Жылу беруді азайту: жылу оқшаулау, түрлері, материалдар. Жылу өткізгіштігін төмендетіп, энергияны үнемдеуге көмектеседі. Термикалық кедергілер туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жылу беруді азайту
Minimization of heat transfer
Жылу оқшаулауы – әртүрлі температурадағы денелер арасындағы жылу энергиясының берілуін (яғни, жылу алмасуын) тікелей жанасқан немесе сәулелену әсеріне ұшыраған денелер арасында азайту болып табылады. Жылу оқшаулауы арнайы жасалған әдістермен немесе процестермен, сондай-ақ денелердің пішіні мен материалдары арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Жылу ағыны – әртүрлі температурадағы денелердің жанасуының қажетті салдары. Жылу оқшаулауы жылу өткізгіштігін төмендету арқылы жылу үзілісін немесе жылу кедергісін жасайды, немесе жылу сәулесін төмен температуралы дене сіңірмей, кері шағылыстырады. Материалдың жылу оқшаулау қабілеті жылу өткізгіштігінің (k) кері шамасымен өлшенеді. Төмен жылу өткізгіштігі – жоғары жылу оқшаулау қабілетімен (қарсылық мәнімен) тең. Жылу техникасында оқшаулағыш материалдардың өнімділігінің тығыздығы (ρ) және меншікті жылу сыйымдылығы (c) да маңызды қасиеттер болып табылады.
Thermal insulation is the reduction of heat transfer (i. e., the transfer of thermal energy between objects of differing temperature) between objects in thermal contact or in range of radiative influence. Thermal insulation can be achieved with specially engineered methods or processes, as well as with suitable object shapes and materials. Heat flow is an inevitable consequence of contact between objects of different temperature. Thermal insulation provides a region of insulation in which thermal conduction is reduced, creating a thermal break or thermal barrier, or thermal radiation is reflected rather than absorbed by the lower temperature body. The insulating capability of a material is measured as the inverse of thermal conductivity (k). Low thermal conductivity is equivalent to high insulating capability (resistance value). In thermal engineering, other important properties of insulating materials are product density (ρ) and specific heat capacity (c).
Баллондардың оқшаулауы
Изоляцияланған цилиндрлер үшін белгілі бір радиусқа жету қажет. Критикалық радиусқа жеткенге дейін қосылған кез келген изоляция жылу беруді арттырады. Конвекциялық жылулық кедергі беткі ауданына кері пропорционал, ал цилиндр қабығының (изоляция қабатының) жылулық кедергісі радиустың өзіне емес, сыртқы және ішкі радиустардың арақатынасына байланысты. Егер изоляция қолдану арқылы цилиндрдің сыртқы радиусы ұлғайтылса, белгілі бір өткізгіш кедергі (2×π×k×L(Tin Tout)/ln(Rout/Rin) тең) қосылады. Бірақ, сонымен бірге конвекциялық кедергі азаяды. Бұл, белгілі бір радиустан төмен изоляция қосу жылу беруді күшейтеді дегенді білдіреді. Изоляцияланған цилиндрлер үшін критикалық радиус келесі теңдеумен анықталады.
For insulated cylinders, a critical radius blanket must be reached. Before the critical radius is reached, any added insulation increases heat transfer. The convective thermal resistance is inversely proportional to the surface area and therefore the radius of the cylinder, while the thermal resistance of a cylindrical shell (the insulation layer) depends on the ratio between outside and inside radius, not on the radius itself. If the outside radius of a cylinder is increased by applying insulation, a fixed amount of conductive resistance (equal to 2×π×k×L(Tin Tout)/ln(Rout/Rin)) is added. However, at the same time, the convective resistance is reduced. This implies that adding insulation below a certain critical radius actually increases the heat transfer. For insulated cylinders, the critical radius is given by the equation
Бұл теңдеу критикалық радиус тек жылу беру коэффициентіне және изоляцияның жылу өткізгіштігіне байланысты екенін көрсетеді. Егер изоляцияланған цилиндрдің радиусы изоляция үшін критикалық радиустан кіші болса, кез келген мөлшерде изоляция қосу жылу беруді арттырады.
This equation shows that the critical radius depends only on the heat transfer coefficient and the thermal conductivity of the insulation. If the radius of the insulated cylinder is smaller than the critical radius for insulation, the addition of any amount of insulation will increase heat transfer.
