Теплофизические свойства твердых тел, страница 9. Стекло теплопроводность


Коэффициент теплопроводности - Металлы и стекло

вернуться в на страницу «Коэффициент теплопроводности»

Коэффициент теплопроводности — Металлы и стекло

Согласно: СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Приложение Т (справочное). Расчетные теплотехнические показатели строительных материалов и изделий.

Материал Характеристики материалов в сухом состоянии Расчетные характеристики материалов при условиях эксплуатации конструкций А и Б
плот-ность ρ0, кг/м3 удельная тепло-емкость С0, кДж/(кг·°С) тепло-провод-ность λ0, Вт/(м·°С) влажность, w, % тепло-проводность λ, Вт/(м·°С) тепло-усвоение  s (при периоде 24 ч) , Вт/(м2·°С) паро-прони-цаемость μ, мг/(м·ч·Па)
А Б А Б А Б А, Б
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Металлы и стекло
230 Сталь стержневая арматурная 7850 0,482 58 0 0 58 58 126,5 126,5 0
231 Чугун 7200 0,482 50 0 0 50 50 112,5 112,5 0
232 Алюминий 2600 0,84 221 0 0 221 221 187,6 187,6 0
233 Медь 8500 0,42 407 0 0 407 407 326 326 0
234 Стекло оконное 2500 0,84 0,76 0 0 0,76 0,76 10,79 10,79 0

Примечания

saitinpro.ru

Коэффициенты теплопроводности и плотности строительных материалов

Материал

Плотность (для сыпучих – насыпная плотность), кг/м3

Коэффициент теплопроводности (λ),  Вт/ (м*К)

Альминский камень 2100-2300
Асбест 600 0,151
АЦП асбесто-цементные плиты 1800 0,35
Бетон см.также Железобетон 2300-2400 1,28-1,51 растет с ростом плотности
Битум 1400 0,27
Винипласт 1380 0,163
Гипсокартон 800 0,15
Гранит 2800 3,49
Дерево, дуб — вдоль волокон 700 0,23
Дерево, дуб — поперек волокон 700 0,1
Дерево, сосна или ель — вдоль волокон 500 0,18
Дерево, сосна или ель — поперек волокон 500 0,10—0,15 растет с ростом плотности и влажности
ДСП, ОСП; древесно- или ориентированно-стружечная плита 1000 0,15
Железобетон 2500 1,69
Камень крымский (ракушняк) 1100-2240 0,3-0,8 зависит от плотности и влажности
Керамзит 200 0,1
Керамзит 800 0,18
Керамзитобетон 1800 0,66
Керамзитобетон 500 0,14
Кирпич керамический пустотелый (брутто1000) 1200 0,35
Кирпич керамический пустотелый (брутто1400) 1600 0,41
Кирпич красный глиняный 1800 0,56
Кирпич, силикатный 1800 0,87
Кладка из изоляционного кирпича 600 0,116—0,209 растет с ростом плотности
Кладка из обыкновенного кирпича 600–1700 0,384—0,698—0,814 растет с ростом плотности
Кладка из огнеупорного кирпича 1840 1,05 (при 800—1100°С)
Линолеум 1600 0,33
Минвата 50 0,048
Минвата 100 0,056
Минвата 200 0,07
Мрамор 2800 2,91
Опилки древесные 230 0,070—0,093 растет с ростом плотности и влажности
Пенобетон 1200 0,38
Пенобетон 1000 0,23
Пенобетон 800 0,18
Пенобетон 600 0,14
Пенобетон 400 0,10
Пенопласт ПСБ-С 15 15 0,043
Пенопласт ПСБ-С 25 15,1-25 0,041
Пенопласт ПСБ-С 35 35 0,038
Пенополистирол 100 0,041
Пенополистирол 150 0,05
Пенополистирол 40 0,038
Пенополистирол экструдированый Марка 35 33-38 0,03
Пенополистирол экструдированый Марка 45 38,1-45 0,032
Песок сухой 1600 0,35
Песок влажный 1900 0,814
Пробковая мелочь 160 0,047
Рубероид, пергамин 600 0,17
Стекло оконное 2500 0,698—0,814
Текстолит 1380 0,244
Торфоплиты 220 0,064
Фанера клееная 600 0,12
Шлаковая вата 250 0,076

umelyeruki.com

Теплофизические свойства твердых тел, страница 9

                                                     (2.2.48)

где nФ - эмпирический коэффициент.

Рис.2.2.11. Теплопроводность Al2O3 в широком интервале температур.

