Все, что вам нужно знать о теплоизоляционных панелях

Экспериментальная оценка тепловых характеристик и эффекта перекрытия недорогих сэндвич-панелей под действием падающей высокотемпературной струи

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Абстрактные

Сэндвич-панели широко используются в различных отраслях промышленности благодаря их способности выдерживать структурные и тепловые нагрузки. В этой статье устройство для согласования камеры панели было разработано для исследования тепловых характеристик восьми панелей на основе стали путем воздействия на них падающей струи при температуре примерно 550 ° C в течение 30 минут. В качестве изоляционного сердечника использовались три типа недорогих материалов (поликристаллические нити, аэрогель кремнезема и силикат алюминия). Была измерена температура поверхностей панелей, а также металлических крепежных деталей, включая болты, гвозди, рейки, швы и уголки, для изучения их тепловых мостов. Основные выводы заключаются в следующем: во-первых, максимальная температура на поверхности, подвергшейся удару, была одинаковой во всех 20 случаях, тогда как температура поверхности в условиях свободной конвекции варьировалась в диапазоне от 41 до 120 ° C, в зависимости от ядра и тепловых мостов. Во-вторых, самые высокие температуры на противоположных поверхностях были вызваны участком оголенного углового железа, и этот эффект перекрытия можно было значительно уменьшить до 50 ° C, используя несколько слоев ткани, хотя улучшение могло быть временным. Болты и гвозди были менее эффективны в качестве тепловых мостов, в то время как рейки могли быть более эффективными. В-третьих, расчетный тепловой поток всех образцов колебался от 167 до 331 Вт·м-2.

1. Введение

Сэндвич-панель по определению состоит из сердцевины низкой плотности и одного тонкого жесткого слоя, приклеенного к каждой стороне [1,2]. Учитывая преимущества легких жестких конструкций, которые также могут служить теплоизоляцией, сэндвич-панели десятилетиями пользуются популярностью в авиационной и космонавтической технике [3,4]. В то время как алюминиевый сплав, сталь, многослойные композиты и другие материалы могут использоваться для наружных слоев, несущих структурную нагрузку [5,6, 7,8], стохастические ячеистые материалы (СКМ) и периодические ячеистые материалы (ПКМ) широко применяются для сердцевины. нести тепловую нагрузку [9,10,11,12]. Сэндвич-панель с металлическим сотовым заполнителем, типичный пример ПКМ, является одной из наиболее легких конструкций и широко используется в коммерческих самолетах [3,13,14,15,16,17]. В последние годы все большее внимание привлекает другая группа ПКМ, решетчатые структуры, например, тетраэдрические, пирамидальные, кагоме, тканые текстильные и X-типа, в основном благодаря открытой топологии со встроенными дополнительными преимуществами [18,19]. ,20,21]. Например, полости являются возможными каналами теплоносителя, а ядро ​​решетки может воспринимать механические нагрузки [XNUMX]. Для гиперзвуковых самолетов усовершенствованные сэндвич-панели с использованием композитных материалов также могут быть включены в систему тепловой защиты для защиты летательного аппарата от перегрева [XNUMX].

В целом, помимо применения в аэрокосмической отрасли, сэндвич-панели также востребованы в строительстве зданий (где их обычно называют структурно-изолированными панелями или SIP), в холодильной технике (например, в холодильных камерах и холодильных складских помещениях), в автомобилях и в судостроении. другие [22,23,24]. Не существует универсального решения. Все большее разнообразие материалов, от природных до искусственных, от металлических до неметаллических и от отдельных до композитных, собирается для достижения высокого отношения прочности к весу в сэндвич-панелях, в то время как продукты выполняют различные функции. Тем не менее, два взаимосвязанных вопроса являются ключевыми для применения сэндвич-панелей: тепловые и физические характеристики и производство [3]. Ниже приводится краткое обсуждение этих двух вопросов.

Для строительства SIP могут быть изготовлены заранее и использоваться в стенах, полах и крышах как часть оболочки здания. Помимо структурной поддержки и теплоизоляции для здания, которое рассчитано на длительное время, SIP также действуют как воздушные, паровые и акустические барьеры [25,26,27]. В здании температура в помещении обычно поддерживается в зоне теплового комфорта (или немного за ее пределами) [28]. Разница температур между двумя сторонами SIP обычно не превышает 15 °C летом, в зависимости от местного климата. В экстремально холодном регионе разница температур внутри и снаружи помещений зимой может достигать более 60 °C [26]. Тем не менее, различия все еще невелики по сравнению, например, с аэрокосмическими приложениями. В результате предпочтение отдается долговечным, недорогим, экологически чистым и термостойким материалам (например, композитные материалы из конопли и извести показали многообещающие тепловые характеристики в качестве альтернативы другим широко используемым строительным материалам [29]). . В настоящее время конструкционные плиты обычно изготавливаются из листового металла, цемента или древесных материалов, таких как фанера или плиты с ориентированной стружкой (OSB), и это лишь некоторые из них, а изоляционная сердцевина часто изготавливается из синтетической пены, например пенополистирола. (EPS), экструдированный полистирол (XPS), полиизоцианурат (PIR), полиуретан (PU) или другие материалы с фазовым переходом [25,26,27,30]. Точно так же в холодильной промышленности разумным выбором для изоляции холодильных камер является наполнитель из вспененного полимера высокой плотности (например, ПУ) с двумя листами оцинкованной стали.

По большому счету, когда требуется легкий вес, а внешняя температура или температура эксплуатации намного выше, сердцевина сэндвич-панели требует надлежащих геометрических соображений. Гофр, соты и решетка были тщательно изучены [20,31,32,33,34]. Используя дополнительные материалы внутренней изоляции или охлаждающие жидкости, можно достичь высоких рабочих температур. Рабочая температура полимеров, армированных углеродным волокном, с гофрированными сотовыми структурами NOMEX и сэндвичами с решетчатым заполнителем обычно ниже 400 °C [35,36,37]. Гофрированный сэндвич из титанового сплава способен выдерживать 700 °С [38]. Было доказано, что сэндвич с металлическим сотовым заполнителем имеет адекватные тепловые характеристики при температуре 900 °C [31]. ZrO₂ и ZrB₂ керамика и армированный углеродным волокном карбид кремния (C/SiC) с многослойными гофрированными или решетчатыми сердечниками имеют высокие рабочие температуры до 1000–1600 °C [20,39,40]. Хотя тепловые характеристики при использовании этих технологий улучшаются, они могут быть ограничены производственным процессом, по крайней мере, по следующим причинам. Во-первых, стоимость изготовления решетки или сот может быть выше, чем у полимерных пенопластов, не говоря уже о дополнительных материалах, необходимых для интеграции в сердцевину [15,41]. Доступны различные методы изготовления и некоторые отходы [3]. Во-вторых, когда интегрированные материалы не являются жесткими при температуре эксплуатации, решетка выступает в качестве несущего каркаса. Например, сэндвич-панели с аэрогелевым наполнителем могут использоваться в качестве теплоизоляции зданий [42]. Необходимо соблюдать осторожность при выборе материала решетки, учитывая жесткость и стоимость, иначе он может вести себя как тепловой мост.

На практике существует потребность в разработке доступных сэндвич-панелей, способных выдерживать относительно высокие температуры. Одним из применений является закрытый гараж, в котором размещаются тяжелые транспортные средства, которые выделяют высокотемпературные выхлопные газы дизельных двигателей, которые также иногда имеют высокую скорость воздушного потока [43]. Другим примером является трудоемкая судостроительная промышленность, где сэндвич-панели могут быть стандартизированы в виде модулей и помещены в секции палубы и стенки в больших масштабах. Помимо экономии труда, сэндвич-элементы практически не деформируются и не требуют последующей обработки [44]. Однако по-прежнему востребованы новые конструкции недорогих сэндвич-панелей с высоким термическим сопротивлением, особенно для участков с источником нагрева на небольшом расстоянии, например, выхлопным патрубком газовой турбины. Тепловые мосты могут быть проблемой, потому что металлические материалы все еще широко используются в конструкционных панелях для кораблей.

