超细玻璃棉导热系数的研究

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保温材料与建筑节能

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超细玻璃棉导热系数的研究张双喜。莉萍。杨郭铁明。向峰。海涛成陈(.岛理工大学环境工程学院， 1青山东青岛 2 63; 6 0 3 20 3 ) 0 0 0 2上海交通大学机械与工程动力学院制冷与低温研究所， .上海

摘要：对在不同的温度下不同密度的超细玻璃棉导热系数进行研究，果表明：定使用温度下，热系数结在特导随密度的变化关系呈二次曲线形式，在着最佳使用密度，存即最小导热系数。

关键词：超细玻璃棉；最佳使用密度；导热系数

中图分类号：Q1 1 7 3 T 7 . 1-3 7

文献标识码： B

文章编号：o 1 7 2 2 0 )5 0 5 - 3 10— 0 x(o 5 0 - 0 0 0

导热系数不仅是评价保温材料绝热性能的主要技术依据，而且也是对输热管道的保温技术热分析和优化热设计的关键参数。但是，国内输热管道所用的保温材料中，有些还缺少有关导热系数的完整数据，较高温度下导热系数的数据也

常常导致热损和表面温度超标，不但严重浪费能源，而且给管道的安全运行带来隐患。

1试验研究11实验装置 .

很少报道，这给供热管道保温的设计选型带来了困难，并且收稿日期：0 4 2 O 2 0 -1一 7

根据 G 09-8( B 126 8绝热层稳态热传递特性的测定——

圆管法》对管道保温材料的导热系数进行测试。实验装置采用 圆管法(见图1, )适用于测试通常高于周围环境温度的圆管绝热层(包括纵横接缝、防潮层及覆皮等)的稳态传热特性。

作者简介：双喜，,90年生，张男 16山东青岛人，高级工程师。地址：青岛市抚顺路 l 1号，电话：5 2 5 7 2 5 0 3— 0 16。

米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米

式中：m- _外墙的平均传热系数， ( K; W/m ) K外墙主体部位的传热系数， ( 2 ) w/m ; K B一『外墙各热桥部位的传热系数， ( 2 ) W/m ; K一

R= T

+

枷

: .1 m2K W 1 ￣/ 2

Ⅲ=

8 ( 2 )

3W/ m . K

外墙主体部位的面积，2 m;。、、 一

外墙各热桥部位的面积，2 m。R mR￣R+ () 2

计算结果达到新的节能标准要求。() 2屋顶部分

为计算各热绝缘系数，以下方程式既简单又有效。 式中：i整个系统内表面热绝缘系数，取 O1 m /尺广。 .l K W (可由民用建筑热工设计规范附录 2中查取) . 2; 尺整个系统外表面热绝缘系数， O0 2K W( 取 . m /可 4由民用建筑热工设计规范附录 23中查取) _;

由于屋顶部分的要求高于外墙，我们选择 6c厚 E S m P板。计算过程与外墙计算类似：TI 9m / =. R= . 2 W, 0 9 6 K 5 w/m )满足节能标准要求。 (2K,() 3窗

如果选用双层玻璃塑钢窗，其传热系数约为 3 . W/ 2 ( 2 )满足节能标准要求。 m , K

尺由，外墙体热绝缘系数、外保温系统热绝缘系数、 广墙体与外保温系统间隙部分热绝缘系数 3个部分构成， 即：尺= 1^瑚Ⅱ

5结

语

+堕根卵^E

() 3

外墙外保温系统是目前建筑节能体系中比较先进的一

如果用 2 m厚钢筋混凝土，导热系数为 1 5W/m‘ 0c . ( 7

种墙体节能系统，国家相关标准正在起草中，我们在设计选 型中一定要把握住该系统要点，同时要掌握后续施工的工序 要求尤其是节点的处理，这样才能保证该系统的良好使用。A

K。 )根据民用建筑热工设计规范将R取值为O 2/。 . m W 1 KES P板导热系数不大于 O 4W/m )如果我们选用 4c . ( K, 0 m厚 Es, P板即可按式()。 3计算5 0.新型建筑材料 20 . 05 5

.

