Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Реклама

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Даниил Трофимов

По результатам испытаний в ВНИИФТРИ лучшее сопротивление теплопередаче показал утеплитель PIR

На правах рекламы

Ученые независимой лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) провели испытания теплопроводности при различных температурах четырех самых популярных в строительстве утеплителей: модифицированного пенополиуретана PIR, полистирола (экструзионного XPS и вспененного EPS) и минераловатного утеплителя (МВ).

Цель испытаний — установить зависимость теплопроводности материалов от температуры в диапазоне от -190 до +80 С.

ВНИИФТРИ — один из ведущих метрологических институтов России, государственный научный центр Российской Федерации. Именно этот институт отвечает за единство измерений и является хранителем эталонов.

По результатам измерений ученые выявили следующие факты:

Факт 1: теплопроводность всех изученных материалов растет, когда повышается температура, и наоборот, падает, когда температура снижается.

Реклама

Факт 2: лучшей теплопроводностью обладает теплоизоляция PIR за счет структуры материала: закрытых ячеек, наполненных газом с крайне низкой теплопроводностью.

Факт 3: обнаружились отклонения показателей теплопроводности материалов от тех, что заявляются производителями. Минимальные отклонения у EPS, максимальные — у минеральной ваты.

Методика испытаний

Испытания проходили на установке для измерения теплопроводности «ТАУ-5» (фотография 1). Эта установка является эталонным средством второго разряда с допускаемой основной погрешностью измерений теплопроводности в 2%.

Установка реализует нестационарный метод нагретого круга и представляет собой резервуар с жидким азотом, в который погружаются исследуемые образцы с нагревателем — датчиком теплопроводности.

Фотография 1. Установка «ТАУ-5»

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Из представленных материалов (EPS/XPS/PIR/МВ) подготавливалось по 2 измерительных образца в виде цилиндров диаметром 30 мм, и толщиной 15 мм (фотография 2). Между образцами устанавливался датчик-нагреватель.
Таким образом фактические измерения теплопроводности проводились по поверхностям, находившимся в середине плиты.

Фотография 2. Внешний вид образцов

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Фотография 3. Установка первой половины образца, датчик-нагреватель, установка датчика, установка второй половины образца.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Измерения и сравнение теплопроводности проводились в атмосфере воздуха при комнатной температуре 295 К (22С) и в атмосфере азота в диапазоне температур от 80 до 360 К (-193/87С) несколькими сериями: от 80 до 360К с шагом 5-10К и от 360 до 80К с аналогичным шагом.
Измерения в каждой точке, при определенной температуре, производились в несколько этапов, до установления среднего квадратичного отклонения близким или равным нулю (рис. 1).

Рисунок 1. Результаты сходимости измерений по одной точке при температуре 300К/26С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Общие результаты испытаний

Результаты испытаний показали, что теплопроводность всех проанализированных утеплителей возрастает с повышением температуры, см. рис. 2.

Рисунок 2. Теплопроводность ТИМ при в диапазоне температур -190/+80С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Результаты испытаний по отдельным материалам

XPS и EPS

Результаты измерений образцов XPS и EPS (рис. 3, 4) показали, что значения теплопроводности на воздухе и в азоте в начале первой серии совпадали и только после нагрева до 330К (57C) в первой серии снизились на 2 и 2,5% соответственно. Далее последовала стабилизация, причем температурная зависимость теплопроводности имеет относительно гладкий характер.

Большой размах диапазона значений, а также вогнутость графика температурной зависимости говорят о наличии в порах легких газов с высокой теплопроводностью, замерзающих при температурах фазового перехода паров воды в лед.

Что примечательно, температурная зависимость теплопроводности EPS пересекает зависимости XPS (рисунок 2). При -80 оС она ниже, при размораживании газов – выше).

Рисунок 3. Теплопроводность XPS в диапазоне температур -190/+80С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Рисунок 4. Теплопроводность EPS в диапазоне температур -190/+80С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Минеральная вата

При измерении образцов минеральной ваты значения теплопроводности открытопористого материала в отличие от закрытопористых на воздухе и в азоте практически совпадали (рис. 5) даже после нагрева до 360К (87С) в первой азотной серии.

Причем температурная зависимость теплопроводности носит относительно гладкий характер, а некоторый разброс объясняется непрочностью и неоднородностью ваты. Большой размах диапазона значений теплопроводности, а также выпуклость температурной зависимости говорят о наличии в порах ваты одного газа — азота.
Все остальные газы сорбировались в азот сразу после погружения.

Рисунок 5. Теплопроводность минеральной ваты в диапазоне температур -190/+80С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Утеплитель PIR

Результаты измерений образцов PIR-изоляции показали, что температурная зависимость теплопроводности носит негладкий характер и имеет два минимума или точки перегиба при -33 и -13С (рис. 6).

Это говорит о наличии в порах материала не менее двух газов (пентан и СО2), которые конденсируются ниже этих температур, тем самым повышая теплопроводность за счет увеличения доли легких молекул в газовой фазе.
Однако рост показателя незначителен и больше напоминает стабилизацию значения теплопроводности при понижении температуры.

Рисунок 6. Теплопроводность PIR-изоляции при в диапазоне температур -78/+42С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Представленные материалы становятся более эффективными в зоне критических отрицательных температур (менее -15С): снижение коэффициента теплопроводности принимает характер стремительного падения.

