Dämmstoffe
Wie bereits geschrieben, basiert die Wärmedämmung auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit . Diese Materialien werden als Isolationsmaterialien bezeichnet . Übliche Isolationsmaterialien sind Wolle, Glasfaser, Steinwolle, Polystyrol, Polyurethan und Gänsefedern usw. Diese Materialien sind sehr schlechte Wärmeleiter und daher gute Wärmeisolatoren.
Es muss hinzugefügt werden, die Wärmedämmung beruht in erster Linie auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen. Gase weisen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften auf und sind daher ein gutes Isolationsmaterial, wenn sie eingeschlossen werden können (z. B. in einer schaumartigen Struktur ). Luft und andere Gase sind im Allgemeinen gute Isolatoren. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Abwesenheit von Konvektion . Viele Isolationsmaterialien (z. B. Polystyrol) funktionieren daher einfach, indem sie eine große Anzahl von gasgefüllten Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern . Bei allen Arten der Wärmedämmung wird durch die Evakuierung der Luft im Hohlraum die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Isolators weiter verringert.
Der Wechsel von Gastasche und festem Material führt dazu, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.
Es ist zu beachten, dass Wärmeverluste durch heißere Gegenstände durch drei Mechanismen (entweder einzeln oder in Kombination) auftreten:
Bisher haben wir nicht über Wärmestrahlung als eine Art von Wärmeverlusten gesprochen . DieWärmestrahlung wird durch elektromagnetische Strahlung vermittelt und benötigt daher kein Medium für die Wärmeübertragung. Tatsächlich ist die Energieübertragung durch Strahlung am schnellsten (mit Lichtgeschwindigkeit) und sie wird im Vakuum nicht gedämpft. Jedes Material mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt gibt Strahlungsenergie ab . Die meiste Energie dieser Art befindet sich im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl ein Teil davon im sichtbaren Bereich liegt. Um diese Art der Wärmeübertragung zu verringern, sollten Materialien mit niedrigem Emissionsvermögen (hohem Reflexionsvermögen) verwendet werden. Reflektierende Isolierungen bestehen normalerweise aus mehrschichtigen, parallelen Folien mit hohem Reflexionsvermögen, die voneinander beabstandet sind, um die Wärmestrahlung zurück zu ihrer Quelle zu reflektieren. Das Emissionsvermögen & epsi ; der Oberfläche eines Materials ist seine Wirksamkeit beim Emittieren von Energie als Wärmestrahlung und variiert zwischen 0,0 und 1,0. Im Allgemeinen haben polierte Metalle ein sehr geringes Emissionsvermögen und werden daher häufig verwendet, um Strahlungsenergie wie bei Decken für die Erste Hilfe an ihre Quelle zurückzugeben .
Isolationsarten – Kategorisierung von Isolationsmaterialien
Für Dämmstoffe können drei allgemeine Kategorien definiert werden. Diese Kategorien basieren auf der chemischen Zusammensetzung des Grundmaterials, aus dem das Isoliermaterial hergestellt wird.
In der weiteren Lektüre gibt es eine kurze Beschreibung dieser Arten von Isolationsmaterialien.
Anorganische Isolationsmaterialien
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, können anorganische Materialien entsprechend klassifiziert werden:
- Fasermaterialien
- Zelluläre Materialien
- Calciumsilicat
- Zellglas
Organische Isolationsmaterialien
Die in diesem Abschnitt behandelten organischen Isolationsmaterialien stammen alle aus einem petrochemischen oder erneuerbaren Ausgangsmaterial (biobasiert). Fast alle petrochemischen Isolationsmaterialien liegen in Form von Polymeren vor. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind alle petrochemischen Isolationsmaterialien zellulär. Ein Material ist zellulär, wenn die Struktur des Materials aus Poren oder Zellen besteht. Andererseits enthalten viele Pflanzen aufgrund ihrer Festigkeit Fasern, weshalb fast alle biobasierten Isolationsmaterialien faserig sind (mit Ausnahme von expandiertem Kork, der zellulär ist).