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啪mm m咖唧 玻璃棉反而比密度小的超细玻璃棉导热系数小。但从曲线 2、 34可以看出，,超细玻璃棉随密度增大，导热系数增大。因为保温材料是多孔材料，其导热由固体材料传导、气体传导、对流传热和辐射传热 4部分组成，由于孔隙中的空气或其它气体比固体材料的导热系数小，所以适当降低密度提高多孔材料

中的气体含量，可降低保温材料的导热系数，提高

绝热效果。图 1管道装置示意1右防护段；一一 2测量段；-防护段；一作钢管；一加热管 3左 4工 5电

但是孔隙过大，会加大对流传热及辐射传热过程的影响，按斯蒂芬 玻尔兹曼定律，辐射传热与绝对温度的4次方成正 I, L m温度越高，辐射传热在总体传热中所占的比例越大。无组织填充式超细玻璃棉的孔隙分布不均匀，有些孔隙会过大，导致对流传热和辐射传热过多，所以比同密度的层状预制式的导热系数要大，随着温度的升高，两者导热系数的差值逐渐增大。对于密度为 5-0k/3 06 gm的层状预制式超细玻璃棉， -低温时热传导占主要地位，密度小的保温材料空气含量多，所以要比密度大的保温材料导热系数小；随着温度的升高，辐射和对流所占的比例明显加大，密度小的保温材料辐射和对流面积大，辐射和对流要比密度大的保温材料影响大，以当温度升高到某一值所时，密度小的保温材料的导热系数要比密度大的保温材料的导热系数大。随着密度的继续增加，由于孔隙率的减小，热传导的影响逐渐加大，而对流和辐射的影响逐渐减小，随着温度的升

6加热管支架；-细玻璃棉保温层；-一 7超 8支撑钢；一 9硬质聚氨酯泡沫塑料保温层；0玻璃钢保护层； 1热电偶温度计；2防护段与测 1一 1- 1一量段之间的隔热材料；3 1一支架与支撑钢之间的隔热材料；4工作 1一钢管与支撑钢管之间的活动支架

1试件 . 2

试件选用的钢管为 D 194 m, N 5x.m测量段工作钢管长度 5为 60m在测量段两端头处加 2 0 m,个长度均为 30m 0 m的防护段，防护段与测量段之间及防护段两端用 4m m厚的硅酸铝保温材料隔开。保温层的厚度按《供暖通风设计手册》上的超细玻璃棉和硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数进行设计，超

细玻璃棉厚 8 m硬质聚氨 0m,酯泡沫塑料厚3 m在计量段 0m,中间设有一脱开式活动支架。超细玻璃棉的密度：无组织填充式结构为 5 gm; 0k/ 3层状预制式结构分别为 5、08 gm。 06、0k/ 31 .实验结果及分析 3

高，辐射和对流的影响并不能明显增加，所以密度为8 gm 0k 3/的超细玻璃棉的导热系数比密度为 5 gm和 6 gm的 0k/ 3 0k/3超细玻璃棉的都大。从图 2的变化趋势还可以

看出， 4和曲线

圆管法测定超细玻璃棉的导热系数随内外表面平均温度的变化规律，如图 2所示。=

曲线23、仍有相交的趋势，交点将向更高的温度区移动。 即使孔隙率再小，仍然存在着辐射和对流壁面，随着密度的增大， 辐射和对流的影响将在更高的温度区域起主导作用。由以上分析可得：针对不同的介质温度或保温材料内外表面平均温度，选用不同密度的保温材料，超细玻璃棉存在最佳使用密度。

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2高温下超细玻璃棉的最佳使用密度图 2超细玻璃棉的表观导热系数

为寻找超细玻璃棉在特定的使用温度下，导热系数随密度的变化关系，将实验数据重新整理，得到图 3所示的变化曲线。=

与内外表面平均温度的变化关系1无组织结构填充式密度为 5 g m3 -一 0 k/;层状预制式密度 5 2 0 k/ 33层状预制式密度为 6 g ;一 g m;- o k/ 4层状预制式密度为 8 gm3 0k/

从图 2可以看出，对于同种保温材料，导热系数随内外表面平均温度的升高而增大。从图 2的曲线 12、可以看出，同密度的超细玻璃棉在相同的平均温度时，层状预制式结构的要比无组织结构填充式的导热系数小，所以管道保温应使用层状预制式结构的保温材料，这样可降低导热系数，减少散热量。从曲线 23、可以看出，在低温区，密度大的超细玻璃棉要比密度小的超细玻璃棉导热系数大；在高温区，密度大的超细图 3超细玻璃棉在不同的使用温度下导热系数随密度的变化关系巅1蟮

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NE B L NG M AT R AL W UIDI E I S

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从图 3可以看出，超细玻璃棉在特定的使用温度下，导热系数随密度的变化关系并不是呈单调递增或单调递减趋势，而呈 2次曲线形式，存在着最小值。由此可以得出结论： 保温材料针对特定的使用温度，密度不是单纯的越小越好， 也不是越大越好，而是存在着最佳使用密度。但当温度不大于 10℃时， 0这种 2次曲线趋势变得不明显。 表1为对超细玻璃棉在特定的使用温度下，导热系数随密度变化的关系式及计算结果。

表 l超细玻璃棉在特定的使用温度下导热系数 随密度变化的关系式及最佳使用密度超细玻璃棉内外表面平均温度/℃lO l l0 2 lO 3 l0 4 10 5 l0 6 l0 7 lO 8

