Was ist expandiertes Polystyrol – EPS – Definition?

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.