Құстар мен сүтқоректілердің киімдері мен табиғи оқшаулаулары
Газдар сұйықтықтар мен қатты денелерге қарағанда нашар жылу өткізгіштік қасиеттеріне ие, сондықтан оларды тұтқындау мүмкін болса, жақсы жылу оқшаулағыш материал болып табылады. Газдың (мысалы, ауаның) тиімділігін арттыру үшін, оны табиғи конвекция арқылы жылуды тиімді түрде өткізе алмайтын кішкентай жасушаларға бөлуге болады. Конвекция – газдың үлкен көлемді ағыны, ол иілімділік және температура айырмашылықтарымен қозғалады. Бұл кішкентай жасушаларда тиімді жұмыс істемейді, себебі оларда иілімділік айырмашылығы аз болады, ал кішкентай жасушалардың үлкен беті мен көлемінің арақатынасы газ ағынын тұтқырлық күші арқылы баяулатады. Жасанды жылу оқшаулағыштарында кішкентай газ жасушаларын жасау үшін шыны және полимер материалдар көбік тәрізді құрылымда ауаны тұтқындауға қолданылады. Бұл принцип өнеркәсіпте (шыны жүн), целлюлоза, тас жүн, полистирол көбігі (стирофома), уретан көбігі, вермикулит, перлит және пробка сияқты құрылыс және құбырларды оқшаулауда қолданылады. Ауаны тұтқындау – жүн, қауырсын және флис сияқты барлық жоғары жылу оқшаулағыш киім материалдарының негізгі қағидасы. Ауаны тұтқындау қасиеті гомеотермиялық жануарлардың жылы болуы үшін қолданатын оқшаулау принципінің өзі, мысалы, қауырсын және табиғи қой жүніндегі оқшаулағыш түк. Екі жағдайда да негізгі оқшаулағыш материал – ауа, ал ауаны тұтқындау үшін қолданылатын полимер – табиғи кератин ақуызы.
Gases possess poor thermal conduction properties compared to liquids and solids and thus make good insulation material if they can be trapped. In order to further augment the effectiveness of a gas (such as air), it may be disrupted into small cells, which cannot effectively transfer heat by natural convection. Convection involves a larger bulk flow of gas driven by buoyancy and temperature differences, and it does not work well in small cells where there is little density difference to drive it, and the high surface to volume ratios of the small cells retards gas flow in them by means of viscous drag. In order to accomplish small gas cell formation in man made thermal insulation, glass and polymer materials can be used to trap air in a foam like structure. This principle is used industrially in building and piping insulation such as (glass wool), cellulose, rock wool, polystyrene foam (styrofoam), urethane foam, vermiculite, perlite, and cork. Trapping air is also the principle in all highly insulating clothing materials such as wool, down feathers and fleece. The air trapping property is also the insulation principle employed by homeothermic animals to stay warm, for example down feathers, and insulating hair such as natural sheep's wool. In both cases the primary insulating material is air, and the polymer used for trapping the air is natural keratin protein.
Механикалық жүйелер
Ғимараттарды жылыту және салқындату жүйелері құбырлар немесе арналар арқылы ғимараттарға жылуды таратады. Бұл құбырларды құбыр изоляциясымен оқшаулау бос бөлмелерге жылу шығынын азайтады және суық немесе салқындатылған құбырларда конденсацияның пайда болуын болдырмайды. Құбыр изоляциясы сумен жабдықтау құбырларында құбырлардың қатып қалуын белгілі бір уақытқа кешіктіру үшін де қолданылады. Механикалық изоляция көбінесе өнеркәсіптік және коммерциялық объектілерде орнатылады.
Space heating and cooling systems distribute heat throughout buildings by means of pipes or ductwork. Insulating these pipes using pipe insulation reduces energy into unoccupied rooms and prevents condensation from occurring on cold and chilled pipework. Pipe insulation is also used on water supply pipework to help delay pipe freezing for an acceptable length of time. Mechanical insulation is commonly installed in industrial and commercial facilities.
Пассивті радиациялық салқындату беттері
Жылу оқшаулау пассивті радиациялық салқындату беттерінің жылу шығару қабілетін арттырады, себебі ол тікелей күн сәулесінің күштілігі кезінде беткейдің қоршаған орта температурасынан төмен температураға дейін салқындау мүмкіндігін жақсартады. Жылу оқшаулау үшін түрлі материалдар қолданылуы мүмкін, оның ішінде күн сәулесін жұтуды және қосымша жылу түсуін азайтатын полиэтилен аэрогельдер, бұл эмитердің тиімділігін 20%-дан астамға арттыруға мүмкіндік береді.
Thermal insulation has been found to improve the thermal emittance of passive radiative cooling surfaces by increasing the surface's ability to lower temperatures below ambient under direct solar intensity. Different materials may be used for thermal insulation, including polyethylene aerogels that reduce solar absorption and parasitic heat gain which may improve the emitter's performance by over 20%.