全遏制了对流导热，并且将辐射传热减弱到一定程度时，再增加密度并不能有明显的效果。因此，在高温区，随着使用温度的升高，最佳密度值的变化越来越缓慢。 综上所述，超细玻璃棉的导热系数不仅随着使用温度的变化而变化，而且不同的密度，其导热系数方程式是不同的。

而在一些设计手册中只指定一个导热系数值或在很大的卅，密度范围内指定一个导热系数方程式是不正确的。而且，设

计手册中的导热系数是在干工况下测定的，数值偏小。若按照手册中所给出的导热系数进行保温设计，将导致保温材料厚度偏小，造成热损偏大，使供热管道不能安全可靠地运行。 因此，在进行供热管道保温设计时，不仅应该对所选择材料的导热系数进行实测，还应该对保温材料在多种密度下的导热系数进行实测，找出最佳使用密度，然后再进行保温厚度的设计。由于使用最佳密度的保温材料，能使导热系数最小，

最佳使导热系数随密度变化的关系式用密度/(g ms k/ )4。 O 5 2 0- 5 2 4- 57O . 59O . 6 6 0. 619 . 629 .

h= 0 0 05 6p- 0 4 0+ 1 81 0.0 0 0 20.00 46 7p 0.01 4 h= 00 0 4 20.00 47 3p 0.11 2 O. 0 06 5p- 0 6 2+ 1 5 4 h= 0 0 07 3p-0.00 48 0p 0.21 3 0.0 0 8 2 0 8 4+ 1 2 4 h= 0 0 09 p- 0 4 6+ 1 0 4 0.0 0 21 0.01 95 7p 0.3 9 4 h= 0 0 0 0p- 0 2 7+ 1 06 4 0.0 01 6 0.01 50 3p 0.4 5 h= 0 0 9 20.01 51 0p O.5 3 4 0。0 01 8p- 0 4 9+ 1 0 6 1 h= 0 0 3 6p- 0 6 0+ 1 00 4 0.0 01 3。0.01 53 7p 0.6 7 h= 0 0 4 5p- 0 8 2+ 1 9 8 0.0 01 7。0.01 54 3p 0.6 7 4

减小第 1层保温材料的厚度，从而减小支撑钢、 2第层保温材料和外保护层的用量，以及减小散热面积，,因此这对整个供

热管道的经济运行是有益的。

3结

语

() 1对于同种超细玻璃棉材料，导热系数随内外表面平

选取密度值时，除了考虑使导热系数最小之外，还应考虑材料的承载能力。密度小承载能力低，当没有采取防止材料因受载而严重变形的措施时，当加大密度。应适

均温度的升高而升高，与平均温度呈线性关系；() 2在不同的密度和不同的使用温度下，超细玻璃棉材料中导热换热、对流换热和辐射换热所占的比例不同，,因此并不是单纯的密度越小，导热系数越小；

图 4为超细玻璃棉最佳使用密度与温度的变化关系，可以通过连续曲线得到在一定温度范围内任意温度的最佳使用密度值。

() 3在特定使用温度下，导热系数随密度的变化关系呈 2 次曲线形式，存在最佳使用密度，在该密度下导热系数最小；

() 4最佳密度随使用温度的升高呈单调递增趋势， 使用温度越高，最佳使用密度越大，但在高温区，这种趋势趋于平缓。

参考文献：[杨世铭， 1】陶文铨.传热学.京：北高等教育出版社，9 8 2 3 26 1:4— 4 . 9[ Y r R s rh C r.T1 E o o i T i n s f n ut cl 2】 ok ee c o E cn m c h h es o i s i a p - c r d ra

图 4超细玻璃棉最佳使用密度与温度变化的关系

Fe ea eg Ad iitain Pa e,97 4: 5 93 . d r lEn r y m nsrto p r1 6, 6 2 9 7

从图 4可以看出，最佳使用密度与内外表面平均温度呈单调递增趋势，但这种趋势在高温区逐渐趋于平缓。因为在

[ G r d F o e dN a i . t a Islt nf o r e t g 3】 ea J n s n o m L r pi l nua o r l a n r a oO m i oSaH iS se s r c e i so he 1 8 An u e tnr ytm . o e dng ft 97 n a me i g P l Ame c n S cin i f a et o o h S f te I ES.

低温时，保温材料中导热占主导地位，密度小，空气量多， 导热系数小，,因此在低温区最佳密度值偏低。随着使用温度的 升高，保温材料中对流和辐射逐渐占主导地位，密度大会减小空气间层，减弱对流和辐射的影响，因此在高温区最佳密度值偏大。但在高温区，当

密度增加到空气间层非常小时，完

[王绍周，文吉， 4】关王维新 .管道工程设计施工及维护.北京：中国建材工业出版社，0 0:6 - 3 . 2 0 15 2 7

A

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20. 05 5

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