Процессы тепло-и массообмена в теплоизоляционных материалах

Теплоизоляционные материалы по своему происхождению подразделяются на неорганические (стекловолокно, минеральная вата и др.) и органические (пробка, пенопласты, пенополиуретаны и др.).

По структуре и способу крепления к изолируемой поверхности материалы разделяются на следующие виды:

· плиточные (пенопласты, пробковые плиты, пенобетон, экспанзиты);

· волокнистые (минеральная вата);

· напыляемые и заливаемые вспенивающиеся (пенополиуретаны);

· теплоотражающие воздушно - слоистые (алюминиевая фольга);

· сыпучие (пробковая крошка).

В бытовых холодильниках применяются волокнистые и заливаемые вспенивающиеся теплоизоляционные материалы. Волокнистая минеральная вата в настоящее время применяется редко. К наиболее перспективным теплоизоляционным материалам относятся пенополиуретаны, которые имеют низкие значения коэффициента теплопроводности. В частности, новая разновидность пенополиуретанов - рипор имеет коэффициент теплопроводности 0,026 Вт/м²×К, низкую паровлагопроницаемость, высокую адгезию практически ко всем строительным материалам, он нетоксичен и негорюч. С помощью пенополиуретанов можно получать конструкции любой конфигурации с помощью заливки пены в формы либо напыления на изолируемые поверхности.

Изоляция из волокнистых и вспененных материалов представляет собой дисперсную систему, состоящую из твердого компонента и газа, заполняющего свободное пространство. Отношение объема, занятого газом, к объему изоляции называют пористостью изоляционного материала. Теплообмен в таких системах определяется преимущественно геометрией пористого пространства: изоляция на основе вспененных пластмасс имеет замкнутые поры, в то время как в волокнистой изоляции образуются пустоты между волокнами.

Теплообмен в твердом остове, промежуточной среде и на границах между ними осуществляется посредством теплопроводности твердого материала: передачи теплоты от одной твердой частицы к соседней в местах их непосредственного контакта, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, передачи теплоты на границах твердых частиц с внешней средой, излучения от частицы к частице через промежуточную среду, конвекции газа и влаги, содержащихся между частицами.

Для характеристики изоляции вводят понятие эффективной теплопроводности, которая учитывает все составляющие теплообмена и зависит от давления газа - наполнителя, температуры на поверхностях изоляции, пористости, размеров твердых частиц, коэффициента температуропроводности, теплоемкости изоляции. В пористых теплоизоляционных материалах основная доля теплоты передается молекулярной теплопроводностью газа внутри изоляции.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью газа, находящегося внутри изоляции, обусловлен взаимодействием молекул газа друг с другом и зависит от пористости изоляции: чем меньше пористость, тем меньше теплоты передается за счет межмолекулярных столкновений. Как известно из молекулярно - кинетической теории, молекулярная теплопроводность зависит от молекулярной массы газа. Поэтому замена воздуха более тяжелым газом, например, фреоном с молекулярной массой, превышающей 50, позволяет значительно уменьшить эффективную теплопроводность изоляции.

Теплообмен на границе твердых частиц с внешней средой обусловлен взаимодействием молекул газа с поверхностью твердого тела и зависит от пористости изоляции, рода газа - наполнителя, температуры и давления газа, свойств твердого вещества.

Лучистый теплообмен в изоляции определяется преимущественно уровнем температур на поверхности изоляции и зависит от усредненного расстояния между твердыми частицами основы, степени черноты твердых частиц и поверхностей, ограничивающих изоляцию, поглощательной и излучательной способности газа - наполнителя. С ростом температур, степени черноты и пористости передача теплоты излучением возрастает.

Коэффициент теплопроводности изоляционного материала l при эксплуатации увеличивается вследствие постепенного ее увлажнения. Значение коэффициента теплопроводности для сухого материала определяют по средней рабочей температуре.

Коэффициент l_t является линейной функцией температуры:

,	(28)
где	lо	-	коэффициент теплопроводности сухого изоляционного материала при температуре 0°С;
	b	-	температурный коэффициент теплопроводности;
	b	-	постоянная, показывающая возрастание коэффициента теплопроводности при повышении температуры на 1°С: b = lо×b.

Значения l_о, b и b определяются опытным путем при испытании материалов. Коэффициент b для различных теплоизоляционных материалов имеет разные значения и составляет (2…4)´10^-3 К^-1.

Теплопроводность сухого материала зависит в основном от удельного объема, определяющего количество твердого теплопроводного пористого вещества. При оптимальной пористости теплопроводность приближается к теплопроводности неподвижного воздуха.

Увеличение теплопроводности при увлажнении материалов объясняется рядом факторов. Согласно капиллярному эффекту влага проникает в самые мелкие, т.е. в наиболее ценные с точки зрения теплоизоляционных свойств, поры материала, вытесняя из них воздух и образуя как бы тепловые мостики (теплопроводность воды в 15 - 20 раз выше теплопроводности воздуха).

Температура t_н и парциальное давление водяных паров Р_н наружного воздуха намного больше температуры и парциального давления Р_к воздуха в низкотемпературной камере холодильника. При эксплуатации холодильника через изоляцию из внешней среды поступает количество теплоты Q₁ и количество водяного пара G₁, которое для случая плоской многослойной стенки определяется уравнениями:

,	(29)
,	(30)
где	Rиз, Rдиф	-	соответственно термическое и диффузное сопротивление изоляции;
	Fн	-	площадь поверхности изолированной стенки;
	tн, tк	-	температура наружного воздуха и воздуха внутри камеры;
	Рн, Рк		парциальное давление водяного пара снаружи и внутри изолированного ограждения.
,	(31)
где	aн, aк	-	коэффициенты теплоотдачи со стороны наружной и внутренней стенок камеры;
	di	-	толщина слоя теплоизоляции;
	li	-	коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции.
,	(32)
где	mi	-	коэффициент паропроницаемости слоя теплоизоляции.

Температуру наружной и внутренней стенок ограждений определяют по зависимостям:

,	(33)
,	(34)

По рассчитанным значениям температур проверяют допустимость значения К_из, выбранного или определенного экспериментально. Толщина изоляции считается достаточной, если коэффициент теплопередачи ограждения обеспечивает выполнение условия:

,

(35)

т.е. температура наружной стенки выше температуры точки росы.

При невыполнении неравенства (35) на поверхности будет происходить конденсация влаги с последующим увлажнением изоляции, повышением коэффициента теплопроводности изоляции, что приведет к возрастанию теплопритоков в камеры холодильника и затрат энергии на производство холода.