Organische Dämmstoffe können entsprechend klassifiziert werden:
- Petrochemische Materialien (Öl / Kohle abgeleitet)
- Nachwachsende Rohstoffe (pflanzlich / tierisch)
- Zellulose
- Kork
- Holzfaser
- Hanffaser
- Flachswolle
- Schafwolle
- Baumwollisolierung
Andere Isoliermaterialien
Beispiel einer Isolierung – Polystyrol
Im Allgemeinen ist Polystyrol ein synthetisches aromatisches Polymer, das aus dem Monomer Styrol hergestellt wird, das von Benzol und Ethylen, beide Erdölprodukte, abgeleitet ist. Polystyrol kann fest oder geschäumt sein. Polystyrol ist ein farbloser, transparenter Thermoplast, der üblicherweise zur Herstellung von Schaumstoff- oder Beadboard-Isolierungen und einer Art loser Isolierung verwendet wird, die aus kleinen Polystyrolperlen besteht. Polystyrolschäume bestehen zu 95-98% aus Luft. Polystyrolschäume sind gute Wärmeisolatoren und werden daher häufig als Dämmstoffe für Gebäude verwendet, beispielsweise in Dämmbetonformen und strukturisolierten Plattenbausystemen. Expandiertes (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS)sind beide aus Polystyrol hergestellt, aber EPS besteht aus kleinen Kunststoffperlen, die miteinander verschmolzen sind, und XPS beginnt als geschmolzenes Material, das aus einer Form in Folien gepresst wird. XPS wird am häufigsten als Schaumstoffplattenisolierung verwendet.
Expandiertes Polystyrol (EPS) ist ein starrer und zäher, geschlossenzelliger Schaum. Bau- und Konstruktionsanwendungen machen rund zwei Drittel der Nachfrage nach expandiertem Polystyrol aus. Es dient zur Dämmung von (Hohlraum-) Wänden, Dächern und Betonböden. Aufgrund seiner technischen Eigenschaften wie geringes Gewicht, Steifigkeit und Formbarkeit kann expandiertes Polystyrol in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Schalen, Tellern und Fischboxen.
Obwohl sowohl expandiertes als auch extrudiertes Polystyrol eine geschlossenzellige Struktur aufweisen, sind sie für Wassermoleküle durchlässig und können nicht als Dampfsperre angesehen werden. In expandiertem Polystyrol gibt es Zwischenräume zwischen den expandierten geschlossenzelligen Pellets, die ein offenes Netzwerk von Kanälen zwischen den gebundenen Pellets bilden. Wenn das Wasser zu Eis gefriert, dehnt es sich aus und kann dazu führen, dass Polystyrolpellets vom Schaum abbrechen.
Isolationsbeispiel – Vakuumisolationsplatten
Die meisten Materialien sind durch die Wärmeleitfähigkeit der Luft (in Zellen eingeschlossen) begrenzt, die etwa 0,025 W / m K beträgt . Eine Abnahme des Drucks bewirkt jedoch eine Abnahme seiner Wärmeleitfähigkeit. Eine Vakuumisolationsplatte (VIP) reduziert dieses Problem. Diese Platte ist eine Form der Wärmeisolierung, die aus einem gasdichten Gehäuse besteht, das einen starren Kern umgibt. Die Luft von dieser Platte wird evakuiert. Es ist zu beachten, dass sich die Alterung negativ auf die Paneele auswirkt. Dies liegt daran, dass die Hülle der Platten nicht vollständig luftdicht ist und daher ihre Wärmeleitfähigkeit leicht zunimmt. Diese Paneele können zur Wärmedämmung nahezu aller Elemente der Gebäudehülle verwendet werden.
Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand
Eine Hauptquelle für Wärmeverluste aus einem Haus sind Wände. Berechnen Sie die Wärmeflussrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Die Wand ist 15 cm dick (L 1 ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 1 = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und Außenseite betragen h 1 = 10 W / m 2 K und h 2 = 30 W / m 2K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten insbesondere von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) stark abhängen.
- Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
- Nehmen wir nun eine Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke expandierte Polystyrolisolierung (L 2 ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 2 = 0,03 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.
Lösung:
Wie geschrieben wurde, umfassen viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Leitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bekannt ist . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Kühlung entspricht :
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.
- kahle Wand
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 3,53 [W / m 2 K] × 30 [K] = 105,9 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 105,9 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 3177 W.
- Verbundwand mit Wärmedämmung
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 0,276 [W / m 2 K] × 30 [K] = 8,28 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 8,28 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 248 W.
Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, eine Zugabe der nächsten Schicht Wärmeisolator verursacht keine so hohen Einsparungen. Dies ist besser aus der Wärmewiderstandsmethode ersichtlich, mit der der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.
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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.
