Теплоизоляционный универсальный элемент теплоизоляционных конструкций

 

Использование: при изготовлении ограждающих конструкций зданий, сооружений, а также при теплоизолировании технологических установок и трубопроводов различных назначений. Сущность изобретения: теплоизоляционный универсальный элемент теплоизоляционных конструкций представляет собой цилиндрическую оболочку из тонкого листового материала, заполненную объемно-напряженным упруго сжатым дисперсным несвязным теплоизоляционным материалом, который распирает оболочку в радиальных и осевых направлениях до уровня, обеспечивающего реализацию несущей способности оболочки и необходимое сцепление теплоизоляционного заполнителя оболочки с ее внутренней поверхностью для удержания заполнителя в оболочке. 23 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к средствам теплоизолирования в строительстве и топливно-энергетическом комплексе и может быть использовано при изготовлении ограждающих конструкций зданий, сооружений, а также при теплоизолировании технологических установок и трубопроводов разных назначений.

В строительстве и энергетике наиболее индустриальными и долговечными теплоизоляционными изделиями являются полужесткие и твердые изделия: плиты, блоки, полуцилиндры, сегменты из минеральной ваты на связующем, пенопласты, перлитового вспученного песка на связующем. Недостатком таких изделий является их неуниверсальность по линейным размерам и кривизне изолируемой поверхности. Мягкие изделия типа минерало-ватных материалов более универсальны (в отношении кривизны изолируемых поверхностей), но малопрочны, проседают в стеновых панелях, утоняются в теплоизоляционном слое покрытий, провисают и утоняются по верху труб, что значительно ухудшаются показатели конструкций.

Наибольшую трудность в использовании представляют дисперсные (измельченные) теплоизоляционные материалы: минеральная вата, перлитовый вспученный песок, а также мелко- и среднезернистые отходы промышленного и сельскохозяйственного производств; примеры отходов: древесная стружка, гидролизный лигнин, отходы пенопластов и минеральной ваты, солома, полова злаков, костра льна. Известные технологии направлены на омоноличивание дисперсных материалов и включают смешивание дисперсного материала со связующим (цементным тестом, синтетической смолой, битумом, жидким стеклом, крахмальным клейстером и пр.), формование сравнительно крупных изделий, их отвердение и/или сушку, а иногда и дополнительную доработку до заданного качества, измельчение брака и отходов для повторного использования [1] Затрачивается большое количество связующего, что утяжеляет и удорожает изделия; дисперсный материал при перемешивании обычно сильно дробится со снижением пористости и объема, что приводит к еще большему ухудшению свойств и показателей эффективности. Последнее усугубляется многоступенчатостью технологии, соответствующими большими затратами, необходимостью большого количества громоздкого оборудования и соответствующих производственных площадей, большими энергозатратами. В результате такие изделия получаются слишком высокой стоимости неадекватно довольно низкими эксплуатационными показателями. В итоге, такие прекрасные теплоизоляционные материалы, как древесная стружка, гидролизный лигнин, отходы пенопласта, стебли злаков, костра льна и пр. чаще всего просто выбрасываются, несмотря на их колоссальное количество, несмотря на дороговизну и дефицит традиционных, выпускаемых промышленностью теплоизоляционных изделий.

Известно также почти не реализованное на практике направление по использованию зернистых сыпучих теплоизоляционных материалов (частые случаи диспергированных материалов) без связующего, что является очевидным преимуществом перед предыдущим аналогом. Так, известны каркасно-засыпные стены деревянных домиков [2, c. 57] где в панелях с жесткими и прочными обшивками применяются дисперсные материалы без связующего: минеральная вата, трепел, пемза, древесные опилки и стружка, сухой мох, соломенная сечка. Недостатком такого технического решения является большое количество ручного труда, т.к. материал при засыпке следует, как указано, тщательно послойно уплотнять для исключения просадки утеплителя. Понятно, что при этом не исключается недостаточно качественное выполнение работ, что предоставляет возможность просадки утеплителя.

Известно также применение вспученного вулканического пепла (аналога перлитового вспученного песка) без связующего для засыпки полости панелей с алюминиевыми жесткими обшивками, связанными между собой переборками [3] Недостатком этого технического решения является необходимость особых приемов и оборудования [3, c. 130-133] для заполнения полости панели особо легким, мелкозернистым, пылящим материалом. Но даже эти приемы, включая виброуплотнение, все же не исключают осадки утеплителя при транспортировке и эксплуатации панелей [3, с. 133] В связи с этим предложены устройства для компенсации возможной осадки утеплителя [3, c. 134 и ссылки на авт.св. N 339646 и авт. св. N 408794), что усложняет конструкцию, производство и применение таких панелей. При этом очевидно неполное решение проблемы, т.к. при осадке утеплителя термическое сопротивление верхней части панели снизится.

