Izolacje techniczne

Przepływ ciepła powszechnie występuje w przyrodzie i technice. Zjawisko to zachodzi wówczas, gdy występuje różnica temperatur między ciałami. Może być ono realizowane trzema różnymi sposobami, różniącymi się mechanizmami fizycznymi. Są to: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie cieplne.

Strumień ciepła przepływający przez izolację określają następujące wielkości:

•     różnica temperatur pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami warstw izolacji Δt,
•     współczynnik przewodzenia ciepła λ,
•     grubość warstwy izolacji g,
•     pole powierzchni przepływu ciepła F.

Parametrem charakteryzującym izolację cieplną jest współczynnik przewodzenia ciepła. Im niższa wartość tego współczynnika, tym materiał ma lepsze właściwości izolacyjne. Najniższą wartość tego współczynnika posiadają gazy i materiały izolacyjne (λ=0,015÷0,15 W/mK), a najwyższą stopy metali oraz metale (λ=5÷500W/mK).

Powody stosowania izolacji.

W wielu przypadkach w technice zjawisko przepływu ciepła jest niepożądane, ze względu na powodowanie strat i zmniejszanie sprawności procesów wykorzystujących ciepło. Całkowite wyeliminowanie tego zjawiska między ciałami o różnych temperaturach nie jest możliwe, istnieją jednak metody prowadzące do znacznego zmniejszenia jego intensywności.

Technika izolacyjna zajmuje się zmniejszeniem gęstości strumienia ciepła poprzez stosowanie odpowiednich materiałów izolacyjnych posiadających odpowiednie właściwości fizyczne. Stosuje się ją w instalacjach, gdzie intensywne przekazywanie ciepła jest niekorzystne. Dodatkowo, wykorzystanie izolacji wpływa na oszczędność energii.

Izolacje stosuje się w:

•     chłodnictwie,
•     budownictwie,
•     ciepłownictwie,
•     heliotechnice,
•     metalurgii,
•     energetyce,
•     pożarnictwie,
•     przemyśle chemicznym.

Ponadto, technika ta znajduje zastosowanie w ochronie osób i urządzeń przed wpływem wysokiej lub niskiej temperatury.

Przepływ ciepła jest rozpatrywany pomiędzy trzema ciałami:

•     ciało chronione przed stratami ciepła,
•     ciało nagrzewane, czyli odbierające ciepło,
•     izolacja zmniejszająca intensywność przepływu ciepła.

Dobór odpowiedniej izolacji zarówno decyduje o oszczędności kosztów energii, jak i o prawidłowym działaniu instalacji technologicznej. Może więc rozstrzygać o tym, czy dana instalacja spełnia swoje zadania, czy też nie.

Dobór izolacji.

Przy doborze wymiarów i rodzaju materiału izolacyjnego, należy zapewnić:

•     jak najmniejsze straty ciepła do otoczenia,
•     utrzymanie temperatury powierzchni zewnętrznej przewodu lub aparatu na odpowiednio niskim poziomie,
•     utrzymanie temperatury procesu wewnątrz aparatu, lub temperatury nośnika ciepła wewnątrz przewodu na jak najwyższym poziomie.

Zależność strat ciepła od warunków atmosferycznych.

Wiatr i deszcz powodują zwiększenie strat ciepła w przewodach prowadzonych napowietrznie. Dla przewodów o wystarczającej grubości izolacji straty te wynoszą od 2% do 4%. W przypadku małej grubości izolacji straty te sięgają od 8% do 12%.

Wymagania dla izolacji cieplnej:

•     efektywność cieplna, zależna od właściwości cieplnych zastosowanej izolacji,
•     stabilność właściwości cieplnych w czasie,
•     niezależność właściwości cieplnych od położenia geograficznego,
•     niska zawartość wilgoci i mała zdolność do absorpcji z otoczenia,
•     odporność na szybkie zmiany temperatur.

Dodatkowo, pod uwagę należy wziąć:

•     gęstość materiału izolacyjnego,
•     wytrzymałość materiału,
•     odporność na szok termiczny,
•     nieszkodliwość dla środowiska i człowieka.

Charakterystyka materiałów termoizolacyjnych.

Polska Norma PN-89/B-04620 definiuje materiał termoizolacyjny, jako materiał o współczynniku przewodzenia ciepła w temperaturze 20°C nie większym niż λ=0,175 W/mK , przeznaczony do izolacji termicznej budynków, urządzeń technologicznych, rurociągów, przemysłowych urządzeń cieplnych i chłodniczych. Wspólną cechą materiałów izolacyjnych jest ich budowa, złożona z:

•     substancji stałej (osnowy),
•     komórek (porów), wypełnionych powietrzem lub innymi gazami, a w niektórych przypadkach częściowo lub całkowicie wodą,
•     substancji tworzącej włókna lub cząstki o niewielkich wymiarach.

