Skuteczność izolacji termicznych

W naszych warunkach klimatycznych izolacje termiczne ciepłochronne i zimnochronne stanowią nieodłączny element w procesie powstawania i modernizacji budynków, urządzeń przemysłowych i instalacji energetycznych. Wynika to z faktu, że izolacje spełniają bardzo ważną rolę w zabezpieczeniu warunków komfortu cieplnego w miejscu zamieszkania. Utrzymują także niezbędną temperaturę dla zapewnienia należytego przebiegu procesu technologicznego zachodzącego w instalacjach, urządzeniach przemysłowych i energetycznych.

Zadaniem techniki izolacyjnej jest zmniejszenie gęstości przepływającego strumienia ciepła przez zastosowanie pomiędzy ciałami je przewodzącymi odpowiednich materiałów, charakteryzujących się właściwościami zmniejszania przewodności ciepła z elementu lub obszaru o wyższej temperaturze do elementu lub obszaru o niższej temperaturze. Izolacje termiczne z reguły stosowane są tam, gdzie istnieje potrzeba ograniczenia niepożądanego przepływu ciepła, w tym również w instalacjach służących do wytwarzania i przesyłu ciepła na odległość. Zjawisko przepływu ciepła jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie i odbywa się zawsze pomiędzy ciałami o różnych temperaturach. Jest ono realizowane trzema różnymi sposobami: poprzez przewodzenie, przejmowanie ciepła drogą konwekcji i promieniowanie cieplne.

Przewodzenie ciepła

Polega ono na przekazywaniu energii kinetycznej ruchu cząsteczek ciał stykających się bezpośrednio ze sobą lub na przekazywaniu energii między różnymi obszarami tego samego ciała. Przebiega ono zgodnie z prawem Fouriera, które określa gęstość przewodzonego strumienia ciepła, jako proporcjonalną do gradientu temperatury między stykającymi się obszarami. Przewodzenie ciepła polega zawsze na przekazywaniu energii między cząsteczkami ciała stałego, cieczy i gazów, spowodowanym różnicą temperatur.

Przenikanie ciepła na drodze promieniowania

Polega na przemianie energii wewnętrznej ciała w energię fal elektromagnetycznych, które po przejściu przez ośrodek oddzielający, ulegają ponownej przemianie na energię wewnętrzną innego ciała. Promieniowanie cieplne emitują wszystkie ciała mające temperaturę wyższą od zera bezwzględnego. Prędkość rozchodzenia się promieniowania w próżni wynosi 2,9979 x108m/s. W innych ośrodkach jest mniejsza i zależy od ich gęstości optycznej. Powierzchnie ciał stałych w zależności od ich rodzaju, częściowo pochłaniają promieniowanie termiczne, częściowo odbijają, a częściowo przepuszczają padające na nie promienie. Zjawisko to jest zwane absorpcyjnością, refleksyjnością i przepuszczalnością danego ciała. Pod względem zdolności do emitowania promieniowania, powierzchnie charakteryzowane są przez emisyjność.

Przenikanie ciepła na drodze konwekcji

Polega na przepływie ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego, a opływającym tę powierzchnię płynem lub powietrzem. Wiąże się ono z makroskopowym ruchem cząstek płynu lub powietrza, zwanym konwekcją. Jej intensywność zaś związana jest z właściwościami tego otoczenia, jak również ze zjawiskami dynamicznymi występującymi w tym otoczeniu, takimi jak temperatura, prędkość wiatru, oddziaływanie czynników zewnętrznych, charakter ruchu powietrza (laminarny lub turbulentny), itp. Gęstość strumienia ciepła q przenoszona podczas konwekcyjnego przejmowania określona jest prawem Newtona :

q = h (Ts –Te),

gdzie: h-współczynnik przejmowania ciepła W/m2K; Te- temperatura otoczenia; Ts- temperatura ścianki zewnętrznej. Obydwie temperatury mierzone są w skali Kelwina.

