Кирпич толщина плотность теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материалов

Теплопроводность.

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”. В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности. Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Зачем нужна теплоизоляция?

Актуальность теплоизоляции заключается в следующем:

• Сохранение тепла в зимний период и прохлады в летний период.

Потери тепла сквозь стены обычного многоэтажного жилого дома составляют 30-40%. Для снижения теплопотерь нужны специальные теплоизоляционные материалы. Применение в зимний период электрических обогревателей способствует дополнительному расходу на электроэнергию. Эти расходы выгодней компенсировать использованием качественного теплоизоляционного материала, обеспечивающего сохранение тепла в зимний период и прохладу в летнюю жару. При этом затраты на охлаждение помещения кондиционером также будут сведены к минимуму.

• Увеличение долговечности конструкций здания.

В случае промышленных зданий с использованием металлического каркаса, утеплитель позволяет защитить поверхность металла от коррозии, являющейся самым пагубным дефектом для данного вида конструкций. А срок службы для здания из кирпича определяется количеством циклов замораживания/оттаивания. Воздействие этих циклов воспринимает утеплитель, ведь точка росы при этом находится в теплоизоляционном материале, а не материале стены. Такое утепление позволяет увеличить срок службы здания во много раз.

• Шумоизоляция.

Защита от возрастающего уровня шума достигается при использовании таких шумопоглощающих материалов (толстые матрасы, звукоотражающие стеновые панели).

• Увеличение полезной площади зданий.

Использование системы теплоизоляции позволяет уменьшить толщину наружных стен, при этом увеличивая внутреннюю площадь здания.

Свойства

Нормативные документы

Производство шамотного кирпича наряду с другими изделиями из огнеупорной глины регламентирует ГОСТ 390-96.

Какую информацию можно найти в документе?

• Допуски зависят от класса изделий и для прямоугольных кирпичей не превышают 5 миллиметров по длине, 4 по ширине и 3 по толщине.
• Для всех марок линейное расширение при нагреве не превышает 0,5%.
• Огнеупорность зависит от марки кирпича. Для марки ШАК нормой являются 1730 градусов, ША-1690, ШБ-1650, ШВ-1630, ШУС -1580, ПБ-1670, ПВ-1580.

Внимание: не путайте огнеупорность с максимальной рабочей температурой. Последняя составляет от 1400С для марок ШАК и ША до 1250 у ПВ.

• Предел прочности при сжатии тоже зависит от марки: от 2,3 кг/мм2 у ШАК до 1,5 для марки ПВ.
• Изделия должны иметь однородное строение. Пустоты и расслоения не допускаются. Стало быть, искать в продаже пустотелый шамот не стоит.

Плотность и теплопроводность

Плотность обожженного шамота находится в диапазоне 1700-1900 кг/м3. Ее определяет тип глины и качество спекания; у ША и ШАК плотность наивысшая, у ПВ – низшая среди всех марок.

Теплопроводность зависит от плотности изделия и в среднем составляет 0,6-0,7 Вт/м*С. Любопытно сравнить ее с теплопроводностью красного и силикатного кирпича: первый обладает вдвое лучшими теплоизолирующими качествами (производителями приводятся значения 0,26-0,36 Вт/м*С), второй заметно более теплопроводен – 0,92-0,95 Вт/м*С.

Габариты и масса

Размер шамотного кирпича определяется ГОСТ 8691-73 “Изделия огнеупорные общего назначения”. Для прямоугольного изделия длина может составлять 230, 250, 300 и 345 миллиметров; ширина – 65, 85, 114, 124 и 150 миллиметров; высота – 40, 65, 75 и 100 миллиметров. Габаритными размерами определяется номер кирпича: к примеру, кирпич шамотный ШБ 5 – это изделие из шамота марки ШБ размером 230х114х65 мм.

Как несложно догадаться, масса отдельного изделия определяется его габаритами и маркой – от нее, как мы помним, зависит плотность шамота. Для размера 230х114х65 кирпич марки ШАК будет весить 3,6 кг, а марки ПВ – лишь 3,2.

Помимо прямоугольных, стандарт регламентирует производство клиновидных кирпичей (ими, в частности, кладутся своды каминов), трапециевидного кирпича, огнеупорной плитки и некоторых других изделий более сложной формы.

Клиновидный кирпич в арке камина.

Итоги

Итак, давайте подытожим набор свойств интересного нам материала.

