Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изоляция из минеральной ваты , сканирование 1600 dpi

Теплоизоляция - это уменьшение теплопередачи (т. Е. Передачи тепловой энергии между объектами с разной температурой) между объектами, находящимися в тепловом контакте или в диапазоне радиационного воздействия. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также с помощью подходящих форм и материалов объектов.

Тепловой поток - неизбежное следствие контакта предметов разной температуры . Теплоизоляция обеспечивает область изоляции , в которой теплопроводность уменьшается или тепловое излучение отражается , а не поглощается организмом более низкой температуры.

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

Определение [ править ]

Основная статья: Теплопроводность

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

  • разница температур
  • площадь поверхности теплового контакта
  • инверсия толщины материала

Отсюда следует, что мощность теплопотерь определяется выражением

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

Дополнительная информация: Список значений теплопроводности

Акт изоляции достигается за счет помещения объекта в материал с низкой теплопроводностью и большой толщиной. Уменьшение открытой площади поверхности также может снизить теплопередачу, но это количество обычно фиксируется геометрией изолируемого объекта.

Многослойная изоляция используется там, где преобладают потери на излучение или когда пользователь ограничен в объеме и весе изоляции (например, аварийное одеяло , излучающий барьер )

Изоляция цилиндров [ править ]

Выхлопные системы автомобилей обычно требуют некоторой формы теплового барьера, особенно выхлопные системы с высокими эксплуатационными характеристиками, на которые часто наносится керамическое покрытие.

Для изолированных цилиндров должен быть достигнут защитный слой критического радиуса . До достижения критического радиуса любая дополнительная изоляция увеличивает теплопередачу. [1] Конвективное тепловое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности и, следовательно, радиусу цилиндра, в то время как тепловое сопротивление цилиндрической оболочки (изоляционного слоя) зависит от соотношения между внешним и внутренним радиусами, а не от самого радиуса. . Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет применения изоляции, добавляется фиксированная величина проводящего сопротивления (равная 2 * pi * k * L (Tin-Tout) / ln (Rout / Rin)). Однако в то же время конвективное сопротивление снижается. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиусафактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением [2]

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 [ править ]

Одежда и естественная изоляция животных у птиц и млекопитающих [ править ]

Газы обладают плохой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если они могут быть захвачены. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), его можно разделить на небольшие ячейки, которые не могут эффективно передавать тепло за счет естественной конвекции . Конвекция включает в себя больший объемный поток газа, обусловленный плавучестью и разницей температур, и она не работает хорошо в маленьких ячейках, где небольшая разница в плотности приводит к ее движению, а высокое отношение поверхности к объему малых ячеек замедляет поток газа в них за счет вязкого сопротивления .

Чтобы добиться образования небольших газовых ячеек в искусственной теплоизоляции, можно использовать стекло и полимерные материалы для улавливания воздуха в пенообразной структуре. Этот принцип используется в промышленности в строительстве и изоляции трубопроводов, таких как ( стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол (пенополистирол), уретановая пена , вермикулит , перлит и пробка . Улавливание воздуха также является принципом для всех материалов одежды с высокими изоляционными свойствами, таких как шерсть, пух и флис.

Свойство улавливания воздуха также является принципом изоляции, применяемым домашними животными для сохранения тепла, например, пуховыми перьями , и изолирующими волосами, такими как натуральная овечья шерсть . В обоих случаях основным изоляционным материалом является воздух, а полимер, используемый для удержания воздуха, - это натуральный белок кератина .

Здания [ править ]

Основная статья: Изоляция здания
Обычные области применения изоляции в многоквартирном доме в Онтарио , Канада

Поддержание приемлемых температур в зданиях (за счет отопления и охлаждения) требует значительного глобального потребления энергии. В строительных изоляциях также обычно используется принцип небольших захваченных воздушных ячеек, как описано выше, например, стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол , уретановая пена , вермикулит , перлит , пробка и т. Д. На определенный период времени Также использовался асбест , однако он вызывал проблемы со здоровьем.

Окно изолирующая пленка может быть применена в утеплению приложениях для уменьшения входящего теплового излучения летом и потери в зимний период .

