Elastyczna izolacja z tworzywa sztucznego

Najważniejszy czynnik decydujący o doborze izolacji to współczynnik przewodzenia ciepła; dobry materiał izolacyjny charakteryzuje się jego jak najmniejszą wartością. W praktyce zastosowanie materiału o niższej przewodności przekłada się na mniejszą grubość izolacji, co pomniejsza koszty jej wykonania.

Materiał izolacyjny powinien być odporny na szybkie zmiany temperatury, działanie wody, przy czym jego właściwości cieplne powinny też być stabilne w czasie. Bardzo ważne jest, aby materiał był odporny na działanie czynników chemicznych i biologicznych, był mało nasiąkliwy i niepalny.

Izolacje, w zależności od metody ograniczania przepływu ciepła, dzieli się na dwa rodzaje:

• izolację masową
• i izolację refleksyjną.

Izolacje masowe to takie, które mogą opóźniać przepływ ciepła przez przewodzenie, podczas gdy izolacje refleksyjne zmniejszają przepływ ciepła przez promieniowanie [4].

Izolacja cieplna oparta na technologii masowej wykorzystuje materiały masowe lub włókniste, takie jak włókna szklane, wełna mineralna, polistyren spieniony (EPS), polistyren ekstrudowany (XPS) itp. Jej opór cieplny zależy od współczynnika przewodzenia ciepła i gęstości lub grubości użytego materiału [5].

Z drugiej strony, izolacja cieplna, korzystająca ze skutecznej technologii, jaką jest bariera refleksyjna, wykorzystuje bardzo cienką warstwę folii aluminiowej o niskiej emisji będącą bardziej skuteczną w ograniczeniu ciepła radiacyjnego. W połączeniu z przestrzenią powietrzną przylegającą do powierzchni o niskiej emisyjności, technologia ta jest dodatkowo odporna na przewodzenie i konwekcyjne przenoszenie ciepła.

Zgodnie z Międzynarodowym Stowarzyszeniem Producentów Izolacji (RIMA-I) [6]: ogólnie przyjęta definicja systemu bariery dla promieniowania określa, że materiał odbijający promieniowanie umieszczony jest w otwartej przestrzeni powietrznej. Podobnie Yarbrough [7] opisał system bariery dla promieniowania mający duże wentylowane lub niewentylowane przestrzenie powietrzne, większe od 0,5 m, przylegające do powierzchni o niskiej emisyjności.

Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM) określa, że emisyjność użytego materiału odbijającego powinna być mniejsza niż 0,10 [6].

Zwykle materiały barierowe składają się z cienkiej warstwy folii aluminiowej nanoszonej jedno- lub dwustronnie na materiale nośnym, takim jak papier pakowy, folie z tworzywa sztucznego, karton itp. w celu wzmocnienia całości konstrukcji izolacji. Stosowane materiały są zwykle pojedynczą warstwą i nie można zmierzyć jej oporu cieplnego [5]. RIMA-I definiuje ten typ izolacji jako izolację cieplną składającą się z jednej lub więcej powierzchni o niskiej emisyjności, ograniczających jedną lub więcej zamkniętych przestrzeni powietrznych.

W przeciwieństwie do bariery dla promieniowania, izolacja odbijająca działa w zamkniętej lub szczelnej przestrzeni powietrznej [5]. Yarbrough [7] stwierdził ponadto, że przestrzeń powietrzna do około 0,25 m w kierunku przepływu ciepła jest wystarczająca do uzyskania skutecznie działającej izolacji. Efektywne izolacje odbijają ciepło promieniowania, zapobiegając przenoszeniu go z jednej strony na drugą z powodu powierzchni odbijającej (lub o niskiej emisyjności) [4]. Ilość wypromieniowanej energii zależy od temperatury powierzchni i współczynnika emisyjności.

Efektywna izolacja wykorzystuje jedną lub więcej powierzchni odbijających o niskiej emisyjności, które otaczają przestrzenie powietrzne [4]. Izolacja odbijająca ma co najmniej jedną powierzchnię odbijającą, która jest skierowana w stronę przestrzeni powietrznej. Jest to istotnie różne od konwencjonalnej izolacji termicznej, której opór cieplny w dużym stopniu zależy od grubości i współczynnika przewodzenia ciepła zastosowanego materiału. W odpowiedniej izolacji cieplnej materiał o niskiej emisyjności i przestrzeń powietrzna odgrywają ważną rolę w systemie izolacji.

Efektywne wkłady izolacyjne do szczegółowej charakterystyki cieplnej zbadano w szeregu publikacji [8-11]. Panele wypełnione gazem (GFP) to nowe zaawansowane zastosowania izolacji termicznej w temperaturze otoczenia. GFP są wykonane z odbijania w podczerwieni (niska emisyjność) i wielowarstwowych powłok otoczonych szczelną barierą i wypełnionych powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym lub gazem o niskiej przewodności [12, 13].