Известен прием компенсации осадки сыпучего утеплителя в полости стеновой панели путем перекрытия зон возможной осадки его другим теплоизоляционным слоем [4, 5] или путем размещения в верхней части полости панели бруска неоседающего теплоизоляционного материала, занимающего часть толщины панели [6, 7, 8] И эти технические решения также не исключают осадки сыпучего несвязного утеплителя и ухудшения теплоизоляционных показателей конструкции.

Известно теплоизоляционное изделие "пухшнур" [9, c. 17] представляющее собой жгут из минеральной несвязной ваты, имеющей сетчатую оплетку из металлических или неметаллических нитей. Пухшнур предназначен для теплоизоляции трубопроводов малого диаметра, криволинейной поверхности арматуры, а также для уплотнения стыков в строительных конструкциях. Оболочка (оплетка) позволяет удержать минеральную вату от расползания, но сетчатая оплетка с ее косым расположением нитей имеет повышенную деформативность на продольное сжатие-растяжение и поперечный изгиб, что, впрочем, и придает пухшнуру способность быть навитым на трубу. Поэтому пухшнур податлив на изгиб и растяжение-сжатие, а также на поперечное сжатие. В связи со сказанным, пухшнур не может быть применен и не применяется для заполнения полости панели, где такой уплотнитель осядет, и для теплоизоляции труб среднего и большого диаметров, где он будет провисать и утончаться по верху трубы. Другим недостатком изделия, ограничивающим область и объем применения, является то, что оно производится на специфическом ткацком оборудовании, требует специальной пряжи, имеет малый объем производства и высокую стоимость, номенклатура заполнителей сетчатой оболочки ограничена минеральной ватой.

Известен ряд изобретений, одно из которых [10] взято за прототип, где минеральный уплотнитель, помещенный в жесткую и прочную плоскую оболочку (обшивки и обрамления панели), упруго сжат по толщине для увеличения сцепления с внутренней поверхностью оболочки с целью уменьшения осадки утеплителя. С этой же целью гофры панели выполнены входящими внутрь панели и вдавливающимися в утеплитель; в утеплитель вдавливаются также просечки специальной ленты, закрепленной за верх панели, чем утеплитель как бы подвешивается.

Недостатком этого технического решения является, кроме существенного усложнения конструкции, необходимость связного утеплителя (минерало-ватной плиты или прошивного мата, а не просто минеральной ваты) и осложнение сборки панели из-за необходимости дополнительной операции и специального стенда для обжатия утеплителя с большим усилием (площадь панели велика) при установке и креплении обшивки панели. Это техническое решение не обладает универсальностью, оно неприемлемо, например, для несвязной минеральной ваты и несвязных сыпучих утеплителей. Не распространяется оно и на область теплоизолирования трубопроводов и других криволинейных поверхностей строительных конструкций и технологических установок.

Цель предлагаемого изобретения упростить и удешевить применение дисперсных несвязных теплоизоляционных материалов широкой номенклатуры, в т.ч. теплоизоляционных отходов промышленного и сельскохозяйственного производств, при универсальности технического решения как в отношении теплоизоляционного материала, так и в отношении формы теплоизоляционного слоя: плоского или цилиндрического в широком смысле слова, в т.ч. сводчатого, волнистого и т.п.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается теплоизоляционный элемент, представляющий собой цилиндрическую оболочку из тонкого листового материала, заполненную объемно-напряженным упруго сжатым теплоизоляционным материалом, который распирает оболочку в радиальных и осевых направлениях до уровня, обеспечивающего реализацию несущей способности оболочки без потери ею общей и местной устойчивости и необходимое сцепление теплоизоляционного материала с внутренней поверхностью оболочки.

Оболочка выполняется настолько тонкой, что только предварительно напряженная и подкрепленная изнутри теплоизоляционным материалом может выдержать действующие нагрузки. Оболочка может быть изготовлена из бумаги, полимерной пленки, фольги и быть многослойной из одного материала или нескольких. В качестве заполнителя оболочки могут быть использованы особо легкие и легкие мелкозернистые, среднезернистые и волокнистые теплоизоляционные материалы, в т. ч. отходы промышленного и сельскохозяйственного производств: минеральная вата, диспергированные полуфабрикаты и отходы производства и применения минерало-ватных изделий и пенопластов, древесная стружка, гидролизный лигнин, торф, надземные части растений, в числе которых соломенная сечка, полова злаков, костра льна, лузга семян подсолнечника и пр.