Całkowite przenikanie ciepła przez przegrodę oznacza wielkość ciepła, przepływającą przez przegrodę z ciała stałego, na drodze przewodzenia, z uwzględnieniem zjawiska powierzchniowego przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej i zewnętrznej drogą promieniowania i konwekcji.

Co decyduje o wyborze rodzaju i grubości izolacji

Decyduje wiele czynników, które da się zakwalifikować do następujących grup:

  • czynniki cieplne,
  • czynniki techniczne wynikające z warunków zastosowania,
  • czynniki technologiczne,
  • czynniki ekonomiczne.

Aby jednak należycie spełniały swoją rolę, izolacje termiczne muszą odznaczać się:

  • efektywnością cieplną wynikającą z cech samej izolacji,
  • stabilnością właściwości cieplnych w czasie ,
  • niską zawartością wilgoci i małą zdolnością jej adsorpcji,
  • odpornością na gwałtowne zmiany temperatur.

Efektywność energetyczną izolacji określa w zasadzie strumień ciepła przepływający przez izolację uzależniony od:

  • współczynnika przewodności cieplnej λ,
  • grubości warstwy izolacyjnej g,
  • pola powierzchni przepływu ciepła F.

Przy wykorzystaniu tych danych, całkowitą ilość ciepła przepływającego przez przegrodę izolacyjną określa następująca zależność :

Q = F* λ/g*Δ T,

gdzie: ΔT= T2- T1, czyli różnica temperatur na powierzchniach dowolnych zewnętrznych warstw izolacyjnych , a opór cieplny jednej warstwy izolacji wyraża się wzorem :

R = g/ λ.

Ważną rolę w opisie skuteczności izolacji odgrywa jej objętościowa pojemność cieplna C, wyrażona wzorem:

C = Cm*ρ,

gdzie: Cm – ciepło właściwe materiału izolacyjnego w kJ, ρ – gęstość materiału w kg/m3

Od pojemności cieplnej materiału izolacyjnego zależy przyspieszenie lub spowolnienie procesu nagrzewania lub schładzania obiektu w czasie .

Przewodność cieplna , która wyraża się współczynnikiem przewodzenia ciepła jest wielkością zmienną i zależy od rodzaju ciała zastosowanego do izolacji, jego struktury, gęstości , ciśnienia, wilgotności , temperatury i innych jeszcze czynników.

Wymiana ciepła między otoczeniem rozdzielonym przegrodą wykonaną z ciała stałego nazywana jest przenikaniem ciepła. Przenikanie ciepła składa się zasadniczo z przewodzenia przez przegrodę oraz z przejmowania ciepła między otoczeniem, a zewnętrznymi powierzchniami przegrody po obu jej stronach. Zjawisko to dokładnie ilustrują poniższe rysunki:

rys.1

rys.2

Strumień ciepła przepływający na drodze przejmowania przez powierzchnię wewnętrzną ciała stałego określa wzór Newtona:

Q1 =Fα( Tα- Ts1),

gdzie: Tα oznacza temperaturę otoczenia po stronie wewnętrznej (wyższą), Ts1 – temperaturę na ścianie przegrody po stronie wewnętrznej, Ts2 – temperaturę po stronie zewnętrznej, Te –temperatura otoczenia zewnętrznego. αα– współczynnik przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej, αe – współczynnik przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej.

Oznacza to, że różnica między otoczeniem wewnętrznym i zewnętrznym wynosi:

Tα- Te = q (1/αα + g/λ + 1/αe ),

gdzie: αα- współczynnik przejmowania wewnętrznego, αe- współczynnik przejmowania zewnętrznego.

Podobnie można obliczyć różnicę dotyczącą przegrody walcowej, kulistej i przegrody o innych kształtach np. prostokątnym (kanały spalin).

