Материалы и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году





К.С. ОРЛОВ




МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА

УЧЕБНИК



                     Допущено Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств и вентиляции»




znanium.com


Москва ИНФРА-М 2020

УДК 696(075.32)
ББК 38.76я723
      О66






      Рецензенты:
      Сосков В.И., проф., директор ОАО «Электроцентромонтаж»;
      Краснов В.И., доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» Московского государственного открытого университета





      Орлов К.С.
О66 Материалы и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата : учебник / К.С. Орлов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 183 с. — (Среднее профессиональное образование).

         ISBN 978-5-16-004418-7 (print)
         ISBN 978-5-16-103337-1 (online)

         Учебник «Материалы и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата» предназначен для студентов техникумов, обучающихся по специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних санитарно-технических устройств и вентиляции».


УДК 696(075.32)
ББК 38.76я723










ISBN 978-5-16-004418-7 (print)
ISBN 978-5-16-103337-1 (online)

© Орлов К.С., 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Учебник «Материалы и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата» написан в соответствии с учебной программой по дисциплине «Материаловедение и изделия для санитарно-технических устройств и систем обеспечения микроклимата», разработанной инновационным образовательным центром «Новый дом», согласованной с Управлением науки и учебных заведений, предназначенной для реализации государственных требований к минимуму содержания подготовки выпускников средних учебных заведений (техникумов) по специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация внутренних санитарно-технических устройств и вентиляции», утвержденной Минобразованием России 20.05.2002 г. № 20-2914 — Б для всех форм обучения.
   Учебник может быть использован при изучении предмета «Материаловедение» для ряда специальностей, близких к указанным.
   Учебник знакомит учащихся с основными методами получения, использования и ассортиментом как традиционных материалов и изделий, которые применяют монтажники в строительстве, так и новых, разработанных и внедренных в последнее время.

3

ВВЕДЕНИЕ

   Санитарно-технические устройства и системы обеспечения микроклимата зданий имеют большое значение в быту и для нормальной работы промышленных предприятий. Стоимость санитарнотехнических устройств и оборудования, а также объем монтажных и эксплуатационных работ этих систем занимают значительную долю в общей стоимости строительного производства.
   Повышение качества и снижение себестоимости санитарно-технических работ во многом зависят от квалификации слесарей-сантехников, монтажников и эксплуатационников санитарно-технических систем и оборудования. Монтажники и эксплуатационники должны разбираться в материалах и изделиях, применяемых в инженерных системах. Знание материаловедения помогает правильно ориентироваться при выборе материалов для изготовления элементов инженерных систем и деталей, что повышает качество изделий и надежность систем в целом.
   Задача учебника — помочь учащимся овладеть необходимым уровнем знаний и умений в области применения материалов и изделий в процессах монтажа и эксплуатации санитарно-технических систем и оборудования, освоить современную технику и технологию индустриального монтажа, изучить приемы передовой строительной культуры.
   В последнее время идет коренное перевооружение отечественной промышленности строительных материалов и стройиндустрии. В России интенсивно организуется производство широкой номенклатуры высокоэффективных строительных материалов и изделий, которые в нашу страну до недавнего времени завозились из-за рубежа. Появление на строительном рынке новых строительных материалов и изделий требует изучения оптимальных приемов их использования.

4

                Глава 1. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ





   Вещества, используемые в технике, и в частности в строительстве, называют материалами.
   Признаки, по которым различные материалы отличаются друг от друга, называются свойствами. Чтобы охарактеризовать тот или иной материал, необходимо знать определенный перечень (совокупность) свойств, которыми обладает каждый из них. Свойства материалов условно разделяют на следующие виды: физические, химические, механические, технологические и др.


            1.1. Физические свойства


   Физические свойства материалов зависят от внутреннего строения материалов. К ним относятся: плотность, пористость, объемная масса, теплопроводность, теплоемкость, тепловое (термическое) расширение, температура плавления, влажность, водопоглощение, водопроницаемость, газо- и паропроницаемость, морозостойкость, электропроводность и др.
   Истинная плотность материала равна массе единицы объема вещества без пор и пустот. Истинную плотность р, кг/м³ (см³), вычисляют по формуле

р = т / Кп,
где т — масса материала, кг (г); Уп — объем материала в плотном состоянии (без пор и пустот), м³ (см³).
   Истинная плотность железа равна 7800 кг/м³, чугуна — 7000, латуни — 8500, меди — 8900, свинца — 11 300, вольфрама — 19 300. Истинная плотность каменных материалов составляет от 2700 до 3300 кг/мз, а органических — 900—1600 кг/мз.
   Пористость — степень заполнения объема материала порами. Пористость П, %, вычисляют по формуле

Я⁼(1 —Рср/Р)100,
где рср — средняя плотность материала, определяемая отношением массы вещества ко всему занимаемому объему, включая имеющиеся в нем пустоты и поры, кг/м³; р — истинная плотность материала, кг/м³.
   От пористости материала зависят теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, водопоглощение. Например, чем больше пористость, тем меньше теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость и больше водопоглощение.


5

   Теплопроводность — это свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях материала. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящей в течение 1 ч через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м² при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в 1 град.
   Теплопроводность зависит от вида материала, его пористости, влажности, объемной массы и средней температуры, при которой происходит передача теплоты.
   Теплопроводность металлов является наиболее высокой по сравнению с теплопроводностью других материалов. Это объясняется перемещением свободных электронов, находящихся в постоянном движении. Такие электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла. Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее теплота при нагревании распространяется по всему его объему. Это свойство реализуется в конструкциях нагревательных приборов, теплообменниках, которые нагреваются во время работы, при газовой резке металлов и их обработке режущим инструментом.
   Материалы с малой теплопроводностью используют для изоляции трубопроводов и утепления наружных ограждающих конструкций зданий.
   Теплопроводность зависит от пористости материала. У пористых материалов тепловой поток проходит через их массу и поры, наполненные воздухом. Теплопроводность воздуха очень низка (0,02 Вт/м • °C). Теплопроводность материала повышается при его увлажнении, так как у воды теплопроводность в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому поры материала, заполненные водой, гораздо лучше проводят тепловой поток, чем поры, заполненные воздухом.
   Теплопроводность материала зависит и от размера пор: материалы с мелкими порами менее теплопроводны. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем с сообщающимися. Это объясняется наличием в крупных и сообщающихся порах конвективного переноса воздуха и вместе с ним теплоты.
   Теплоемкость — свойство материалов поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Мерой теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг материала на 1 град. Удельную теплоемкость используют при расчете процессов нагрева или охлаждения материалов.

6

   Теплоемкость каменных материалов находится в пределах 0,75— 0,92, деревянных — 2,39—2,72 кДж/(кг • °C). Теплоемкость металлов относительно невысокая, например у стали — 0,46 кДж/(кг • °C), а воды — весьма высокая — 4,2 кДж/(кг • °C).
   Тепловое (термическое) расширение — способность материалов изменять свои размеры в процессе изменения их температуры. Это свойство учитывают при конструировании теплообменных аппаратов, например водоподогревателей, при прокладке трубопроводов, так как длинные трубопроводы при изменении температуры значительно изменяют свои размеры.
   Температура плавления — это температура, при которой твердый материал переходит в жидкий расплав при фиксированном давлении. Она зависит от прочности связи между молекулами и ионами: например, температура плавления ртути —39° C, вольфрама +3410° C. Чистые металлы (без примесей) плавятся при вполне определенных температурах (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Диаграмма температуры плавления металлов

   Влажность материала — это содержание влаги в образце, отнесенное к массе этого образца в сухом состоянии. Влажность материала W, %, зависит как от окружающей его среды (контакта с водой, влажности воздуха), так и от свойств самого материала.
   Водопоглощение материала — это его способность впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение материала зависит от пористости: чем больше пористость, тем больше водопоглощение; оно определяется степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение Wₒ по объему) или отношением количества


7

поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение Wₘ по массе). Водопоглощение, %, вычисляют по формулам

^о=[(т₂-т₁)/Гс]100;

Вт= [(т₂-т₁)/т₁]100,
где т₁ — масса материала в сухом состоянии, кг; т₂ — масса материала в полностью насыщенном водой состоянии, кг; Ус — объем материала в сухом состоянии, м³.
   Водопоглощение различных строительных материалов колеблется в широких пределах. Водопоглощение гранита (по массе) составляет 0,5-0,7%, тяжелого бетона объемной массой 2500 кг/мз — около 3%, а глиняного обыкновенного кирпича — 8-20%.
   Насыщение материалов водой изменяет их свойства: повышается теплопроводность, снижается морозостойкость.
   Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей через образец площадью 1 см² в течение 1 ч при постоянном давлении 1 Н, и зависит от пористости, плотности материала, формы и размеров пор.
   Водопроницаемость гидроизоляционных и кровельных материалов — один из важнейших показателей их качества.
   Газо- и паропроницаемость — это свойство строительных материалов пропускать газ (воздух) или водяные пары, которые характеризуются определенным количеством газа (воздуха) или пара при заданном давлении. На степень газо- и паропроницаемости материала влияют также размер и характер пор. Если поры сообщаются между собой, то газо- и паропроницаемость такого материала больше, чем материала с замкнутыми порами.
   Степень газо- и паропроницаемости оценивается коэффициентом, представляющим количество газа (или пара) в литрах, проходящего в течение 1 ч через стенку материала толщиной 1 м и площадью 1 м² при разности давлений в 133 Па (1 мм ртутного столба).
   Морозостойкость — свойство строительного материала, полностью насыщенного водой, выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания (ниже —7 °С) и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Материалы, обладающие малым водопоглощением, как правило, морозостойки. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы разделяют на марки: Мрз 10; 15; 25; 35; 50; 100; 150; 200.
   Электропроводность — свойство металлов и сплавов проводить электрический ток. Электрические заряды в цепи переносят свободные электроны, поэтому электропроводность у чистых металлов

