Коэффициент теплопроводности

Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является теплопроводность. Почти у всех есть понимание, что чем она меньше, тем лучше. Но что означает этот термин и что он нам дает? Как сравнить два типа изоляции, используя этот параметр? Предлагаем разобраться

Что такое коэффициент теплопроводности?

Согласно определения в своде правил СП 61.13330.2012:

Само понятие возникло во второй половине XIX века, свойство теплопроводности определяет способность материалов передавать тепловую энергию от более горячего тела к более холодному.

Что такое теплопроводность?

В свою очередь теплопроводность — способность материалов проводить тепловую энергию от более нагретых частей к менее нагретым путём хаотического движения частиц тела. Процесс теплообмена может протекать в любых телах с неоднородным распределением температуры, при этом механизм передачи тепла будет зависеть от агрегатного состояния веществ.

Формула коэффициента теплопроводности

Коэффициент λ (лямбда) определяется по следующей формуле: λ = λо*(1-b(T-To)), где λо - значение коэффициента теплопроводности при температуре To, b - постоянная, определяющаяся опытным путем.

Аэрогель Joda Carbon SACCT-A

7452,57 ₽

Купить

Единицы измерения теплопроводности по системе СИ - Вт/м*К

От чего зависит коэффициент?

При изучении данной характеристики было определено, что существует зависимость коэффициента теплопроводности от температуры и других параметров:

• параметров состояния - температуры, давления
• химический состав: такие материалы как металлы - алюминий и медь, обладают высокой теплопроводностью из-за свободно движущихся электронов, которые легко передают тепло
• структура - в пористых материалах воздушные пространства между частицами снижают теплопроводность
• плотность, чаще всего чем выше плотность, тем более высокой теплопроводностью обладает материал

При изменении данных свойств и параметров меняется и теплопроводность.

Обозначение λ₀ определяет коэффициент теплопроводности, который получен при испытаниях при температуре 0 °С. При этом температура является среднеарифметическим значением от: (температура на внешней поверхности изоляционного материала + температура на изолируемой поверхности)/2.

По аналогии λ₂₀ - это коэффициент полученный при проведении замеров при температуре 20 °С.

Чтобы рассчитать теплосопротивление слоя нужно его толщину в метрах разделить на коэффициент теплосопротивления материалов, из которых он выполнен.

Как это использовать на практике?

Данная характеристика позволяет определить возможность использования теплоизоляции в определенных условиях. Кроме того, Вы можете сравнивать различные виды теплоизоляционных материалов и выбирать наиболее подходящий.

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов (таблица)

В чём измеряется теплопроводность

Теплопроводность измеряется в различных единицах в зависимости от системы единиц, которая используется в конкретной стране или отрасли науки. В Международной системе единиц (СИ) коэффициент теплопроводности измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт/м·К) или иногда в милливаттах на метр на градус Цельсия (мВт/м·°C).

Единицы СИ широко применяются в научных и инженерных расчетах, а также в строительстве и промышленности. Иногда в различных странах и отраслях могут использоваться другие системы единиц, и в этом случае коэффициент теплопроводности может быть измерен в других единицах, например, в калориях в час на метр на градус Цельсия (кал/ч·м·°C)

Существует несколько методов для измерения теплопроводности материалов. Один из наиболее распространенных методов - метод плоской стенки или плоской пластины. В этом методе материал образца располагается между двумя плоскими стенками или пластинами, одна из которых поддерживается при постоянной температуре, а другая нагревается. Затем измеряется количество тепла, передающегося через образец, и рассчитывается его коэффициент теплопроводности.

Трубная изоляция Armaflex ACE

18,77 ₽

Купить

Другие методы включают использование тепловых потоков, таких как метод "горячей проволоки" или метод "горячей пластины", где тепловой источник нагревает образец, и измеряется температурный градиент и тепловой поток через образец.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов

При подборе теплоизоляции для рационального использования ресурсов, учитываются материалы оснований и их теплопроводность. Вот данные для некоторых строительных материалов:

Применение в промышленности

В промышленности материалы с различной теплопроводностью играют ключевую роль в оптимизации производственных процессов. Материалы с высокой теплопроводностью, такие как медь (λ ≈ 400 Вт/(м·К)) и алюминий (λ ≈ 230 Вт/(м·К)), широко применяются в теплообменниках, радиаторах и системах охлаждения. Они обеспечивают эффективный отвод тепла в металлургии, энергетике и машиностроении, что критически важно для поддержания оптимальных температурных режимов работы оборудования.

Материалы с низкой теплопроводностью необходимы для тепловой изоляции промышленного оборудования, трубопроводов и печей. Например, керамические волокна (λ ≈ 0,04-0,06 Вт/(м·К)) и аэрогели (λ ≈ 0,015-0,020 Вт/(м·К)) используются для изоляции высокотемпературных печей и реакторов, что позволяет существенно снизить энергопотери и повысить энергоэффективность производства. В криогенной промышленности применяются специальные многослойные изоляционные материалы для хранения и транспортировки сжиженных газов, где минимальная теплопроводность является критически важным параметром.

Правильно ли сравнивать только по λ?

Прежде всего стоит сравнивать показатели, определенные при одной температуре. Существуют различные стандарты определения коэффициента. Могут отличаться "стандартные тепловые режимы": согласно ГОСТ 7076-99 показатель определяется при 25 °С, а при использовании европейского стандарта EN 12667:2001, нормой является 10 °С.

Также учитывайте планируемые условия эксплуатации материала: влажность, возможное воздействие пара, наличие критических перепадов температуры и так далее.

Измерение теплопроводности является важной процедурой при разработке и характеристике различных материалов, включая изоляционные материалы, строительные материалы, металлы и полимеры. Эти данные помогают инженерам и научным исследователям оптимизировать свойства материалов для конкретных применений, таких как улучшение энергоэффективности зданий или разработка новых теплоизоляционных материалов.