IZOLACJE TECHNICZNE 6.01 Kwiecie 2002

TEORIA IZOLACJI IZOLACJE TECHNICZNEPoradnik techniczny - wzory, tabele, przykady oblicze ISO 9001: 2000

tworzymy przyszo izolacji

SPIS TRECITeoria izolacji - Izolacja techniczna ........................................................... Pewne pojcia, ktre naley pozna i zapamita W jaki sposb dobiera si waciw izolacj ....................................... Okrelanie gruboci izolacji ........................................................................ Obliczanie strat ciepa .......................................................................................... Obliczanie temperatury na powierzchni izolacji ................................................ Izolacja przeciwko skraplaniu si pary wodnej .................................................. Tablica do ekonomicznego obliczania izolacji ................................................... Izolacja przeciwko spadkowi temperatury .......................................................... Waciwoci fizyczne ......................................................................................... Wielkoci i jednostki ukadu SI ............................................................................. Energia .................................................................................................................. Moc ....................................................................................................................... Cinienie ................................................................................................................ Przeliczanie jednostek miar ukadu SI i jednostek angielskich .................................. Porwnanie skal temperatur Celsjusza i Fahrenheita .......................................... Przewodno cieplna produktw z weny mineralnej PAROC dla rnych temperatur ............................................................................................ Gsto, pojemno i przewodno cieplna suchego powietrza dla rnych temperatur ............................................................ Gsto i pojemno cieplna wody dla duych temperatur ................................... Gsto i przewodno cieplna wody dla rnych temperatur .............................. Gsto i przewodno cieplna lodu dla rnych temperatur ............................... Ciepo topnienia lodu .............................................................................................. Gsto i pojemno cieplna produktw spoywczych ......................................... Zewntrzny wspczynnik przenikania ciepa w przypadku dziaania wiatru ................................................................................. Staa promieniowania dla rnych materiaw ...................................................... Temperatura punktu rosy ts w zalenoci od temperatury i wilgotnoci wzgldnej powietrza ............................................................................. Rozszerzalno liniowa materiaw staych w zakresie temperatur od 0 do 1000C .................................................................... Przegld najwaniejszych waciwoci popularnych paliw stosowanych do ogrzewania ................................................................................... Krzywe absorpcji dla pyt z weny mineralnej PAROC .......................................... Tumienie dwiku w prostym kanale wentylacyjnym dla pyt z weny mineralnej PAROC ....................................................................... Wygicie pyt z weny mineralnej PAROC ........................................................... Wygicie mat z weny mineralnej PAROC ........................................................... 2 3 4 4 6 8 10 11 13 13 14 14 14 15 16 17 17 18 18 18 18 18 18 19 19 20 20 21 21 21 21

n TEORIA IZOLACJI - IZOLACJA TECHNICZNA

Teoria izolacji - izolacja technicznaZadaniem materiaw izolacyjnych mieszczcych si pod pojciem izolacji technicznej jest ograniczenie przepywu ciepa w niepodanym kierunku. Zakresem tym objte s zwykle przedmioty o temperaturze od 0 do 700OC. Ten szeroki zakres temperatur oznacza, e przewodno cieplna zmienia si stosunkowo czsto w zalenoci od produktw, co sprawia, e dobr waciwego produktu jest zadaniem szczeglnie wanym. Teoria izolacji traktuje najbardziej podstawowe i najwaniejsze dziay termodynamiki, ktrych znajomoci bdziecie potrzebowa aby wykona cz oblicze, na ktre mona natkn si w swej codziennej pracy. Teoria izolacji jest uzupenieniem pozostaych broszur i stanowi pomoc przy doborze waciwego produktu i wymiarowaniu izolacji we waciwy sposb.

Pewne pojcia, ktre warto pozna i zapamitaDla wykonania oblicze izolacji technicznej we waciwy sposb naley zapozna si z pewnymi pojciami z dziedziny techniki izolacyjnej. Podajemy tu pojcia najbardziej podstawowe, aby nastpnie mona byo bezporednio przej do wskazwek obliczeniowych. Przewodno cieplna Przewodno cieplna jest to zdolno materiau do przewodzenia ciepa, to znaczy zdolno termoizolacyjna materiau. Im mniejsza jest warto l, tym lepsza zdolno izolacyjna materiau. Warto l wyraana jest w W/(m OK).l

