Värmeisolering
Värmeisolering är minskningen av värmeöverföringen (dvs överföringen av värmeenergi mellan objekt med olika temperatur) mellan objekt i termisk kontakt eller inom området för strålningspåverkan. Värmeisolering kan uppnås med speciellt framtagna metoder eller processer, såväl som med lämpliga föremålsformer och material.
Värmeflöde är en oundviklig konsekvens av kontakt mellan föremål med olika temperatur . Värmeisolering tillhandahåller ett område av isolering där värmeledning reduceras, vilket skapar ett värmeavbrott eller värmebarriär , eller värmestrålning reflekteras snarare än absorberas av den lägre temperaturkroppen.
Isoleringsförmågan hos ett material mäts som inversen av värmeledningsförmågan (k) . Låg värmeledningsförmåga motsvarar hög isoleringsförmåga ( resistansvärde ). Inom värmeteknik är andra viktiga egenskaper hos isoleringsmaterial produktdensitet (ρ) och specifik värmekapacitet (c) .
Definition
Värmeledningsförmåga k mäts i watt -per meter per kelvin (W·m −1 ·K −1 eller W/m/K). Detta beror på att värmeöverföring , mätt som effekt , har visat sig vara (ungefär) proportionell mot
- temperaturskillnad
- ytarean för termisk kontakt
- inversen av materialets tjocklek
Av detta följer att effekten av värmeförlust ges av
Värmeledningsförmågan beror på materialet och för vätskor, dess temperatur och tryck. För jämförelseändamål används vanligen konduktivitet under standardförhållanden (20 °C vid 1 atm). För vissa material kan värmeledningsförmågan också bero på värmeöverföringens riktning.
Isoleringshandlingen åstadkommes genom att innesluta ett föremål i material med låg värmeledningsförmåga i hög tjocklek. Att minska den exponerade ytan kan också sänka värmeöverföringen, men denna mängd bestäms vanligtvis av geometrin på föremålet som ska isoleras.
Flerskiktsisolering används där strålningsförlust dominerar, eller när användaren är begränsad i volym och vikt av isoleringen (t.ex. nödfilt , strålningsbarriär )
Isolering av cylindrar
För isolerade cylindrar måste en duk med kritisk radie nås. Innan den kritiska radien uppnås ökar eventuell tillsats isolering värmeöverföringen. Det konvektiva termiska motståndet är omvänt proportionellt mot ytan och därmed cylinderns radie, medan värmemotståndet för ett cylindriskt skal (isoleringsskiktet) beror på förhållandet mellan yttre och inre radie, inte på själva radien. Om den yttre radien av en cylinder ökas genom att applicera isolering, läggs en fast mängd ledande motstånd (lika med 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)) till. Men samtidigt minskar det konvektiva motståndet. Detta innebär att tilläggsisolering under en viss kritisk radie faktiskt ökar värmeöverföringen. För isolerade cylindrar ges den kritiska radien av ekvationen
Denna ekvation visar att den kritiska radien endast beror på värmeöverföringskoefficienten och isoleringens värmeledningsförmåga. Om radien för den isolerade cylindern är mindre än den kritiska radien för isolering, kommer tillsatsen av valfri mängd isolering att öka värmeöverföringen.
Ansökningar
Kläder och naturlig djurisolering hos fåglar och däggdjur
Gaser har dåliga värmeledningsegenskaper jämfört med vätskor och fasta ämnen och utgör därför ett bra isoleringsmaterial om de kan fångas in. För att ytterligare öka effektiviteten hos en gas (som luft), kan den störas till små celler, som inte effektivt kan överföra värme genom naturlig konvektion . Konvektion involverar ett större bulkflöde av gas som drivs av flytkraft och temperaturskillnader, och det fungerar inte bra i små celler där det finns liten densitetsskillnad för att driva den, och de höga förhållandena mellan yta och volym för de små cellerna fördröjer gasflödet i dem med hjälp av trögflytande drag .
För att åstadkomma små gasceller i konstgjord värmeisolering kan glas och polymermaterial användas för att fånga in luft i en skumliknande struktur. Denna princip används industriellt i byggnads- och rörisolering såsom ( glasull ), cellulosa , stenull , polystyrenskum (styrofoam), uretanskum , vermikulit , perlit och kork . Att fånga luft är också principen i alla högisolerande klädmaterial som ull, dunfjädrar och fleece.
Den luftfångande egenskapen är också den isoleringsprincip som används av homeotermiska djur för att hålla sig varma, till exempel dunfjädrar , och isolerande hår som naturlig fårull . I båda fallen är det primära isoleringsmaterialet luft, och polymeren som används för att fånga in luften är naturligt keratinprotein .
