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Wärmeleitfähigkeit von expandiertem Polystyrol

Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche gegebener Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto widerstandsfähiger ist das Material gegen Wärmeübertragung und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für expandiertes Polystyrol  zwischen 0.030 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen beruht die Wärmedämmung 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. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Polystyrolschaum ) einfach dadurch, dass sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern .

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.

Schaumpolystyrol – EPS

Im Allgemeinen ist Polystyrol ein synthetisches aromatisches Polymer, das aus dem Monomer Styrol hergestellt wird, das sich von Benzol und Ethylen ableitet, beides Erdölprodukte. Polystyrol kann fest oder geschäumt sein. Polystyrol ist ein farbloser, transparenter Thermoplast, der üblicherweise zur Herstellung von Dämmstoffen aus Schaumstoffplatten oder Wulstplatten und einer Art Schüttgutdämmung aus kleinen Polystyrolperlen verwendet wird. Polystyrolschäume bestehen zu 95-98% aus Luft. Polystyrolschäume sind gute Wärmeisolatoren und werden daher häufig als Gebäudeisolationsmaterialien verwendet, wie zum Beispiel in isolierenden Betonformen und strukturisolierten Paneelbausystemen. Expandiertes (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS)bestehen beide aus Polystyrol, aber EPS besteht aus kleinen Kunststoffperlen, die miteinander verschmolzen sind, und XPS beginnt als geschmolzenes Material, das aus einer Form zu Platten gepresst wird. XPS wird am häufigsten als Schaumstoffdämmung verwendet.

Expandiertes Polystyrol (EPS) ist ein fester und zäher, geschlossenzelliger Schaum. Bau- und Konstruktionsanwendungen machen rund zwei Drittel der Nachfrage nach expandiertem Polystyrol aus. Es wird zur Dämmung von (Hohl-) Wänden, Dächern und Betonböden eingesetzt. 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 Fischkästen.

Obwohl sowohl expandiertes als auch extrudiertes Polystyrol eine geschlossenzellige Struktur haben, 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.

Wärmeleitfähigkeit von expandiertem Polystyrol

Die Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche mit einer bestimmten Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto besser kann das Material der Wärmeübertragung widerstehen und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für expandiertes Polystyrol  zwischen 0.030 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen basiert die Wärmedämmung hauptsächlich auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen . Gase besitzen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften und bilden 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. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. expandiertes Polystyrol ) einfach durch eine große Anzahl von gasgefüllten Taschen, die eine Konvektion in großem Maßstab verhindern .

Der Wechsel von Gastasche und festem Material bewirkt, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.

Beispiel – Erweiterte Polystyrolisolierung

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.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. 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.

1. 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.

2. 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.

Beispiel – Glaswolleisolierung

Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate 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 der Außenseite betragen h ₁ = 10 W / m ² K und h ₂ = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden  Glaswolleisolierung 10 cm dick (L ₂ ) mit der thermischen Leitfähigkeit von k ₂ = 0,023 W / mK und berechnen den Wärmefluß ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, beinhalten viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist , bezogen auf den Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

Wärmeleitfähigkeit von Glaswolle

Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche gegebener Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto widerstandsfähiger ist das Material gegen Wärmeübertragung und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für Glaswolle zwischen 0,023 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen beruht die Wärmedämmung 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. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Glaswolle ) einfach dadurch, dass sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern .

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.

Glaswolle

Glaswolle (ursprünglich auch als Glasfaser bekannt) ist ein Isoliermaterial aus Glasfasern, die mit einem Bindemittel zu einer wolleähnlichen Textur angeordnet sind. Glaswolle und Steinwolle werden aus Mineralfasern hergestellt und werden daher häufig als „Mineralwolle“ bezeichnet. Mineralwolle ist eine allgemeine Bezeichnung für Fasermaterialien, die durch Spinnen oder Ziehen geschmolzener Mineralien entstehen. Glaswolleist ein Ofenprodukt aus geschmolzenem Glas bei einer Temperatur von etwa 1450 ° C. Aus dem geschmolzenen Glas werden Fasern gesponnen. Dieses Verfahren basiert auf dem Schleudern von geschmolzenem Glas in Hochgeschwindigkeitsspinnköpfen, ähnlich dem Verfahren zur Herstellung von Zuckerwatte. Während des Verspinnens der Glasfasern wird ein Bindemittel eingespritzt. Glaswolle wird dann in Rollen oder in Platten mit unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt. Es kann auch als Material hergestellt werden, das auf die zu isolierende Oberfläche gesprüht oder an Ort und Stelle aufgebracht werden kann.