Opr cieplny Opr cieplny jest to opr jaki wyrb o okrelonej gruboci stawia przenikaniu ciepa. Opr cieplny zaley od wartoci lambda (l) i gruboci (d) zgodnie z wzorem: R = d/l Im wikszy jest opr cieplny, tym lepsza zdolno izolacyjna materiau. Opr cieplny wyraany jest w m2 OK/W.l

Wspczynnik przenikania ciepa Wspczynnik przenikania ciepa jest miar przenikania ciepa midzy powierzchni i otaczajcym rodowiskiem. Zaley od materiau powierzchni, temperatury powierzchni oraz temperatury i ruchu otaczajcego rodowiska. Wspczynnik przenikania (przejmowania) ciepa, a, wyraany jest w W/(m2 OK).l

Opr przenikania ciepa Jest odwrotnoci wspczynnika przenikania ciepa l. Opr przenikania ciepa wyraany jest w m2 OK/W.l

2

n DOBR IZOLACJI

W jaki sposb dobiera si waciw izolacjJak ju wspomniano, gwnym zadaniem izolacji jest wytworzenie oporu cieplnego, czyli ograniczenie przepywu ciepa przez konstrukcj. Aby speni te wymagania moliwie jak najbardziej skutecznie, naley mie dostp do danych materiaowych produktu, ktry ma si zamiar zastosowa. Dlatego przed przystpieniem do waciwych prac obliczeniowych naley dokona wyboru odpowiedniego wyrobu izolacyjnego. Jeeli bdziesz wybiera spord naszych produktw, to dla wyboru decydujce znaczenie bd miay dwa czynniki. Pierwszy z nich to ksztat konstrukcji, w skad ktrej ma wchodzi produkt. Drugi to temperatura izolowanego przedmiotu. Posugujc si informacj o produktach mona dobra produkty o najkorzystniejszym ksztacie. Jednoczenie naley sprawdzi, czy temperatura przedmiotu izolowanego jest nisza czy rwna maksymalnej temperaturze uytkowania produktu izolacyjnego. Szczeglnie wany jest dobr produktu waciwego z uwagi na przewodno ciepln w aktualnej temperaturze orodka. Przewodno ciepln podaje si dla redniej temperatury panujcej w izolacji i moe si zmienia do znacznie w zalenoci od rodzaju produktu, przede wszystkim w wyszych temperaturach. Temperatur redni oblicza si w oparciu o temperatur orodka i temperatur na powierzchni izolacji zgodnie z rwnaniem (1). tm = (tj + te) : 2 .....................................................(1) gdzie: tm - temperatura rednia[OC] tj - temperatura orodka [OC] te - temperatura na powierzchni izolacji [OC] Jeeli znana jest temperatura rednia, mona okreli przewodno ciepln danego produktu. Mona tego dokona albo posugujc si rys. 1 albo w oparciu o dane zawarte w folderach.n PRZYKAD 1

Zadanie: Pask powierzchni o temperaturze 200OC naley zaizolowa przy uyciu PAROC Pyty T80. Temperatura powietrza otaczajcego wynosi 20OC. Znale przewodno ciepln produktu izolujcego. Rozwizanie: Przyjmujemy, e temperatura na powierzchni zewntrznej izolacji jest wysza o 20OC od temperatury powietrza otaczajcego. Znane wartoci wstawiamy do rwnania (1). tm = (200 + 40):2 = 120 OC Z tabeli na stronie 17 odczytujemy: l120 = 0,048 W/(mn PRZYKAD 2l

O

C).

Zadanie: Przewd rurowy naley zaizolowa przy uyciu PAROC Otuliny E. Temperatura orodka wynosi 330OC a temperatura powietrza 20 OC. Znale przewodno ciepln produktu izolacyjnego. Rozwizanie: Przyjmujemy, e temperatura na powierzchni zewntrznej izolacji jest wysza o 30OC od temperatury powietrza otaczajcego. Znane wartoci wstawiamy do rwnania (1). tm = (330 + 50):2 = 190 OC Z wykresu na rys. 1 odczytujemy: l190 = 0,055 W/(ml

O

C).