Левая шкала относится к низкотемпературной области, правая - к   высокотемпературной

Было также установлено, что при Т>qД

                                                                              (2.2.49)

т.е., поскольку теплоемкость вещества СV меняется уже мало и скорость распространения волн остается примерно постоянной, то определяющее влияние играет межфононное взаимодействие, при котором, вследствие высокой плотности фононного газа, средняя длина свободного пробега фононов lФ ~ 1/T  очень мала  по величине (lФ ~ 10-6 см), а у таких кристаллов, как  TiO2, муллит, форстерит и других веществ с низкой теплопроводностью не превышает 2…4 Å, что соответствует межатомным расстояниям.

У огнеупорных окислов при Т> 1800К экспериментально обнаруживается некоторый рост коэффициента теплопроводности вследствие передачи некоторого количества тепла излучением. У прозрачных монокристаллов это явление отмечается и при более низких температурах.

Существенные изменения теплопроводности кристаллических материалов с изменением их химического состава, макро- и микроструктуры и проявление в различных интервалах температур разных механизмов теплопередачи требуют внимательного выбора табличных результатов, измерения этого параметра, приводимых в литературе, так как незначительные, на первый взгляд, изменения в стехиометрии и составе, влияние температуры - могут привести к существенным ошибкам в расчетах. Учитывая не слишком высокую в ряде случаев точность измерений, к справочным данным о величине коэффициента теплопроводности материалов следует относиться как к ориентировочным, требующим сравнений и дополнительной проверки в конкретных условиях использования.

2.2.7.2. Теплопроводность некристаллических материалов

Применение фононной теории к объяснению теплопроводности стекол и других материалов аморфного строения дополнительно осложнено нарушением дальнего порядка в расположении атомов. Однако в целом формула (2.2.45) все-таки остается применимой, хотя величины lФ, v и СV становятся еще более сложными для количественного вычисления; естественно лишь предположить, что lФ достигает порядка среднего межатомного расстояния.

В широком диапазоне не слишком высоких температур теплопроводность таких материалов, как кварцевое стекло, натрийкальцийсиликатные и боросиликатные стекла остается низкой и слабо зависящей от температуры вплоть до t » 600oС, выше которой заметный вклад начинает вносить перенос тепла излучением (эта доля становится пропорциональной Т 3 - рис.2.2.12).

    Рис.2.2.12. Теплопроводность кварцевого стекла, боросиликатного стекла и натрийкальцийсиликатного стекла. Область 1

При высоких температурах высокой теплопроводностью обладают фарфор и поликристаллическая керамика. Стекловидная силикатная фаза, присутствующая в керамике как связка, имеет теплопроводность, приблизительно равную теплопроводности стекол. Теплопроводность многофазной керамики зависит от распределения фаз и формы частиц и пор. Для определения многих параметров таких структур, в том числе теплопроводности, используют эмпирическую формулу

                                                                        (2.2.50)

где  n - показатель степени, лежащий в пределах между -1 и +1, vi - относительный объем, занимаемый фазой i.

          Наинизшей теплопроводностью обладают порошки тонко измельченных и плохо спекающихся материалов, таких как графит и материалы с мелкими, сообщающимися между собой порами.

Рис.2.2.13.  Теплопроводность (в логарифмическом масштабе) в зависимости от температуры: 1 - платина; 2 - чистая плотная MgO; 3 - шамотный огнеупор; 4 - порошок MgO; 5 - прозрачное кварцевое стекло

На рис. 2.2.13 представлены графики температурной зависимости теплопроводности чистой плотной MgO и порошка того же химического состава. Здесь же для сравнения приведены графики для широко распространенного теплоизоляционного материала шамота, типичного тугоплавкого металла - платины и прозрачного кварцевого стекла. Заметно различающиеся при комнатной температуре теплопроводности окиси магния, шамота и кварцевого стекла имеют близкую величину при повышенных температурах (800…1000oС).

2.2.7.3. Температуропроводность

При расчетах теплопередачи в случае установившегося теплового потока интегрируют уравнение (2.2.44), как это делается, например, для определения потерь тепла через стенки печи.

