Теплоизоляция — это уменьшение теплопередачи ( т. е. передачи тепловой энергии между объектами с разной температурой) между объектами, находящимися в тепловом контакте или в зоне воздействия излучения. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также с помощью подходящих форм объектов и материалов.
Тепловой поток является неизбежным следствием контакта между объектами с разной температурой . Теплоизоляция обеспечивает область изоляции, в которой теплопроводность снижена, создавая тепловой разрыв или тепловой барьер , [1] или тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой.
Изоляционная способность материала измеряется как обратная величина теплопроводности (k) . Низкая теплопроводность эквивалентна высокой изолирующей способности ( значению сопротивления ). [2] В теплотехнике другими важными свойствами изоляционных материалов являются плотность продукта (ρ) и удельная теплоемкость (c) .
Теплопроводность k измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт·м −1 ·К −1 или Вт/мК). Это происходит потому, что теплопередача , измеряемая как мощность , оказалась (приблизительно) пропорциональной
Из этого следует, что мощность тепловых потерь определяется выражением
Теплопроводность зависит от материала, а для жидкостей — от его температуры и давления. Для сравнения обычно используют теплопроводность при стандартных условиях (20 °C при 1 атм). Для некоторых материалов теплопроводность может также зависеть от направления теплопередачи.
Изоляция достигается путем помещения объекта в материал с низкой теплопроводностью большой толщины. Уменьшение площади открытой поверхности также может снизить теплопередачу, но эта величина обычно фиксируется геометрией объекта, который должен быть изолирован.
Многослойная изоляция используется там, где преобладают потери на излучение или когда пользователь ограничен в объеме и весе изоляции (например, аварийное одеяло , теплоизолирующий барьер ).
Для изолированных цилиндров должен быть достигнут критический радиус покрытия. До достижения критического радиуса любая дополнительная изоляция увеличивает теплопередачу. [3] 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 радиусом, а не от самого радиуса. Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет применения изоляции, добавляется фиксированная величина кондуктивного сопротивления (равная 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Однако в то же время конвективное сопротивление уменьшается. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиуса фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением [4]
Это уравнение показывает, что критический радиус зависит только от коэффициента теплопередачи и теплопроводности изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса для изоляции, добавление любого количества изоляции увеличит теплопередачу.
Газы обладают плохими теплопроводными свойствами по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если их можно запереть. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), его можно разбить на мелкие ячейки, которые не могут эффективно переносить тепло посредством естественной конвекции . Конвекция подразумевает больший объемный поток газа, движущийся под действием плавучести и разницы температур, и она плохо работает в мелких ячейках, где для ее перемещения требуется небольшая разница в плотности, а высокие отношения поверхности к объему мелких ячеек замедляют поток газа в них посредством вязкого сопротивления .
Для того чтобы добиться образования небольших газовых ячеек в искусственной теплоизоляции, можно использовать стекло и полимерные материалы для удержания воздуха в пенообразной структуре. Этот принцип используется в промышленности в изоляции зданий и трубопроводов, таких как ( стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол (пенополистирол), пенополиуретан , вермикулит , перлит и пробка . Удержание воздуха также является принципом во всех высокоизоляционных материалах одежды, таких как шерсть, пуховые перья и флис.
Свойство удерживать воздух 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 удерживания воздуха, является натуральный кератиновый белок.
Поддержание приемлемых температур в зданиях (путем отопления и охлаждения) использует большую долю мирового потребления энергии . Изоляция зданий также обычно использует принцип небольших захваченных воздушных ячеек, как описано выше, например, стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза , минеральная вата, пенополистирол , пенополиуретан , вермикулит , перлит , пробка и т. д. В течение некоторого времени также использовался асбест , однако он вызывал проблемы со здоровьем.
Оконная изоляционная пленка может применяться в системах утепления для снижения поступающего теплового излучения летом и потерь зимой.
При хорошей изоляции здание :
В промышленности энергия должна быть затрачена на повышение, понижение или поддержание температуры объектов или технологических жидкостей. Если они не изолированы, это увеличивает энергетические потребности процесса, а следовательно, стоимость и воздействие на окружающую среду.
Системы отопления и охлаждения помещений распределяют тепло по зданиям с помощью труб или воздуховодов. Изоляция этих труб с помощью трубной изоляции снижает подачу энергии в неиспользуемые помещения 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.
Было обнаружено, что теплоизоляция улучшает тепловое излучение пассивных поверхностей радиационного охлаждения за счет повышения способности поверхности понижать температуру ниже температуры окружающей среды при прямом солнечном излучении. [5] Для теплоизоляции могут использоваться различные материалы, включая полиэтиленовые аэрогели , которые уменьшают поглощение солнечной энергии и паразитный приток тепла, что может улучшить производительность излучателя более чем на 20%. [5] Другие аэрогели также продемонстрировали высокие теплоизоляционные характеристики для поверхностей радиационного охлаждения, включая нановолокнистый аэрогель из кремнезема и оксида алюминия . [6]
Холодильник состоит из теплового насоса и теплоизолированного отсека. [7]
Запуск и возвращение в атмосферу оказывают сильное механическое напряжение на космический корабль, поэтому прочность изолятора имеет решающее значение; отказ изоляционных плиток на космическом челноке Columbia привел к перегреву и разрушению корпуса шаттла во время возвращения в атмосферу, что привело к гибели астронавтов на борту. Возвращение в атмосферу создает очень высокие температуры из-за сжатия воздуха на высоких скоростях. Изоляторы должны соответствовать высоким физическим свойствам, выходящим за рамки их свойств торможения теплопередачи. Примерами изоляции, используемой на космических кораблях, являются армированный углерод -углеродный композитный носовой обтекатель и плитки из кремниевого волокна космического челнока . См. также Изоляционная краска .
Двигатели внутреннего сгорания вырабатывают много тепла во время цикла сгорания. Это может иметь негативный эффект, когда достигает различных термочувствительных компонентов, таких как датчики, аккумуляторы и стартеры. В результате теплоизоляция необходима для предотвращения попадания тепла от выхлопных газов на эти компоненты.
В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками теплоизоляция часто используется как средство повышения производительности двигателя.
На эффективность изоляции влияют многие факторы, наиболее важными из которых являются:
Важно отметить, что факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики, могут со временем меняться по мере старения материала или изменения условий окружающей среды.
Промышленные стандарты часто являются практическими правилами, разработанными в течение 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 (приборы и изоляция зданий) герметичность является ключом к снижению теплопередачи из-за утечки воздуха (принудительная или естественная конвекция). После достижения герметичности часто было достаточно выбрать толщину изоляционного слоя на основе практических правил. Уменьшение отдачи достигается с каждым последующим удвоением изоляционного слоя. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина изоляции, необходимая для реализации улучшения. [8]
.