Zu den Anwendungen von Glaswolle gehören strukturelle Isolierung, Rohrisolierung, Filtration und Schallschutz. Glaswolle ist ein vielseitiges Material, das zur Isolierung von Wänden, Dächern und Böden verwendet werden kann. Es kann ein loses Füllmaterial sein, auf Dachböden geblasen oder zusammen mit einem aktiven Bindemittel auf die Unterseite von Strukturen gesprüht werden. Während des Einbaus der Glaswolle sollte diese stets trocken gehalten werden, da eine Erhöhung des Feuchtegehalts zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt.

Wärmeleitfähigkeit von Glaswolle

Die Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche mit einer bestimmten Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto besser kann das Material der Wärmeübertragung widerstehen und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für Glaswolle zwischen 0,023 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen basiert die Wärmedämmung hauptsächlich auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen . Gase besitzen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften und bilden 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. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Glaswolle ) einfach durch eine große Anzahl von gasgefüllten Taschen, die eine Konvektion in großem Maßstab verhindern .

Der Wechsel von Gastasche und festem Material bewirkt, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.

Beispiel – Glaswolleisolierung

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.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen wir nun eine Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwendung  Glaswolleisolierung 10 cm dick (L ₂ ) mit der thermischen Leitfähigkeit von k ₂ = 0,023 W / mK und den Wärmefluss (berechnen 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.

1. 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.

2. 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 / 0,023 + 1/30) = 0,216 W / m ² K.

Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:

q = 0,216 [W / m ² K] × 30 [K] = 6,48 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _Verlust = q. A = 6,48 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 194 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.

Beispiel – Steinwolleisolierung

Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate 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 der Außenseite betragen h ₁ = 10 W / m ² K und h ₂ = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke Steinwolle-Dämmung (L ₂ ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₂ = 0,022 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, beinhalten viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist , bezogen auf den Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

Wärmeleitfähigkeit von Steinwolle

Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche gegebener Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto widerstandsfähiger ist das Material gegen Wärmeübertragung und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für Mineralwolle liegen zwischen 0.020 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen beruht die Wärmedämmung 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 Isoliermaterialien (z. B. Steinwolle ) funktionieren daher einfach, indem sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine großflächige Konvektion verhindern .

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.

Mineralwolle – Steinwolle

Mineralwolle, auch Steinwolle genannt,basiert auf natürlichen Mineralien, die in großen Mengen auf der Erde vorhanden sind, z. B. Vulkangestein, typischerweise Basalt oder Dolomit. Neben Rohstoffen können dem Prozess auch recycelte Mineralwolle sowie Schlackerückstände aus der Metallindustrie zugesetzt werden. Es kombiniert mechanische Beständigkeit mit guter Wärmeleistung, Brandschutz und Hochtemperaturtauglichkeit. Glas- und Steinwolle werden aus Mineralfasern hergestellt und werden daher häufig als „Mineralwolle“ bezeichnet. Mineralwolle ist eine allgemeine Bezeichnung für Fasermaterialien, die durch Spinnen oder Ziehen geschmolzener Mineralien entstehen. Steinwolle ist ein Ofenprodukt aus geschmolzenem Gestein mit einer Temperatur von etwa 1600 ° C, durch das ein Luft- oder Dampfstrom geblasen wird.

Zu den Anwendungen von Mineralwolle gehören strukturelle Isolierung, Rohrisolierung, Filtration, Schallschutz und hydroponisches Wachstumsmedium. Mineralwolle ist ein vielseitiges Material, das zur Isolierung von Wänden, Dächern und Böden verwendet werden kann. Während des Einbaus der Mineralwolle sollte diese stets trocken gehalten werden, da eine Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt.

Wärmeleitfähigkeit von Mineralwolle

Die Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Wärmemenge (in Watt), die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch eine quadratische Materialfläche mit einer bestimmten Dicke (in Metern) übertragen wird . Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto besser kann das Material der Wärmeübertragung widerstehen und desto wirksamer ist die Isolierung. Typische Wärmeleitfähigkeitswerte für Mineralwolle liegen zwischen 0.020 und 0.040W / m ∙ K .

Im Allgemeinen basiert die Wärmedämmung hauptsächlich auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen . Gase besitzen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften und bilden 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. Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Mineralwolle ) einfach durch eine große Anzahl gasgefüllter Taschen, die eine Konvektion in großem Maßstab verhindern .

Der Wechsel von Gastasche und festem Material bewirkt, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.

Beispiel – Mineralwolleisolierung

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.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen wir nun eine Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke Mineralwolleisolierung (L ₂ ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₂ = 0,022 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.

1. 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.

2. 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 / 0,022 + 1/30) = 0,207 W / m ² K.

Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:

q = 0,207 [W / m ² K] × 30 [K] = 6,21 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _Verlust = q. A = 6,21 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 186 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.