Тоңазыту
Тоңазытқыш жылу сорғысы мен жылу оқшауланған бөлімнен құралады.
A refrigerator consists of a heat pump and a thermally insulated compartment.
Ғарыш кемесі
Ұшыру және қайта кіру ғарыш кемесіне күшті механикалық кернеу түсіреді, сондықтан оқшаулағыштың беріктігі аса маңызды (мысалы, «Колумбия» ғарыш шаттлындағы оқшаулағыш плиткалардың бұзылуы салдарынан шаттлдің корпусы қайта кіру кезінде қатты қызып, ыдырап, борттағы астронавттар қаза болды). Атмосфераға қайта кіру кезінде ауаның жоғары жылдамдықпен қысылуынан өте жоғары температура пайда болады. Оқшаулағыштар, жылу беруді баяулату қасиеттерінен өзге, қатаң физикалық талаптарға да жауап беруі керек. Ғарыш кемелерінде қолданылатын оқшаулау материалдарының мысалдарына – күшейтілген көміртекті-көміртекті композит мұрын конусы және «Колумбия» ғарыш шаттлының кремний талшықты плиткалары жатады. Сондай-ақ, изоляциялық бояулар туралы да қараңыз.
Launch and re entry place severe mechanical stresses on spacecraft, so the strength of an insulator is critically important (as seen by the failure of insulating tiles on the Space Shuttle Columbia, which caused the shuttle airframe to overheat and break apart during reentry, killing the astronauts on board). Re entry through the atmosphere generates very high temperatures due to compression of the air at high speeds. Insulators must meet demanding physical properties beyond their thermal transfer retardant properties. Examples of insulation used on spacecraft include reinforced carbon carbon composite nose cone and silica fiber tiles of the Space Shuttle. See also Insulative paint.
Автомобильдік
Ішкі жану қозғалтқыштары жану циклы барысында көп мөлшерде жылу шығарады. Бұл жылу сенсорлар, аккумуляторлар және стартерлер сияқты жылуға сезімтал компоненттерге жеткенде олардың жұмысына кері әсер ете алады. Сондықтан, түтін газының жылуы осы компоненттерге жетпеуі үшін жылу оқшаулағыш қолданылуы қажет. Жоғары қуатты автомобильдерде қозғалтқыштың жұмысын жақсарту мақсатында жылу оқшаулағыш жиі қолданылады.
Internal combustion engines produce a lot of heat during their combustion cycle. This can have a negative effect when it reaches various heat sensitive components such as sensors, batteries, and starter motors. As a result, thermal insulation is necessary to prevent the heat from the exhaust from reaching these components. High performance cars often use thermal insulation as a means to increase engine performance.
Қажеттіліктерді есептеу
Өндірістік стандарттар көбінесе көп жылдар бойы қалыптасқан, көптеген қарама-қайшы мақсаттарды ескеретін тәжірибелік ережелер болып табылады: адамдар неге төлейтіні, өндіріс құны, жергілікті климат, дәстүрлі құрылыс тәсілдері және жайлылықтың әртүрлі деңгейлері. Үлкен өнеркәсіптік жүйелерде жылу беру және қабаттарды талдау жүргізілуі мүмкін, бірақ тұрмыстық жағдайларда (тұрмыстық техника және ғимараттарды жылу оқшаулау) ауаның шығуынан (күшпен немесе табиғи конвекция арқылы) жылу жоғалтуды азайту үшін ауа тығыздығы маңызды. Ауа тығыздығы қамтамасыз етілгеннен кейін, көбінесе оқшаулағыш қабатының қалыңдығын тәжірибелік ережелер бойынша таңдау жеткілікті болады. Оқшаулағыш қабаты екі еселенген сайын, пайдасы азая бастайды. Кейбір жүйелер үшін жақсартуға қол жеткізу үшін белгілі бір минималды оқшаулау қалыңдығы қажет екені көрсетілуі мүмкін.
Industry standards are often rules of thumb, developed over many years, that offset many conflicting goals: what people will pay for, manufacturing cost, local climate, traditional building practices, and varying standards of comfort. Both heat transfer and layer analysis may be performed in large industrial applications, but in household situations (appliances and building insulation), airtightness is the key in reducing heat transfer due to air leakage (forced or natural convection). Once airtightness is achieved, it has often been sufficient to choose the thickness of the insulating layer based on rules of thumb. Diminishing returns are achieved with each successive doubling of the insulating layer. It can be shown that for some systems, there is a minimum insulation thickness required for an improvement to be realized.