绝热材料和吸声材料.ppt
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第12章绝热材料与吸声材料,定义,绝热材料是指用于建筑围护结构或热工设备、阻抗热流传递的材料或材料复合体。
既包括保温、隔热材料,又包括保冷材料。
使用绝热材料的意义满足建筑空间或热工设备的冷、热环境。
节约能源。
通过使用绝热围护材料,可在现有基础上节能50%-80%。
日本的节能实践证明,使用1吨节能材料可节约标准煤3吨/年,其节能效益是材料生产成本的10倍。
用途民用建筑、温室或冷库、工业窑炉、锅炉、热工容器和管道等。
1.传热学基础,传热的基本方式传热是指热量从高温区向低温区的自发流动,是一种由于温差而引起的能量转移现象。
热量传递的方式:
导热对流热辐射,热传递机理
(1)热传导,t2,t1,热传导:
通过分子的热运动或原子、自由电子等微观粒子的运动来进行热传递。
热传递机理
(2)对流,t2,t1,对流:
对流仅发生于流体中,它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程。
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。
物体因各种原因发出辐射能,其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。
与热传导和对流传热不同,辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量,可以在真空中传递。
热传递机理(3)热辐射,热源,两个物理量、C导热系数(W/mk)厚度为1m的材料,当温度每改变1K时,在1h时间内通过1m2面积的传热量。
固体材料的导热系数有相当重要的实际和理论意义。
高炉和锅炉的设计需要知道隔热材料从高温到环境温度的导热系数数据;核反应堆中燃料元件的最高使用温度直接与其导热系数有关;航空和宇航应用方面所遇到的极限温度环境,燃料的低温存储等都需要准确知道材料的导热系数。
导热能力强;绝热性能好,材料的比热容质量为1g的材料,当温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。
C材料的比热容,J/(gK);Q材料吸收或放出的热量,J;m材料的质量,g;T2-T1材料受热或冷却前后温差,K,材料导热系数和热容量是设计建筑围护结构(墙体、屋面)进行热工计算的重要参数,设计时应选用导热系数较小而比热容较大的建筑材料,以使建筑物保持室内温度的稳定性。
定义控制室内热量外流的材料叫做保温材料防止热量进入室内的材料叫做隔热材料保温、隔热材料统称为绝热材料。
(0.175W/mK)。
绝热材料的选用导热系数0.175W/mK,表观密度600kg/m3,抗压强度0.3MPa,2.绝热材料,绝大多数建筑材料的导热系数介于0.029-3.49W/mK之间。
应该指出,即使是同一种材料,其导热系数也并不是常数,与材料的湿度等因素有关。
几种典型材料的热工性质,绝热材料的基本类型多孔型绝热机理材料孔隙中空气的导热系数(0.029W/mK)大大小于固体的导热系数,同时孔隙的存在使热量在固相中的传递路线增加,从而传热阻力增加,传热速度大为减缓。
t1,t2,Q,导热:
主辐射:
小对流:
小,纤维型:
绝热性能与纤维布置的方向有关,t2,t1,对于纤维质材料,不同方向上导热的性能不同:
(A)与纤维垂直的方向上,导热系数较低,绝热性能好,A,对于纤维质材料,不同方向上导热的性能不同:
(B)与纤维平行的方向上,导热系数较高,绝热性能要差些,t2,t1,B,纤维型:
绝热性能与纤维布置的方向有关,反射型Io外来热辐射能量;IB反射的能量;IA吸收的能量,热辐射的吸收性能-吸收率A,热辐射的反射性能-反射率B,由A+B=1可以看出,凡是反射能力强的材料,吸收热辐射的能力就小;反之,吸收能力强,则其反射率就越小,绝热材料的性能1.导热系数及其影响因素材料的物质构成化学组成和分子结构比较简单的物质比结构复杂的物质的导热系数要大。
有机高分子无机材料;非金属金属孔隙率可将孔隙或空隙中的气体视为无对流的静止空气。
