Изоляционные материалы и конструкции

Тепловой поток Q_H (Вт), поступающий из внешней среды в охлаждаемое помещение через плоскую изолированную стенку, выражается уравнением теплопередачи

Q_н = kF(t_н – t_вн), (4.1)

где k — коэффициент теплопередачи стенки, Вт/(м²-К); F — площадь стенки, м²; t_н . и t_вн — температуры соответственно наружного воздуха и в охлаждаемом помещении, К.

При неизменных температурных условиях теплоприток будет определяться коэффициентом теплопередачи k, который для слу­чая многослойной стенки имеет вид

k = 1/( + + ) (4.2)

где α_н и α_вн — коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны наружной я внутренней стенок, Вт/(м²-К); δ_i, — толщина i-го слоя, м; λ_i; — коэффициент теплопроводности i-го слоя, Вт/ (м- К).

Понижение коэффициента k, а следовательно, и теплового по­тока Q_H может быть достигнуто уменьшением коэффициентов теплопроводности λ_i материалов стенки. Материалы, обладающие низким коэффициентом теплопроводности, относятся к классу теплоизолирующих.

Основное назначение изоляции — уменьшение проникновения теплоты через стенки охлаждаемого помещения — определяет ее структуру. Идеальную изоляцию (с наименьшим коэффициентом теплопроводности) имеют сосуды Дьюара. В них внутренняя по­лость отделена от внешней среды вакуумным пространством и зеркальными отражателями (для уменьшения радиационного об­мена). Подобные сосуды применяются для хранения сжиженных тазов.

Изоляция, используемая в судовых конструкциях, представляет собой материал, твердая основа которого заполнена газом (чаще всего воздухом) с низким коэффициентом теплопроводности. В связи с этим теплозащитные свойства изоляционного материа­ла зависят в основном от структуры скелета, через который про­ходит основная часть теплоты: чем больше доля пространства, занятого газообразной средой, тем выше его теплоизоляционные свойства. Кроме того, повышение термического сопротивления стенок твердой основы за счет уменьшения их сечения, ухудшение контактов между стенками скелета также значительно улучшают его коэффициент теплопроводности. Снижение теплоты, переда­ваемой радиацией, достигается применением в качестве основы отражающих материалов. Лучшие теплоизолирующие материалы по своим защитным свойствам близки к изоляционным свойствам газа, заполняющего пустоты его структуры.

Помимо высоких теплозащитных свойств, изоляционные мате­риалы должны: - иметь малую объемную массу и невысокую стоимость;

- быть стойкими к увлажнению, обладать пониженной гигроско­пичностью, водопоглощаемостью и паропроницаемостью;

- отличаться хорошими конструктивными характеристиками: быть прочными, эластичными, вибростойкими, морозостойкими, биостойкими (не загнивать под влиянием бактерий и плесени), технологичными;

- быть удобными в эксплуатации: не требовать специального ухода, не вызывать коррозию металла и не способствовать ей, не разрушаться грызунами, иметь длительный срок службы;

- соответствовать нормам санитарии к противопожарной безо­пасности: быть трудносгораемыми или самозатухающими, безвред­ными для здоровья людей, не выделять запахи и не быть воспри­имчивыми к ним.

Существующие изоляционные материалы в различной степени., но не полностью удовлетворяют перечисленным требованиям. По структуре они делятся на слоистые, волокнистые и ячеистые.

Слоистые материалы представляют собой теплоотражающую изоляцию, набранную из тонких листов вещества, хорошо отра­жающего тепловые лучи, например гофрированной алюминиевой фольги (альфоль), которые разделены воздушной средой. Подоб­ные поверхности способны отражать до 93—95% лучистой тепло­вой энергии. Ухудшенный контакт слоев фольги между собой и большое сопротивление теплообмену тонких слоев неподвижного воздуха обусловливают хорошие теплоизолирующие свойства ма­териала. Основными его недостатками являются подверженность коррозии и возможность разрушения грызунами.

