Теплоизоляция

Утеплитель минеральная вата , сканирование 1600 dpi

Теплоизоляция – это уменьшение теплопередачи ( т. е. передачи тепловой энергии между объектами разной температуры) между объектами, находящимися в тепловом контакте или находящимися в зоне радиационного воздействия. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также с помощью подходящих форм предметов и материалов.

Тепловой поток является неизбежным следствием контакта между предметами разной температуры . Теплоизоляция обеспечивает область изоляции, в которой теплопроводность снижается, создавая тепловой разрыв или тепловой барьер . или тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой.

Изолирующая способность материала измеряется как обратная величина теплопроводности (k) . Низкая теплопроводность эквивалентна высокой изоляционной способности ( значению сопротивления ). В теплотехнике другими важными свойствами изоляционных материалов являются плотность изделия (ρ) и удельная теплоемкость (с) .

Определение

Основная статья: Теплопроводность

Теплопроводность k измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт·м ⁻¹ ·К ⁻¹ или Вт/мК). Это связано с тем, что теплопередача , измеряемая как мощность , оказалась (приблизительно) пропорциональной

• разница температур $\Delta T$
• площадь поверхности теплового контакта $A$
• обратная толщина материала $d$

Отсюда следует, что мощность теплопотерь $P$ дается $P={\frac {kA\,\Delta T}{d}}$

Теплопроводность зависит от материала, а для жидкостей — от их температуры и давления. Для целей сравнения обычно используется проводимость в стандартных условиях (20 °C при 1 атм). Для некоторых материалов теплопроводность также может зависеть от направления теплопередачи.

Дополнительная информация: Список теплопроводностей.

Изоляция осуществляется путем помещения объекта в материал с низкой теплопроводностью большой толщины. Уменьшение площади открытой поверхности также может привести к снижению теплопередачи, но эта величина обычно определяется геометрией изолируемого объекта.

Многослойная изоляция используется там, где преобладают радиационные потери или когда пользователь ограничен в объеме и весе изоляции (например, аварийное одеяло , лучистый барьер ).

Изоляция цилиндров

Выхлопные системы автомобилей обычно требуют определенного теплового барьера, особенно выхлопные системы с высокими эксплуатационными характеристиками, в которых керамическое покрытие. часто применяется

Для изолированных баллонов критический радиус должен быть достигнут покрытия. До достижения критического радиуса любая добавленная изоляция увеличивает теплопередачу. Конвективное тепловое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности и, следовательно, радиусу цилиндра, тогда как тепловое сопротивление цилиндрической оболочки (изоляционного слоя) зависит от соотношения внешнего и внутреннего радиусов, а не от самого радиуса. Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет применения изоляции, добавляется фиксированная величина проводящего сопротивления (равная 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Однако при этом снижается конвективное сопротивление. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиуса фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением

${r_{critical}}={k \over h}$

Это уравнение показывает, что критический радиус зависит только от коэффициента теплопередачи и теплопроводности изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса изоляции, добавление любого количества изоляции увеличит теплопередачу.

Приложения

Одежда и естественная изоляция животных у птиц и млекопитающих.

Основная статья: Утеплитель одежды

Газы обладают плохой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми веществами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если их можно удержать. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), его можно разделить на мелкие ячейки, которые не могут эффективно передавать тепло посредством естественной конвекции . Конвекция включает в себя больший объемный поток газа, вызванный плавучестью и разницей температур, и она не работает хорошо в маленьких ячейках, где разница в плотности невелика, а высокое отношение поверхности к объему маленьких ячеек замедляет поток газа. в них посредством вязкого сопротивления .

Чтобы добиться образования небольших газовых ячеек в искусственной теплоизоляции, можно использовать стекло и полимерные материалы для улавливания воздуха в пеноподобной структуре. Этот принцип используется в промышленности в изоляции зданий и трубопроводов, такой как ( стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол (пенопласт), пеноуретан , вермикулит , перлит и пробка . Удержание воздуха также является принципом всех материалов с высокими изоляционными свойствами, таких как шерсть, пуховые перья и флис.

Свойство улавливания воздуха также является принципом изоляции, используемым гомойотермными животными для сохранения тепла, например, пуховыми перьями , и изолирующими волосами, такими как натуральная овечья шерсть . В обоих случаях основным изолирующим материалом является воздух, а полимером, используемым для улавливания воздуха, является природный кератин белок .

Здания

Основная статья: Изоляция зданий

Общие способы изоляции жилого дома в Онтарио , Канада.

Поддержание приемлемой температуры в зданиях (путем отопления и охлаждения) требует значительной доли глобального потребления энергии . В изоляции зданий также обычно используется принцип небольших захваченных воздушных ячеек, как описано выше, например, стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза , минеральная пенополистирол , вата, пеноуретан , вермикулит , перлит , пробка и т. д. В течение определенного периода времени асбест Также использовался , однако он вызывал проблемы со здоровьем.

Изоляционная пленка для окон может применяться при утеплении , чтобы уменьшить поступающее тепловое излучение летом и потери зимой.

При хорошей изоляции здание :

• Энергоэффективны и дешевле сохранять тепло зимой или прохладу летом. Энергоэффективность приведет к уменьшению выбросов углекислого газа .
• более комфортно, потому что во всем пространстве одинаковая температура. Градиент температуры меньше как по вертикали (между высотой лодыжки и высотой головы), так и по горизонтали от наружных стен, потолков и окон к внутренним стенам, что обеспечивает более комфортную среду для пассажиров, когда наружная температура очень низкая или жаркая.