В этом исследовании мы установили панельную камеру, соответствующую экспериментальному устройству, для исследования тепловых характеристик восьми сэндвич-панелей на основе стали при воздействии высокой температуры примерно 550 ° C в виде падающей струи из горелки природного газа. его верхний предел. Сэндвич-панели были разработаны для использования на грузовых судах в больших количествах, чтобы выдерживать пожар, а также преднамеренные или непреднамеренные источники тепла на небольшом расстоянии. Как правило, сталь использовалась с одной стороны, чтобы гармонировать с монолитной конструкцией, а материал с другой стороны, который должен был подвергаться прямому нагреву, был в основном из нержавеющей стали. В качестве сердечника использовались обычные изоляционные материалы, которые были гибкими и недорогими. Металлические застежки использовались в качестве стратегии связывания, и оценивалось влияние тепловых мостов. Все испытательные модули были изготовлены в цеху с использованием сырья и технологий изготовления, аналогичных тем, которые используются в реальной практике.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы и изготовление сэндвич-панелей

Сэндвич-материалы, подвергнутые испытаниям, были разработаны в соответствии с двумя принципами с учетом возможности модульного производства. Во-первых, изоляционные материалы, из которых состоит сердцевина, должны быть, по соотношению толщины, дешевыми и легкими. Во-вторых, техника и методы изготовления (включая крепление) не должны отнимать много времени. В результате в качестве жесткого слоя с одной стороны была использована сталь марки ЕН7 толщиной 36 мм, изображающая конструкцию корабля. Для пяти из восьми образцов нержавеющая сталь толщиной 1 мм была с другой стороны, в то время как в других трех случаях материал для нагревательного слоя был дополнительно уменьшен до слоя ткани из кремнезема с несколькими стержнями из нержавеющей стали для уплотнения. . В качестве сердцевины были выбраны три типа широко используемых изоляционных материалов для судов: (1) поликристаллические нити толщиной 20 мм, которые производятся с использованием в качестве сырья различных кристаллических руд, например, глинозема (Al₂O₃), кремнезем (SiO₂), диоксид циркония (ZrO₂), так далее.; (2) аэрогель кремнезема толщиной 10 мм; 3) алюмосиликат толщиной 20 мм (xAl₂O₃·ySiO₂·zH₂О). В зависимости от теплостойкости, веса и стоимости для всех жил применялось два слоя изоляции. На момент написания этой статьи аэрогель по-прежнему оставался самым дорогим среди трех изоляционных материалов; поэтому, вместо того, чтобы предложить сердцевину из аэрогеля толщиной 40 мм, была использована сердцевина толщиной 20 мм, чтобы панель оставалась доступной. Кроме того, для удержания образцов использовались различные крепления, в том числе закладные, например, рейки (с заклепками); проникающие соединители, например болты и сварные гвозди; и уплотняющие брусья. Как показано на рисунке 1, основной корпус образцов имел L-образную форму, чтобы смоделировать угол, состоящий из потолочной панели и стеновой панели. Из практических соображений стеновая панель была расширена специальным держателем, который можно использовать с помощью вилочного погрузчика. 20-сантиметровый уголок из железа, который был приварен к слою конструкции, а также исследован на предмет эффекта теплового моста, был прикреплен к потолку, чтобы представить подвесной кронштейн для труб на реальном корабле. Компоненты или аксессуары на панелях на практике были обычными. Дополнительную информацию о материалах и методах изготовления, использованных для изготовления образцов, можно найти в таблице 1. Изображения образцов на разных этапах эксперимента представлены на рис. 2. Многие из потенциальных тепловых мостов, например, болты, гвозди, швы и секция уголка, были видны, и аннотации даны на рисунке 2. Рейки были спрятаны в сердцевине панели, и иллюстрации также включены в рисунок 1.