孔隙率表观密度在表观密度相同的情况下,孔隙尺寸孔隙体积大到一定程度后,由于空气对流的出现,,温度由于辐射热的影响,多孔材料的导热系数一般随温度的升高而增大。
湿度水静止空气湿度气态液态固体热流方向对于各向异性的材料,不同方向上的导热系数各不相同,有时差异很大。
2.温度稳定性指材料在受热作用下保持原有性能不变的能力,通常用其不致丧失绝热性能的极限温度来表示。
3.吸湿性指绝热材料从潮湿环境中吸收水分的能力。
4.强度通常采用抗压和抗折强度来表示,一般不宜将绝热材料用于承受外界载荷部位。
常用绝热材料,绝热材料的成分类型,绝热材料的成分类型续,绝热材料的结构类型,绝热材料的工艺类型,散粒状绝热材料,散粒状绝热材料主要利用颗粒内部的孔隙与颗粒之间的空隙阻止热流的传递。
膨胀珍珠岩及其绝热制品物理性能:
白色,微孔结构,散粒状构造;微孔尺寸:
1-10m级;颗粒尺寸:
0.15-2.5mm;常温导热系数:
0.042-0.076W/(mK);安全使用温度:
-2001000。
基本绝热原理珍珠岩属于玻璃质材料,在其软化温度范围内,表现出很高的粘滞性,既能发生显著的变形而不破裂,又可阻止气体外逸。
此时其内的化学结合水发生蒸发,在珍珠岩流体中产生大量的气泡,粘滞的软化体随气泡的不断生成与长大发生显著的体积膨胀。
在气孔长大到一定程度但尚无合并之时迅速冷却,气泡将保留于膨胀的珍珠岩颗粒内部,形成微孔构造。
生产工艺,原材料及技术要求珍珠岩是酸性含水火山玻璃质岩石的总称,主要包括珍珠岩、黑耀岩、松脂岩三种岩石,由火山喷发急速冷却而成。
珍珠岩的质量等级:
在工业上除要求SiO2应占70%左右,H2O占4%6%,Fe2O3+FeO2.0%外,主要通过其物理性质膨胀倍数划分质量等级。
实验室简易焙烧膨胀倍数K0与工业焙烧膨胀倍数Ks对比,珍珠岩的化学成分范围,膨胀珍珠岩的技术要求,膨胀珍珠岩制品,膨胀珍珠岩制品的生产工艺,水泥膨胀珍珠岩制品典型配方,典型膨胀珍珠岩制品工艺,水泥基:
配合料经干拌后加水搅拌成颜色均匀一致,无结团的半干料,经压机压制成型后,保湿养护610天以上(或8590蒸气养护612h),自然干燥即得产品。
石膏基:
无须保湿养护,采用半干法成型直接干燥而成。
可在建筑工地随做随用,但耐水性不良,主要用于室内。
水玻璃基:
水玻璃:
膨胀珍珠岩:
赤泥(质量比)=43.6:
54.6:
1.8,成型压力0.4-0.5MPa,成型后的坯体在50-110的条件下烘干,然后送入550-650的窑炉进行焙烧。
磷酸盐基:
以膨胀珍珠岩作骨料,以铝酸铝和少量的硫酸铝、纸浆废液作胶结剂,经配料、搅拌、成型、焙烧制成。
制品湿物料质量比:
膨胀珍珠岩45.5;磷酸铝溶液34.1;硫酸铝溶液11.3;纸浆废液9.1,典型膨胀珍珠岩制品的物理力学性能,珍珠岩粒度的性质及其影响因素,密度:
散粒的堆积密度一般为50150kg/m3,总孔隙率为90%98%。
粒度为0.10.8mm的颗粒具有最小的堆积密度和最大的孔隙率。
导热系数:
堆积密度。
当0.10.8mm的颗粒含量在50%以上时,其不会大于0.052W/m.K。
在真空状态下,越细的颗粒,越小。
耐热性:
膨胀珍珠岩的耐火度为1280-1360。
但散粒绝热材料主要是利用颗粒的多孔结构,随着温度多孔结构发生变形绝热性能乃至丧失。
膨胀珍珠岩的安全使用温度一般为800。
吸水量:
膨胀珍珠岩的吸水量可达本身质量的2-9倍,其吸水速度在15min内质量吸水率可达300%-400%,体积吸水率可达28%-30%。
吸水引起强度下降,绝热性能降低。
特点有机微孔状绝热材料,有天然的软木、铜木等,但主要是指泡沫塑料和泡沫橡胶制品。
与无机微孔状绝热材料相比,有机微孔状绝热材料具有质量轻、导热系数小、耐水抗渗、耐腐蚀、耐低温、弹性好,尺寸稳定,加工安装方便等特点,但耐热性较差。
有机微孔状绝热材料,聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料简称EPS,是以聚苯乙烯树脂为主要原料,经发泡剂发泡而制成的一种内部有无数封闭微孔的材料,广泛用于建筑绝热和低温管道工程保冷。
特点:
表观密度小(2050kg/m3),导热系数低,(0.031-0.045W/mK),吸水率小(0.1%),隔音性能及耐冲击性能好,尺寸精度高、结构均匀,耐热温度7080,遇火能自行熄灭。
可发性聚苯乙烯珠粒的原料配合比,现代隔热技术,低温和超低温隔热大量使用纤维隔热材料、多孔隔热材料和空气层式隔热材料。
隔热方式中,辐射隔热(特别是真空反射隔热)占很重要的地位。
高温和超高温隔热吸收隔热利用材料本身具有较大的热容和热导而将热量吸收和导出,要求材料比热大,热容高,熔点高,通常只用在热通量低和时间较短的情况下。
辐射隔热利用材料表面热物理性能的特殊隔热方式。
加涂热辐射涂层的难熔金属(红外波段内的高发射物质,如炭化硅、氧化铬等),可用于辐射隔热的目的。
发汗隔热通过耐高温多孔表面材料的毛细管进行发汗实现隔热,发汗材料可以是气体,也可以是液体。
发汗在理论上可以应付无限大的热通量,但结构复杂而笨重。
烧蚀隔热以消耗物质来换取隔热效果的隔热方式,它是利用材料的分解、解聚熔化、蒸发、气化等化学物理过程移走大量的热来达到防热的目的。
评价烧蚀材料优劣的一个重要指标是烧蚀热(一般总热通量超过5万kcar/m2以上,使用烧蚀材料均能较好地满足要求)。
泡沫陶瓷,高辐射涂层,纤维隔热材料,金属结构,金属蜂窝,烧蚀材料,粘结材料,蜂窝结构,隔热材料,复合隔热结构,提高材料绝热性能的途径,使用表观密度较低的材料,尽量使其表观密度符合绝热最佳密度。
使用有机高分子材料或无定型的无机材料。
在表观密度一定的情况下,使材料内部空隙数量尽可能多,体积尽可能小,且互不连通。
当利用空气夹层隔热时,应使夹层尽量小,以防止对流的出现。
如采用蜂窝结构比大平壁中空结构的导热系数小;夹层内填充微孔材料,由于减少辐射换热,其导热系数又比蜂窝结构小。
当使用遮热板绝热时,可选择反射率高、发射率低的材料。
采用真空化处理或充填导热系数小于空气的气体。
12.2吸声、隔声材料,12.2.1吸声材料及吸声结构
(1)多孔吸声材料多孔吸声材料与绝热材料的异同
(2)柔性吸声材料(3)帘幕吸声体,第12章绝热材料和吸声材料,(4)悬挂空间吸声体(5)薄板振动吸声结构(6)穿孔板组合共振吸声结构,当一个声源发出的噪声声波影响到其周围的区域时,可以在声音的传播途径上设置一些固体材料,如果声音不能透过这些材料继续传播,或在透过这些材料时声能有很大的损失,则称这些材料为隔声材料。
声音在通过隔声材料时产生的能量损失,称为透射损失,其大小用透射系数来衡量。
一般门、窗、墙体材料的透射系数的值在101到105之间,数值越小,表示所能透射过去的声能越少,隔声性能也就越好。
12.2.2隔声材料,通常用隔声量来衡量材料或结构的隔声性能。
隔声量的实际意义就是隔声材料或结构两侧声压级的差值。
与透射系数相反,材料或结构的隔声量越大,其隔声性能越好。
12.2.2隔声材料,如果不考虑墙体的边界条件,同时还假设墙体各个部分的作用是相互独立的,墙体和楼板对空气的隔声量,主要取决于它们单位面积的重量(即面密度kg/m2)和声音的频率,墙体和楼板的面密度越大,透射的声能越少,这就是通常所说的“质量定律”。
12.2.2隔声材料,“质量定律”说明:
当面密度增加一倍(或者说对于已知材料,其厚度加倍),隔声量提高6dB;同时频率加倍(即对于每一倍频带),隔声量增加6dB。
但是这个简单的质量定律并不完全正确,因为墙体出现的吻合效应、共振等现象将会改变其隔声特性。
吻合效应就是当入射到墙体的声波的波长与墙体本身固有的弯曲波的波长相吻合时,材料与声波将产生共振,此时墙体的隔声量急剧下降。
出现吻合效应的最低频率称为吻合临界频率取决于材料的弹性模量和密度,12.2.2隔声材料,12.2.2隔声材料,隔绝的声音按传播的途径可分为空气声和固体声隔空气声隔固体声,吸声材料与隔声材料的区别,隔声材料要求表面密实,对声波有较强反射,使透射声波减小;吸声材料一般表面多孔疏松,对入射声波具有较强吸收和透射,使反射声波减小。
吸声材料因其多孔、疏松、质轻而隔声性能不好。
根据声学质量定律,材料单位面积的质量越大,越不易振动,则隔声效果就好。
如密实沉重的粘土砖、钢筋混凝土等材料的隔声效果比较好,但其吸声效果不佳。
思考题,
(1)何谓绝热材料?
建筑上使用绝热材料有何意义?
(2)绝热材料为什么总是轻质的?
使用时为什么一定要防潮?
(3)试述含水量对绝热材料性能的影响。
(4)何谓吸声材料?
材料的吸声性能用什么指标表示?
(5)吸声材料与隔声材料有什么区别?