Сцепление теплоизоляционного материала с внутренней поверхностью оболочки осуществляется за счет вдавливания частиц теплоизоляционного материала в стенки оболочки и/или за счет сил трения между ними и внутреннего трения в теплоизоляционном материале. Это сцепление может быть изменено наличием покрытия внутренней поверхности оболочки. Другим средством удержания заполнителя в оболочке является наличие заглушек концов оболочки, сцепленных с внутренней поверхностью оболочки. Заглушка может быть изготовлена из формованного или волокнистого материала или представлять собой заполняющий оболочку дисперсный материал, омоноличенный известными способами. Края концов оболочки могут быть подогнуты внутрь, что также способствует удержанию утеплителя в оболочке.

Оболочка имеет форму прямого кругового цилиндра или прямого овального (поперечное сечение овал) цилиндра.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 главный вид элемента с местным разрезом, показывающим малую толщину материала оболочки и заполняющий ее теплоизоляционный дисперсный материал; на фиг. 2 вид сбоку элемента для случая, когда он имеет форму кругового цилиндра; на фиг. 3 вид сбоку элемента для случая, когда он имеет форму овального цилиндра; на фиг. 4 главный вид плоского теплоизоляционного слоя, составленного из элементов, расположенных в один слой; на фиг. 5 вид сбоку теплоизоляционного слоя плоской формы из элементов, расположенных в один слой; на фиг. 6 вид сбоку теплоизоляционного слоя из элементов, расположенных в два слоя при квадратной укладке элементов; на фиг. 7 вид сбоку теплоизоляционного слоя из элементов, расположенных в три слоя при треугольной укладке элементов;
на фиг. 8 вид сбоку теплоизоляционного слоя из элементов, имеющих форму овального цилиндра;
на фиг. 9 главный вид теплоизоляционного слоя при продольно-поперечной укладке элементов;
на фиг. 10. главный вид фрагмента цилиндрического теплоизоляционного слоя при однослойном расположении элементов, имеющих форму кругового цилиндра;
на фиг. 11. вид сбоку фрагмента цилиндрического теплоизоляционного слоя при однослойном расположении элементов, имеющих форму кругового цилиндра;
на фиг. 12. вид сбоку фрагмента цилиндрического теплоизоляционного слоя при однослойном расположении элементов, имеющих форму овального цилиндра;
на фиг. 13 главный вид элемента в разрезе с показом сил радиального и осевого распоров, действующих на оболочку;
на фиг. 14 вид сбоку элемента с показом сил радиального распора, действующих на оболочку;
на фиг. 15 главный вид элемента (вариант исполнения) с местными разрезами, показывающими, что концы оболочки снабжены заглушками;
на фиг. 16 главный вид элемента (вариант исполнения) с местными разрезами, показывающими, что концы оболочки могут быть подогнуты внутрь;
на фиг. 17 схема образования пристенных и межэлементных полостей (каналов) при квадратной укладке элементов;
на фиг. 18 схема образования пристенных и межэлементных полостей (каналов) при треугольной укладке элементов.

Позиция на фигурах чертежа обозначают: 1- теплоизоляционный элемент; 2 - оболочка теплоизоляционного элемента; 3 заполняющий оболочку дисперсный теплоизоляционный материал; 4 усилия радиального распора оболочки; 5 - усилия осевого распора оболочки; 6 сыпучий теплоизоляционный материал; 7 - заглушка конца оболочки; 8 подогнутые внутрь края оболочки; 9 пристенные воздушные полости (каналы) между элементами и стенками конструкции; 10 - межэлементные воздушные полости (каналы).

Устройство элемента 1 ясно из чертежа. Оболочка 2 элемента 1 склеена или сварена в виде цилиндра из тонкого листового материала и заполнена дисперсным теплоизоляционным материалом 3 (см. фиг. 1, 2, 3), находящимся в объемно-напряженном упруго сжатом состоянии. Поэтому заполнитель 3 распирает оболочку 2 в радиальных направлениях 4, а за счет сцепления (в т.ч. трения или приклейки) распирает оболочку 2 в осевых направлениях 5 (от середины к краям, см. фиг. 13 и 14), т.е. создает в оболочке радиальные и осевые напряжения растяжения. Кроме того, заполнитель фиксирует круглость или овальность оболочки и элемента в целом.

