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Was ist Wärmedämmung – Wärmedämmung – Definition

Wärmedämmung ist der Prozess der Verringerung der Wärmeübertragung zwischen Objekten in thermischem Kontakt oder in einem Bereich mit Strahlungseinfluss. Wärmeisolierung

Wärmeisolierung

Wärmedämmung - PolystyrolschaumWärmedämmung ist der Prozess der Verringerung der Wärmeübertragung zwischen Objekten in thermischem Kontakt oder in einem Bereich mit Strahlungseinfluss. Wärmeisolierungen bestehen aus Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die kombiniert werden, um eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit des Systems zu erzielen . Die Wärmedämmung kann mit speziell entwickelten Methoden oder Verfahren sowie mit geeigneten Objektformen und -materialien erreicht werden.

Siehe auch: Wärmeleitfähigkeit

Aus mikroskopischer Sicht kann der Transport von Wärmeenergie in Festkörpern im Allgemeinen auf zwei Effekte zurückzuführen sein:

  • die Wanderung von freien Elektronen
  • Gitterschwingungswellen ( Phononen )

Wenn Elektronen und Phononen Wärmeenergie transportieren, die zur Wärmeleitung in einem Feststoff führt, kann die Wärmeleitfähigkeit ausgedrückt werden als:

k = k e + k ph

Metalle weisen im Allgemeinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf . Diese Eigenschaften rühren insbesondere daher , dass ihre äußeren Elektronen (freie Elektronen) delokalisiert sind . Ihr Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit ist sehr hoch und wird als elektronische Wärmeleitfähigkeit k e bezeichnet . Daher sind Metalle sehr gute Wärmeleiter anstelle von Wärmeisolatoren.

Bei nichtmetallischen Festkörpern wird k hauptsächlich durch ph bestimmt , das mit abnehmender Häufigkeit der Wechselwirkungen zwischen den Atomen und dem Gitter zunimmt. Tatsächlich ist die Gitterwärmeleitung der dominierende Wärmeleitungsmechanismus bei Nichtmetallen, wenn nicht der einzige. In Festkörpern schwingen Atome um ihre Gleichgewichtspositionen (Kristallgitter). Die Schwingungen der Atome sind nicht unabhängig voneinander, sondern stark mit benachbarten Atomen gekoppelt. Die Regelmäßigkeit der Gitteranordnung hat einen wichtigen Einfluss auf ph , wobei kristalline (geordnete) Materialien wie Quarz eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als amorphe Materialien wie Glas.

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 . Daher funktionieren viele Isoliermaterialien (z. B. Polystyrol) 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.

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 dieses Typs 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 geringem Emissionsvermögen verwendet werden. DasDas 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.

Wärmeisolator

Wärmeisolatoren - ParameterWie bereits geschrieben, basiert die Wärmedämmung auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit . Diese Materialien sind als Wärmeisolatoren bekannt . Übliche Wärmeisolatoren sind Wolle, Glasfaser, Steinwolle, Polystyrol, Polyurethan und Gänsefedern usw. Diese Materialien sind sehr schlechte Wärmeleiter und daher gute Wärmeisolatoren.

Es muss hinzugefügt werden, dass die Wärmedämmung in erster Linie auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen beruht. 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. Polystyrol) einfach durch eine große Anzahl von gasgefüllten Taschen, die eine Konvektion in großem 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.

Im Falle einer Wärmestrahlungsisolierung können reflektierende Isolierungen 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.

Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand

Wärmeverlust durch Wand - Beispiel - BerechnungEine 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 :

U-Faktor - Gesamtwärmeübergangskoeffizient

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:

Gesamtwärmeübergangskoeffizient - Wärmeverlustberechnung

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:

Verlust = q. A = 105,9 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 3177 W.

  1. 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:

Gesamtwärmeübergangskoeffizient - Wärmedämmungsberechnung

Wärmedämmung - expandiertes PolystyrolDer 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:

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.

Wärmewiderstand - Gleichung

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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: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.