8

пропорциональна их теплопроводности. Электропроводность металлов с повышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании металлов колебания ионов в них усиливаются, а это мешает движению электронов. При низких температурах, когда колебания ионов уменьшаются, электропроводность металлов и их сплавов резко увеличивается.
   Значительной электропроводностью обладают серебро, медь и сплавы на их основе, алюминий, а малой электропроводностью — вольфрам, хром. Из металлов, хорошо проводящих электрический ток, изготовляют электрические провода, токопроводящие детали электрических машин, а из металлов и сплавов, плохо проводящих электрический ток (обладающих большим электросопротивлением), изготовляют электронагревательные приборы.


            1.2. Химические свойства


   Химические свойства материалов характеризуют их способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении, или при изменении физических условий состояния материала (например, температуры, солнечных лучей).
   Химические свойства металлов и их сплавов определяют их способность отдавать электроны при взаимодействии с другими веществами. По легкости отдачи электронов металлы расположены следующим образом (ряд активности): магний (Mg), алюминий (А1), цинк (Zn), железо (Ре), кобальт (Со), никель (Ni), ртуть (РЬ), медь (Си) и т. д. Чем левее в ряду активности находится металл, тем легче он окисляется и труднее восстанавливается. Каждый металл, находящийся в ряду активности левее, вытесняет любой последующий из растворов его солей. При повышении температуры все химические взаимодействия протекают более активно.
   Жаростойкость — свойство металлов и сплавов противостоять химическому воздействию при высоких температурах. Детали, эксплуатируемые при высоких температурах (детали топок котлов, газовые горелки) изготовляют из сплавов, содержащих Сг, Ni, А1 и другие элементы, которые повышают их жаростойкость.
   Кислотостойкость — это способность металлов и сплавов противостоять действию растворов кислот.
   Грамотный учет химических свойств металлов необходим при изготовлении и эксплуатации санитарно-технического оборудования, так как оно подвергается действию различных агрессивных сред и высоких температур. Поэтому такое оборудование изготовляют из металлов и сплавов, обладающих химическими свойствами, которые обеспечивают их надежность в работе. Например, санитарно-тех

9

ническую арматуру делают из медных сплавов с добавками, образующими при окислении плотную пленку, которая предохраняет изделия от дальнейшего окисления и разрушения.
   Коррозионностойкость — свойство материала противодействовать агрессивным средам.
   Металлы и сплавы под влиянием высоких температур корродируют при взаимодействии сред, не проводящих электрический ток (например, газов, нефти и нефтепродуктов), а также под влиянием сред, проводящих электрический ток (например, водяных растворов солей, кислот, щелочей). Коррозия металлов первого вида называется химической, второго — электрохимической.
   В процессе химической коррозии на поверхности металла образуется пленка окисла. У алюминия, хрома, никеля, свинца, олова эта пленка очень прочная и предохраняет металл от коррозии. Пленка окисла железа и других черных металлов непрочная и является причиной проникания коррозии вглубь.
   В процессе электрохимической коррозии, например атмосферной, разнородные металлы в присутствии влаги образуют гальванические пары. При этом металл, обладающий более высоким потенциалом, будет катодом, а металл с меньшим потенциалом — анодом.
   Атомы анодов переходят в электролит в форме ионов, оставляя эквивалентное количество электронов в аноде. В зависимости от характера разрушения коррозия может быть равномерная, местная и межкристаллитная. Первые два ее вида обусловлены химическим воздействием, межкристаллитная коррозия имеет электрохимическую природу. Она наиболее опасна, так как сопровождается заметным снижением прочности сплава и обнаружить ее по внешним признакам очень трудно.
   Коррозионностойкость материала характеризуется скоростью коррозии при действии агрессивной среды. Один и тот же вид агрессивной среды по-разному влияет на различные материалы. Так, грунтовые воды, содержащие соли сульфатов, вызывают коррозию бетона, изготовленного на портландцементе, и в то же время не являются агрессивными по отношению к бетону, изготовленному на глиноземистом цементе, а также к битумам. Растворы щелочей слабой концентрации не агрессивны к углеродистым сталям и в то же время вызывают коррозию алюминия.


            1.3. Механические свойства


   Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформациям (изменению форм или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. К механичес

10