4. Тепловая изоляция

Тепловая изоляция предназначена для снижения потерь тепла в окружающую среду и обеспечения санитарных норм в производственных помещениях. С этой целью наружные поверхности горячих стенок аппаратов и трубопроводов покрывают одним или несколькими слоями теплоизоляционных материалов, обладающих низкими коэффициентами теплопроводности.

В качестве тепловой изоляции широко используют синтетические и минеральные материалы, имеющие пористую структуру с замкнутыми мелкими порами, в которых исключается теплопередача конвекцией. Такие пористые материалы имеют достаточно малые значения коэффициента теплопроводности, что позволяет при определенной толщине слоя изоляции (обычно до 150 мм) и ее конструкции получить большую величину термического сопротивления стенки. Хотя в качестве теплоизоляционных могут применяться различные материалы с низкой теплопроводностью, однако обычно под теплоизоляционными понимают материалы с коэффициентом теплопроводности при 50–100 ºС менее 0,25 Вт/(м·К). Наиболее распространенные материалы, применяемые для тепловой изоляции, приведены в табл. 7.5.

Таблица 7.5– Характеристики некоторых видов тепловой изоляции при 0–100С

Материал	Плотность, кг/м^3	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
Асбест	600	0,150
Бетон огнеупорный	1050	0,380
Винипласт	1380	0,160
Войлок шерстяной	300	0,047
Кирпич красный	1900	0,620
Кирпич легковесный	700	0,150
Кирпич шамотный	1800	0,700
Пенопласт	30	0,047
Пробка	160	0,047
Совелит	450	0,098
Стекловата	200	0,052
Торфоплиты	220	0,064
Фаолит	1730	0,420
Фольга алюминиевая	20	0,047
Шлаковата	250	0,076

При умеренных температурах изолируемых поверхностей обычно наносится один слой теплоизоляции, при высоких – несколько слоев. Необходимуютолщинуоднослойной или многослойной изоляции плоской стенки определяют по уравнениям(7.26) и (7.28). Так, в случае однослойной изоляции с коэффициентом теплопроводности_изтолщина слоя δ_из, необходимая для обеспечения температуры внешней поверхности изолирующего слояt_из:

, (7.196)

где t₁иt₂– температуры внутри аппарата (трубопровода) и снаружи, соответственно.

Аналогично для многослойной изоляции при толщине слоев с коэффициентами теплопроводности

. (7.197)

Из уравнений (7.196) и (7.197) следует, что изоляционный слой на плоской стенке из любого материала понижает потери тепла и температуру t_из. Причем это понижение тем больше, чем толще изолирующий слой. Для цилиндрических стенок тепловые потери уменьшаются непропорционально увеличению толщины изоляции. Это объясняется тем, что при увеличении толщины термическое сопротивление слоя изоляцииувеличивается, а термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую средууменьшается. Следовательно, при неправильном выборе толщины изоляции потери тепла могут не только не уменьшиться, но и возрасти.

В соответствии с уравнением теплопередачи для цилиндрической стенки (7.31) тепловые потери

, (7.198)

где d₁иd₂– внутренний и внешний диаметры цилиндра, на который накладывается слой изоляции.

Дифференцируя уравнение (7.198) по d_изи приравнивая производную нулю, получим

.

Анализ функции показывает, что она имеет максимум при, т.е. при данном диаметре изолированного цилиндра потери тепла в окружающую среду становятся максимальными. Диаметр изоляции, соответствующий максимуму, и соответствующая ему толщина изоляции называютсякритическими:d_кр,δ_кр. Таким образом, для уменьшения потерь тепла необходимо, чтобы диаметр изолированного цилиндраd_избыл бы большеd_кр, зависящего в свою очередь отλ_изи₂.

Если изолирование аппарата (трубопровода) производится с целью экономии топлива, то материал и толщина изоляции выбираются исходя из экономических соображений путем сопоставления стоимости изоляции и стоимости сэкономленного тепла или топлива. При изолировании объекта с целью обеспечения технологического процесса или с целью обеспечения санитарных условий труда производят расчет для нескольких видов изоляции и выбирают из них ту, стоимость которой меньше других. При выборе изоляции большое значение имеют также такие факторы,как вес, гигиеничность, гигроскопичность, удобство монтажа и срок службы изоляции.