Eigenschaften von Dämmstoffen
Die Wärmedämmung basiert auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit und geringem Oberflächenemissionsvermögen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Faktoren, die die Leistung beeinflussen, im Laufe der Zeit variieren können, wenn sich das Alter des Materials oder die Umgebungsbedingungen ändern. Wichtige Eigenschaften von Dämmstoffen sind:
- Wärmeleitfähigkeit . Die Wärmeleitfähigkeit, gemessen in W / mK, beschreibt, wie gut ein Material Wärme leitet. Beachten Sie das Fourier-Gesetzgilt für alle Materie, unabhängig von ihrem Zustand (fest, flüssig oder gasförmig), daher ist sie auch für Flüssigkeiten und Gase definiert. Dies ist 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. Im Allgemeinen haben Gase eine geringe Wärmeleitfähigkeit (z. B. Luft hat 0,025 W / mK), während Metalle hohe Werte haben (z. B. Kupfer hat 400 W / mK). Üblicherweise verwendete Isoliermittel neigen dazu, eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,019 W / mK und 0,046 W / mK aufzuweisen.
- R-Wert – Wärmewiderstand . Der R-Wert (Wärmeisolationsfaktor) ist ein Maß für den Wärmewiderstand. Je höher der R-Wert ist, desto größer ist die Isolationswirkung. Die Wärmeisolierung hat die Einheiten [(m 2 · K) / W] in SI-Einheiten oder [(ft 2 · ° F · h) / Btu] in imperialen Einheiten. Dies ist der Wärmewiderstand der Flächeneinheit eines Materials. Der R-Wert hängt von der Art der Isolierung, ihrer Dicke und ihrer Dichte ab. Eine Fläche und ein Temperaturunterschied sind erforderlich, um die übertragene Wärme aufzulösen. Die Bauindustrie verwendet Einheiten wie den R-Wert (Widerstand)ausgedrückt als die Dicke des Materials, die auf die Wärmeleitfähigkeit normalisiert ist, und unter gleichmäßigen Bedingungen ist es das Verhältnis der Temperaturdifferenz über einen Isolator und der Wärmestromdichte durch ihn: R (x) = ∆T / q. Je höher der R-Wert ist, desto mehr verhindert ein Material die Wärmeübertragung. Wie zu sehen ist, ist der Widerstand von der Dicke des Produkts abhängig.
- U-Wert – Wärmedurchlässigkeit . Die Wärmedurchlässigkeit beschreibt, wie gut das Material Wärme leitet. Die Wärmedurchlässigkeit ist die Umkehrung des R-Wertes (dh 1 / R) und je niedriger der U-Wert ist, desto besser ist die Isolierung. Der U-Wert wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht.
- Oberflächenemissionsvermögen . Wie bereits erwähnt, kann die Wärmeübertragung durch eines dieser Isolationssysteme mehrere Modi umfassen: Leitung durch die festen Materialien, Leitung oder Konvektion durch die Luft in den Hohlräumen und Strahlungsaustausch zwischen den Oberflächen der festen Matrix. Daher 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. Das Emissionsvermögen ist einfach ein Faktor, mit dem wir die Wärmeübertragung des schwarzen Körpers multiplizieren, um zu berücksichtigen, dass der schwarze Körper der Idealfall ist. 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 ).
- Feuerresistenz . Wärmedämmstoffe müssen eine Feuerwiderstandsklasse haben. Diese Klassifizierung ist wichtig, da sie Einfluss auf die Anwendung von Dämmstoffen haben kann. Normalerweise wird nach der Feuerwiderstandsklassifizierung eine Frist in Minuten 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 oder 360 festgelegt, aus der hervorgeht, wie lange die Leistungskriterien während einer standardisierten Feuerprüfung erfüllt sind.
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 schnellen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.
Es ist zu beachten, dass Wärmeverluste durch heißere Objekte durch drei Mechanismen (entweder einzeln oder in Kombination) auftreten:
Bisher haben wir Wärmestrahlung als einen Modus von Wärmeverlusten nicht diskutiert . 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 wird im Vakuum nicht gedämpft. Jedes Material, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, gibt Strahlungsenergie ab . Die meiste Energie dieser Art befindet sich im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet. Um diese Art der Wärmeübertragung zu verringern, sollten Materialien mit niedrigem Emissionsvermögen (hohes Reflexionsvermögen) verwendet werden. Reflektierende Isolierungen bestehen normalerweise aus mehrschichtigen, parallelen Folien mit hohem Reflexionsvermögen, die beabstandet sind, um die Wärmestrahlung zurück zu ihrer Quelle zu reflektieren. Das Emissionsvermögen & egr ; der Oberfläche eines Materials ist seine Wirksamkeit bei der Emission von Energie als Wärmestrahlung und variiert zwischen 0,0 und 1,0. Polierte Metalle haben im Allgemeinen ein sehr geringes Emissionsvermögen und werden daher häufig verwendet, um Strahlungsenergie wie bei Erste-Hilfe-Decken an ihre Quelle zurück zu reflektieren .
Kritische Dicke der Isolierung
In einer ebenen Wand verringert der Bereich senkrecht zur Richtung des Wärmeflusses, der einer Wand mehr Isolierung hinzufügt, immer die Wärmeübertragung. Je dicker die Isolierung ist , desto geringer ist die Wärmeübertragungsrate . Dies liegt daran, dass die Außenfläche immer die gleiche Fläche hat .
Bei Zylinder- und Kugelkoordinaten erhöht das Hinzufügen einer Isolierung jedoch auch die Außenfläche , wodurch der Konvektionswiderstand an der Außenfläche verringert wird. Darüber hinaus kann in einigen Fällen eine Abnahme des Konvektionswiderstands aufgrund der Zunahme der Oberfläche wichtiger sein als eine Zunahme des Leitungswiderstands aufgrund einer dickeren Isolierung. Infolgedessen kann der Gesamtwiderstand tatsächlich abnehmen, was zu einem erhöhten Wärmefluss führt.
Die Dicke, bis zu der der Wärmefluss zunimmt und nach der der Wärmefluss abnimmt, wird als kritische Dicke bezeichnet . Bei Zylindern und Kugeln spricht man von kritischem Radius . Daraus lässt sich ableiten, dass der kritische Isolationsradius von der Wärmeleitfähigkeit der Isolation k und dem externen Konvektionswärmeübergangskoeffizienten h abhängt.
Siehe auch: Kritischer Isolationsradius
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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