СУЩНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Основные типы теплоизоляции
Теплоизоляция — это элементы конструкции, уменьшающие процесс теплопередачи, и выполняющие роль основного термического сопротивления в конструкции. Термин может означать материалы для выполнения таких элементов или комплекс мероприятий по их устройству. Теплопередача — это физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, непосредственно при контакте, либо через разделяющую перегородку из какого-либо материала. Когда тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему – является следствием. Термическое сопротивление — тепловое сопротивление, способность его поверхности, или какого-либо слоя препятствовать распространению теплового движения молекул.
По виду исходного сырья теплоизоляцию принято делить на три вида:
- Органические — получаемые с использованием в составе из органических веществ. Прежде всего, это разнообразные полимеры, например: пенополистирол, вспененный полиэтилен, в том числе отражающая теплоизоляция. Такие теплоизоляции изготавливают с объёмной массой от 10 до 100 кг/м3. Главный их недостаток — это низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не выше 90 C, также при дополнительной защите негорючими материалами такими как: штукатурные фасады; трехслойные панели; стены с облицовкой. А также в качестве органических изолирующих материалов используют переработанную неделовую древесину, отходы деревообработки такие как: древесно-волокнистые плиты, ДВП, и древесностружечные плиты, ДСП, целлюлозу в виде макулатурной бумаги, сельскохозяйственные отходы и т. д. Эти теплоизоляционные материалы, отличаются высокой водопроницаемостью, низкой биостойкостью, а также подвержены разложению и используются в строительстве реже.
- Неорганические — это минеральная вата и изделия получаемые из неё например: минераловатные плиты, монолитный пенобетон и ячеистый бетон, пеностекло, стеклянное волокно, изделия из вспученного перлита, и другие. Изделия из минеральной ваты получают при переработке расплавов горных пород или металлургических шлаков. Объёмная масса изделий из минеральной ваты составляет 35—350 кг/м3. Теплопроводность минеральной ваты находится в диапазонах от 0,035-0,040 Вт/м*К и также зависит от плотности материала. Из-за проникновения влаги, в процессе эксплуатации происходит увеличение теплопроводности в среднем на 50 % за 3 года. Паропроницаемость – это фактор сопротивления диффузии водяного пара которая равна 1 при отсутствии пароизоляционного слоя. Так же при обшей площади отверстий в пароизоляционном слое более 0,2 мм2 на м2. Характерная особенность — низкие прочностные характеристики, а также повышенное водопоглощение, поэтому применение данных материалов ограничено поэтому необходимо специальных методик установки. При производстве современных минераловатных изделий производится гидрофобизация волокна, которая позволяет снизить водопоглощение в процессе транспортировки и монтажа.
- Смешанные — используют в качестве монтажных и изготовляют на основе асбеста, смесей асбеста и минеральных вяжущих веществ на основе вспученных горных пород.
Под промышленной теплоизоляцией чаще всего имеется в виду теплоизоляция трубопроводов, резервуаров, емкостей, и различного оборудования. Термоизоляцию трубопроводов и емкостей используют для предотвращения охлаждения жидкости в трубах, и во избежание образования конденсата на оборудованиях. Когда тепловые потери не важны, теплоизоляцию применяют для соблюдения техники безопасности, например, для того, чтобы защитить персонал от ожогов. В связи с ростом стоимости энергоносителей тепловые потери стараются свести к минимуму, поэтому все системы теплоизоляции включаются в комплекс средств для достижения энергоэффективности [9;15].
В промышленности к термоизоляции предъявляются повышенные требования к устойчивости материалов к максимально высоким или, напротив, максимально низким температурам. Сейчас проектировщики в промышленности, особенно на опасно-производственных объектах, предпочитают использовать негорючие материалы. Многие теплоизоляционные материалы обрабатываются специальными пропитками для того, чтобы повысить их безопасность и снизить интенсивность горения, например: антипирены для сильно горючих материалов, такие как пенополистирол и пенополиуретан. Но применение антиперенов не дает горючим материалам стать негорючими, а также может привести к образованию поверхностной коррозии технологического оборудования.
?
1.2 Применение теплоизоляции
Теплоизоляция применяется для уменьшения теплопередачи, где необходимо поддерживать заданную температуру, например:
- В строительстве теплоизоляция применяется для внешнего и внутреннего изолирования стен зданий, полов, кровель, и т. д. Благодаря этому снижается расход энергии на отопление и конденсирование.
- В производстве одежды и обуви, благодаря теплоизолирующим свойствам одежды человек может без активного движения долгое время находится на открытом воздухе в сильный мороз или в холодной воде.
- В корпусах или ограждающих конструкциях, различных печей и холодильного оборудования. Из-за теплоизоляции возможно значительно снизить затраты энергии на поддержание требуемой температуры.
- Изоляция трубопровода, где применяются съёмные теплоизоляционные конструкции.
- Трубопроводы теплотрасс изолируют теплоизоляцией для уменьшения охлаждения, нагрева передаваемого теплоносителя. Также защищают от коррозии, для создания пароизолирующими и шумозащитными свойствами.
- Изоляция емкостей, резервуаров, бойлеров.
Теплоизоляция неутепленной стены, или с недостаточным утеплением выполняется следующими способами:
- Навесной вентилируемый фасад с применением теплоизоляции
- Тонкослойная штукатурка фасадов, мокрый фасад
- Трехслойная конструкция стен, слоистая или колодцевая кладка, панели клееные или сборные, трехслойные ж/б стеновые панели.
