輕質(zhì)材料組成復(fù)雜，主要由晶體、非晶體等固相結(jié)構(gòu)和氣相結(jié)構(gòu)組成。所以輕質(zhì)材料的導(dǎo)熱可分為固相傳導(dǎo)和熱量通過(guò)孔隙內(nèi)部的氣相傳導(dǎo)。輕質(zhì)材料是具有高比例氣相結(jié)構(gòu)的材料，氣孔率指的是孔容與材料總體積的比，通常用百分率表示。氣孔率是影響輕質(zhì)隔熱耐火材料熱導(dǎo)率的重要指標(biāo)。如圖1，輕質(zhì)材料內(nèi)部氣孔類型可分為開(kāi)口氣孔、閉口氣孔和貫通氣孔三類。氣固相結(jié)合的輕質(zhì)隔熱耐火材料具有良好的保溫隔熱性能，大大的減少熱量的損失。
輕質(zhì)隔熱耐火材料的保溫隔熱性能受控于材料內(nèi)部引入的氣孔。因?yàn)榭諝獾臒釋?dǎo)率為0.0245-0.0778W/(m·K)，大大的降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)了保溫隔熱效果。固相傳熱的傳導(dǎo)方式表現(xiàn)為熱傳導(dǎo)，當(dāng)熱量經(jīng)過(guò)隔熱層，沒(méi)有達(dá)到氣孔前其傳導(dǎo)方式主要為固相傳導(dǎo)，傳遞熱量的多少由材料本身的材質(zhì)決定，當(dāng)熱量傳遞到氣孔時(shí)分為兩種線路繼續(xù)傳導(dǎo)：一種是繞過(guò)氣孔縫隙繼續(xù)固相傳導(dǎo)，傳導(dǎo)路徑增加使得熱阻變大，導(dǎo)熱系數(shù)減小，另一種是繼續(xù)原始路線穿過(guò)氣孔進(jìn)行氣相傳導(dǎo)。熱量在氣孔內(nèi)的熱傳導(dǎo)也可分為兩種傳導(dǎo)方式，一種是熱對(duì)流，而另一種是熱輻射。
圖1 輕質(zhì)隔熱耐火材料內(nèi)氣孔模型
假設(shè)兩種傳導(dǎo)方式理想化，具體傳導(dǎo)方式模型如圖1.3所示?？諝庵袀鬟f的熱量遠(yuǎn)小于固相中傳遞熱量，大約占固相傳導(dǎo)熱量的1/10左右。對(duì)于整個(gè)材料傳導(dǎo)過(guò)程來(lái)說(shuō)，氣相所占的比例越大導(dǎo)熱系數(shù)越小。氣相中熱對(duì)流傳導(dǎo)與氣孔孔徑的大小存在密切的關(guān)系，氣孔孔徑越小，氣體之間的相對(duì)流動(dòng)性限制就越大，對(duì)流傳熱數(shù)值變小。當(dāng)材料孔徑小于一定數(shù)值時(shí)即小于或等于空氣分子運(yùn)動(dòng)自由程，氣體相對(duì)靜止，對(duì)流傳熱為零。
Spiel指出，在多孔材料中，固相與氣相的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)可由以下關(guān)系式得出(1-1)：
K=P·Kg+(1-P)Ks(1-1)
K=(Kg-Ks)·P+Ks(1-2)
式中：
Ks為固相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);
Kg為氣相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);
P為材料孔隙率，(%)
K為多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);
由式(1-2)可知，輕質(zhì)隔熱耐火材料的氣孔率影響其有效導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下氣相導(dǎo)熱系數(shù)Kg小于固相導(dǎo)熱系數(shù)Ks，從而可以知道(Kg-Ks)為負(fù)值。因此，當(dāng)材料中氣孔率增加，材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)減小，材料保溫隔熱性能提高。輕質(zhì)隔熱耐火材料的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)除了和氣孔孔隙率、孔徑大小有關(guān)，與氣孔孔徑分布也有直接關(guān)系。羅森諾簡(jiǎn)化了多孔輕質(zhì)隔熱材料實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)非耦合模型，得到式(1-3)：
圖2 輕質(zhì)隔熱耐火材料中的熱傳遞
Ke=(1-P)Ks+P·Kg+4dσT3(1-3)
式中：Ke為材料實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);
d為材料的孔徑，μm;
T為材料使用溫度，K;
σ為玻爾茲曼常數(shù)，566.88×10-10，W/(m·K);
根據(jù)式(1-4)可知，材料孔隙率不變，輕質(zhì)隔熱耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔徑的增大而增大。保持氣孔率不變，氣孔越小其隔熱效果越好。因?yàn)闅饪卓讖綔p小，氣孔率不變，單位面積上氣孔數(shù)增加，從而削弱氣體對(duì)流，增加熱量在固相的傳導(dǎo)路徑和固—?dú)饷娴姆瓷漕l率，減小了熱輻射。所以適當(dāng)減小氣孔尺寸對(duì)輕質(zhì)隔熱耐火材料的保溫隔熱效果起到了積極的作用。
輕質(zhì)耐火隔熱材料中的熱輻射占據(jù)熱能損失的一大部分，所以熱輻射是輕質(zhì)隔熱耐火材料的不可忽略的傳熱方式。高溫時(shí)輻射對(duì)輕質(zhì)隔熱耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)根據(jù)式(1-4)和(1-5)計(jì)算：
式中：η為熱流密度，W/m2
Kf為熱輻射對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)，W/(m·K);
σ為玻爾茲曼常數(shù)，566.88×10-10，W/(m·K);
T為材料使用溫度，K;
-dt/dx為x方向上的溫度梯度且熱傳遞方向與溫度升高方向相反。
聯(lián)系客服