В промышленности энергию необходимо затрачивать на повышение, понижение или поддержание температуры объектов или технологических жидкостей. Если они не изолированы, это увеличивает энергетические потребности процесса и, следовательно, стоимость и воздействие на окружающую среду.

Механические системы

Основная статья: Изоляция труб

Изолированные трубопроводы подачи горячей воды и обратки на газовом котле.

Теплоизоляция компонентов выхлопной системы нанесена методом плазменного напыления.

Системы отопления и охлаждения помещений распределяют тепло по зданиям с помощью труб или воздуховодов. Изоляция этих труб с помощью изоляции труб снижает потребление энергии в незанятых помещениях и предотвращает образование конденсата на холодных и охлажденных трубопроводах.

Изоляция труб также используется на трубопроводах водоснабжения, чтобы помочь отсрочить замерзание труб на приемлемый период времени.

Механическая изоляция обычно устанавливается на промышленных и коммерческих объектах.

Поверхности пассивного радиационного охлаждения

Было обнаружено, что теплоизоляция улучшает тепловое излучение поверхностей пассивного радиационного охлаждения за счет увеличения способности поверхности снижать температуру ниже температуры окружающей среды под воздействием прямых солнечных лучей. Для теплоизоляции могут использоваться различные материалы, в том числе полиэтиленовые аэрогели , которые уменьшают поглощение солнечной энергии и паразитное тепловыделение, что может улучшить производительность излучателя более чем на 20%. Другие аэрогели также продемонстрировали высокие теплоизоляционные характеристики для поверхностей радиационного охлаждения, включая аэрогель из алюмосиликата нановолокнистый .

Охлаждение

Холодильник состоит из теплового насоса и термоизолированного отсека.

Космический корабль

Теплоизоляция на зонде Гюйгенс

Утепление салона Боинг 747-8. авиалайнера

Запуск и вход в атмосферу создают серьезные механические нагрузки на космический корабль, поэтому прочность изолятора имеет решающее значение (как видно на примере выхода из строя изолирующих плиток на космическом корабле "Колумбия" , что привело к перегреву корпуса шаттла и его разрушению во время входа в атмосферу, что привело к гибели людей). космонавты на борту). При повторном входе в атмосферу возникает очень высокая температура из-за сжатия воздуха на высоких скоростях. Изоляторы должны соответствовать требованиям к физическим свойствам, помимо свойств, замедляющих теплопередачу. Примеры изоляции, используемой на космических кораблях, включают из армированного углерод носовой обтекатель кварцевого -углеродного композита и плитки из волокна космического корабля "Шаттл" . См. также Изоляционная краска .

Автомобильная промышленность

Основная статья: Управление теплом выхлопных газов

Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла во время цикла сгорания. Это может иметь негативные последствия при попадании на различные термочувствительные компоненты, такие как датчики, аккумуляторы и стартеры. В результате необходима теплоизоляция, чтобы предотвратить попадание тепла от выхлопных газов к этим компонентам.

В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками часто используется теплоизоляция как средство повышения производительности двигателя.

Факторы, влияющие на производительность

На характеристики изоляции влияет множество факторов, наиболее важными из которых являются:

• Теплопроводность (значение k или λ)
• поверхности Коэффициент излучения (значение «ε»)
• Толщина изоляции
• Плотность
• Удельная теплоемкость
• Тепловой мостик

Важно отметить, что факторы, влияющие на производительность, могут меняться с течением времени по мере изменения возраста материала или условий окружающей среды.

Расчет требований

Отраслевые стандарты часто представляют собой эмпирические правила, разработанные в течение многих лет и компенсирующие многие противоречивые цели: то, за что люди будут платить, стоимость производства, местный климат, традиционные методы строительства и различные стандарты комфорта. Анализ теплопередачи и слоев можно проводить в крупных промышленных применениях, но в бытовых ситуациях (бытовые приборы и изоляция зданий) воздухонепроницаемость является ключом к снижению теплопередачи из-за утечки воздуха (вынужденная или естественная конвекция). Как только воздухонепроницаемость достигнута, часто бывает достаточно выбрать толщину изоляционного слоя, основываясь на практических правилах. Убывающая отдача достигается с каждым последующим удвоением изоляционного слоя. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина изоляции, необходимая для реализации улучшения.

См. также

• Тепловая масса - Использование накопителей тепловой энергии при проектировании зданий.
• Список теплопроводностей
• Изоляционная краска - тип краски, которую можно использовать для покрытия поверхности с целью уменьшения теплопередачи.
• Тепловая ловушка — клапаны или петли труб на водонагревателях.
• Съемный изоляционный слой – крышка крепится к механическому компоненту.
• Термопрокладка - площадка на печатной плате, соединенная с окружающей медью с помощью теплового соединения. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Тепловая оболочка – концепция в архитектурной и инженерной практике. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.

Дальнейшее чтение

• Публикация Министерства энергетики США, Жилая изоляция
• Публикация Министерства энергетики США «Энергоэффективные окна»
• Публикация Агентства по охране окружающей среды США об герметизации домов
• Министерство энергетики/CE 2002 г.

.