• Жаростойкость. Если обычный красный полнотелый кирпич при нагреве свыше 1000С начинает размягчаться, то для шамотного граница деформации лежит на несколько сотен градусов выше.
• Большое количество циклов нагрева и остывания без признаков разрушения – прямое свойство надежного спекания частиц глины.
• Высокая теплоемкость – следствие высокой плотности. Шамот будет нагреваться медленнее, чем обычный красный кирпич, но и дольше сможет отдавать тепло.
• Умеренная теплопроводность означает, что тепло сгорания дров или угля будет передаваться на наружную сторону печи или камина; однако наружная стенка не станет раскаленной.

Надо признать, что набор свойств более чем оправдывает применение шамота при кладке печей.

Как рассчитать ограждающую конструкцию

Чтобы определить минимальную толщину наружной стены или перекрытия, при которой в помещении сохранится благоприятный микроклимат в жару и мороз, используют теплотехнический расчет.

В упрощенном виде он представлен формулой:

R — нормативное температурное сопротивление, м²/ (°С Вт);

δ — толщина стены или слоя бетона, м;

λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С).

Нормативное сопротивление находят по таблице СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Каждому региону соответствует свое значение. Например, для Москвы оно равно 3,28 м²/ (°С Вт).

Если предположить, что наружные стены будут выполнены из керамзитопенобетона плотностью 800 кг/м³ с λ=0,21 Вт/(м °С), то искомая толщина конструкции равна:

δ=R х λ= 3,28х0,21=0,688 м.

Чтобы не сооружать такие массивные стены, их утепляют эффективными теплоизоляционными материалами. Это позволяет уменьшить толщину ограждения, понизить нагрузку на фундамент.

В многослойных конструкциях расчет ведут для каждого слоя. Суммарное сопротивление должно соответствовать нормативному:

Теплотехнический расчет с использованием коэффициента теплопроводности бетона производят перед началом строительства на этапе проектирования.

Виды и область применения утеплителей

Каждый тип изоляции в зависимости от величины сопротивления теплопередаче, прочности, способности сохранять форму при нагрузке имеет свою область применения. Для расчета эффективной толщины теплоизоляционного слоя первоначально нужно определить:

1) Какие конструктивные элементы здания нужно утеплять. Важен тип изолируемой конструкции (вертикальная, горизонтальная, наклонная) и воспринимаемая нагрузка.

2) Из возможных вариантов выбирают утеплитель с лучшим коэффициентом теплопроводности, соответствующий пожарной безопасности, удобный при монтаже.

Ставить на первое место низкую стоимость теплоизоляционных материалов, грубая ошибка частных застройщиков. Пренебрегая коэффициентом сопротивления теплопередаче стройматериалов, из которых построены ограждающие конструкции дома не возможно, выбрать лучший утеплитель.

Виды и назначение теплоизоляционных материалов:

• Жёсткие плитные и листовые утеплители: минеральная вата, пенопласт, экструдированный пенополистирол − способны воспринимать нагрузку без изменения формы. Используются для утепления фасада под штукатурку, плоской кровли, пола под стяжку, монолитного и сборного железобетонного перекрытия. Утеплять жёсткими теплоизоляционными материалами конструкции под обшивку технически возможно, но неоправданно дорого.

• Мягкие утеплители: базальтовая (каменная) вата, стекловата в рулонах и плитах, пенопласт низкой плотности – используются только в не нагруженных каркасно-обшивных конструкциях. Такие материалы применяют звукоизоляции и утепления, внутренних перегородок, наружных стен в системах вентилируемых фасадов, под сайдинг, вагонку, гипсокартон и прочие виды зашивки, для теплоизоляции пола на лагах, перекрытия холодного чердака по деревянным балкам, скатных крыш и мансардных кровель.

• Распыляемые материалы (жидкий пенополиуретан, эковата, пеноизол и пр.) – создают теплоизоляционный слой, не способный воспринять нагрузку. Поэтому применяются для утепления горизонтальных, наклонных и вертикальных конструкций под обшивку.

• Засыпная теплоизоляция (керамзит, шарики пенопласта, гранулированное пеностекло и пр.) применяется для горизонтального утепления обшивных конструкций. Сыпучие утеплители не стоит использовать для пола под стяжку из-за сложности выполнения работ.

Оптимальная область применения строительных материалов для утепления различных элементов здания приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Какой утеплитель можно выбрать для теплоизоляции конструкций дома

Выбрать удобный для монтажа размер утеплителя Вы можете в каталоге теплоизоляционных материалов беларуских и иностранных производителей.

