工程绝热材料导热系数与孔隙率_含水率关系的分析.pdf

2000年6月河南机电高等专科学校学报Jun.2000
第8卷第2期JournalofHenanMechanicandElectricEngineeringCollegeVol.8Ä.2

工程绝热材料导热系数与孔隙率、含水率关系的分析X

张全兆
(河南机电高等专科学校政研室新乡453000)
摘要用分子运动论观点分析了一般绝热材料孔隙率、含水率是影响材料导热
系数的决定因素.并以此理论重点分析了被广泛应用的聚氨酯泡沫塑料作为优质绝
热材料的前景.
关键词孔隙率;含水率;导热系数
中图分类号TU111.4+1

绝热材料是指防止建筑物或设备的热量散失(如蒸汽管道、暖房)或隔绝外界热量传入(如
制冷管道、冷库)而适用的材料.对绝热材料的基本要求是:
1)导热系数KF0.25W{öm·k;2)堆密度F600kgöm3;3)较好的防腐性能;4)符合环保要
求(如无毒、吸声性能好等);5)工艺性好,造价便宜等.
导热系数K是影响物质传热量的主要物理量.
由傅立叶定律,对于连续介质,单位时间内通过整个等温面的热量为
5t
Q=∫FqdF=-∫FdF(1)
K5n
5t
式中,dF为微元等温面.Q的测量单位为W{(瓦),“—”表示传热方向与温度梯度相反.
5n
由(1)式知,导热系数K是决定物质传热量大小的主要物理量,是衡量绝热材料性能的重
要指标.物质的导热系数愈小,绝热性能就愈好.
应指出,工程上的绝热材料绝大多数为多孔材料,不能看作连续介质,所以多孔材料的导
热系数为当量导热系数,它相当于与多孔材料有相同形状、尺寸和边界温度时,通过相同热量
的某种匀质物质的导热系数.
影响K的因素有:材料的化学成分、结构、孔隙率及孔隙特征,含水率、介质温度等.而孔隙
率、含水率是影响K的主要因素.
根据分子运动论,在通常压力和温度范围内,气体的导热是由分子无规则运动及相互碰撞
所产生的分子运动动能的传递来实现的.气体的导热系数K可由下式计算:
{
K=W.LCvQö3(2)
{{
式中W为气体分子移动的平均速度,它可由下式求得W=3RuTöu(2)’

由式(2)’可看出,对于一定的气体,摩尔气体常数Ru及气体相对分子质量u是常数,所以
1
分子平均速度W{∝T2(2)"

X收稿日期:1999208210
作者:男,1942年10月生,大学,高级工程师
84河南机电高等专科学校学报第8卷

当绝热材料在稳定导热状态时,周边温度及压力是不变的,材料内部空气温度、定容比热

Cv及密度Q也是稳定的.由式(2)(2)’(2)"可看出,这种情况下,绝热材料孔隙内(对于堆放散
料称空隙)空气的导热系数K仅与L——气体分子两次碰撞之间的自由程有关.由此可见,当
材料的孔隙小、孔隙封闭时,L就小,空隙内的空气的导热系数K就小,反之亦然.
工程上的绝热材料属于固体介电质材料,几乎都是粉状或多孔材料.由于孔内气体导热系
数远低于其固体成份,所以材料的孔隙率大,空隙就愈小,其当量导热系数也愈小.例如,当石
棉的密度Q=400kgöm3时,K=0.105W{öm.K;当其Q=800kgöm3时,K=0.248W{ömK.
含水率对绝热材料导热系数的影响,从下面两种情况分析.
1)当材料内水蒸汽分压力还没有达到露点时,由于水蒸汽和干空气的导热系数很接近,所
以水蒸汽的多少对材料的导热系数没有影响.这可从图1中看出.
2)当周边温度降低,低于其内孔混合气体
露点时,水汽凝结为水(这在制冷管道、设备上
常出现),或因外界水大量浸入时,加之水在材
料内特殊出现的毛细作用,使材料内的传热方
式由单一的导热,转变为兼含导热和比导热强
烈得多的热对流传热方式——对流换热.这样
使材料的导热系数(实为放热系数)不但远高于
空气的导热系数(K=0.015W{ömk),也比纯水
的导热系数(K=0.35W{öm.k)大得多.例如,干
砖的K=0.35W{ömk;潮湿砖的K=1.0W{öm.k.
绝热材料的孔隙率、含水率在很大程度上
决定了它的应用和发展.
绝热材料分有机材料和无机材料两大类
图1气体的导热系数.
无机绝热材料由矿物材料制成,呈纤维状、
散粒状或多孔结构.耐高温的绝热材料(耐温600℃以上)基本上是无机材料.无机绝热材料一
般价格便宜,工艺性好,导热系数通常在0.05W{ömk以上.但是他们有不少种吸水性大(尤其
是散料),其中的纤维性绝热材料,如矿棉、玻璃纤维等,在制造及施工中对人体有害,某些场合
无法使用.
附表几种常用绝热材料性能比较表

项目密度导热系数抗压强度吸水率(体积)
名称kgöm3W{öm.kMPa%
硬质聚氨酯泡沫塑料30～400.018～0.03E0.2<0.2
矿棉毡135～1600.044～0.052<3
膨胀珍珠岩制品300～4000.058