Rys. 1 - Teoretyczna przewodno cieplna weny skalnej

Uwaga: Przyjt temperatur na powierzchni izolacji sprawdzamy za pomoc oblicze przedstawionych w nastpnym rozdziale. Jeeli rnica midzy wartoci przyjt i wartoci pniej obliczon okae si zbyt dua, naley zacz od nowa, w zwizku z tym naley skorygowa rwnie pniejsze obliczenia.3

n OKRELANIE GRUBOCI IZOLACJI

Okrelanie gruboci izolacjiWybr metody oblicze przy okrelaniu gruboci izolacji zaley w caoci od wymaga stawianych izolacji. Od izolacji wymaga si aby: l ograniczaa straty ciepa, l zapewniaa okrelon temperatur na powierzchni, l zapobiegaa skraplaniu si pary wodnej, l ograniczaa spadek temperatury, l bya ekonomiczna. Poniej przedstawiamy sposb okrelania gruboci izolacji przy uwzgldnieniu wspomnianych wymaga.Obliczanie strat ciepan PRZYKAD

Jeeli dwie powierzchnie o rnych temperaturach s przedzielone materiaem izolacyjnym, z cieplejszej powierzchni nastpi przepyw ciepa w kierunku powierzchni zimniejszej. Wielko przepywu ciepa w jednostce czasu zaley od skutecznoci materiau izolacyjnego, to znaczy od oporu stawianego przepywowi ciepa. Poniej podajemy oglne wzory do obliczania wielkoci strat ciepa. a. Powierzchnie paskie i lekko zakrzywione. Izolacja jednowarstwowa Q= ti - to .............. (2) 1+ d+ 1 ai l a y

Zadanie: Znale straty ciepa dla paskiej powierzchni izolowanej wewntrz budynku przy nastpujcych zaoeniach. Temperatura orodka: 250OC Temperatura otoczenia: 20 OC Rodzaj i grubo izolacji: PAROC WIRED MAT 80VM, 150 mm. Rozwizanie: Przyjmujemy temperatur na powierzchni rwn 30OC Z wzoru (1) obliczamy: tm = (ti + te) : 2 = (250 + 30) : 2 = 140OC Dla tej temperatury odczytujemy z wykresu l140 = 0,055 W/(m OC).l

Teraz moemy obliczy: ay = 9,8 + 0,07 (te - to) = 9,8 + 0,07 (30 - 20) = 10,5l l

Z wzoru (2) obliczamy: Q - straty ciepa [W/m2] ti - temperatura orodka [OC] tyt - temperatura na powierzchni izolacji [OC] to - temperatura powietrza otaczajcego [OC] ai - wspczynnik przenikania ciepa midzy orodkiem i powierzchni [W/(m2 OC)] d - grubo izolacji [m] l - przewodno cieplna izolacji [W/(m OC)] ay - wspczynnik przenikania ciepa midzy zewntrzn powierzchni izolacji i powietrzem otaczajcym [W/(m2 OC)] Uwagi: Warto czonu 1/a jest tak maa w porwnaniu z pozostaymi i czonami, e zwykle mona j pomin. Dla izolacji wewntrz budynkw, w ktrych powietrze otaczajce pozostaje w bezruchu, warto ay mona obliczy z wystarczajc do-kadnoci wedug nastpujcego wzoru: ay = 9,8 + 0,07 (tyt - to)..............................................(3) W przypadku izolacji na zewntrz budynkw warto ay jest silnie zalena od ruchw powietrza. W takich przypadkach wartoci ay naley odczytywa z tablicy na stronie 20.l l l l

Q=

ti - t o 250 - 20 = = 82W/m2 1+ d+ 1 0,15 + 1 ai l a y 0,055 10,5

Odpowied: Straty ciepa wynosz 82 W/m2. b. Powierzchnie paskie i lekko zakrzywione. Izolacja wielowarstwowa

4

n OKRELANIE GRUBOCI IZOLACJI

Q=

ti - t o ...................................... (4) 1 + d1 + d2 + ... + 1 a i l1 l2 ay

c. Przewody rurowe. Izolacja jednowarstwowa

Q - straty ciepa [W/m2] ti - temperatura orodka [OC] t1,t2...itd. - temperatura na powierzchni poszczeglnych warstw izolacyjnych [OC] te - temperatura na powierzchni izolacji [OC] to - temperatura powietrza otaczajcego [OC] ai - wspczynnik przenikania ciepa midzy orodkiem i powierzchni [W/(m2 OC)] ay - wspczynnik przenikania ciepa midzy zewntrzn powierzchni izolacji i powietrzem otaczajcym [W/(m2 OC)] d1,d2 ...itd. - gruboci poszczeglnych warstw izolacji [m] l1,l2 ...itd. - przewodnoci cieplne poszczeglnych warstw izolacji [W/(m OC)] Uwagi: Warto czonu 1/a jest tak maa w porwnaniu z pozoi staymi czonami, e zwykle mona j pomin. Aby mona byo okreli przewodno ciepln dla kadej warstwy, naley zna redni temperatur w tej warstwie. redni temperatur w warstwie okrela si wedug wzoru (1) a przyjt warto temperatury sprawdzi wedug nastpujcych wzorw: ti - t1 = Q d1/l ; t1 - t2 = Q d2/l ; te - to = Q 1/a ; 1 2 y Dla izolacji wewntrz budynkw, w ktrych powietrze otaczajce pozostaje w bezruchu, warto ay mona obliczy z wystarczajc dokadnoci wedug nastpujcego wzoru: ay = 9,8 + 0,07 (te - to)....................................(3)l l l l l l l