Elastyczna izolacja z tworzywa sztucznego

Wpływ opakowania w procesie rozmrażania jest identyczny, jak w przypadku zamrażania. Opakowanie zwłaszcza wielowarstwowe znacznie wydłuża czas tych procesów. Wynika to przede wszystkim z istnienia warstewki powietrza między produktem a opakowaniem oraz ewentualnie między poszczególnymi warstwami w strukturze opakowania. W czasie przechowywania i w transporcie schłodzonej i zamrożonej żywności jest to zjawisko korzystne (ogranicza fluktuację temperatury produktu). Aby zredukować powstający opór cieplny, w procesie zamrażania stosuje się odpowiedni docisk (zamrażanie kontaktowe płytowe - RYS. 1).

Zapoczątkowana w publikacji [14, 15] idea warstwowych przegród termalnych o anizotropowych właściwościach cieplnych skłoniła autorów do kolejnych rozważań i eksperymentów. Materiałem zastosowanym do budowy izolacji była transparentna, polipropylenowa folia o grubości 50 μm, której warstwy zgrzano podłużnie, tworząc prostokątne, podłużne kanały przedstawione na RYS. 2 [16]. Dalsze analizy autorów dotyczyły właściwości cieplnych jedno-, dwu- i trójwarstwowej wersji izolacji (RYS. 3).

Izolacje wykonywano z cienkich arkuszy folii polipropylenowej zgrzewanych razem, tworząc prostokątne, podłużne komory powietrzne. Wymiana ciepła w tego rodzaju izolacji, poza siłami konwekcyjnymi i przewodnictwem cieplnym folii z tworzywa sztucznego, silnie zależy od wybranych właściwości folii związanych z procesami przenoszenia ciepła przez promieniowanie. Autorzy zastosowali trzy rodzaje folii: przezroczystą, nieprzezroczystą (czarną) i metalizowaną. Każda z nich ma własny poziom transmisyjności, współczynnika refleksyjności i emisyjności.

Celem badań było określenie teoretycznych i praktycznych efektów zastosowania trzech rodzajów folii.

Wymiana ciepła w elastycznej izolacji

Strumień ciepła w prostokątnej strukturze wielowarstwowej obliczany był jako suma:

• przewodzenia przez materiał ścian,
• przewodzenia lub konwekcji przez powietrze,
• promieniowania na wskroś pomiędzy wszystkimi wewnętrznymi warstwami.

Model wymiany ciepła przedstawiony we wcześniejszych publikacjach autorów [14, 15] uwzględniał wymianę ciepła przez promieniowania w szeregu wewnętrznych przegród. Przykładowa trójwarstwowa struktura przedstawiona na RYS. 4 może być analizowana dla przypadku A, gdzie rozważano podgrzewaną górną część izolacji (wówczas pojawia się tryb stagnacji), oraz dla przypadku B, gdzie ogrzewano dno izolacji (wówczas możliwe było pojawienie się sił konwekcyjnych).

Badania eksperymentalne

Do badań eksperymentalnych na Politechnice Wrocławskiej zbudowano rodzaj urządzenia z płytą grzejną (nazywanego aparatem Poensgena, FOT. 1).

Stanowisko testowe aparatury ma dwie płyty: gorącą i zimną z termoelektrycznymi modułami Peltiera.Dla celów eksperymentu temperatura płyty gorącej utrzymywana była na poziomie +20°C, zimnej –20°C, a fluktuacja temperatury w czasie była mniejsza niż ± 0,1°C.

Przeanalizowano dwa przypadki wymiany ciepła:

• wariant izolacji grzanej na górze i chłodzonej na dole, dla którego możliwy jest jedynie stan zastoju (stagnacji) wymiany ciepła (wariant A na RYS. 4),
• wariant izolacji grzanej z dołu i chłodzonej od góry, dla którego możliwe są warunki stagnacji lub konwekcyjnej wymiany ciepła (wariant B na RYS. 4).

Na podstawie wcześniejszych badań [14, 15] podjęto decyzję o przeprowadzeniu walidacji eksperymentu dla izolacji o grubości warstwy h = 6 mm i rozstawie W = 6 mm:

• z liczbą warstw izolacyjnych n = 1, 2, 3,
• z zastosowaniem folii, przezroczystej, nieprzezroczystej (czarnej), metalizowanej (FOT. 2).

Na RYS. 5 autorzy przedstawili zestawienie wyników badań eksperymentalnych temperatury pakietu testowego zmieniającej się w czasie podczas procesu zamrażania (A) i rozmrażania (B) dla kilku wariantów:

• bez owijania izolacją pakietu testowego,
• owiniętego pakietu w izolację składającą się z jednej i trzech warstw, gdzie każdy pomiar wykonany dla przezroczystej, nieprzezroczystej (czarnej) lub metalizowanej folii polipropylenowej.

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych otrzymano następujące wnioski:

• Opór cieplny zależy od liczby nałożonych warstw folii.
• Opór izolacji wielowarstwowej nie zwiększa się proporcjonalnie do ilości warstw.
• Opór cieplny zależy głównie od kształtu struktury izolacji (ściśniętej i bez nacisku).
• Opór cieplny ściśniętej izolacji zależy głównie od przewodzenia, nie zależy od współczynników przezroczystości, emisyjności i współczynnika odbicia.
• Opór cieplny nieściśniętej (luźne fałdy) izolacji zależy głównie od promieniowania i jest silnie związane ze współczynnikami przezroczystości, emisyjności i współczynnika odbicia.
• Czas zamrażania pakietu testowego jest prawie taki sam, niezależnie od zastosowania folii przezroczystej, nieprzezroczystej lub metalizowanej.
• Czas rozmrażania pakietu testowego względem pakietu niezaizolowanego cieplnie zależy w dużej mierze od zastosowania przezroczystej, nieprzezroczystej lub metalizowanej folii i wzrasta:
  - 2× dla folii przezroczystej,
  - 3,7× dla folii czarnej,
  - 4,1× dla folii metalizowanej.

Na podstawie otrzymanych wyników badań można prognozować, że izolacje wielowarstwowe wykonanie z folii komorowych będą miały ok. 20-50% większy opór cieplny, jeśli wykonane zostaną z folii czarnej lub metalizowanej zamiast z przezroczystej. Zjawisko to jest tym silniejsze, im więcej jest warstw folii. Stosowanie folii metalizowanej zwiększa opór cieplny o ok. 10% (tylko) względem folii czarnej.

Literatura

1. R.A. Chopko, "Survey of multi - temperature transport unit refrigeration design", International Congress of Refrigeration, Washington 2003, ICR0428.
2. L. Aditya, T.M.I. Mahlia, B. Rismanchi, H.M. Ng, M.H. Hasan, H.S.C. Metselaar, Muraza Oki, H.B. Aditiya, "A review on insulation materials for energy conservation in buildings”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews" 73/2017, s. 1352-1365.
3. B.T. Griffith, D. Arasteh, E. Selkowitz, "Gas filled panel insulation", United States Patent 5,270,092, 1993.
4. S.W. Leen, C.H. Lim, "Reflective thermal insulation systems in building: A review on radiant barrier and reflective insulation", "Renewable and Sustainable Energy Reviews" 65/2016, s. 643.
5. H.H. Saber, M.C. Swinton, "Determining through numerical modelling the effective thermal resistance of a foundation wall system with low emissivity material and furred-airspace international conference on building envelope systems and technologies", ICBEST2010, 2010, s. 247-257.
6. F. Asdrubali, A.L. Pisello, F. D’Alessandro, F. Bianchi, M. Cornicchia, C. Fabiani, "Innovative cardboard based panels with recycled materials from the packaging industry: thermal and acoustic performance analysis", "Energy Procedia" 78/2015, s. 321-326.
7. Radiant Barrier Fact Sheet, 2010, Oak Ridge Natl Lab.
8. H.H. Saber, W. Maref, M.C. Swinton, C. St-Onge, "Thermal analysis of above-grade wall assembly with low emissivity materials and furred airspace", "Build Environ" 46/2011, s. 1403-1414.
9. H. Saber, W. Maref, M. Swinton, "Numerical investigation of thermal response of basement wall systems with low emissivity material and furred airspace", 2011.
10. H.H. Saber, W. Maref, "Effect of furring orientation on thermal response of wall systems with low emissivity material and furred­‑airspace. BEST 3: The Building Enclosure Science and Technology Conference Proceedings 2012", s. 1-15.
11. Department of Energy US, Gas Filled Panels, 2009.
12.  R. Baetens, B.P. Jelle, A. Gustavsen, S. Grynning, "Gas-filled panels for building applications: a state-of-the-art review", "Energy Build" 42/2010, s. 1969-1975.
13. "Reflective Insulation Manufacturers Association International (RIMA-I)", "Understanding and Using Reflective Insulation, Radiant Barriers and Radiation Control Coatings", 2014.
14. J. Kasperski, B. Grabowska, "Optimizing the thermal effectiveness of an insulation wrap with internal folded polypropylene film for the transportation of frozen food", "International Journal of Refrigeration", 2016.
15. J. Kasperski, B. Grabowska, "The effect of plastic film transmittance on heat transfer in a multilayer insulation structure of rectangular air cells for frozen food wrapping", "International Journal of Refrigeration", 2018.
16. B. Grabowska, Patent Application No. PL385657 (in Polish), 2008.
17. B. Grabowska, J. Kasperski, "Modeling of Thermal Properties of Thermal Insulation Layered with Transparent, Opaque and Reflective Film",  "Journal of Thermal Science", 2018.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!