При этом понятно, что если выполнить монтажный шов только из двух слоев – наружного и внутреннего (например, из наклеенных на оконный профиль и стену заранее изготовленных полос герметика), то такой шов работать не будет. А, собственно, почему? Ведь "воздух – самый лучший теплоизолятор"?..
Дело в том, что в этом шве будет огромная конвекция воздуха. О влиянии конвекции на теплотехнические свойства пены расскажем в данной статье.
В статье "Эффект гравитационной анизотропии теплопроводности пен" [1] приводится формула для расчета теплопередачи пены с учетом газовой конвекции:
(1)
где λ – коэффициент теплопередачи пены с учетом конвекции, λ0 – он же без влияния конвекции (в невесомости), а
— модифицированный критерий Релея. (2)
Подставив выражения для входящих параметров, можно получить более наглядную зависимость:
(3)
где D – диаметр пор пены, γ – постоянный коэффициент, не зависящий от размера пор, а зависящий от плотности, вязкости и теплопроводности газа, заполняющего поры, теплопроводности твердой компоненты пены, кратности пены (отношение объема полученной пены к объему твердой фазы), температуры. Зависимость (3) визуализирована на рисунке 1.
Видно, что при достаточно малом диаметре пор конвекция практически не оказывает влияния на теплопередачу, однако начиная с некоторого значения (когда γD3 становится большим 1) дальнейший рост диаметра пор приводит к резкому, кубическому возрастанию коэффициента теплопередачи.
Таким образом, одной лишь низкой теплопроводности воздуха недостаточно для хорошей теплоизоляции, необходимо обеспечить дробление объема воздуха на достаточно мелкие изолированные ячейки, чтобы обеспечить низкую конвективную теплопередачу.
Рис. 1 – Зависимость коэффициента теплопередачи пены от диаметра пор
Оценка влияния конвективного переноса тепла в монтажной пене
Коэффициент теплопередачи с учетом конвекции будет зависеть от направления переноса тепла. Конвекция не будет влиять на перенос тепла сверху вниз (так как более теплый воздух располагается вверху поры и никуда не перетекает). При распространении тепла снизу-вверх нагретый воздух со дна отверстий будет под действием силы Архимеда1 подниматься вверх, что ускорит теплопередачу. При переносе тепла в горизонтальном направлении коэффициент теплопередачи будет иметь промежуточное значение, так как конвективная циркуляция воздуха в поре будет ускорять теплообмен между ее боковыми стенками (подробнее в [1]). Таким образом, сравнив значения коэффициента теплопередачи в направлениях сверху вниз и снизу вверх, можно определить степень влияния конвективной составляющей теплопередачи и установить рациональность текущего размера пор.
Для проверки влияния размера пор на теплопередачу в пене мы провели эксперимент. Использовалась типовая установка для измерения коэффициента теплопередачи, в которой тестируемый образец располагается между двумя плитами, одна из которых подогревается, а другая – охлаждается. Поток тепла N через образец пропорционален перепаду температуры T2 - T1 между его противоположными поверхностями и его термическому сопротивлению:
(4)
Рис. 2 – Тестируемый образец с отверстияими
Результаты измерений приведены на рисунках 3 и 4. Истинное значение коэффициента теплопередачи необходимо определять по завершении установления процесса (правая часть графиков). Видно, что при переносе тепла сверху вниз наличие отверстий не повлияло на коэффициент теплопередачи. При переносе тепла снизу вверх коэффициент теплопередачи увеличился для обоих образцов (то есть теплоизоляционные свойства при таком направлении переносе тепла хуже), и оказался на 8% больше для образца с отверстиями. Такая разница получена при том, что объем отверстий составляли лишь 11% объема образца. Повышение коэффициента теплопередачи при наличии отверстий является следствием конвективного переноса тепла в них и подтверждает, что увеличения диаметра пор в материале до 12 мм ухудшило бы его теплоизоляционные свойства.
Рис. 3 – Коэффициент теплопередачи при переносе тепла сверху вниз
Рис. 4 – Коэффициент теплопередачи при переносе тепла снизу вверх
Выводы
Снижение относительной плотности вспененного теплоизолятора позволяет при том же расходе уменьшить стоимость материала, потому что полимер (основа пенополиуретана) дешевле газа. Но чем ниже плотность пены, тем больше размер пор. Наличие крупных пор ухудшает теплоизоляционные свойства материала при переносе тепла снизу вверх или в горизонтальном направлении из-за конвекции в порах. Поэтому при выборе утеплителя необходимо обращать внимание и на размер пор.
Список литературы:
[1] Некрасов, А.Г. "Эффект гравитационной анизотропии теплопроводности пен" / А.Г. Некрасов // Вестник СПбГУ. − Серия 4, вып. 3. − 2004 г.
1 Также эта сила называется выталкивающей. Когда мы погружаем какой-либо предмет в жидкость/газ, он начинает "всплывать" - это происходит из-за особой силы, которая его выталкивает наверх. Сила, которая толкает тело вверх, точно равна весу той жидкости/газа, которую тело вытеснило своим объемом (собственно, это и есть закон Архимеда). Таким образом, чем больше места занимает предмет в воде или воздухе - тем сильнее его выталкивает наверх.