q=

p(ti - to) ....................................... (5) 1 + 1 ln Dy + 1 aiDi 2l Di ayDy

W przypadku izolacji na zewntrz budynkw warto ay jest silnie zalena od ruchw powietrza. W takich przypadkach wartoci ay naley odczytywa z tablicy na stronie 20.n PRZYKAD

q = straty ciepa [W/m] ti = temperatura orodka [OC] te = temperatura na powierzchni izolacji [OC] to = temperatura powietrza otaczajcego [OC] ai = wspczynnik przenikania ciepa midzy orodkiem i ciank rury [W/(m2 OC)] l = przewodno cieplna izolacji [W/(m OC)] Dy = rednica zewntrzna izolacji [m] Di = rednica wewntrzna izolacji, t. j. rednica zewntrzna rury [m] ay = wspczynnik przenikania ciepa midzy izolacj (ewentualnie warstw powierzchniow) i powietrzem otaczajcym [W/(m2 OC)] Uwagi: Warto czonu 1/a Di jest tak maa w porwnaniu z pozoi staymi czonami, e zwykle mona j pomin. Dla izolacji wewntrz budynkw, w ktrych powietrze otaczajce pozostaje w bezruchu, warto ay mona obliczy z wystarczajc dokadnoci wedug nastpujcego wzoru: ay = 9,4 + 0,052 (te - to)............................(6) W przypadku izolacji na zewntrz budynkw warto ay jest silnie zalena od ruchw powietrza. W takich przypadkach wartoci ay naley odczytywa z tablicy na stronie 20.l l l l l

Zadanie: Znale straty ciepa dla izolowanego przewodu rurowego wewntrz budynku przy nastpujcych zaoeniach: rednica przewodu rurowego: 219 mm Temperatura orodka: 200OC Temperatura otoczenia: 20OC Rodzaj i grubo izolacji: PAROC Otulina E, 120 mm.

Rozwizanie: Przyjmujemy temperatur na powierzchni rwn 30OC Z wzoru (1) obliczamy: tm = (ti + te):2 = (200 + 30):2 = 115OC Dla tej temperatury odczytujemy z wykresu l115 = 0,044 W/(m OC). Teraz z wzoru (6) moemy obliczy: ay = 9,4 + 0,052 (te - to) = 9,4 + 0,052 (30 - 20) = 9,92 Z wzoru (5) obliczamy:l l l

q=

p(200 - 20) = 66,7 W/m 1 1 ln 0,453 + 2 0,044 0,219 9,92 0,453l l

Odpowied: Straty ciepa wynosz 66,7 W/m.

5

n OKRELANIE GRUBOCI IZOLACJI n OBLICZANIE TEMPERATURY NA POWIERZCHNI IZOLACJI

d. Przewody rurowe. Izolacja wielowarstwowa

q=

p(ti - to) 1 + 1 ln D2 + 1 ln Dy + aiDi 2l1 D1 2l2 D2

... +

1 a yD y

........ (7)

D1,D2 ...itd. - rednice poszczeglnych warstw izolacji [m] l1,l2 ...itd. = przewodnoci cieplne poszczeglnych warstw izolacji [W/(m OC)] Uwagi: Warto czonu 1/a Di jest tak maa w porwnaniu i z pozostaymi czonami, e zwykle mona j pomin. Aby mona byo okreli przewodno ciepln dla kadej warstwy, naley zna redni temperatur w tej warstwie. redni temperatur w warstwie okrela si wedug wzoru (1) a przyjt warto temperatury sprawdzi wedug nastpujcych wzorw:l l

q - straty ciepa [W/m] ti - temperatura orodka [ OC] to - temperatura powietrza otaczajcego [OC] te - temperatura na powierzchni izolacji [OC] ai - wspczynnik przenikania ciepa midzy orodkiem i ciank rury [W/(m2 OC)] ay - wspczynnik przenikania ciepa midzy izolacj (ewentualnie warstw powierzchniow) i powietrzem otaczajcym [W/(m2 OC)] Dy - rednica zewntrzna izolacji [m]l l

