Теоретические аспекты улучшения теплотехнических характеристик пористых систем

В научных публикациях, посвященных пенобетонам, нередко высказывается мысль о необходимости совершенствования поровой структуры материала с целью сближения ее геометрических характеристик с газобетоном автоклавного твердения [1]. При этом предполагается, что улучшение поровой структуры пенобетона позволяет существенно повысить физико-механические характеристики камня и снизить коэф­фициент теплопроводности при той же средней плот­ности поробетона. Однако эта точка зрения является дискуссионной.

Известно, что коэффициент теплопроводности любого газонаполненного материала в общем случае зависит от теплопроводности твердой и газообразной фаз, входящих в состав рассматриваемого объекта. Вклад каждого из этих компонентов газонаполненной системы и в конечном счете численное значение ко­эффициента теплопроводности прежде всего зависит от их количественного содержания в материале. По мере уменьшения средней плотности содержание твердой фазы в материале падает и соответственно снижается вклад твердой фазы в численное значение коэффициента теплопроводности и другие технологи­ческие и эксплуатационные характеристики газона­полненных систем.

Можно предположить, что изменение поровой структуры, размера и формы пор меньше повлияет на теплозащитные свойства материала при средней плотности 150—300 кг/м3, чем при средней плотности 600 кг/м3 и более.

Теплоперенос в порах стеновых материалов осу­ществляется различными механизмами — теплопровод­ностью газа, тепловым излучением между стенками пор и конвекцией. При расчетах теплопроводности чаще всего предполагается, что указанные процессы являют­ся независимыми и эффективную теплопроводность ƛэфф n можно представить в виде:

где λ конд — составляющая, связанная с теплопроводнос­тью газа; λ изл — составляющая, обусловленная тепловым излучением между стенками пор; λ конв — конвективная составляющая теплопроводности.

Очевидно, что теплозащитные свойства газонапол­ненной поры в определенной степени зависят от природы газа, содержащегося в ней. Сравним тепло­изоляционные свойства газо- и пенобетонов, приняв во внимание, что поры первого заполнены водородом, а второго — воздухом. Наиболее важным в проблеме оценки теплозащитных свойств легких бетонов с пора­ми различного размера является вопрос о роли конвек­тивной составляющей в переносе теплового потока. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Коэффициент теплопроводности водорода в нор­мальных условиях составляет 0,183 Вт/(м °С), тогда как воздуха - 0,0262 Вт/(м-°С) [2], что обусловлено малым размером и высокой подвижностью молекул водорода в сравнении с азотом и кислородом. Следовательно, на интенсивность конвективных потоков в газообразной среде оказывает влияние внутреннее трение, которое характеризуется вязкостью. Коэффициент динамичес­кой вязкости водорода (8,94-10-° Па с) вдвое меньше, чем воздуха (18,5-10_6 Па с). Сопоставление их теплоза­щитных свойств затруднительно из-за большой разни­цы численных значений их плотностей, поэтому пред­лагаем использовать для сравнения критерии подобия Прандтля, Грасгофа и Рэлея.