Волокнистые материалы (стекловолокно, минеральная вата и т. п.) состоят из беспорядочного переплетения тонких волокон минерального сырья. Наличие большого количества воздушных полостей, а также слабый контакт между волокнами обусловли­вают хорошие изолирующие свойства этого материала. Из-за вредности для здоровья открытых волокнистых материалов в на­стоящее время их изготавливают в виде плит, упакованных в гер­метичные пакеты. Волокнистые материалы имеют повышенную объемную массу и склонны к значительным влагопоглощениям.

Таблица 4.2.

Перечень волокнистых теплоизоляционных материалов, применяемых для судостроения

Ячеистые материалы представляют собой твердую пористую основу, заполненную газом. Весьма перспективными и высокоэф­фективными материалами из этой группы являются пенопласты. Особенно перспективны пенопласты на основе полиуретанов, получаемые непосредственно на месте применения. Исходная смесь в жилых помещениях напыляется струей воздуха на ограждающую поверхность в виде пены, а в рефрижераторных заливается через небольшое отверстие в пространство между об­шивкой корпуса и зашивкой изоляции. Заливаемая или напыляе­мая жидкость во время вспенивания увеличивается в объеме при­мерно в 30 раз, быстро затвердевает, образуя сплошной пенистый •материал без швов. Подобная изоляция оказывается практически непроницаемой для водяного пара и не требует 'специального уст­ройства паро- и гидрозащиты. Кроме того, при ее использовании можно механизировать и автоматизировать изоляционные работы.

Таблица 4.3.

Перечень ячеистых теплоизоляционных материалов, применяемых для судостроения

Согласно Правилам Регистра все металлические поверх­ности судна со стороны охлаждаемого помещения должны быть тщательно изолированы. Изоляционные конструкции, помимо рас­смотренных требований к качеству теплозащитного материала, должны удовлетворять и дополнительным: предохранять изоляцию от увлажнения и повреждения грызунами. Изоляционные конст­рукции подразделяют на три тина: н е п р ор ез а ем ы е стальн ы м набором корпуса (рис. 4.4, а, б), п е р е к р ы в а ющие его, или нормальные (рис. 4.4, в, г], обходящие набор (рис. 4.4, д, е).

а) б)

Рис. 4.4. Типы изоляционных конструкций: а — непрорезаемые стальным набором; б - нормальная изоляционная конструкция.

1 – изолируемая поверхность; 2 – деревянный брусок; 3 – изоляция; 4 – пароизоляция; 5 –деревянная обшивка; 6 – судовой набор.

Конструкции первого типа в основном применяют при изоляции гладких металлических поверхностей: второго дна, палуб, перебо­рок и гладких сторон охлаждаемых помещений. Материалы, вхо­дящие в конструкции этого типа, однородны по коэффициентам теплопроводности {отличаются не более чем в 10 раз), их не про­резает металлический набор корпуса cудна.

Изоляционные конструкции второго типа проре­заются стальным набором, поэтому коэффициенты теплопровод­ности материалов, входящих в конструкцию, отличаются один от другого в сотни раз.

Отличительной особенностью конструкций второго типа (см. рис. 4.4, б,) является ровная наружная поверхность обшивки изоляционного материала, перекрывающая обычный поперечный набор. Их применяют главным образом для изоляции бортов, па­луб, переборок. Конструкция изоляции с высадками (с обходом судового набора) заключается в том, что сплошной слой изоляции огибает набор судна. Применяется такая конструкция при высоких профилях, а также для изолирования рамных профилей набора (карлингсы, стрингеры, бимсы и др.).

Прочность изоляционной конструкции обеспечивается зашивкой, которая крепится к деревянному бруску гвоздя­ми или шурупами. В рефрижераторных трюмах изоляцию второго дна и палуб зашивают сосновыми досками толщиной 40—60 мм •с хорошо проконопаченными швами. На деревянный настил укла­дывают листы из алюминиево-магниевого сплава, стыки которых заваривают при монтаже для создания гидрозащитного покрытия. В провизионных кладовых деревянную зашивку покрывают влагонепроницаемым материалом, армированным стальной оцинкованной проволокой.