ti - t1 =

q ln D2 p2l1 D1

tyt - to =

q plyDy

Dla izolacji wewntrz budynkw, w ktrych powietrze otaczajce pozostaje w bezruchu, warto ay mona obliczy z wystarczajc dokadnoci wedug nastpujcego wzoru: ay = 9,4 + 0,052 (te - to)............................(6) W przypadku izolacji na zewntrz budynkw warto ay jest silnie zalena od ruchw powietrza. W takich przypadkach wartoci ay naley odczytywa z tablicy na stronie 20 oryginau.l

Obliczanie temperatury na powierzchni izolacjiTemperatura pomierzona na powierzchni izolacji nie daje bezporednio informacji na temat wielkoci strat ciepa. Temperatura ta jest zalena midzy innymi od rodzaju okadziny powierzchni i jej struktury. Dlatego dwie izolacje o tej samej gruboci i stratach ciepa ale z rnymi okadzinami powierzchniowymi bd miay rne temperatury na swoich powierzchniach. A wic izolacja osonita blach aluminiow bdzie miaa znacznie wysz temperatur na swej powierzchni ni ta sama izolacja osonita na przykad okadzin z tworzywa sztucznego. Projektowanie izolacji ze wzgldu na temperatur na jej powierzchni jest wic waciwe tylko w przypadku, gdy jest to wymaganie gwne. Naley zaznaczy, e odpowiednie temperatury powierzchniowe mona okreli znajc wspczynnik promieniowania. Jeeli pragnie si uzyska wiksz dokadno, naley dokona oblicze tak, jak opisano w dalszej czci poradnika.

a. Powierzchnie paskie i lekko zakrzywione Q te = to + l .............(8) y te - temperatura na powierzchni izolacji [OC] to - temperatura powietrza otaczajcego [OC] Q - straty ciepa wedug wzorw (2), (4) lub wedug tablicy [W/m2] ay - wspczynnik przenikania ciepa midzy powierzchni izolacji i powietrzem otaczajcym [W/(m2

l

O

C)]

ay = as + ak .....................................................(9) as = a C ......................................................(10) T T (100) (100) a=e o 4 4

t e - to

........................................(11)

ak = 2,56(te - to)0,25 dla prdkoci wiatru v @ 0 m/s ak = 6,2 + 4,2v dla prdkoci wiatru v 5 m/s ak = 7,6 + (v)0,8 dla prdkoci wiatru v 5 m/s

......(12)

6

n OBLICZANIE TEMPERATURY NA POWIERZCHNI IZOLACJI

as - cz wspczynnika przenikania ciepa zalena od promieniowania [W/(m2 OC)] ak - cz wspczynnika przenikania ciepa zalena od konwekcji [W/(m2 OC)] a - wspczynnik temperaturowy C - wspczynnik promieniowania dla materiau okadziny powierzchniowej [W/(m2 K4)]. Patrz tablica na stronie 21 oryginau. v - prdko wiatru m/s Te - te + 273K To - to + 273Kl l l

Uwagi: Dla okrelenia temperatury na powierzchni izolacji naley najpierw okreli straty ciepa. Nastpnie w oparciu o wzory od (9) do(11) naley okreli zewntrzny wspczynnik przenikania ciepa ay (wspczynniki promieniowania dla rnych materiaw mona odczyta w tablicy na stronie 21 oryginau). Dopiero potem mona obliczy temperatur na powierzchni wedug wzoru (8). Jak jednak wida, temperatura na powierzchni wchodzi do oblicze ju wczeniej i dlatego naley poczyni stosowne zaoenie a nastpnie sprawdzi przyjt warto za pomoc wzoru (8).

n PRZYKAD 1 przyjcie tyt

Obliczenie 140OC 5,97 W/m2 OCl l

Obliczenie 234OC 5,49 W/m2 OCl l

Zadanie: Znale straty ciepa i warto temperatury dla paskiej powierzchni izolowanej przy nastpujcych zaoeniach. Temperatura orodka: 200OC Temperatura otoczenia: 20OC Rodzaj i grubo izolacji: PAROC Pyta T80, 100 mm. Okadzina powierzchniowa: Blacha aluminiowa, C = 0,5 W/ (m2 K4).l

obliczenie ay tyt = tytnie

obliczona warto l obliczenie q obliczenie tytporwnanie: temperatura na powierzchni