Работу устройства рассмотрим в двух аспектах: теплофизическом и механическом.

В теплофизическом отношении "работа" находящегося в оболочке упруго сжатого дисперсного теплоизоляционного материала принципиально не отличается от работы других теплоизоляционных материалов. Однако, наличие оболочки предохраняет теплоизоляционный материал от увлажнения капельной водой. Этот эффект может быть усилен, в случае пористого материала оболочки, ее гидрофобизацией. Проникновение влаги через торцы оболочки может быть снижено поверхностной гидрофобизацией заполнителя оболочки, а также применением заглушек из соответствующего материала. Основной особенностью предлагаемого решения, в теплофизическом отношении, является то, что теплоизоляционные элементы 1, уложенные в теплоизоляционную полсть конструкции, образуют пристенные 9 и межэлементные 10 воздушные полости (каналы), см. фиг. 17, 18. Эти полости малы по сечению и имеют форму, препятствующую развитию в них конкретной теплопроводности, а малоподвижных воздух прекрасный теплоизолятор. Эффективный коэффициент теплопроводности такого воздушного включения может быть меньше коэффициента теплопроводности теплоизоляционного заполнителя оболочки такого, как гидролизный лигнин, древесные опилки, или чуть больше, чем в случае минеральной ваты или половы. Сравнительная плотность (удельный вес) теплоизоляционного заполнителя оболочки и плотность воздуха, получим, что названные воздушные полости 9 и 10 значительно уменьшают массу и стоимость теплоизоляционного слоя, почти не изменяя теплоизоляционные свойства конструкции. Более того, названные полости-каналы играют существенную роль путей удаления влаги из утеплителя, накапливаемой обычно при транспортировке, монтаже и эксплуатации теплоизоляционных конструкций и ухудшающей вдвое-втрое теплоизоляционные свойства конструкции.

Можно изменять сечение каналов, их форму и количество изменением диаметра элементов, переходом к многослойной (см. фиг. 6) треугольной (см. фиг. 7) укладке элементов, применением элементов овального сечения (см. фиг. 8, 12), что скажется на термическом сопротивлении теплоизоляционного слоя и осушающем влиянии пристенных и межэлементных каналов.

Основной особенностью механической работы предлагаемого теплоизоляционного элемента является объемно-напряженное упруго сжатое (уплотненное) состояние материала в оболочке и соответственно напряженное состояние оболочки. Предварительно сжатый объемно-напряженный заполнитель и предварительно растянутая оболочка могут воспринимать значительные радиальные и осевые нагрузки уже в самом начале деформации, поэтому элемент обладает значительной жесткостью в этих направлениях.

Благодаря радиальному силовому взаимодействию заполнителя и оболочки возникают силы трения 5 (см. фиг. 13) между ними, удерживающие утеплитель в сжатом по оси состоянии и создающие осевые напряжения растяжения в оболочке. Без этого при изгибе элемента тонкие материал оболочки в сжатой зоне потерял бы местную устойчивость с образованием складочек уже при незначительных поперечных нагрузках даже от собственного веса элемента. При наличии в оболочке предварительных напряжений растяжения, при изгибе элемента в сжатой зоне оболочки происходит сначала нейтрализация предварительных напряжений растяжения и лишь при значительных нагрузках появляются напряжения сжатия, которые могут и не достигнуть опасных значений. Кроме того, образованию складочек потери местной устойчивости оболочки препятствует наличие в оболочке радиально напряженного заполнителя, т.к. он сопротивляется вдавливанию материала оболочки внутрь. Заполнитель оболочки также в некоторой мере сопротивляется поперечному изгибу, благодаря предварительному осевому сжатию. Все это поддается инженерным методам расчета и не поясняется здесь.

При продольном сжатии элемента деформация сопротивляется и оболочка и заполнитель: оболочка благодаря предварительному ее растяжению и оптимальной (трубчатой) форме, заполнитель благодаря предварительному его сжатию. Деформация при продольном сжатии элемента будет малой, т.к. нагрузке сопротивляется оболочка оптимальной для этого (трубчатой) формы из материала сравнительно высокого модуля упругости. К тому же, оболочка подкреплена изнутри упруго сжатым наполнителем, что способствует реализации несущей способности оболочки.

