不同填充材料对烧结页岩保温砖热工性能的影响

不同填充材料对烧结页岩保温砖热工性能的影响
张磊;杨德健
【摘要】采用有限元分析软件fluent对5种填充不同保温材料的烧结页岩保温砖进行三维导热数值模拟,模拟中考虑了导热、辐射和孔洞内对流换热同时作用的复杂的传热过程,模拟结果表明:保温材料的填充能够明显提高烧结页岩保温砖的热工性能,当填充物为酚醛树脂时,其保温效果最好,且综合考虑造价、耐热性等因素,酚醛树脂是最为理想的填充材料.
【期刊名称】《四川建材》
【年(卷),期】2012(038)005
【总页数】3页(P5-6,9)
【关键词】烧结页岩保温砖;导热;有限元分析;保温材料
【作者】张磊;杨德健
【作者单位】天津城市建设学院土木工程学院,天津300384;天津城市建设学院土木工程学院,天津300384
【正文语种】中文
【中图分类】TU522.1+2
0 前言
随着我国经济持续快速发展，资源和环境的压力越来越大，以牺牲环境为代价发展经济的现象在我国尤为明显。

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也
是当前一项极为紧迫的任务，搞好节能降耗工作是贯彻落实科学发展观、转变经济增长方式和建设资源节约型社会的基本要求，是生产生活方式的重大变革，是经济持续健康发展的重要保证。

我国既有建筑近400亿m2，95%以上是高能耗建筑［1］。

我国单位建筑面积采暖能耗为相近气候条件下发达国家的3倍左右，其中建筑能耗占社会总能耗的25%以上［2］。

在建筑中，外围护结构的热损耗较大，外围护结构中墙体又占了很大份额，所以建筑墙体改革与墙体节能技术的发展是建筑节能技术的一个最重要的环节，发展新型墙体材料就要从根本上改变传统墙体材料大量占用耕地、消耗能源、污染环境的状况，大力开发和推广应用新型墙体材料，形成与可持续发展相适应的新型建材产业。

本文利用fluent对烧结页岩保温转的
热工性能进行研究，对比四种填充材料的使用对页岩保温砖保温性能的改善，找到最优方案。

非承重烧结页岩保温砖是指以页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料经高温烧结而成，其孔洞率为45%以上，用于非承重部位的墙砖砌筑。

这种产品集结构、保温、防
护于一体，施工简便，并具有良好的经济性，同时强度高、重量轻、吸水率低、线膨胀系数低、粘结性能强、抗裂性强、墙面不易开裂及脱落、放射性挥发性指标优于国家规定标准，保温透气、绿色环保、宜居性好，是现代城市建设的首选材料［3］。

将保温材料填充到烧结页岩保温砖的孔洞中可以视为外墙自保温体系，这种结构体系可以省去外墙装饰环节，有效的减轻结构的自重，并具有良好的受力性能、抗震性能和防火性能。

且在施工中，对施工季节和施工条件要求不高［2］。

保温砖墙体的传热不同于单一材料构成的墙体，其本身发生的传热过程是由导热、对流换热和表面辐射同时作用的复杂的传热过程［4］。

为了系统的研究填充保温材料对其热工性能的影响，选用240×260×90(mm)的砖型(见图1)，采用fluent
软件模拟其三维稳态传热过程。

图1 烧结页岩保温砖
1 计算模型及物理参数
本文设立5组三维模型进行计算及对比分析，其中无填充保温材料的页岩保温砖作为标准组，其他4组模型分别填充泡沫石棉、聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、酚醛树脂泡沫塑料。

利用前处理软件gambit建立模型，采用结构化网格，网格总数为16万(见图2)。

图2 计算网格及边界条件
表1 四种保温材料的物理参数保温材料导热系数(W/m·K)容重(kg/m3)吸水(%)防火性成本元(元/m3)防水泡沫石棉 0.033～0.044 20～40 2 不燃260聚苯乙烯泡沫塑料 0.024～0.041 20～40 ＜1 可燃220硬质聚氨酯泡沫塑料 0.015～0.024 35～45 2 阻燃1200 820酚醛树脂泡沫塑料 0.018～0.022 30～45 ＜3 难燃
表1给出了四种保温材料的物理性能，由表可以看出，前两种保温材料的成本要明显低于后两种保温材料，有利于实际工程中的推广使用。

但是，防水泡沫石棉和聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数高于硬质聚氨酯泡沫塑料和酚醛树脂泡沫塑料，这说明如果把前两种保温材料填充到页岩保温砖的孔洞中将不利于保温节能。

在后两种保温材料的对比中，我们可以看到硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数要小于酚醛树脂泡沫塑料，有利于填充墙体的保温性能;然而，酚醛树脂泡沫塑料的成本要明显低于硬质聚氨酯泡沫塑料。

为了验证以上的推论以及模拟计算的顺利进行，确定物理参数见表2。

表2 物性参数页岩树脂定压比热容J/(kg·K)保温砖空气石棉聚苯乙烯聚氨酯酚醛1050 1004 1047 1340 1380 1465导热系数W/(m·K)0.63 0.0242 0.035 0.03 0.022 0.019
2 模拟计算与边界条件
如图2所示，蓝色区域为保温砖体计算域;绿色区域为填充物计算域;红色区域为空气环境计算域。