Istota izolacji termicznej polega na tym, że ilość ciepła pozostającego powinna być znacząco wyższa od ilość ciepła przenikającego

Te ogólne zasady przenikania ciepła przez powierzchnię izolowaną sprawiają, że temperatura na powierzchni zewnętrznej jest na ogół niższa niż po stronie wewnętrznej, ale wyższa niż temperatura otoczenia zewnętrznego. Część ciepła przenika bowiem przez izolowaną przegrodę, a część ciepła pozostaje wewnątrz pomieszczenia, rurociągu, kuli lub przewodu o przekroju prostokątnym. Na tym polega właśnie istota izolacji termicznej. Ilość ciepła pozostającego powinna być znacząco wyższa niż ilość ciepła przenikającego. Bardzo ważnym czynnikiem w tym procesie ochrony ciepła jest temperatura zewnętrznej ściany płaszcza izolowanego obiektu. Jest to ważne ze względu na ochronę ciepła jak i ze względu na sprawy bezpieczeństwa. Przyjmuje się, że temperatura zewnętrzna izolowanego płaszcza nie powinna przekraczać 600C. Tak więc skuteczność zastosowanej izolacji termicznej w określonych warunkach wyraża się ilością zatrzymanego ciepła i wielkością temperatury powłoki zewnętrznej izolacji , czyli o tyle Ts2 jest mniejsze od Ts1. Ma na to wpływ różnica temperatur między Tα i Te. Ale taki sposób podejścia do oceny izolacji , jako jedyny, jest w dużej mierze znacznie uproszczony. Bo ta temperatura zależy nie tylko od wielkości strat ciepła podczas przejścia przez warstwę izolacji, ale także od innych czynników takich jak: temperatura otoczenia, siła wiatru, prędkość wiatru, występowanie klimatyzacji lub wentylacji w otoczeniu, stopnia zawilgocenia materiału izolacyjnego, odległości wspomnianej ścianki zewnętrznej płaszcza od innego źródła ciepła, usytuowania izolowanego obiektu w stosunku do otoczenia. Dotyczy to np. rurociągu mającego na estakadzie położenie centralne lub inne, przykładowo zewnętrzne lub skrajne. Dlatego właściwej skuteczności pomiaru dokonujemy za pomocą odpowiednich przyrządów, przy wykorzystaniu metody termowizyjnej przez odpowiednio przygotowanych fachowców. Pomiarów tych nie można dokonywać w miejscach występowania technicznie uzasadnionych mostków cieplnych, jak np: w pobliżu włazów, wzierników, kompensatorów, zawieszeń i podpór, w miejscach styku konstrukcji nośnej płaszcza, gdzie wielkość strumienia ciepła jest znacząco większa niż w innych punktach. Skuteczność izolacji pozwalają więc ocenić obiektywnie tylko te miejsca, które nie są związane z występującymi przypadkami zwiększonego punktowego przepływu ciepła.

Literatura:

  1. W. Gogół: Wymiana ciepła. Tablice i wykresy. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1982.
  2. E. Kostowski: Przepływ ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 1991.
  3. S. Wiśniewski : Wymiana ciepła. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1979
  4. J. Górzyński : przemysłowe izolacje cieplne. Sorsus. Poznań 1996
  5. Opracowania i spostrzeżenia własne.

Autor: mgr inż. Ryszard Borkowski, Polskie Stowarzyszenie Wykonawców Izolacji Przemysłowych

O autorze:

mgr inż. Ryszard Borkowski, obecnie sekretarz Polskiego Stowarzyszenia Wykonawców Izolacji Przemysłowych, wcześniej wieloletni prezes zarządu spółki Izokor Płock S.A. a przedtem związany z projektowaniem i wykonawstwem izolacji termicznych. Pracował przy realizacji ważnych obiektów na ternie ORLENU, LOTOSU, CELULOZY ŚWIECIE, zespołu elektrowni PAK oraz w eksporcie na licznych elektrowniach niemieckich.

 Fot. oraz rys.: zasoby własne autora.