Для рассмотрения работы элемента на поперечное сжатие важно то, что заполнитель находится уже в сжатом состоянии, причем он зафиксирован в этом состоянии сравнительно жесткой оболочкой. Поэтому уже при небольшой деформации оболочка освобождается от своей функции удержания заполнителя, а заполнитель всем своим усилием предварительного сжатия начинает сопротивляться внешнему усилию. Поэтому деформация элемента при поперечном сжатии будет невелика, гораздо меньше, чем ненапряженного теплоизоляционного материала, т. е. элемент является достаточно жестким при поперечном сжатии.

Малая деформируемость элементов и упруго-напряженное состояние в продольном и поперечном направлениях обеспечит отсутствие их осадки в полости теплоизоляционной конструкции. При этом важно обеспечить отсутствие перемещения (осадки) заполнителя в оболочке, что осуществляется при достаточном сцеплении заполнителя с внутренней поверхностью оболочки.

Необходимая величина сцепления теплоизоляционного материала с внутренней поверхностью оболочки определяется несколькими условиями. Минимальная величина названного сцепления определяется необходимостью донести (доставить) элемент до теплоизоляционной конструкции в целости, не высыпав заполнитель из оболочки, не сломав сам элемент. Если при этом элементы используются в горизонтальном положении в конструкции, где торцы элементов плотно замыкаются каким-либо элементом конструкции, например, обрамлением панели, то сцепление может быть меньше действующих на утеплитель транспортных и эксплуатационных усилий в осевом направлении. Более значительные величины сцепления могут понадобиться для обеспечения неоседания утеплителя в оболочке при вертикальном расположении элементов при их горизонтальном расположении в конструкциях, где торцы элементов будут открытыми; в этом случае необходимо обеспечить сцепление, превышающее действующие на заполнитель усилия. В случае материалов, частицы которых достаточно хорошо вдавливаются в стенки оболочки, имеют высокий коэффициент трения по оболочке и большое внутреннее трение, чем отличаются, например, древесная стружка, дробленые отходы пенопласта, названные условия могут быть обеспечены при простейшем исполнении элемента, представленного на фиг. 1. Другие материалы, например, перлитовый вспученный песок, древесные опилки, гранулированный пенополистирол, требуют дополнительных мер по удержанию крайних (у торцев элемента) порций заполнителя. Таких мер, как подгибка внутрь краев оболочки (см. фиг. 16), устройство заглушек (см. фиг. 15). Уместно сказать, что уменьшение площади сечения элемента приводит к увеличению отношения сил сцепления к инерционным и гравитационным усилиям и снижает способность дисперсного материала самопроизвольно выходить из открытого торца оболочки, что упрощает задачу удержаний крайних порций заполнителя.

Важное для работы элемента трение между заполнителем и оболочкой можно регулировать изменением материала поверхности трения (изменяется коэффициент трения), в т.ч. за счет покрытия, например, парафином (уменьшение трения), битумом, клеем (увеличения трения и сцепления). В случае многослойной оболочки можно менять материал только внутреннего слоя для увеличения или уменьшения трения и сцепления заполнителя и оболочки.

Степень упругого сжатия (уплотнения) теплоизоляционного материала в оболочке неоднозначно влияет на теплопроводность материала, и на прочность элемента. Так, рыхлая минеральная вата имеет большую теплопроводность, чем оптимально уплотненная. А при более высокой, чем оптимальная плотности теплопроводность повышается. При этом соответственно меняется и стоимость теплоизоляции. С повышением степени уплотнения и, соответственно, упругого напряжения заполнителя растут радиальные и могут расти осевые напряжения в оболочке. До определенного уровня этот рост положительно сказывается на несущей способности элемента и сцепления наполнителя с оболочкой, а при дальнейшем росте прочность элемента может снизиться. Однако, следует учесть возможность применения более прочной оболочки за счет ее материала, его толщины, числа и набора слоев.

Относительно длины элемента можно отметить, что более длинные элементы требуют более прочной оболочки (иногда это может оказаться неэкономичным), чтобы выдержать больший изгибающий момент от действующих нагрузок. Но необходимость может быть снята более рациональным опиранием элемента в технологической оснастке и в теплоизоляционной конструкции.

Выбор материала оболочки, его толщины, количества и набора слоев определяется необходимыми физико-химическими свойствами и экономическими показателями элемента с учетом особенностей и возможностей принятого заполнителя оболочки. Самым простым, дешевым и технологичным материалом для оболочки является бумага, с учетом разнообразия ее видов по маркам, толщине, прочности, видов пропитки, наличия дублирующей полимерной пленки и т.п. Приемлема мешочная бумага (крафт-бумага), как наиболее распространенная, дешевая, прочная, а также битуминированная мешочная бумага повышенной влаго- и биостойкости. Еще более влагостойкой и водонепроницаемой будет полимерная пленочная оболочка, однако, более дорогой и менее жесткой. Оболочка из фольги отличается влагостойкостью, атмосферостойкостью, высокой теплостойкостью, прочностью, жесткостью; такой комплекс свойств может оказаться наиболее приемлемым для теплоизоляции трубопроводов и технологических установок, несмотря на относительно высокую стоимость элементов с такой оболочкой. Сочетание различных материалов в многослойной оболочке позволяет получить необходимый набор свойств оболочки и элемента в целом при умеренной стоимости.

В качестве заполнителя оболочки элемента может быть принят любой, практически, дисперсный легкий материал, при этом область применения таких элементов зависит и от материала оболочки, а определенная компромиссом между свойствами элементов и продуманностью теплоизоляционной конструкции, применительно к условиям эксплуатации. Так, некоторые небиостойкие и водопоглощающие материалы (древесная стружка, опилки, солома и т.п.) могут быть применены с антисептированием и даже гидрофобизацией в конструкциях, где исключено попадание воды в теплоизоляционную полость, или без названных обработок в сухих условиях эксплуатации утеплителя. В то же время, другой органический материал, гидролизный лигнин, является биостойким, но имеет высокое водопоглощение при умеренной гигроскопичности, и может быть защищен от излишнего увлажнения даже в бумажной гидрофобизированной оболочке. Другой органический (искусственный) материал гранулированный пенополистирол биостоек, имеет низкое водопоглощение и малую гигроскопичность, что позволяет применять его без какой-либо обработки в самых тяжелых температурно-влажностных условиях, разумеется, при соответствующем материале оболочки.

В связи со сказанным, приводимый перечень теплоизоляционных заполнителей оболочки элемента не исчерпывает всех возможных вариантов, а включает самые массовые и высокоэффективные: древесная стружка, минеральная вата, отходы производства минеральной ваты (некондиция), отходы производства и применения минерало-ватных изделий, дисперсные полуфабрикаты (гранулированный полистирол) и отходы производства и применения пенопластов, гидролизный лигнин, соломенная сечка, полова злаков, костра льна, лузга семян подсолнечника, торф.

Приведенные далеко неполные сведения об устройстве, работе и применении элементов представляются автору необходимыми для показа многофакторности предложенного технического решения, широты возможностей в его реализации, новизне и полезности. Отсутствие в описании инженерных расчетов и конкретных данных о показателях различных изделий также объясняется многофакторностью технологического решения: в каждом конкретном случае данные и показатели определяются по результатам исследований, испытаний и расчетов, в т.ч. экономических.

Предлагаемый теплоизоляционный элемент имеет преимущества перед многими аналогами, особенно в части использования теплоизоляционных отходов, а по сравнению с прототипом следует назвать основным преимуществом отсутствие осадки утеплителя в полости теплоизоляционной конструкции, достигаемое при более простом и универсальном техническом решении, которое уже достаточно подробно описано. Дополним сказанное сравнением площадей сцепления теплоизоляционного материала с оболочками: у прототипа, при вертикальном расположении панели с горизонтальными гофрами и у изобретения в случае теплоизоляционной полости таких же размеров, без входящих внутрь гофр, при вертикальном расположении элементов. По прототипу теплоизоляционная полость панели толщиной 100 мм и размерами 1000х1000 мм будет иметь площадь напряженного контакта утеплителя с оболочкой 2 м² без учета гофр, складок ленты и около 2,5-3 м² с их учетом. Теплоизоляционный слой из круглых элементов диаметром 50 мм (двухслойная укладка) дает одноименную площадь 6 м², что предопределяет лучшую, чем у прототипа, возможность удержания утеплителя без оседания. В еще большей мере отсутствию осадки утеплителя способствует осевое (по вертикали) предварительное упругое сжатие утеплителя в оболочках, что вообще отсутствует в прототипе. Оба названных фактора высокая площадь сцепления и осевое предварительное сжатие, обеспечивают возможность применения дисперсных утеплителей широкой номенклатуры в отличие от прототипа, где, несмотря на входящие в утеплитель гофры и просечки дополнительной ленты, применяется только связный и только волокнистый (минерало-ватный) утеплитель. Кроме того, предлагаемые элементы проще в применении, т.к. их укладка в теплоизоляционную полость конструкции не сопровождается неизбежной в прототипе прирезкой утеплителя по ширине (просто укладывается соответствующее ширине полости количество элементов) и не сопровождается обжатием утеплителя при установке обшивки панели в специальном стенде. Предлагаемое решение органолептичнее в отношении минерало-ватных и некоторых других материалов, т.к. рабочий касается руками приятных на ощупь и безвредных оболочек, а не колкой минваты; в эксплуатации уменьшается выход частиц минваты (и других материалов) в помещения, что можно отнести к повышению экологичности. Предлагаемые элементы могут заменить в ряде случаев вредные для здоровья минерало-ватные изделия на фенольном связующем, могут решить и такую экологическую проблему, как утилизация довольно распространенных видов отходов, например, гидролизного лигнина.