边界条件如下:页岩保温砖模型一侧设为固壁边界(W侧)，用来模
拟室外环境，设定壁面温度为293K;模型空气计算域一侧边界条件设定为压力出口边界条件(模拟室内环境N侧)，压力出口温度为253K，压力为101 325Pa;填充
物以及保温砖侧面设定为对称面，保温砖上下面为绝热壁面;而填充物与保温砖之
间的交界面以及保温砖与外界大气的交界面采用耦合传热壁面，由于气流速度较低，雷诺数小，所以认为孔洞内气流层与层之间相互没有干扰，也没有质量和动量的传递，假设采用层流模型［5－7］。

3 结果与分析
3.1 填充保温材料对页岩保温砖热工性能的影响
从图3中不同填充物下x=0截面的温度分布可知，页岩保温砖体填充区域，温度
等值线比上下保温砖体内的等值线更为密集，这是由于热量从W侧高温壁面到N 侧低温壁面传递过程中，填充区导热系数较小，热阻较大，温度从W侧到N侧变化更为剧烈，即保温效果较好。

而当填充区为空气(无填充物)时，填充区域的温度等值线疏松，温度从W侧到N侧的变化不明显，保温效果差。

此外填充区顶部温度高，底部温度低，这是由于空气温度上升时，密度降低，因此在浮升力作用下向顶部流动，因此高温低密度气流集中在了填充区顶部，而底部则为低温高密度气流集中区。

图3 x=0截面温度分布
3.2 不同保温材料对页岩保温砖热工性能的影响
图4(air代表无填充材料，sm代表填充泡沫石棉，yx代表聚苯乙烯泡沫塑料，ja
代表硬质聚氨酯泡沫塑料，sz代表酚醛树脂泡沫塑料)给出了不同填充物下从W
侧高温壁面到N侧低温壁面的温度变化过程，由图可知，由于空气在填充区存在
对流流动，增强了局部气流与砖体的换热效果，导致填充区壁面附近温度急剧下降，从而使得在保温砖的N侧壁面温度明显高于填充物为固体时。

而当填充物为固体
时，虽然从石棉、聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂导热系数逐渐降低，但由于定压比热容逐渐升高，从而使得四种材料下保温砖内从W侧到N侧壁面的温度变化差别不大。

此外，从整个温度下降趋势也可看出，填充区温度下降明显高于固体砖区域，这说明填充区热阻较大，即保温效果较好。

从图5N侧壁面附近局部放大可知，无填充物时N侧壁面温度比其他填充物下至少高1.5K。

图6(1代表无填充材料，2代表填充泡沫石棉，3代表聚苯乙烯泡沫塑料，4代表硬质聚氨酯泡沫塑料，5代表酚醛树脂泡沫塑料)进一步给出了不同填充物下N侧
壁面的平均温度对比。

由图可知，虽然石棉导热系数大于聚苯乙烯，但由于其比热低于聚苯乙烯，从而使得N侧壁面的温度反而高于填充物为聚苯乙烯时，即填充
物为石棉材料是的保温效果更好。

当填充物为酚醛树脂时，N侧壁面温度最低，
即保温效果最好。

图4 砖内从W侧到N侧温度变化
图5 N侧局部温度变化
图6 N侧壁面平均温度对比
可以看到，模拟计算的结果与之前的初步分析相吻合，填充保温材料能够有效提高烧结页岩保温砖的保温效果，填充酚醛树脂泡沫塑料保温效果最好，同时酚醛树脂泡沫塑料的成本要明显低于硬质聚氨酯泡沫塑料，此外，酚醛树脂泡沫的适用范围大，可在140～160℃下长期使用，优于聚苯乙烯泡沫(80℃)和聚氨酯泡沫(110℃)，酚醛树脂泡沫具有热导率低、力学性能好、尺寸稳定性优、吸水率低、
耐热性好、难燃等优点，可以有效地防止火灾发生和火势蔓延，酚醛泡沫即使被高温点燃，其在燃烧时也无滴落物、发烟量低，而且几乎不产生一氧化碳等有毒气体。

除被强碱侵蚀外，酚醛泡沫几乎能耐所有无机酸、有机酸、有机溶剂的侵蚀。

所以酚醛树脂泡沫塑料是最理想的页岩保温砖填充材料之一。

硬质聚氨酯泡沫塑料作为填充材料的页岩砖热工性能比酚醛树脂泡沫塑料稍差，但
是其1 200元/m3的价格是制约其广泛使用的原因之一;酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料的保温隔热性能最好，其820元/m3的价格仍然稍高，但是综合考虑其他
性能优势，本文建议在工程预算充裕的前提下使用酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料;泡沫石棉和聚苯乙烯泡沫塑料的价格很低且货源充足，但是将泡沫石棉填充到页岩保温砖中，其保温性能稍差，且石棉本身容重大，不利于墙体抗震性能，此外石棉会产生扬尘，对操作人员的健康造成危害，建议不予使用;聚苯乙烯泡沫塑料价格
低廉，虽保温效果不及酚醛树脂泡沫塑料，但其容重小，吸水率低，且操作简单，可以在实际工程中使用。

4 结论
(1)当烧结页岩保温砖无填充时(即填充物为空气时)，气体受热后在填充区的流动增强了壁面附近的对流换热效果，从而使得保温效果较差，而用导热系数较小的固体保温材料时，其保温效果显著提高。

(2)将酚醛树脂泡沫塑料作为保温材料填充到页岩保温砖孔洞中，其保温效果最好，且酚醛树脂泡沫具有适用范围大、力学性能好、吸水率低、耐热性好、难燃等优点，是理想的保温填充材料。

(3)本文推荐使用酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料用于页岩保温砖中，此外聚苯乙
烯泡沫塑料也可以最为填充材料推广使用，且具有较大的经济优势。

［ID:7646］参考文献:
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