Najczęściej spotykane surowce do produkcji materiałów termoizolacyjnych.

Podział materiałów izolacyjnych.

Zgodnie z normą PN-89/B-04620, podział materiałów termoizolacyjnych prowadzi się przy zastosowaniu następujących kryteriów klasyfikacyjnych:

•     rodzaj surowców wyjściowych: nieorganiczne i komórkowe,
•     struktura materiału: włókniste, komórkowe, ziarniste,
•     kształt wyrobu: luźne, płaskie, inne,
•     zawartość lepiszcza: z lepiszczem, bez lepiszcza,
•     charakterystyka palności: niepalne, palne (niezapalne, trudno zapalne, łatwo zapalne),
•     rozprzestrzenianie ognia: nierozprzestrzeniające ognia, słabo rozprzestrzeniające ogień, silnie rozprzestrzeniające ogień.

Podstawowe wyroby termoizolacyjne stosowane w technice:

•     wełna (wata) – materiał bezkształtny w postaci luźno ułożonych włókien naturalnych, z tworzyw sztucznych, minerałów, żużli,
•     mata termoizolacyjna – wyrób elastyczny, płaski, składający się z warstwy materiały włóknistego,
•     mata Lamella – mata termoizolacyjna, składająca się z pasm materiału włóknistego i jednostronnej lub dwu stronnej okładziny,
•     filc termoizolacyjny – wyrób elastyczny płaski, stanowiący warstwę wełny mineralnej, zawierający lepiszcze,
•     płyta termoizolacyjna – wyrób płaski, sztywny, w kształcie prostopadłościanu z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem
•     płyta Lamella – płyta termoizolacyjna składająca się z pasm materiału włóknistego z lepiszczem, przyklejonych do sztywnej okładziny, przy zachowaniu prostopadłego ułożenia włókien do jej powierzchni,
•     płyta termoizolacyjna warstwowa – płyta termoizolacyjna, składająca się ze sztywnych okładzin i izolacyjnej warstwy środkowej z materiału włóknistego z lepiszczem lub materiału komórkowego,
•     otulina termoizolacyjna – wyrób sztywny w kształcie cylindra lub półcylindra z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
•     kształtka termoizolacyjna – wyrób sztywny o złożonym kształcie z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
•     bloczek termoizolacyjny – wyrób sztywny o regularnym kształcie, z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
•     sznur termoizolacyjny – wyrób elastyczny z materiału włóknistego w oplocie lub okładzinie,
•     rury preizolowane – system złożony z rury przewodowej stalowej, rury osłonowej i warstwy izolacji wypełniającej przestrzeń pomiędzy obiema rurami.

Porównanie właściwości wybranych materiałów izolacyjnych.

 

Lp.	Rodzaj materiału izolacyjnego	λ	Zakres stosowanych temperatur	Gęstość	produkowane grubości elementów	wytrzymałość mechaniczna	przepuszczalność pary wodnej
		W/mK	°C	kg/m3	mm	kN/m2	µgm/Nh
1.	twarda pianka poliuretanowa PUR	0,015÷0,026	–185÷140	12÷50 oraz 60, 80, 120, 160	19÷100	1÷6	jak powietrze
2.	pianka izocjanurowa PIR	0,015÷0,031	–185÷140	32, 40, 50	minimum 15	96-172	30000000
3.	elastyczna pianka poliuretanowa PUR	0,039÷0,048	20÷105	100	19÷100	10	160
4.	styropian ekspandowany EPS	0,033	–100÷80	25	12÷610	150	1000
5.	styropian wytłaczany XPS	0,027	–180÷75	34	30÷100	350	3,2
6.	elastyczna pianka melaminowa	0,034÷0,049	20÷220	11	6÷250	10	320
7.	spieniony kauczuk nitrylowy	0,031÷0,039	–40÷116	65÷90	6÷32	-	450000
8.	pianka fenolowa	0,012÷0,029	–185÷120	35÷60 oraz 80, 120, 160, 200	minimum 15	84÷400	10000000
9.	pianka polietylenowa	0,036÷0,045	do 100	100	9÷38	-	0,9
10.	wełna mineralna	0,029÷0,088	do 850	33÷200	19÷100	1÷6	jak powietrze
11.	wełna szklana	0,031÷0,065	do 230	16÷80	19÷100	2	jak powietrze
12.	porowate materiały krzemionkowe	0,022÷0,04	do 1050	240÷400	3÷75	80÷600	-
13.	krzemiany wapnia	0,055÷0,083	do 800	210	25÷100	do 750	-
14.	materiał na bazie tlenku magnezu	0,055÷0,082	do 315	190	25÷88	10	-