Введение

Минимизация теплопередачи

Теплоизоляция – это снижение теплопередачи (то есть передачи тепловой энергии между объектами с разной температурой) между объектами, находящимися в тепловом контакте или в зоне радиационного влияния. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также подходящей формы и материалов. Тепловой поток является неизбежным следствием контакта между объектами различной температуры. Теплоизоляция создает область изоляции, в которой снижается теплопроводность, формируя тепловой разрыв или тепловой барьер, либо тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой. Изоляционная способность материала измеряется как величина, обратная теплопроводности (k). Низкая теплопроводность соответствует высокой изоляционной способности (сопротивлению). В теплотехнике другие важные свойства изоляционных материалов включают плотность (ρ) и удельную теплоемкость (c).

Изоляция цилиндров

Для изолированных цилиндров необходимо достичь критического радиуса изоляции. До достижения критического радиуса любое добавление изоляции увеличивает теплопередачу. Конвективное тепловое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности и, следовательно, радиусу цилиндра, в то время как тепловое сопротивление цилиндрической оболочки (изоляционного слоя) зависит от отношения внешнего радиуса к внутреннему, а не от самого радиуса. Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет нанесения изоляции, добавляется фиксированное значение теплопроводного сопротивления (равное 2×π×k×L(Tin Tout)/ln(Rout/Rin)). Однако одновременно с этим конвективное сопротивление уменьшается. Это означает, что добавление изоляции при радиусе, меньшем определенного критического значения, фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением, которое показывает, что критический радиус зависит только от коэффициента теплоотдачи и теплопроводности изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса изоляции, то добавление любого количества изоляции приведет к увеличению теплопередачи.

Одежда и естественная изоляция для животных у птиц и млекопитающих

Газы обладают низкой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, следовательно, являются хорошим изоляционным материалом, если их можно удержать. Для повышения эффективности газа (например, воздуха) его можно раздробить на мелкие ячейки, в которых тепло не может эффективно передаваться посредством естественной конвекции. Конвекция подразумевает массовый поток газа, обусловленный плавучестью и разницей температур, и она неэффективна в малых ячейках, где незначительна разница в плотности, необходимая для ее возникновения, а высокое отношение площади поверхности к объему этих ячеек замедляет движение газа из-за вязкого трения. Для создания мелких газовых ячеек в искусственной теплоизоляции стекло и полимерные материалы используются для удержания воздуха в пенообразной структуре. Этот принцип применяется в промышленности для изоляции зданий и трубопроводов, например, в виде (стекловаты), целлюлозы, минеральной ваты, пенополистирола (пенопласта), пенополиуретана, вермикулита, перлита и пробки. Удержание воздуха является основой теплоизоляционных свойств высокоэффективной одежды, такой как шерсть, пух и флис. То же свойство улавливания воздуха используется животными с постоянной температурой тела для сохранения тепла, например, пуховые перья и изолирующая шерсть, такая как овечья. В обоих случаях основным теплоизоляционным материалом является воздух, а полимер, удерживающий воздух, – это природный белок кератин.

Механические системы

Системы отопления и охлаждения распределяют тепло по зданиям посредством труб или воздуховодов. Изоляция этих труб снижает потери тепла в неотапливаемых помещениях и предотвращает образование конденсата на холодных и охлажденных трубопроводах. Трубная изоляция также применяется к водопроводным трубопроводам для замедления их замерзания на допустимый период времени. Механическая изоляция широко используется на промышленных и коммерческих предприятиях.

Пассивные радиационные поверхности охлаждения

Было установлено, что теплоизоляция повышает теплоизлучательную способность пассивных поверхностей радиационного охлаждения, увеличивая их способность понижать температуру ниже температуры окружающей среды при прямом солнечном излучении. Для теплоизоляции могут использоваться различные материалы, в том числе полиэтиленовые аэрогели, которые снижают поглощение солнечной энергии и паразитные тепловые поступления, что может улучшить эффективность излучателя более чем на 20%.

Охлаждение

Холодильник состоит из теплового насоса и термически изолированного отсека.

Космический корабль

Запуск и возвращение на Землю создают серьезные механические нагрузки на космические аппараты, поэтому прочность изолятора критически важна (как показала поломка теплозащитных плиток на космическом шаттле "Колумбия", которая привела к перегреву и разрушению корпуса шаттла при возвращении в атмосферу, что привело к гибели астронавтов на борту). Возвращение в атмосферу генерирует очень высокие температуры из-за сжатия воздуха на больших скоростях. Изоляторы должны обладать высокими физическими свойствами, помимо способности замедлять теплопередачу. Примеры изоляции, используемой на космических аппаратах, включают носовой обтекатель из углерод-углеродного композита с усилением и теплозащитные плитки из кремнеземного волокна шаттла "Спейс Шаттл". См. также теплоизоляционная краска.

Автомобильная промышленность

Двигатели внутреннего сгорания выделяют большое количество тепла в процессе рабочего цикла. Это может негативно сказываться на работе теплочувствительных компонентов, таких как датчики, аккумуляторы и стартеры. Поэтому необходима теплоизоляция для защиты этих компонентов от тепла выхлопных газов. В высокопроизводительных автомобилях теплоизоляция часто используется для повышения эффективности двигателя.

Расчетные требования

Промышленные стандарты часто представляют собой эмпирические правила, сформировавшиеся на протяжении многих лет, которые учитывают множество противоречивых факторов: цену, которую готовы заплатить потребители, стоимость производства, местные климатические условия, традиционные строительные практики и различные требования к комфорту. В крупных промышленных приложениях могут применяться как расчет теплопередачи, так и анализ слоев, однако в бытовых условиях (бытовая техника и теплоизоляция зданий) ключевым фактором снижения теплопотерь за счет утечки воздуха (вынужденной или естественной конвекции) является герметичность. После достижения герметичности часто бывает достаточно определить толщину теплоизоляционного слоя, опираясь на эмпирические правила. С каждым последующим удвоением толщины теплоизоляционного слоя достигается эффект уменьшающейся отдачи. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина теплоизоляции, необходимая для получения заметного улучшения.