Теплова ізоляція

Наведені вище загальні положення теплопередачі лежать в основі розрахунку теплової ізоляції огорожуючих конструкцій, будинків і споруд, теплопроводів різного призначення та інших теплотехнічних об'єктів. Для зменшення теплопередачі необхідно збільшити термічний опір R=1/k, де k – коефіцієнт теплопередачі, обумовлений, як було показано вище, умовами конвективного теплообміну та теплопровідністю розглянутого конструктивного елемента (наприклад, l/d у випадку плоскої стінки, де l – коефіцієнт теплопровідності, d – товщина стінки).

Таким чином, досить збільшити термічний опір, наприклад, R₁ = 1/a₁, R₂ = d/l, R₃ = 1/a₂, що можна зробити по різному. У більшості випадків при проектуванні, виготовленні та експлуатації різних теплових систем і огороджуючих конструкцій будинків це досягається шляхом застосування теплової ізоляції (захисту).

У загальному випадку теплова ізоляція – будь-яке допоміжне покриття, що знижує втрати теплоти в навколишній простір. При цьому переслідуються дві основні цілі (разом або роздільно): економія енергоресурсів (зниження втрат теплоти) або створення можливості здійснення технологічних процесів і санітарних умов праці. У кожному конкретному випадку підхід до вибору й розрахунку теплової ізоляції може бути різним. При вирішенні першої задачі головне – економічні міркування, другої – вимоги технології та санітарії.

Тут треба звернути увагу на розходження між коефіцієнтами теплопровідності l, тепловіддачі a₁ і теплопередачі K, що багато в чому визначає вибір і розрахунок теплової ізоляції. Коефіцієнт теплопередачі – чисто розрахункова величина, обумовлена коефіцієнтами тепловіддачі обох поверхонь теплоізоляції і її термічним опором. Коефіцієнт теплопередачі ніколи не може перевищити a₁, a₂, l/d.

Як теплоізоляцію можна застосовувати будь-які матеріали з низькою теплопровідністю. Однак до теплоізоляційних відносяться матеріали, що мають l < 0,2 Вт/(м·°С) при температурі 50 ¸ 100°С.

Багато теплоізоляційних матеріалів застосовуються в їх природному стані: азбест, слюда, дерево, пробка, торф, земля, пісок і т.п. Однак більшість отриманих шляхом спеціальної обробки природних матеріалів являють собою різноманітні суміші. Асортименти теплоізоляційних матеріалів найрізноманітніші (шлакова вата, зоноліт, азбозурит, конвель, совеліт, базальтоволокнисті матеріали і т.п.) залежно від вихідних матеріалів і технології їхньої переробки. Широке застосування знаходять альфольєва ізоляція, головний елемент якої – герметичні порожнини, заповнені повітрям для зменшення природної конвекції, а також алюмінієва фольга – екран для зменшення тепловіддачі.

Коефіцієнт теплопровідності l залежить від пористості матеріалів. Чим вона вище, тим нижче l. У той же час, збільшення пористості (зменшення щільності r) істотно впливає на вагові властивості матеріалів, які необхідно враховувати при виборі теплової ізоляції. Треба також враховувати механічні властивості матеріалів, їхню здатність поглинати вологу, витримувати високу температуру.

Якщо температура об'єкта, що ізолюється, висока, застосовується багатошарова ізоляція, у тому числі з різних матеріалів. Досить складною є ізоляція об'єктів, що експлуатуються у вологих приміщеннях і при низьких температурах. У міру насичення матеріалу вологою його теплопровідність істотно зростає (чим нижче температура, тим вище теплопровідність). Таким чином, теплопровідні властивості можуть різко погіршитися. Якщо теплопровідність сухого ізолятора Вт/м °С, то теплопровідність води Вт/(м°С), а льоду Вт/(м°С)). Щоб уникнути насичення матеріалу вологою, застосовують спеціальні конструктивні рішення.

Розглянемо більш докладно формулу (8.15), що визначає лінійний термічний опір циліндричної стінки і з якої видно, що зі збільшенням зовнішнього діаметра d_З зростає термічний опір теплопровідності і зменшується термічний опір тепловіддачі від стінки до холодної рідини .

Отже залежно від товщини стінки (d_ВН =const, d_З = var) її термічний опір буде збільшуватися або зменшуватися. При певному значенні зовнішнього діаметра d_З, що називається критичним, термічний опір стінки R матиме мінімальне значення, і кількість теплоти, передана в цьому випадку від внутрішнього середовища до зовнішнього, буде максимальною.

Для визначення критичного діаметра d_{З КР} візьмемо похідну від термічного опору циліндричної стінки R при змінному d_З і прирівняємо її до нуля. У результаті одержимо

,

. (8.18)

У формулі (8.18) d_{З КР} – деяке екстремальне значення зовнішнього діаметра труби, при якому сумарний термічний опір стінки виявляється найменшим, а теплопередача найбільшою.

Доречно нагадати, що в теорії подібності співвідношення між конвекцією і теплопровідністю (перенесення тепла на межі тіла із середовищем) визначається критерієм подібності Біо, що має вигляд

(8.19)

де a – коефіцієнт тепловіддачі на поверхні тіла, Вт/(м²°С), l – кое-

фіцієнт теплопровідності даного тіла, Вт/(м°С), l – визначальний розмір (для труби – діаметр).

Виходячи з (8.18) і (8.19), можна встановити, що критичний діаметр d_{З КР} відповідає критерію Біо, рівному

. (8.20)

При діаметрі труб d_З > d_{З КР} збільшення товщини стінки труби сприяє підвищенню тепловіддачі.

Можна показати, що для сталевих труб з l = 60 Вт/(м°С) при a₂ = 10 Вт/(м²°С) (природна конвекція) критичний діаметр виявляється дуже великим: d_{З КР} @ 12 м; при a₂ = 10⁴ Вт/(м²°С) (теплообмін при вимушеній конвекції для води) – дуже маленьким d_{З КР} @ 12 мм.

Для керамічних і скляних труб з l = 1 Вт/(м°С) і a₂ = 10 Вт/(м²°С) – d_{З КР} @ 0,2 м.

Для теплової ізоляції з l = 0,1 Вт/(м°С) в умовах природної конвекції (при a₂ = 10 Вт/(м²°С)) – d_{З КР} @ 20 мм. Для діаметрів циліндричних оболонок ізоляції менше d_{З КР} теплова ізоляція втрачає свою роль, і при збільшенні товщини оболонки ізоляції теплопередача збільшується (наприклад, при ізоляції електричних проводів).

Нарешті, для циліндричних стінок невеликої товщини в порівнянні з внутрішнім діаметром, тобто при розрахунок теплопередачі можна проводити за формулами теплопередачі через плоску стінку, отриману розгорненням кола середнього діаметра циліндричної стінки:

. (8.21)

Формулою (8.21) можна користуватися, наприклад, для розрахунку теплопередачі труб з d_З/d_ВН < 1,5. Помилка в порівнянні з розрахунком за формулою для циліндричної стінки не перевищує 1,2%.