Izolacja cieplna
Izolacja termiczna to ograniczenie wymiany ciepła (tj. przenoszenia energii cieplnej między obiektami o różnej temperaturze) między obiektami w kontakcie termicznym lub w zasięgu oddziaływania promieniowania. Izolację termiczną można uzyskać za pomocą specjalnie opracowanych metod lub procesów, a także za pomocą odpowiednich kształtów obiektów i materiałów.
Przepływ ciepła jest nieuniknioną konsekwencją kontaktu między obiektami o różnej temperaturze . Izolacja termiczna zapewnia obszar izolacji, w którym przewodnictwo cieplne jest ograniczone, tworząc przegrodę termiczną lub barierę termiczną lub promieniowanie cieplne jest odbijane, a nie pochłaniane przez ciało o niższej temperaturze.
Zdolność izolacyjna materiału jest mierzona jako odwrotność przewodności cieplnej (k) . Niska przewodność cieplna jest równoznaczna z wysoką zdolnością izolacyjną ( wartość rezystancji ). W inżynierii cieplnej innymi ważnymi właściwościami materiałów izolacyjnych są gęstość produktu (ρ) i ciepło właściwe (c) .
Definicja
Przewodność cieplna k jest mierzona w watach na metr na kelwin (W·m -1 ·K -1 lub W/m/K). Dzieje się tak, ponieważ stwierdzono, że wymiana ciepła mierzona jako moc jest (w przybliżeniu) proporcjonalna do
- różnica temperatur
- powierzchnia kontaktu termicznego
- odwrotność grubości materiału
Z tego wynika, że moc strat ciepła jest dana wzorem
Przewodność cieplna zależy od materiału, aw przypadku płynów od ich temperatury i ciśnienia. Dla celów porównawczych powszechnie stosuje się przewodnictwo w warunkach standardowych (20°C przy 1 atm). W przypadku niektórych materiałów przewodność cieplna może również zależeć od kierunku wymiany ciepła.
Czynność izolacyjną uzyskuje się poprzez obudowanie przedmiotu materiałem o niskiej przewodności cieplnej o dużej grubości. Zmniejszenie odsłoniętej powierzchni może również zmniejszyć przenoszenie ciepła, ale ta ilość jest zwykle ustalana przez geometrię izolowanego obiektu.
Izolację wielowarstwową stosuje się tam, gdzie dominuje strata promieniowania lub gdy użytkownik jest ograniczony objętością i wagą izolacji (np. koc ratunkowy , bariera radiacyjna )
Izolacja cylindrów
W przypadku izolowanych cylindrów musi zostać osiągnięty promień krytyczny . Przed osiągnięciem promienia krytycznego każda dodatkowa izolacja zwiększa wymianę ciepła. Konwekcyjny opór cieplny jest odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni, a zatem do promienia walca, podczas gdy opór cieplny powłoki cylindrycznej (warstwa izolacji) zależy od stosunku promienia zewnętrznego do wewnętrznego, a nie od samego promienia. Jeśli zewnętrzny promień cylindra zostanie zwiększony przez zastosowanie izolacji, zostanie dodana stała wartość rezystancji przewodzącej (równa 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Jednocześnie zmniejsza się opór konwekcyjny. Oznacza to, że dodanie izolacji poniżej pewnego promienia krytycznego w rzeczywistości zwiększa wymianę ciepła. W przypadku cylindrów izolowanych promień krytyczny określa równanie
To równanie pokazuje, że promień krytyczny zależy tylko od współczynnika przenikania ciepła i przewodności cieplnej izolacji. Jeśli promień izolowanego cylindra jest mniejszy niż promień krytyczny dla izolacji, dodanie dowolnej ilości izolacji zwiększy wymianę ciepła.