- Укладка теплоизоляционных плит между стойками каркасных домов с металлическим, деревянным каркасом, с последующей отделкой облицовочными панелями
Наиболее эффективно применять теплоизоляцию снаружи, так как в этом случае несущая конструкция стены находится всегда в зоне положительных температур и оптимальной влажности. Применение теплоизоляции возможно изнутри здания, при этом варианте необходимо проводить расчет по влажностному режиму, на необходимость слоя пароизоляции и только в исключительных случаях, когда невозможно изменить фасад здания по тем или иным соображениям. Для изготовления теплоизоляции, используют материалы, имеющие очень низкий коэффициент теплопроводности - называют теплоизоляторами. Когда теплоизоляция применяется для удержания тепла внутри объекта, такие материалы могут называться утеплителями. Теплоизоляторы обладают высокой пористостью и неоднородной структурой.
Современные теплоизоляционные материалы на основе аэрогелей обладают самыми низкими коэффициентами теплопроводности: 0,017 — 0,21 Вт/(м•K).
1.3 Конструкция теплоизоляции
В состав конструкции систем тепловой изоляции для поверхностей в качестве обязательных элементов должны входить: теплоизоляционный слой; пароизоляционный слой, для поверхностей с отрицательной температурой; покровный слой; элементы крепления. В зависимости от применяемых конструктивных решений в состав конструкции дополнительно могут входить: выравнивающий слой; предохранительный слой. Предохранительный слой следует предусматривать при применении металлического покровного слоя, для предотвращения повреждения пароизоляционных материалов. Конструкция теплоизоляции на основе изделий из минеральной ваты определяются параметрами изолируемого объекта, назначением и условиями эксплуатации теплоизоляционных конструкций и видом защитно-покровных материалов и рекомендуются к применению в трубопроводах и оборудовании в соответствии с настоящим стандартом.
Пароизоляционные материалы при необходимости устройства пароизоляционного слоя в конструкции применяют теплоизоляционные материалы со сдублированным в производственных условиях слоем фольги, при необходимости устройства дополнительной пароизоляции возможно применять следующие материалы: полиэтиленовая пленку; пленку поливинилбутиральную клеящую; пленку полиэтиленовую термоусадочную; рубероид; алюминиевую фольгу. Так же допускается применение других материалов, обеспечивающих требуемый уровень сопротивления паропроницания не ниже вышеперечисленных материалов. Материалы покровного слоя в помещении, где изоляционная система не будет воспринимать механических воздействий, возможно применение теплоизоляционных материалов кашированных фольгой. В остальных случаях рекомендуется в качестве покровного слоя применять следующие материалы: листы и ленты из нержавеющей стали; листы из алюминия и алюминиевых сплавов; ленты из алюминия и алюминиевых сплавов; сталь тонколистовую оцинкованную; сталь тонколистовая кровельная; прокат тонколистовой из углеродистой стали; стеклотекстолит конструкционный; пленку винипластовую каландрированную; рубероид, марка; толь кровельный и гидроизоляционный; пергамин кровельный; листы асбестоцементные плоские; фольга. Выбор вида и типа покровного слоя следует делать с учетом характера и степени агрессивности окружающей среды и производства. Допускается применение других материалов, обеспечивающих защиту от механических повреждений и воздействия окружающей среды для теплоизоляционных материалов. Элементы крепления в качестве элементов крепления могут применяться следующие материалы: проволока вязальная; лента холоднокатаная из низкоуглеродистой стали; лента стальная упаковочная; ленты из нержавеющей стали болты, гайки, штыри, самонарезающие винты.
?
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
2.1 Явление теплопередачи в теплоизоляционном материале
Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему, является следствием второго закона термодинамики.
Существуют различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них: теплоотдача – конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела; теплопередача – теплообмен от горячей среды к холодной через разделяющую их стенку; конвективно-лучистый перенос тепла – совместный перенос тепла излучением и конвекцией; термомагнитная конвекция.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м^2 поверхности при разности температур между теплоносителями 1 К. выражается в Вт/(м^2·К). В строительстве получила широкое распространение обратная величина — «коэффициент термического сопротивления».
Основное уравнение теплопередачи: количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени:
Q=KF?tcp (2.1)
где K — коэффициент теплопередачи вдоль поверхности теплообмена;
F - поверхность теплообмена;
?tср — средний температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями) [3].
2.2 Теплопроводность, конвекция, тепловое излучение
Теплопроводность — это способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный материал единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур, выражается 1 К. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Раньше считалось что, передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. С развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё новое объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся более быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.
Конвекция (от лат. convectio — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях, процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается правильная решётка из конвекционных ячеек. Различают конвекцию на ламинарную и турбулентную. При естественной конвекции протекают многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря этому явлению движутся тектонические плиты. Конвекция влечет появление гранул на Солнце. При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной. Конвекцией ещё называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов с движущейся средой.
Виды конвекций различаются на более 9 видов, но мы не будем подробно их рассматривать.
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Излучается телами, имеющими температуру больше 0 К, то есть различными нагретыми телами, поэтому называется тепловым. Оно имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании смещается в длинноволновую часть спектра. Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера и также белый карлик. Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, вследствии чего вещество пронизано электромагнитными полями. Характерной чертой является при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий h? ? kT, в спектре начинается экспоненциальный завал. Когда излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно чёрного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется по закону Кирхгофа [3, 4].
По отдельности в природе и на производстве эти виды переноса теплоты встречаются очень редко. Чаще всего происходит совместный их перенос. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом, совместный перенос теплоты теплопроводностью и излучением называется радиационно-кондуктивным теплообменом. Совместный перенос теплоты конвекцией и излучением называется радиационно-конвективным теплообменом. Теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей, а передача теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку называется теплопередачей.