Если температура среды, через которую идет поток тепла, не остается постоянной, то скорость ее изменения со временем будет зависеть от теплопроводности среды, описываемой коэффициентом l, и ее теплоемкости, приходящейся на единицу массы rCp. В случае нестационарной задачи, т.е. определения теплопередачи при неустановившихся условиях, например, в процессе нагрева или охлаждения, а также при действии импульсных источников тепла, необходимо использовать величину температуропроводности

                                                                              (2.2.51)

Если считать величину коэффициента l не зависящей от температуры в рассматриваемом интервале  и пренебречь зависимостью теплоемкости  Ср  от температуры, что вполне допустимо при Т>qД, то в

частном случае одномерного, вдоль оси Х распространения тепла быстрота повышения температуры в некоторой точке может быть найдена из дифференциального уравнения

                                                                  (2.2.52)

Если уравнение (2.2.52) представить в форме  то можно считать, что коэффициент температуропроводности а, характеризует процесс установления градиента температуры в направлении теплового потока. Поскольку процесс распространения тепла очень существенно зависит от геометрических параметров - формы нагреваемого или охлаждаемого тела, температуры и свойств окружающей среды, то конкретные теплофизические задачи нагрева или охлаждения тел обычно решаются численными методами. Конкретная задача сводится к известным теоретическим решениям, приведенным в монографиях по теплопередаче, и решается с использованием специальных таблиц (чаще всего функции erf  Гаусса), или номограмм, или с применением ЭВМ.

vunivere.ru

Физические свойства стекла ― Стекольная Компания

Свойства стекла

Силикатные стекла отличаются необычным сочетанием свойств, прозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.

Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400...2600 кг/м3. Плотность оконного стекла — 2550 кг/м'. Высокой плотностью отличаются стекла, содер­жащие оксид свинца («богемский хрусталь») — более 3000 кг/м3. По­ристость и водопоглощение стекла практически равны 0 %.

Механические свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Теоретическая прочность стекла при растяжении — (10...12)•103 МПа. Практически же эта величина ниже в 200...300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее нали­чие таких участков. Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекло­волокна диаметром 1...10 мкм прочность при растяжении 300...500 МПа, т. е. почти в 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.

Прочность стекла при сжатии высока — 900... 1000 МПа, т. е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от — 50 до + 70° С прочность стекла практически не изменяется.

Стекло при нормальных температурах отличается тем, что у него отсутствуют пластические деформации. При нагружении оно подчи­няется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е= (7...7,5) • 104 МПа.

Хрупкость — главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяже­нии E/Rp. У стекла оно составляет 1300...1500 (у стали 400...460, каучука 0,4...0,6). Кроме того, однородность строения (гомогенность) стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является не­обходимым условием для проявления хрупкости.

Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5...7 по шкале Мооса.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных (см. ниже), пропу­скают всю видимую часть спектра (до 88...92 %) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель пре­ломления строительного стекла (п = 1,50...1,52) определяет силу отра­женного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50 %.

Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6...0,8 Вт/(м•К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов. Например, теплопроводность кристалла кварца — 7,2 Вт/(м•К).

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стек­ла относительно невелик (для обычного стекла 9•10-6 К-1). Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве (или охлаждении), могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет относительно малую термостойкость (способ­ность выдерживать резкие перепады температур) обычного стекла. Она составляет 70...90° С.

Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно соответствует кир­пичной стене в полкирпича — 12 см.

Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уни­кальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объ­ясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы Na+ и Са++ и образуется химически стойкая пленка, обогащенная SiO2. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.         

www.glass-work.ru

Теплоизоляционные характеристики стекла

2.4 — Теплоизоляция

2.4.1 Прохождение тепла через остекление

Разница в температуре между двумя точками любого тела вызывает перенос тепла от горячей точки к холодной.

Теплопроводность происходит различными путями:

  • теплопередача, т.е. внутри самого материала. Тепло передается последовательно от одной молекулы к другой, например, когда металлический стержень прогревается весь при нагревании с одного конца
  • конвекция в жидкостях и газах. Разность температур создает разницу в плотности. Молекулы из более легких теплых участков поднимаются вверх, в то время как холодные массы движутся в противоположном направлении; эти перемещения приводят к выравниванию температур, например, так происходит при нагревании кастрюли с водой
  • излучение: любое нагретое тело испускает энергию в форме электромагнитного излучения.

Оно пересекает область, прозрачную для волн; но когда волны встречают препятствие, они отдают часть своей энергии препятствию, которое в свою очередь испускает тепло. Этот путь переноса тепла работает и в вакууме, например, в случае солнечного излучения или электрической лампочки.

Конструкция стеклопакета позволяет ограничить потерю тепла путем теплопередачи через стекло благодаря наличию между двумя стеклами изолирующего пространства, заполненного осушенным воздухом или инертным газом.

Фундаментальные механизмы теплопередачи через остекление (в случае, когда наружная температура ниже температуры в помещении)

2.4.2 Теплопередача и теплопроводность

Вводная информация

Плотность теплового потока q (Вт/м2) в секунду, проходящего через остекление из теплой среды в холодную, определяется следующейформулой:

где Θi и Θе температуры воздуха внутри и снаружи помещения

• R сопротивление теплопередаче остекления м.2 K/Вт

• U = 1/R коэффициент теплопередачи остекления Вт/(м2К)

Коэффициент теплопередачи U (ранее k)

Определяет количество тепла, прошедшее через остекление, в установившемся режиме через единицу площади поверхности при разнице температур воздуха по разные стороны в 1°C.