Столь резкое снижение теплопроводности объясняется очень малым пятном контакта жидкой фазы тяжелых газов, образовавшейся в порах, с твердым веществом стенок. За счет этого изменяются доли легких молекул в газовой фазе и образуется вакуум, замещающий газовую фазу вспенивающего агента, но эти факторы не участвуют в передаче тепла.
Как оказалось, вакуум надежно выполняет компенсаторную функцию.

Таблица 1. Результаты измерений теплопроводности:

Температура Теплопроводность Вт/м*К
K C PIR XPS EPS MW
80 -193 0,010 0,011 0,010 0,015
85 -188 0,010 0,011 0,011 0,016
90 -183 0,010 0,012 0,011 0,017
95 -178 0,011 0,012 0,012 0,017
100 -173 0,012 0,013 0,012 0,018
105 -168 0,012 0,014 0,013 0,019
110 -163 0,012 0,014 0,013 0,020
115 -158 0,013 0,015 0,014 0,020
120 -153 0,013 0,015 0,014 0,021
125 -148 0,013 0,016 0,015 0,022
130 -143 0,014 0,016 0,016 0,023
135 -138 0,014 0,017 0,016 0,023
140 -133 0,014 0,017 0,017 0,024
145 -128 0,014 0,018 0,017 0,025
150 -123 0,015 0,018 0,018 0,025
155 -118 0,015 0,019 0,018 0,026
160 -113 0,015 0,019 0,019 0,027
165 -108 0,016 0,020 0,020 0,027
170 -103 0,016 0,020 0,020 0,028
175 -98 0,016 0,021 0,021 0,028
180 -93 0,017 0,022 0,021 0,029
185 -88 0,017 0,022 0,022 0,030
190 -83 0,018 0,023 0,023 0,030
195 -78 0,018 0,023 0,023 0,031
200 -73 0,018 0,024 0,024 0,032
205 -68 0,019 0,024 0,025 0,032
210 -63 0,019 0,025 0,025 0,033
215 -58 0,019 0,025 0,026 0,034
220 -53 0,019 0,026 0,027 0,034
225 -48 0,020 0,026 0,028 0,035
230 -43 0,020 0,027 0,028 0,035
235 -38 0,020 0,028 0,029 0,036
240 -33 0,020 0,028 0,030 0,037
245 -28 0,020 0,029 0,031 0,037
250 -23 0,020 0,029 0,032 0,038
255 -18 0,020 0,030 0,032 0,039
260 -13 0,020 0,031 0,033 0,039
265 -8 0,020 0,031 0,034 0,040
270 -3 0,020 0,032 0,035 0,040
275 2 0,020 0,033 0,036 0,041
280 7 0,020 0,033 0,037 0,042
285 12 0,020 0,034 0,038 0,042
290 17 0,021 0,035 0,039 0,043
295 22 0,021 0,036 0,040 0,043
300 27 0,022 0,036 0,041 0,044
305 32 0,022 0,037 0,042 0,045
310 37 0,023 0,038 0,043 0,045
315 42 0,024 0,039 0,044 0,046
320 47 0,024 0,039 0,045 0,046
325 52 0,025 0,040 0,046 0,047
330 57 0,026 0,041 0,047 0,047
335 62 0,026 0,042 0,048 0,048
340 67 0,027 0,043 0,049 0,049
345 72 0,028 0,043 0,050 0,049
350 77 0,028 0,044 0,051 0,050
355 82 0,028 0,050
360 87 0,029 0,051

Реальные и заявленные показатели теплопроводности

Интересно, что в процессе исследования обнаружились отклонения показателей теплопроводности материалов от тех цифр, которые заявляют производители (рис. 7).

Минимальные и максимальные показатели для диапазона заявленных значений теплопроводности определялись для ТИМ той же плотности, что и измеряемые образцы.
Анализ заявляемых показателей проведен на основе сведений из открытых источников в интернете.

Рисунок 7. Отклонения теплопроводностей строительных материалов от заявляемых при 25С.

Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

Таблица 2. Отклонение теплопроводности строительных материалов от заявляемой (%).

Наименование Теплопроводность
Измеренная Средние значения* Отклонение, %
мин. макс. От мин. От макс.
PIR, 32,9 кг/м3 0,022 0,021 0,026 4,8 -15,4
XPS, 30 кг/м3 0,036 0,029 0,032 24,1 12,5
EPS, 8,0 кг/м3 0,041 0,042 0,044 -2,4 -6,8
MW, 154,0 кг/м3 0,044 0,037 0,038 18,9 15,8

* – данные интернет-ресурсов

Итоги

Все изученные в независимой лаборатории ВНИИФТРИ материалы показали устойчивый рост теплопроводности с ростом температуры. Каждый в своем пределе, обусловленном строением материала.
Если для XPS рост составил от 0,011 до 0,044, для МВ — 0,015-0,051, то для PIR — 0,010-0,029.

Как видим, лучше всего себя зарекомендовала современная теплоизоляция из огнестойкого пенополиизоцианурата PIR, модифицированного пенополиуретана. Результаты российских независимых исследований подтверждают данные, полученные в других странах: PIR действительно утепляет лучше.

Источник: forumhouse.ru
0
Реклама

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о