Основные требования к низкотемпературной изоляции

Журнал «ГИТЕК»,№5 2000 год

При выборе теплоизоляционных материалов очень важно разбираться, какая конкретно изоляция будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к тому или иному объекту. Большое количество изоляционных материалов, представленных на Российском рынке требует создания определенных критериев и рекомендаций для облегчения работы проектировщика, монтажника, других потребителей изоляционных материалов. Настоящей статьей мы продолжаем знакомить Вас с изоляционными материалами производства фирмы L’Isolante K-flex.

Прежде, чем начать разговор об основных требованиях к низкотемпературной изоляции определим, что в данном случае будет пониматься под этим термином. Низкотемпературной изоляцией будем в данном случае понимать такие изоляционные материалы, которые устанавливаются на системы, где температура носителя (tl) меньше, чем температура окружающей среды (ta). Иными словами, те системы, где возможно образование конденсата на поверхности коммуникаций.

Для предотвращения образования конденсата, температура на поверхности изоляции должна быть выше, чем температура точки росы для конкретных условий работы системы. Здесь совершенно очевидно влияние теплопроводности изоляционного материала – чем теплопроводность ниже, тем меньшая толщина изоляции требуется для того, чтобы при распределении температур по толщине изоляционного слоя, температура, соответствующая точке росы была бы внутри этого слоя (см. рис.)

В то же время, одной теплопроводности, как фактора, влияющего на предотвращение образования конденсата недостаточно. Безопасная изоляционная система должна выполнять еще одну функцию, а именно, изоляционный материал должен быть защищен от диффузии влаги из воздуха. Как известно, при увеличении влажности материала увеличивается и его теплопроводность. В этом случае эффективность теплоизоляции снижается, а как следствие увеличиваются потери энергии. Количество влаги, способное проникнуть в изоляционный материал вследствие диффузии зависит от эффективности влажностного барьера. Фактор сопротивления влажности (μ-фактор) и толщина изоляционного слоя определяют значение барьера μ d (толщина воздуха с эквивалентной степенью диффузии влаги).

Как определяется μ-фактор? Известно, что для любого материала существует так называемый коэффициент паропроницаемости. Это величина, которая имеет весьма малое значение. (так, для K-Flex S при средней температуре 0⁰С она составляет всего 0,09 х 10^-9 кг/(м час Па)). Для усиления наглядности характеристики влажностного барьера в свое время О.Кришером [1] и был предложен коэффициент сопротивления диффузии μ-фактор, который является отношением коэффициента паропроницаемости влажного воздуха к коэффициенту паропроницаемости материала μ=δ_в/δ_м.

Таким образом, μ-фактор — это безразмерная величина, наглядно показывающая уровень влажностного барьера изоляционного материала. Так, для лучших на сегодня материалов он составляет минимум 7000, достигая порой 15000.

Из вышесказанного очевидно, что качество изоляционных материалов для низкотемпературных систем напрямую зависит от теплопроводности (λ) и сопротивления влажности (μ). Однако при этом возникает ряд вопросов: Как это влияет на сохранение энергии? Возможно ли подсчитать количество влаги, проникающее в изоляцию.? Как увеличивается теплопроводность с увеличением количества влаги в материале? Мы постараемся дать ответы на эти вопросы.

Для начала раасмотрим известную формулу для определенгия плотности теплового потока.

где t_i, _a — соответственно температуры носителя и окружающей среды;

R — термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции;

H_e — соответственно внутренни и внешний коэффициенты поверхности;

D_e — соответственно внутртенний и внешний диаметрв конструкции;

λ — теплопроводность изоляции.

Видно, что при увеличении λ увеличивается и поток тепла, следовательно и расход энергии. Так, при увеличении λ с 0,036 до 0,042 Вт/(м К) поток тепла увеличивается на 13%.

Плотность стационарного диффузионного потока через стенку изоляции определяется по формуле:

где δ — коэффициент паропроницаемости изоляции;

P_Di-P_da— разность парциальных давлений снаружи и изнутри изоляции.

При помощи этой формулы очень просто определить количество влаги, которая проникнет в изоляцию вследствие диффузии. Это количество зависит, в частности, от μ-фатора (коэффициент δ) и толщины изоляции.

Количественное изменение теплопроводности для материала K-Flex ST можно определить по формуле:

где ν — количество влаги в % от объема материала.

Таким образом, используя эти формулы можно ответить на поставленные вопросы:

— Каков рост теплопроводности?

— Как увеличивается расход энергии?

Следующие графики показывают взаимную зависимость теплопроводности и фактора сопротивления влажности. На первых трех графиках рассмотрен рост теплопроводности материалов с различными начальными значениями λ и μ. Видно, что чем меньше μ, тем больше рост теплопроводности. Так, значения λ, которого достигнет материал с μ-фактором 5000 через 10 лет, материал с μ-фактором 2500 достигнет через 5 лет, а с μ=1200 — через 2,4 года.

На графике, расположенном ниже показано, что чем больше μ, тем меньше рост теплопроводности. Видно, что при μ=7000 материал с начальной теплопроводностью 0,036 увеличивает теплопроводность до 0,039 в течение 10 лет, т.е на 8%, тогда как материал с μ=3000 до 0,042, т.е. на 17%. Таким образом видно, что чем выше μ, тем важнее, чтобы начальная теплопроводность была как можно ниже. Только тогда можно добиться от материала полной отдачи.

Для завершения сравнений представим график для различных значений μ и λ.

Так, конечная теплопроводность 0,039 для материала с парой значений 0,036/7000 будет достигнута материалом с парой значений 0,038/5000 через 1 год, а теплопроводность 0,040 (начальная для худшего материала) вообще не будет достигнута даже через 10 лет. Следует отметить, что такие публикуемые производителями параметры как λ и μ являются наихудшими, т.е их сочетание маловероятно — обычно для материалов эти параметры лучше, чем публикуемые — см [2], а также статью автора в следующем номере журнала. Таким образом потребитель обычно находится в лучшем положении, чем он может ожидать.

Теперь легко подсчитать потери энергии используя представленные ранее формулы и графики. Так, чем больше λ и меньше μ тем значительнее рост потерь энергии. Так, рсход энергии для материала с данными 0,036/7000 через 10 лет — 6%, тогда как материал с такой же μ, но λ=0,040 через 10 лет будет иметь потери — 15%.

Все предыдущие графики были даны для толщины изоляции 20 мм. Если рассмативать конкретный пример — K-Flex ST с условной толщиной 19 мм для металлической трубы с условным проходом 25 мм, то получим следующие данные:

Таким образом даже через 10 лет потери энергии при установке материалов подобных K-Flex ST будут гораздо ниже, чем при установке материалов с другими параметрами.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что поскольку основной задачей теплоизоляции является сохранение энергии, необходимо правильно подбирать материалы рассматривая все необходимые для этого параметры — μ, λ, толщину.

Автор Б.Ухов.