Aplikacje
Odzież i naturalna izolacja zwierzęca u ptaków i ssaków
Gazy mają słabe właściwości przewodzenia ciepła w porównaniu z cieczami i ciałami stałymi, a zatem są dobrym materiałem izolacyjnym, jeśli mogą zostać uwięzione. Aby jeszcze bardziej zwiększyć skuteczność gazu (takiego jak powietrze), można go rozbić na małe komórki, które nie mogą skutecznie przenosić ciepła przez naturalną konwekcję . Konwekcja wiąże się z większym masowym przepływem gazu napędzanym przez wypór i różnice temperatur i nie działa dobrze w małych komórkach, w których istnieje niewielka różnica gęstości, która ją napędza, a wysoki stosunek powierzchni do objętości małych komórek opóźnia przepływ gazu w nich za pomocą oporu lepkiego .
Aby osiągnąć tworzenie małych komórek gazowych w izolacji termicznej wykonanej przez człowieka, można zastosować szkło i materiały polimerowe do uwięzienia powietrza w strukturze przypominającej pianę. Zasada ta jest stosowana przemysłowo w izolacji budynków i rurociągów, takich jak ( wełna szklana ), celuloza , wełna mineralna , pianka polistyrenowa (styropian), pianka uretanowa , wermikulit , perlit i korek . Zatrzymywanie powietrza jest również zasadą we wszystkich wysoce izolujących materiałach odzieżowych, takich jak wełna, pierze puchowe i polar.
Właściwość zatrzymywania powietrza jest również zasadą izolacji stosowaną przez zwierzęta homeotermiczne , aby zachować ciepło, na przykład puchowe pióra i izolujące włosy, takie jak naturalna wełna owcza . W obu przypadkach podstawowym materiałem izolującym jest powietrze, a polimerem służącym do zatrzymywania powietrza jest naturalna keratyna .
Budynki
Utrzymywanie akceptowalnych temperatur w budynkach (poprzez ogrzewanie i chłodzenie) pochłania dużą część światowego zużycia energii. Izolacje budynków również powszechnie wykorzystują zasadę małych uwięzionych komórek powietrznych, jak wyjaśniono powyżej, np. włókno szklane (zwłaszcza wełna szklana ), celuloza , wełna mineralna , pianka polistyrenowa , pianka uretanowa , wermikulit , perlit , korek itp. Przez pewien czas, stosowano również azbest , który jednak powodował problemy zdrowotne.
Folia izolacyjna do okien może być stosowana w zastosowaniach związanych z czynnikami atmosferycznymi w celu zmniejszenia napływającego promieniowania cieplnego latem i strat zimą.
Dobrze ocieplony budynek jest:
- energooszczędne i tańsze w utrzymaniu ciepła w zimie lub chłodu w lecie. Efektywność energetyczna doprowadzi do zmniejszenia śladu węglowego .
- bardziej komfortowe, ponieważ w całej przestrzeni panują równomierne temperatury. Gradient temperatury jest mniejszy zarówno w pionie (między kostkami a wysokością głowy), jak iw poziomie od ścian zewnętrznych, sufitów i okien do ścian wewnętrznych, tworząc w ten sposób bardziej komfortowe środowisko dla użytkowników, gdy temperatury na zewnątrz są bardzo niskie lub wysokie.
W przemyśle energia musi być zużywana na podnoszenie, obniżanie lub utrzymywanie temperatury przedmiotów lub płynów procesowych. Jeśli nie są one izolowane, zwiększa to wymagania energetyczne procesu, a tym samym koszty i wpływ na środowisko.
Układy mechaniczne
Systemy ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń rozprowadzają ciepło po budynkach za pomocą rur lub przewodów. Izolowanie tych rur za pomocą izolacji rur zmniejsza energię w niezamieszkanych pomieszczeniach i zapobiega występowaniu kondensacji na zimnych i schłodzonych rurociągach.
Izolacja rur jest również stosowana na rurociągach wodociągowych, aby pomóc opóźnić zamarznięcie rur na akceptowalny czas.
Izolacja mechaniczna jest powszechnie stosowana w obiektach przemysłowych i handlowych.
Pasywne radiacyjne powierzchnie chłodzące
Stwierdzono, że izolacja termiczna poprawia emisję ciepła pasywnych powierzchni chłodzących radiacyjnie, zwiększając zdolność powierzchni do obniżania temperatur poniżej temperatury otoczenia przy bezpośrednim nasłonecznieniu. Do izolacji termicznej można stosować różne materiały, w tym aerożele polietylenowe , które zmniejszają absorpcję promieniowania słonecznego i pasożytnicze zyski ciepła, co może poprawić wydajność emitera o ponad 20%. Inne aerożele, w tym nanowłóknisty aerożel z krzemionki i tlenku glinu , również wykazywały dobre właściwości termoizolacyjne dla radiacyjnych powierzchni chłodzących .
Chłodzenie
Lodówka składa się z pompy ciepła i komory izolowanej termicznie.
Statek kosmiczny
Start i ponowne wejście na pokład powoduje poważne obciążenia mechaniczne statku kosmicznego, więc wytrzymałość izolatora jest niezwykle ważna (co widać na przykładzie awarii płytek izolacyjnych na promie kosmicznym Columbia, co spowodowało przegrzanie i pęknięcie płatowca wahadłowca podczas ponownego wejścia na pokład, zabijając astronauci na pokładzie). Ponowne wejście przez atmosferę generuje bardzo wysokie temperatury w wyniku sprężania powietrza przy dużych prędkościach. Izolatory muszą spełniać wymagające właściwości fizyczne poza właściwościami opóźniającymi przenoszenie ciepła. Przykłady izolacji stosowanej w statkach kosmicznych obejmują wzmocniony stożek dziobowy z kompozytu węglowo -węglowego i płytki z włókna krzemionkowego promu kosmicznego . Zobacz także Farba izolacyjna .
Automobilowy
Silniki spalinowe wytwarzają dużo ciepła podczas cyklu spalania. Może to mieć negatywny wpływ, gdy dotrze do różnych wrażliwych na ciepło elementów, takich jak czujniki, akumulatory i rozruszniki. W rezultacie konieczna jest izolacja termiczna, aby ciepło ze spalin nie docierało do tych elementów.
Samochody o wysokich osiągach często wykorzystują izolację termiczną jako sposób na zwiększenie wydajności silnika.
Czynniki wpływające na wydajność
Wydajność izolacji zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to:
- Przewodność cieplna (wartość „k” lub „λ”)
- Emisyjność powierzchniowa (wartość „ε”)
- Grubość izolacji
- Gęstość
- Specyficzna pojemność cieplna
- Mostki termiczne
Należy zauważyć, że czynniki wpływające na wydajność mogą zmieniać się w czasie wraz ze starzeniem się materiału lub zmianami warunków środowiskowych.
Obliczanie wymagań
Standardy branżowe to często praktyczne zasady, opracowywane przez wiele lat, które równoważą wiele sprzecznych celów: to, za co ludzie będą płacić, koszty produkcji, lokalny klimat, tradycyjne praktyki budowlane i różne standardy komfortu. Zarówno przenoszenie ciepła, jak i analizę warstw można przeprowadzić w dużych zastosowaniach przemysłowych, ale w sytuacjach domowych (urządzenia i izolacja budynków) szczelność jest kluczem do zmniejszenia wymiany ciepła z powodu wycieku powietrza (konwekcja wymuszona lub naturalna). Po osiągnięciu szczelności często wystarczyło wybrać grubość warstwy izolacyjnej w oparciu o praktyczne zasady. Z każdym kolejnym podwojeniem warstwy izolacyjnej uzyskuje się malejące zwroty. Można wykazać, że w przypadku niektórych systemów wymagana jest minimalna grubość izolacji, aby można było wprowadzić ulepszenia.
Zobacz też
Dalsza lektura
| Kontrola władz : krajowa |
|---|
.