Byggnader
Att upprätthålla acceptabla temperaturer i byggnader (genom uppvärmning och kyla) använder en stor del av den globala energiförbrukningen. Byggnadsisolering använder också vanligtvis principen med små instängda luftceller som förklarats ovan, t.ex. glasfiber (särskilt glasull ), cellulosa , stenull , polystyrenskum , uretanskum , vermikulit , perlit , kork , etc. Under en period, asbest användes också, men det orsakade hälsoproblem.
Fönsterisoleringsfilm kan appliceras i väderbeständiga tillämpningar för att minska inkommande värmestrålning på sommaren och förlust på vintern.
När den är välisolerad är en byggnad :
- energieffektivt och billigare att hålla värmen på vintern, eller svalt på sommaren. Energieffektivitet kommer att leda till ett minskat koldioxidavtryck .
- bekvämare eftersom det är enhetliga temperaturer i hela utrymmet. Det finns mindre temperaturgradient både vertikalt (mellan fotledshöjd och huvudhöjd) och horisontellt från ytterväggar, tak och fönster till innerväggarna, vilket ger en bekvämare miljö när utomhustemperaturerna är extremt kalla eller varma.
Inom industrin måste energi förbrukas för att höja, sänka eller upprätthålla temperaturen på föremål eller processvätskor. Om dessa inte är isolerade ökar detta energikraven för en process, och därmed kostnaden och miljöpåverkan.
Mekaniska system
Rumsvärme- och kylsystem distribuerar värme genom byggnader med hjälp av rör eller kanalsystem. Isolering av dessa rör med rörisolering minskar energin till obemannade rum och förhindrar att kondens uppstår på kalla och kylda rörledningar.
Rörisolering används också på vattenförsörjningsledningar för att fördröja frysning av rör under en acceptabel tid.
Mekanisk isolering installeras vanligtvis i industriella och kommersiella anläggningar.
Passiv radiativ kylytor
Värmeisolering har visat sig förbättra den termiska emittansen av passiva radiativa kylytor genom att öka ytans förmåga att sänka temperaturer under omgivningen under direkt solintensitet. Olika material kan användas för värmeisolering, inklusive polyetenaerogeler som minskar solabsorptionen och parasitisk värmeökning , vilket kan förbättra sändarens prestanda med över 20 %. Andra aerogeler uppvisade också stark värmeisoleringsprestanda för strålande kylytor, inklusive en kiseldioxid-aluminiumoxid nanofibrös aerogel.
Kylning
Ett kylskåp består av en värmepump och ett värmeisolerat fack.
Rymdskepp
Lansering och återinträde utsätter rymdfarkoster för allvarliga mekaniska påfrestningar, så styrkan hos en isolator är avgörande (som framgår av misslyckandet med isolerande plattor på rymdfärjan Columbia , vilket gjorde att skyttelns flygplan överhettades och gick sönder under återinträde, vilket dödade astronauterna ombord). Återinträde genom atmosfären genererar mycket höga temperaturer på grund av komprimering av luften vid höga hastigheter. Isolatorer måste uppfylla krävande fysikaliska egenskaper utöver deras värmeöverföringshämmande egenskaper. Exempel på isolering som används på rymdfarkoster inkluderar förstärkt kol -kolkomposit noskon och kiselfiberplattor från rymdfärjan . Se även Isolerande färg .
Bil
Förbränningsmotorer producerar mycket värme under sin förbränningscykel. Detta kan ha en negativ effekt när det når olika värmekänsliga komponenter som sensorer, batterier och startmotorer. Som ett resultat är värmeisolering nödvändig för att förhindra att värmen från avgaserna når dessa komponenter.
Högpresterande bilar använder ofta värmeisolering som ett sätt att öka motorns prestanda.
Faktorer som påverkar prestanda
Isoleringsprestanda påverkas av många faktorer, varav de mest framträdande inkluderar:
- Värmeledningsförmåga ("k" eller "λ" värde)
- Ytemissivitet ("ε"-värde )
- Isoleringstjocklek
- Densitet
- Specifik värmekapacitet
- Köldbrygga
Det är viktigt att notera att de faktorer som påverkar prestandan kan variera över tiden när materialet åldras eller miljöförhållandena förändras.
Beräknar krav
Branschstandarder är ofta tumregler, utvecklade under många år, som kompenserar många motstridiga mål: vad folk kommer att betala för, tillverkningskostnad, lokalt klimat, traditionella byggmetoder och varierande standarder för komfort. Både värmeöverföring och skiktanalys kan utföras i stora industriella tillämpningar, men i hushållssituationer (apparater och byggnadsisolering) är lufttäthet nyckeln till att minska värmeöverföringen på grund av luftläckage (tvungen eller naturlig konvektion). När väl lufttäthet uppnåtts har det ofta räckt att välja tjocklek på isolerskiktet utifrån tumregler. Minskande avkastning uppnås med varje successiv fördubbling av det isolerande lagret. Det kan visas att det för vissa system krävs en minsta isoleringstjocklek för att en förbättring ska kunna realiseras.
Se även
Vidare läsning
| Myndighetskontroll : Nationell |
|---|
.