Далее, в отличие от прототипа предлагаемые элементы универсальны не только в отношении вида теплоизоляционного материала и материала оболочки, но и в отношении формы теплоизоляционной конструкции, т.к. годятся и для плоских и для криволинейных конструкций, в т.ч. трубопроводов, цилиндрических домиков, арочных покрытий, складчатый конструкций и т.п. Отличительная универсальность проявляется и в пригодности элементов для различных видов ограждающих конструкций: металлических панелей с обычными гофрами (наружу) при любом их направлении и форме и без них, бетонных и кирпичных стен, деревянных панелей и др.

Важным преимуществом предлагаемого изобретения является наличие уже упомянутых пристенных и межэлементных воздушных каналов в теплоизоляционном слое из элементов; через эти каналы будет удаляться обычно накапливаемая утеплителем влага (естественная или искусственная сушка утеплителя); это очень важно, т.к. влажный утеплитель плохой теплоизолятор. Отмеченная возможность гидрофобизации элементов не только эффективна против намокания теплоизоляционного материала, но и весьма экономична по расходу гидрофобизатора.

Простота конструкции элемента предопределяет простоту технологии изготовления, а малые размеры элемента компактность технологического оборудования и, соответственно, малые капитальные затраты и быстрое освоение производства.

Экономические преимущества элементов доказывает сравнение по стоимости с близкими по качеству минерало-ватными плитами: по данным 1994 года теплоизоляционный слой из элементов с древесной стружкой (отход) в 4 раза дешевле минерало-ватной теплоизоляции. Очевидно, что дисперсные несвязные теплоизоляционные материалы дешевы, особенно отходы; в технологии элементов отсутствуют трудоемкие и энергоемкие технологические операции введения связующего в дисперсный материал, формования изделий сравнительно больших размеров и их отвердения (сушки).

Для проверки основных технических решений изготовлена партия элементов с однослойной оболочкой из мешочной бумаги, заполненной обычной фрезерной древесной стружкой. Длина элемента 600 мм, диаметр 60 мм, масса 0,2±0,02 кг. Приведенная (усредненная по бумаге и стружке) плотность элемента 120 кг/м³; плотность теплоизоляционного слоя из таких элементов при "квадратной" упаковке их равна 95 кг/м³; это позволяет классифицировать такую теплоизоляцию как низкой плотности.

При поперечном сжатии слоя из таких элементов стандартной пробной нагрузкой 0,5 КПа остаточной деформации элементов не наблюдается; при стандартной испытательной нагрузке 2 КПа относительно сжатие составило около 14% что соответствует сжимаемости полужестких теплоизоляционных материалов. При снятии испытательной нагрузки элементы частично восстанавливают свою форму. При продольном сжатии первичный признак исчерпания несущей способности (образование поперечной складочки потери местной устойчивости оболочки) наступает при нагрузке в среднем 52 H, что превышает вес элемента в 26 раз, в то время как, например, максимальная транспортная перегрузка четырехкратная. Деформация при продольном сжатии составила 6 мм или всего 1% что позволяет отнести такой материал к группе твердых (в осевом направлении). При снятии нагрузки названная складочка расправляется и длина элемента полностью восстанавливается; это указывает на устойчивость элементов против оседания, а также доказывает наличие предварительных упругих напряжений сжатия в заполнителе и растяжения в оболочке. Отмеченная в описании и подтвержденная при испытаниях анизотропность жесткости элемента может быть целесообразно использована в конструкциях.