Пример расчета потерь тепла

Если взять, к примеру, стену из материала с коэффициентом теплопроводности 1, то при разности температур с двух сторон этой стены в 1°, потери тепла составят 1 Вт. Если же толщину стены взять не 1 метр, а 10 см, то потери составят уже 10 Вт. В случае, если разность температур будет 10°, то тепловые потери также составят 10 Вт.

Рассмотрим теперь на конкретном примере расчет потери тепла целого здания. Высоту его возьмем 6 метров (8 с коньком), ширину – 10 метров, а длину – 15 метров. Для простоты расчетов берем 10 окон площадью 1 м 2 . Температуру внутри помещения будем считать равную 25°C, а на улице -15°C. Вычисляем площадь всех поверхностей, через которые происходит потеря тепла:

• Окна – 10 м 2 .
• Пол – 150 м 2 .
• Стены – 300 м 2 .
• Крыша (со скатами по длинной стороне) – 160 м 2 .

Формула теплопроводности строительных материалов позволяет вычислить коэффициенты для всех частей здания. Но проще использовать уже готовые данные из справочника. Там есть таблица теплопроводности строительных материалов. Рассмотрим каждый элемент по отдельности и определим его тепловое сопротивление. Оно рассчитывается по формуле R = d/λ, где d – толщина материала, а λ – коэффициент его теплопроводности.

Пол – 10 см бетона (R=0,058 (м 2 *°C)/Вт) и 10 см минеральной ваты (R=2,8 (м 2 *°C)/Вт). Теперь складываем эти два показателя. Таким образом, тепловое сопротивление пола равняется 2,858 (м 2 *°C)/Вт.

Аналогично считаются стены, окна и кровля. Материал – ячеистый бетон (газобетон), толщина 30 см. В таком случае R=3,75 (м 2 *°C)/Вт. Тепловое сопротивление пластового окна — 0,4 (м 2 *°C)/Вт.

Кровлю будем считать из минеральной ваты толщиной в 10 см и профлиста. Так как металл имеет высокий коэффициент теплопроводности, то профлист в расчет не берем. Тогда R крыши составит 2,8 (м 2 *°C)/Вт.

Следующая формула позволяет выяснить потери тепловой энергии.

Q = S * T / R, где S – площадь поверхности, T – разница температур снаружи и внутри (40°C). Рассчитаем потери тепла для каждого элемента:

• Для крыши: Q = 160*40/2,8=2,3 кВт.
• Для стен: Q = 300*40/3,75=3,2 кВт.
• Для окон: Q = 10*40/0,4=1 кВт.
• Для пола: Q = 150*40/2,858=2,1 кВт.

Далее все эти показатели суммируются. Таким образом, для данного коттеджа тепловые потери составят 8,6 кВт. А для поддержания оптимальной температуры потребуется котельное оборудование мощностью не менее 10 кВт.

Как пользоваться пенопластом ПСБ-С-35?

С целью идеального выравнивания стен можно изменить толщину пенополистирольной плиты. Злоупотреблять размером толщины материала не следует, поскольку это вызовет определенные трудности с закреплением системы водоотливов на углах строения.

Перед выбором утеплителя необходимой толщины следует посмотреть, какое количество запаса от газовой трубы имеется, поскольку ее нельзя закрывать категорически, так как это нарушит эстетику вида строения. В этом случае важно правильно определиться с покупкой пенопласта ПСБ-С-35 толщиной 5 см, нежели видом материала плотностью 25 при толщине 10 см. Хотя их цены практически не отличаются.

Утеплителем плотностью 35 можно изолировать фасады строений, откосы окон и дверей. Он имеет цену в два раза больше, чем материал из полистирола плотностью 25. Последним можно утеплять гаражи и нежилые конструкции, если его толщина равна 5 см. При толщине такого утеплителя в 7 см его можно применять при теплоизоляции жилых помещений.

За счет нормального уровня плотности можно использовать теплоизолятор с наименьшей толщиной, что не связано с ухудшением качества утепления. Если теплоизолятор из пенополистирола является более твердым, то с помощью него можно идеально проводить утепление подвальных помещений, стен и фундаментов.

Если пенополистирол хранился долгое время вне помещения, то его структура могла претерпеть изменения из-за атмосферных осадков и солнечного излучения. Плиты становятся желтыми, а их полезные свойства исчезают.