Количество тепла в секунду Q (Вт), проходящее через остекление площадью поверхности S (м2) из теплой атмосферы в холодную составляет, соответственно:

Q = SU (Θi - Θе)

Для твердого изотропного вещества сопротивление теплопередаче R определяется как отношение его толщины e (м) к теплопроводности λ Вт/[м<):

Для минимизации теплопередачи и обеспечения максимальной теплоизоляции необходимо достичь минимально возможного значения коэффициента теплопередачи Ug остекления (т.е. сопротивление остекления теплопередаче R должно быть максимально высоким).

Стандарт EN 673 в деталях описывает методику расчета коэффициента теплопередачи остекления Ug. Значение, полученное с использованием данного расчета, представляет собой величину Ug в центральной точке остекления, т.е. исключая краевые зоны, вызванные наличием дистанционной рамки и рамы остекления, влияющие на передачу тепла

В следующей таблице показаны значения коэффициента теплопередачи различных типов остекления.

Коэффициент Ug для различных типов остекления [Вт/(мК)]

Состав

DGU

DGU High performance с iplus Advanced 1.0 (#3)

TGU с iplus LS (#2 and 3)

воздух

воздух

90%

аргон

90%

криптон

воздух

90%

аргон

90%

криптон

4/12 / 4

2,9

1,5

1,2

1,0

1,0

0,8

0,6

4/14 / 4

2,8

1,3

1,1

1,0

0,9

0,7

0,6

4 / 15 / 4

2,7

1,3

1,0

1,0

0,9

0,7

0,6

4/16/4

2,7

1,3

1,0

1,0

0,9

0,7

0,6

Коэффициент теплопроводности λ

Определяет количество тепла, прошедшее за 1 с через панель толщиной 1 м и площадью поверхности 1 м2 при разнице температур между поверхностями в 1°C.

Теплопроводность стекла составляет 1 Вт/(мK). Оно не является теплоизоляционным материалом. Теплоизоляционным считается материал с коэффициентом теплопроводности менее 0,065 Вт/(мK).

2.4.3 Различные типы изолирующего остекления

Стандартный однокамерный стеклопакет

Стандартный однокамерный (двойной) стеклопакет изготовлен из двух листов стекла с дистанционной рамкой и полостью, заполненной осушенным воздухом. Поскольку воздух обладает теплопроводностью 0,025 Вт/(мК) (при 100C), при этом теплопроводность стекла равна 1,0 Вт/(мК), воздушная прослойка улучшает термоизоляционные свойства и снижает коэффициент Ug остекления.

Однокамерный стеклопакет: ориентация компонентов и количество сторон

Поверхности однокамерного стеклопакета обычно нумеруют цифрами от 1 до 4 (снаружи внутрь), а для двухкамерного — от 1 до 6.

Определенного улучшения можно достичь посредством замены осушенного воздуха в полости (λ = 0,025 Вт/(мК), ρ = 1,23 кг/м3, при 10°C, т.е. при обычных условиях, описанных в стандарте EN 673) на теплоизоляционный газ, обладающий более низкой теплопроводностью, а также большей объемной массой для снижения конвекции (затрудняет перемешивание).

Теплоизолирующие газы снижают коэффициент Ug изолирующего стеклопакета на 0,2-0,3 Вт(м2K) и применяются исключительно в сочетании с низкоэмиссионными покрытиями. Таким образом достигается максимальное значение теплоизоляционных показателей.

На практике при производстве изоляционного стекла используется аргон (λ= 0,017 Вт/(мК), ρ = 1,70 кг/м3).

Стеклопакеты повышенной эффективности

Технологический прогресс, достигнутый в производстве высокоэффективных изоляционных покрытий играл ведущую роль в выводе на рынок целой линейки высокоэффективного изоляционного остекления.

Эти высокоэффективные теплоизоляционные покрытия называются низкоэмиссионными покрытиями (или low-e покрытиями) и представляют собой:

  • мягкие low-e покрытия, производимые магнетронным нанесением
  • твердые low-e покрытия, наносимые непосредственно на линии в процессе выпуска флоат-стекла.

