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по п.1, отличающаяся тем, что временный защитный слой на внешней стороне состоит из одного слоя полимерной пленки, например поливинилового спирта.

3. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по п.1, отличающаяся тем, что временный защитный слой на внешней стороне состоит из более чем одного слоя, например, слоя полимерной (полиэтилентерефталата, или полиэтилена, или полипропилена, или другого полимера) пленки и слоя адгезива (на основе бутадиен-стирольного каучука или другого легкосъемного адгезива).

4. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по п.1, отличающаяся тем, что укрепляющая полимерная сетка на внутренней стороне состоит из полимеров, например, полиэфиров, полиамидов (в том числе арамидов), полиимидов (в том числе аримидов) и закреплена путем приклеивания.

5. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по п.1, отличающаяся тем, что укрепляющая полимерная сетка на внутренней стороне состоит из полимеров, например, полиэфиров, полиамидов (в том числе арамидов), полиимидов (в том числе аримидов) и закреплена путем спекания.