Для сравнения испытана оболочка без заполнителя. Она практически лишена несущей способности на поперечное сжатие и поперечный изгиб; при продольном сжатии образование складочки происходит при нагрузке около 9 H, что в 5 раз меньше, чем у элемента; этим подтверждается большое влияние предварительного распора оболочки и наличие в ней упругого сжатого заполнителя.

Устойчивость элемента против осадки в целом и заполнителя внутри него при динамическом нагружении испытывалась известным способом: сбрасыванием элемента вертикального расположения с высоты 200 мм на жесткий пол. Даже после 20 сбрасываний осадка стружки отсутствует, длина элемента сохраняется, отмечено обратимое образование поперечной складочки в нижней части оболочки.

Приведенные сведения и результаты испытаний доказывают возможность достижения поставленной цели при простом, универсальном, технологичном, экономичном и экологичном техническом решении.

Источники информации.

1. Горлов Ю. П. и др. Технология теплоизоляционных материалов. М. Стройиздат, 1980, 399 с.

2. Смирнов А. Конструкция садовых домиков // Сельское строительство. М. В/О "Агропромиздат", 1988, N 2, с. 57-58.

3. Трехслойные панели в сборно-разборном строительстве. /Под общ. ред. Бровченко М. Д. Львов: "Вища школа", 1978, 155 с.

4. Авт. св. СССР N 1661325, кл. E 04 C 2/26, 1991.

5. Авт. св. СССР N 1664991, кл. E 04 C 2/26, 1991.

6. Авт. св. СССР N 1664992, кл. E 04 C 2/26, 1991.

7. Авт. св. СССР N 1671815, кл. E 04 C 2/10, 1991.

8. Авт. св. СССР N 992694, кл. E 04 C 2/26, 1983.

9. Бельский В. И. и др. Тепловая изоляция / Под ред. Кузнецова Г. Ф. Изд. 2-е перераб. и доп. М. Стройиздат, 1973, с.439.

10. Авт. св. СССР N 1666669, кл. E 04 C 2/32, 1991.

Формула изобретения

1. Теплоизоляционный универсальный элемент теплоизоляционных конструкций, включающий оболочку и упругосжатый в ней теплоизоляционный материал, отличающийся тем, что оболочка выполнена цилиндрической из тонкого листового материала, заполнена объемно-напряженным упругосжатым дисперсным теплоизоляционным материалом, который распирает оболочку в радиальных и осевых направлениях до уровня, обеспечивающего реализацию несущей способности оболочки без потери ею общей и местной устойчивости и необходимое сцепление теплоизоляционного заполнителя оболочки с ее внутренней поверхностью.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из бумаги.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из полимерной пленки.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из фольги.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена многослойной.

6. Элемент по п.5, отличающийся тем, что слои многослойной оболочки выполнены из разнородных материалов.

7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использованы особо легкие и легкие мелкозернистые, среднезернистые и волокнистые материалы, в том числе отходы промышленного и сельскохозяйственного производства.

8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована древесная стружка.

9. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована минеральная вата, в том числе отходы производства и применения ее или изделий на ее основе.

10. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки используется мелко- и среднедиспергированные полуфабрикаты и отходы производства и применения пенопластов.

11. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использован гидролизный лигнин.

12. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использован торф.

13. Элемент по п.7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использованы надземные части растений.

14. Элемент по п.13, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована соломенная сечка.

15. Элемент по п.13, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована полова злаков.

16. Элемент по п.13, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована костра льна.

17. Элемент по п.13, отличающийся тем, что в качестве заполнителя оболочки использована лузга семян подсолнечника.

18. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность оболочки имеет покрытие, обеспечивающее необходимое сцепление теплоизоляционного заполнителя оболочки с ее внутренней поверхностью.

19. Элемент по п.1, отличающийся тем, что концы оболочки с дисперсным теплоизоляционным материалом, слабосцепляющимся с оболочкой, заглушены материалом, достаточно сцепляющимся с внутренней поверхностью оболочки.

20. Элемент по п.19, отличающийся тем, что теплоизоляционный материал заглушек концов оболочки с дисперсным слабосцепляющимся с оболочкой материалом представляет собой этот дисперсный материал, омоноличенный известным способом.

21. Элемент по п.1, отличающийся тем, что края концов оболочки подогнуты внутрь.

22. Элемент по п.1, отличающийся тем, что элемент имеет форму прямого кругового цилиндра.

23. Элемент по п.1, отличающийся тем, что элемент имеет форму прямого овального цилиндра.

24. Элемент по п.1, отличающийся тем, что элемент имеет наружное гидрофобизирующее покрытие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18