Свойства низкоэмиссионного покрытия:

  • Нейтральный внешний вид
  • Высокая прозрачность (высокий уровень светопропускания)
  • Высокий уровень цветопередачи

Для сочетания теплоизоляционных и солнцезащитных свойств необходимо использовать иные типы покрытий, объединяющих обе эти функции.

AGC не рекомендует устанавливать на одной стене стандартные и высокоэффективные стеклопакеты по причине незначительного различия оттенков (связанного с наличием низкоэмиссионного покрытия), способного повлиять на внешний вид остекления в отраженном свете при определенных условиях.

По умолчанию низкоэмиссионное покрытие располагается на поверхности 3 (в позиции 3) однокамерного стеклопакета. Также возможна установка в позицию 2.

Низкоэмиссионное остекление

Стандартная алюминиевая дистанционная рамка может заменяться на на теплоизолирующую рамку («теплый край»). Теплоизоляционные свойства рамки «теплый край» значительно превосходят показатели стальных или алюминиевых рамок.

Использование дистанционной рамки («теплый край») не влияет на коэффициент теплопередачи стеклопакета Ug (соответствующий коэффициенту U, замеренному в центре стеклопакет в соответствии с EN 673), но влияет на коэффициент теплопередачи окна Uw, определяющий теплопотери окна в целом.

Энергоэффективные двухкамерные стеклопакеты

Теплоизоляция возрастает благодаря наличию инертного газа в межстекольном пространстве, теплоизоляционной рамки, а так же при добавлении камеры.

В двухкамерном стеклопакете, благодаря наличию второй камеры (дополнительного теплоизоляционного слоя), Ug обычно составляют от 0,5 до 0,7 Вт/(м2К), в зависимости от использованной конструкции (типа покрытий, газа, толщины дистанционной рамки и т.п.).

Компоненты и процессы, используемые для производства двухкамерных стеклопакетов аналогичны компонентам и процессам в производстве однокамерного остекления. В частности, применяется low-e покрытие, располагающееся обычно в позициях 2 и 5. Солнцезащитные свойства могут быть достигнуты путем использования соответствующих покрытий.

Основными недостатками двухкамерных стеклопакетов является их толщина, масса, пониженное светопропускание и общее пропускание солнечной энергии, связанные с увеличенным количеством листов стекла.

В связи с высоким уровнем теплоизоляции двухкамерных стеклопакетов рекомендуется проводить анализ риска термошока, особенно для среднего стекла.

Как и в случае с однокамерными стеклопакетами можно использовать дистанционные рамки «теплый край» для улучшения общих теплоизоляционных показателей.

2.4.4 Температура остекления и комфорт

Чувство комфорта в любом помещении зависит не только от окружающей температуры, но также и от близости холодных поверхностей. Человеческое тело с температурой (кожи) приблизительно 28°C отдает тепло, когда приближается к холодным поверхностям, таким как остекление с плохой теплоизоляцией. Возникает дискомфортное чувство холода.

На графике ниже приведены значения температуры внутренней поверхности одинарного остекления и различных типов стеклопакетов при наружной и внутренней температуре 0°C и 20°C соответственно (в стационарных условиях).

Видно, что использование энергоэффективного остекления не только ограничивает потери тепла, но и уменьшает чувство дискомфорта, вызванное близостью холодных поверхностей.

Изменение температуры внутренней стороны остекления зависит от значения коэффициента Ug

2.4.5 Конденсат на поверхности изоляционного остекления

На поверхности остекления могут возникать три типа конденсации:

  • поверхностная конденсация с внутренней стороны (поверхность 4 однокамерного стеклопакета / поверхность 6 двухкамерного стеклопакета): возникает при повышенной относительной влажности внутри помещения и/или низкой температуре внутренней поверхности остекления. При нормальных условиях внутри помещения (отапливаемое здание без отдельных источников влажности) подобный тип конденсации редко проявляется при использовании высокоэффективного изолирующего остекления
  • поверхностная конденсация на наружной стороне (поверхность однокамерного или двухкамерного стеклопакета): подобная конденсация может иногда возникать на рассвете на высокоэффективных изолирующих стеклопакетах, но только после ясной ночи при практически полном отсутствии ветра. В таких условиях, принимая во внимание повышенные теплоизоляционные свойства изолирующих стеклопакетов, наружный лист стекла остывает настолько, что на внешней поверхности выпадает конденсат. Это явление носит временный характер и подтверждает эффективность остекления
  • конденсация внутри стеклопакета: она указывает на дефект стеклопакета, поскольку он более не обеспечивает герметичности от пара и влаги.

Если влагопоглотитель утрачивает эффективность или герметик теряет герметичность, внутри стеклопакета образуется конденсат, и требуется замена стеклопакета.

alfaglass.ru