岩棉及矿渣棉,岩棉:
熔融岩石喷吹制成矿渣棉:
熔融矿渣喷吹制成岩棉和矿渣棉统称矿物棉表观密度为45-150kgm3,导热系数为0.049-0.044WmK缺点:
吸水性大,弹性小,玻璃棉,玻璃棉:
用压缩空气将融化后从流口流出的玻璃喷吹形成的乱向玻璃纤维。
表观密度为10120kgm3,导热系数为0.041-0.035WmK,膨胀蛭石,蛭石:
一种复杂的镁、铁含水铝硅酸盐矿物,由云母类矿物经风化而成,具有层状结构。
膨胀蛭石:
将天然蛭石破碎、预热后快速煅烧,使蛭石膨胀20-30倍表观密度87-900kgm3,导热系数为0.0460.07WmK,膨胀珍珠岩,珍珠岩:
由地下喷出的熔岩在地表水中急冷而成,具有类似玉髓的隐晶结构。
膨胀珍珠岩:
将珍珠岩砂破碎、预热后,快速煅烧,使体积膨胀约20倍堆积密度为40500kgm3,导热系数为0.0470.07WmK,微孔硅酸钙,微孔硅酸钙:
以石英砂、普通硅石或活性高的硅藻土以及石灰为原料经过水热合成。
以托贝莫来石为主要水化产物的微孔硅酸钙,其表观密度约为200kgm3,导热系数约为0.047WmK;以硬硅钙石为主要水化产物的微孔硅酸钙,其表观密度约为230kgm3,导热系数约为0.056WmK。
泡沫玻璃,泡沫玻璃:
用玻璃粉和发泡剂配成的混合料经煅烧得到的多孔材料。
气相体积占80-95。
发泡气体:
碳酸气、一氧化碳、硫化氢、氧气、氮气等。
气孔是独立的。
表观密度为150-600kgm3,导热系数为0.058-0.128WmK,陶瓷纤维,陶瓷纤维:
采用氧化硅、氧化铝为原料,经高温熔融、喷吹制成。
表观密度为140-190kgm3,导热系数为0.044-0.049WmK,热反射玻璃,热反射玻璃:
在平板玻璃表面采用一定方法涂敷金属或金属氧化膜制得。
热反射率达40。
泡沫塑料,以各种树脂为基料,加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料,经加热发泡而制成。
聚苯乙烯泡沫塑料(表观密度为2050kg/m3,导热系数为0.038-0.047W/mK)聚氯乙烯泡沫塑料(表观密度为12-75kg/m3,导热系数为0.031-0.045W/mK)聚氨酯泡沫塑料(表观密度为30-65kg/m3,导热系数为0.0350.042W/mK)尿醛泡沫塑料,吸声与隔声,吸声性:
声能穿透材料和被材料消耗的性质。
隔声性:
阻止声波在空气和固体中的传播(隔绝声音)。
吸声材料,吸声系数:
=E/E0吸声材料:
125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz等6个频率的平均吸声系数大于0.2的材料。
吸声材料大多为轻质、疏松、多孔的,孔隙在70以上。
常用的吸声材料:
玻璃棉、岩棉、矿棉等纤维材料及板、毡、石膏板、纤维板等。
几种吸声结构的构造图例及材料构成,多孔吸声材料,声波进入材料内部互相贯通的孔隙,空气分子受到摩擦和粘滞阻力,使空气产生振动,从而使声能转化为机械能,最后因摩擦而转变为热能被吸收。
影响因素:
材料的表观密度、厚度、背后空气层厚度、孔隙特征。
材料中开放的、互相连通的、细微的气孔越多,其吸声性能越好。
柔性吸声材料,具有密闭气孔和一定弹性的材料,如泡沫塑料,声波引起的空气振动不易传至其内部,只能相应地产生振动,在振动过程中由于克服材料内部的摩擦而消耗了声能,引起声波衰减。
帘幕吸声体,用具有通气性能的纺织品,安装在离墙面或窗洞一定距离处,背后设置空气层。
悬挂空间吸声体,悬挂于空间的吸声体,增加了有效的吸声面积,加上声波的衍射作用,大大提高了实际的吸声效果。
空间吸声体有平板型、球型、圆锥型、棱锥型等多种形式。
薄板振动吸声结构,将胶合板、薄木板、纤维板、石膏板等的周边钉在墙或顶棚的龙骨上,并在背后留有空气层,即成薄板振动吸声结构。
穿孔板组合共振吸声结构,穿孔的各种材质薄板周边固定在龙骨上,并在背后设置空气层即成穿孔板组合共振吸声结构。
隔空气声,防止空气的振动。
选用密实、沉重的材料(如粘土砖、钢板、钢筋混凝土等)作为隔声材料。
隔固体声,防止固体撞击或振动。
采用不连续的结构,如:
在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和墙板之间加弹性衬垫材料(如毛毡、软木、橡皮等)或在楼板上加弹性地毯。
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- 绝热材料 吸声材料