При хорошей теплоизоляции здание :

  • энергоэффективно и дешевле, чтобы согреться зимой или прохладно летом. Энергоэффективность приведет к уменьшению углеродного следа .
  • более комфортно, потому что во всем помещении одинаковая температура. Существует меньший температурный градиент как по вертикали (между высотой лодыжки и высотой головы), так и по горизонтали от внешних стен, потолка и окон к внутренним стенам, что обеспечивает более комфортную среду обитания при очень низких или высоких температурах снаружи.


В промышленности энергия должна расходоваться для повышения, понижения или поддержания температуры объектов или технологических жидкостей. Если они не изолированы, это увеличивает потребность процесса в энергии и, следовательно, стоимость и воздействие на окружающую среду.

Механические системы [ править ]

Основная статья: Изоляция труб
Изолированный трубопровод горячего водоснабжения и обратки на газовом котле
Теплоизоляция компонентов выхлопной системы с помощью 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 задержать замерзание труб на приемлемое время.

Механическая изоляция обычно устанавливается на промышленных и коммерческих объектах.

Холодильное [ править ]

Холодильник состоит из теплового насоса и теплоизолированного отсека. [3]

Космический корабль [ править ]

Теплоизоляция зонда Гюйгенса
Изоляция салона авиалайнера Боинг 747-8

Запуск и повторный вход создают серьезные механические нагрузки на космический корабль, поэтому прочность изолятора критически важна (о чем свидетельствует отказ изоляционной плитки на космическом шаттле Columbia , который вызвал перегрев и разрушение корпуса шаттла во время входа в атмосферу, что привело к космонавты на борту). Повторный вход через атмосферу вызывает очень высокие температуры из-за сжатия воздуха на высоких скоростях. Изоляторы должны отвечать требованиям физических свойств помимо их свойств замедления теплопередачи. Примеры изоляции, используемой на космических кораблях, включают носовой обтекатель из армированного углеродно- углеродного композита и плитку из кварцевого волокна космического челнока . См. Также Изоляционная краска .

Автомобильная промышленность [ править ]

Основная статья: Управление теплом выхлопных газов

Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла во время цикла сгорания. Это может иметь отрицательный эффект при попадании на различные термочувствительные компоненты, такие как датчики, батареи и стартеры. В результате необходима теплоизоляция для предотвращения попадания тепла выхлопных газов на эти компоненты.

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

Факторы, влияющие на производительность [ править ]

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

  • Теплопроводность (значение "k" или "λ")
  • Коэффициент излучения поверхности (значение "ε")
  • Толщина изоляции
  • Плотность
  • Удельная теплоемкость
  • Тепловой мост

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

Расчет требований [ править ]

Отраслевые стандарты часто представляют собой практические правила, разработанные на протяжении многих лет, которые компенсируют множество противоречивых целей: за что люди будут платить, стоимость производства, местный климат, традиционные методы строительства и различные стандарты комфорта. Как теплопередача, так и анализ слоев могут выполняться в крупных промышленных приложениях, но в бытовых ситуациях (бытовые приборы и изоляция зданий) воздухонепроницаемость является ключом к снижению теплопередачи из-за утечки воздуха (принудительная или естественная конвекция). После того, как воздухонепроницаемость достигнута, зачастую бывает достаточно выбрать толщину изоляционного слоя на основе практических правил. Уменьшение отдачи достигается при каждом последующем удвоении изоляционного слоя. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина изоляции, необходимая для реализации улучшения.[4]

См. Также [ править ]

  • Термическая масса
  • Список теплопроводностей
  • Изоляционная краска

Ссылки [ править ]

  1. ^ «17.2 Комбинированная проводимость и конвекция» . web.mit.edu . Архивировано 19 октября 2017 года . Проверено 29 апреля 2018 года .
  2. ^ Бергман, Лавин, Incropera и ДеВитт, Введение в теплопередачу (шестое издание), Wiley, 2011.
  3. ^ Держите холодильник с морозильной камерой в чистоте и без льда . BBC . 30 апреля 2008 г.
  4. ^ Фрэнк П. Инкропера; Дэвид П. Де Витт (1990). Основы тепломассообмена (3-е изд.). Джон Вили и сыновья . С.  100–103 . ISBN 0-471-51729-1.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Публикация Министерства энергетики США, Жилая изоляция
  • Публикация Министерства энергетики США, Energy Efficient Windows
  • Публикация Агентства по охране окружающей среды США по герметизации дома
  • DOE / CE 2002

.