Все, что вам нужно знать о теплоизоляционных панелях

Сэндвич-панели представляют собой разновидность строительных панелей, состоящих из двух металлических листов с утеплителем между ними. Они используются для различных целей, включая стеновые и кровельные панели, и доступны в различных размерах и толщинах.

Чаще всего сэндвич-панели используются в строительстве коммерческих и промышленных зданий. Они также используются при строительстве школ, больниц и других общественных зданий. Сэндвич-панели доступны из различных материалов, включая сталь, алюминий, дерево и стекловолокно.

Сэндвич-панели – лучший и самый эффективный способ утепления здания. Существует три типа сэндвич-панелей: панели из ППУ, панели из минеральной ваты и панели из стекловаты.

Панели из ППУ (пенополиуретана) состоят из двух листов металла, между которыми проложена сердцевина из ППУ. Изоляция ППУ состоит из небольших ячеек уретана, заполненных воздухом. Это придает панели ППУ отличные теплоизоляционные свойства. Панели Rockwool состоят из двух металлических листов, между которыми находится утеплитель Rockwool. Минеральная вата — это тип камня, который нагревают до расплавления, а затем формуют в волокна. Эти волокна затем скручиваются в мат и используются в качестве изоляции. Панели из минеральной ваты обладают превосходными огнестойкими свойствами и часто используются в коммерческих и промышленных целях.

Панели из стекловаты состоят из двух листов металла, между которыми находится изоляционный слой из стекловаты. Стекловата производится из расплавленного стекла, которое скручивается в волокна. Эти волокна затем используются в качестве изоляции. Панели из стекловаты обладают отличными звукоизоляционными свойствами и часто используются в жилых и коммерческих помещениях.

При выборе сэндвич-панели важно учитывать следующие факторы:

• Тип материала сердцевины: Тип материала сердцевины влияет на теплопроводность, вес и прочность панели. Общие материалы сердцевины включают полистирол (EPS), полиуретан (PUR) и минеральную вату.
• Тип облицовочного материала: Тип облицовочного материала влияет на внешний вид, долговечность и огнестойкость панели. Обычные облицовочные материалы включают алюминий, сталь и стекловолокно.
• Толщина панели: Толщина панели влияет на ее жесткость и прочность. Сэндвич-панели бывают разной толщины от 20 до 200 мм.
• Размер панели: Размер панели влияет на ее площадь покрытия и вес. Сэндвич-панели доступны в различных размерах, от 1 м х 1 м до 2.5 м х 12 м.
• Детали кромки: Детали кромки панели влияют на ее внешний вид и установку. Сэндвич-панели доступны с квадратными, скошенными или закругленными краями.
• Деталь соединения: Деталь соединения панели влияет на ее внешний вид и установку. Сэндвич-панели доступны с соединением встык, внахлест или шпунт-паз.
• Тип крепления: Тип крепления влияет на установку и внешний вид панели. Обычные типы крепежа включают винты, гвозди и клей.
• Отделка: отделка панели влияет на ее внешний вид. Сэндвич-панели доступны с различными видами отделки, в том числе окрашенными, анодированными, матовыми и зеркальными.
• Сертификация: Сертификация панели гарантирует ее соответствие требованиям строительных норм. Сэндвич-панели доступны с различными сертификатами, включая UL, FM и TUV.
• Цена: Цена панели будет варьироваться в зависимости от типа материала, размера, толщины и отделки. Сэндвич-панели, как правило, дороже, чем традиционные методы строительства.

Сэндвич-панели – эффективный и универсальный способ создания самых разных конструкций. Их можно использовать как для нового строительства, так и для модернизации существующих зданий.

Сэндвич-панели обладают многими преимуществами по сравнению с традиционными методами строительства, включая повышенную энергоэффективность, меньший вес и упрощенную установку.

Они используются для различных целей, включая стеновые и кровельные панели, и доступны в различных размерах и толщинах.

Надеюсь, теперь вы лучше понимаете сэндвич-панели; если вы все еще в недоумении, мы с радостью приглашаем вас связаться с командой Cactus Profiles.