So funktioniert die Notfall-Wärmedecke

So funktioniert die Notfall-Wärmedecke

Wie bereits geschrieben, basiert die Wärmedämmung auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Aber manchmal ist die Verwendung eines Wärmestrahlungsisolators der effektivste Weg, um Personen oder Geräte vor Leckage oder Wärmegewinn zu schützen. Für die Energieübertragung benötigt die Wärmestrahlung kein Medium. Darüber hinaus ist der Energietransfer durch Strahlung am schnellsten (mit Lichtgeschwindigkeit) und wird im Vakuum nicht gedämpft.

Im Gegensatz zum Wärmeübergang durch Wärmeleitung oder Konvektion , der in Richtung abnehmender Temperatur stattfindet, kann der Wärmeübergang durch Wärmestrahlung zwischen zwei Körpern auftreten, die durch ein Medium kälter als beide Körper getrennt sind. Zum Beispiel erreicht die Sonnenstrahlung die Erdoberfläche, nachdem sie kalte Atmosphärenschichten in großer Höhe passiert hat.

Um die Wärmestrahlung zu isolieren , können Raumdecken (je nach Funktion auch Mylar-Decke , Notfallwärmedecke oder Sicherheitsdecke genannt ) verwendet werden. WeltRettungsdecken wurden erstmals von der NASA im Jahr 1964 entwickelt. Die hochreflektierenden Isolatoren sind häufig in Notfallkits (daher Notfallwärmedecken) enthalten und werden auch von Langstreckenläufern nach Beendigung eines Rennens verwendet, um einen starken Anstieg der Körpertemperatur zu vermeiden. Rettungsdecken sind so konzipiert, dass sie Wärme an den Körper reflektieren oder Wärme ableitenWenn sie als Schutz vor der Sonne verwendet werden, können sie verwendet werden, um alles zu isolieren, vom Marsrover bis zum Marathonläufer, vom Satelliten bis zum Sonnenschutz und von Raketen bis zu Wohngebäuden. Es ist eines der einfachsten und zugleich vielseitigsten Ausgründungen der Agentur. Hochreflektierende Folien in Strahlungsbarrieren und reflektierende Isolationssysteme reflektieren Strahlungswärme von Personen und Wohnräumen weg und machen sie besonders in sehr kalten Klimazonen nützlich.

Im Notfall werden Thermotücher zur Vorbeugung / Bekämpfung von Unterkühlung verwendet. Ihre kompakte Größe vor dem Aufwickeln und ihr geringes Gewicht machen sie ideal, wenn der Platz knapp ist. Sie können in Erste-Hilfe-Sets und auch in Campingausrüstung enthalten sein. Ihr Design reduziert den Wärmeverlust im Körper einer Person, der ansonsten insbesondere aufgrund von Folgendem auftreten würde:

• Wärmestrahlung. Wie geschrieben wurde, ist dieWärmestrahlung durch Minimierung derWärmestrahlungsrate q [W / m ² ] von einem Körper zu seiner Umgebung proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur . In diesem Fall spielt auch das Emissionsvermögen eines Materials eine sehr wichtige Rolle. Das Emissionsvermögen & epsi; der Oberfläche eines Materials ist seine Wirksamkeit beim Emittieren von Energie als Wärmestrahlungund variiert zwischen 0,0 und 1,0. Die Oberfläche eines schwarzen Körpers sendet bei Raumtemperatur (25 ° C, 298,15 K) Wärmestrahlung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 448 Watt pro Quadratmeter aus. Reale Objekte mit einem Emissionsgrad von weniger als 1,0 (z. B. Aluminiumfolie) senden Strahlung mit entsprechend geringeren Raten aus (z. B. 448 x 0,07 = 31,4 W / m ² ). Siehe auch: Kirchhoffsches Wärmestrahlungsgesetz
• Wasserverdunstung und großflächige Konvektion. Wärmedecken werden normalerweise aus luftdichter BoPET-Folie (Biaxial orientiertes Polyethylenterephthalat) hergestellt, wodurch sie wasser- und winddicht sind. Dies verhindert großflächige Konvektion und Wärmeverluste, die durch das Verdampfen von Schweiß verursacht werden.

Die  Schwarzkörperemissionsvermögen ,  E _b  [W / m ² ] , von einem schwarzen Körper zu seiner Umgebung sind proportional zur  vierten Potenz  der absoluten Temperatur und können durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

E _b  = σT ⁴

Dabei ist  σ  eine physikalische Grundkonstante, die  Stefan-Boltzmann-Konstante , die  5,6697 × 10 ^-8 W / m ² K ^{4 entspricht,}  und T ist die absolute Oberflächentemperatur in K.

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.

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 weiterer Lektüre finden Sie eine kurze Beschreibung dieser Arten von Dämmstoffen.