Теплоизоляция

редактировать
Минеральная вата Изоляция, сканирование 1600 dpi

Теплоизоляция - это уменьшение теплопередачи (т.е. передача 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 между объектами с разной температурой. Теплоизоляция обеспечивает область изоляции, в которой теплопроводность снижена или тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой.

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

Содержание

  • 1 Определение
    • 1.1 Изоляция цилиндров
  • 2 Области применения
    • 2.1 Одежда и естественная изоляция животных у птиц и млекопитающих
    • 2.2 Здания
    • 2.3 Механические системы
    • 2.4 Холодильное оборудование
    • 2.5 Космический корабль
    • 2.6 Автомобильная промышленность
  • 3 Факторы, влияющие на производительность
  • 4 Расчетные требования
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература

Определение

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

  • разнице температур Δ T {\ displaystyle \ Delta T}\ Delta T
  • площадь поверхности теплового контакта A {\ displaystyle A}A
  • , величина, обратная толщине материала d {\ displaystyle d}d

Отсюда, из этого следует, что мощность тепловых потерь P {\ displaystyle P}P определяется как P = k A Δ T d {\ displaystyle P = {\ frac {kA \, \ Delta T} {d}}}{\ displaystyle P = {\ frac {kA \, \ Delta T} {d}}}

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

Изоляция достигается путем 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 по объему и весу изоляции (например, аварийное одеяло, радиационный барьер )

изоляция цилиндров

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

Для изолированных цилиндров необходимо достичь защитного слоя критического радиуса. Прежде чем будет достигнут критический радиус, любая добавленная изоляция увеличивает теплопередачу. 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 внешний и внутренний радиус, а не сам радиус. Если внешний радиус цилиндра увеличивается путем применения изоляции, фиксированная величина проводящего сопротивления (равная 2 * pi * k * L (Tin-Tout) / ln (Rout / Rin)). Однако в то же время c онвективное сопротивление снижено. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиуса фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением

rcritical = kh {\ displaystyle {r_ {critical}} = {k \ over h}}{r_ {critical}} = {k \ over h}

Это уравнение показывает, что критический радиус зависит только от тепла. коэффициент передачи и теплопроводность изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса изоляции, добавление любого количества изоляции увеличит теплопередачу.

Области применения

Одежда и естественная изоляция для животных у птиц и млекопитающих

Газы обладают низкой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, таким образом, обеспечивают хорошую изоляцию материал, если они могут быть захвачены. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), он может быть разделен на маленькие 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 небольших 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.

. Для 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).), пенополиуретан, вермикулит, перлит и пробка. Улавливание воздуха также является принципом для всех материалов одежды с высокими изоляционными свойствами, таких как шерсть, пуховые перья и флис.

Свойство улавливания воздуха также является принципом изоляции, применяемым гомеотермическими животными для сохранения тепла, например, пуховыми перьями, и изолирующими волосами, такими как натуральные овечьи шерсть. В обоих случаях основным изоляционным материалом является воздух, а полимер, используемый для улавливания воздуха, представляет собой природный белок кератин.

Здания

Обычные изоляционные материалы в квартире здании в Онтарио, Канада.

Поддержание приемлемых температур в зданиях (за счет отопления и охлаждение) потребляет значительную часть энергии в мире. В строительных изоляциях также обычно используется принцип небольших воздушных ячеек, как объяснено выше, например стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза, минеральная вата, пенополистирол, пенополиуретан, вермикулит, перлит, пробка и т.д. Некоторое время также использовался асбест, однако это вызывало проблемы со здоровьем.

При хорошей теплоизоляции здание :

  • энергоэффективно
  • обеспечивает более равномерную температуру во всем пространстве. Существует меньший температурный градиент как по вертикали (между высотой щиколотки и высотой головы), так и по горизонтали от внешних стен, потолка и окон до внутренних стен, что обеспечивает более комфортную среду обитания при экстремально низких или высоких температурах снаружи.
  • дешево
  • снижает углеродный след.

Оконная изоляционная пленка может применяться в погодных условиях для уменьшения приходящего теплового излучения летом и потерь зимой.

В промышленности энергия должна расходоваться на повышение, понижение или поддержание 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

Изолированные трубопроводы подачи горячей воды и обратной гидравлической системы на газовом котле Теплоизоляция вытяжного элемента с помощью плазменного напыления

Системы обогрева и охлаждения помещений распределяют тепло по всей площади здания с помощью труб или воздуховодов. Изоляция этих труб с помощью теплоизоляции снижает потребление энергии в пустых помещениях и предотвращает конденсацию на холодных и охлажденных трубопроводах.

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

Механическая изоляция обычно устанавливается на промышленных и коммерческих объектах.

Холодильный

A холодильник состоит из теплового насоса и теплоизолированного отсека.

Космический корабль

Теплоизоляция на зонде Гюйгенса Изоляция кабины a Boeing 747-8 авиалайнер

Запуск и возвращение в атмосферу вызывают серьезные механические нагрузки на космический корабль, поэтому прочность изолятора имеет решающее значение (как видно из разрушения изоляционной плитки на Space Shuttle Columbia, из-за которого планер шаттла перегрелся и развалился во время входа в атмосферу, что привело к гибели астронавтов 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 теплоизоляции, используемой на космических кораблях, включают армированный углерод -углеродный композитный носовой обтекатель и плитки из кварцевого волокна волокна Space Shuttle. См. Также Изоляционная краска.

Автомобильная промышленность

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 эксплуатационными характеристиками часто используется теплоизоляция как средство повышения производительности двигателя.

Факторы, влияющие на рабочие характеристики

На характеристики изоляции влияют многие факторы, наиболее заметными из которых являются:

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

Требования к расчету

Отраслевые стандарты часто представляют собой практические правила, разработанные на протяжении многих лет, которые позволяют избежать множества 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 ключевым фактором снижения теплопередачи из-за утечки воздуха (принудительная или естественная конвекция). После достижения воздухонепроницаемости 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 улучшений.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

На Викискладе есть материалы, относящиеся к Теплоизоляция.

.

Последняя правка сделана 2021-06-11 08:30:28
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте