[Tisk]  [Poslat e-mailem]  [Hledat v článcích]
Nový přístup k chladovým izolacím
– tepelná izolace s kapilárně vodivou tkaninou
Datum: 7.3.2008
Autor: Ing. Vít Koverdynský - Vysoké učení technické, Stavební fakulta, Ústav TZB,
Izolování rozvodů chladu je spojeno s řešením problematiky kondenzace vodní páry. Povrchová teplota potrubí je nižší než teplota rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu, která se dostane k chladnému povrchu potrubí, zkondenzuje. Srážení vlhkosti je velmi vážným problémem, protože způsobuje odkapávání z povrchu izolace. Stále kapající kondenzát může narušit pracovní režimy, způsobit stavební vady, korozi, atd. Proto je výběr druhu izolačního materiálu pro chladicí zařízení a výpočet jeho správné tloušťky důležitou prací projektanta. Potrubí s chladicí látkou je nutné izolovat minimálně tak, aby se zvýšila teplota na jejím vnějším povrchu nad teplotu rosného bodu okolního vzduchu. I za tohoto stavu však stále dochází k prostupu vodní páry izolací směrem k chladnému potrubí. To vede, v závislosti na vlastnostech izolace, k větší nebo menší akumulaci vlhkosti.

Pro minimalizaci akumulace vlhkosti v izolaci je využíváno třech principiálních metod, které jsou v souladu s mezinárodním standardem EN 14114 [7]:

  • a) Instalace parozábrany na vnějším povrchu izolace;
  • b) Použití izolačního materiálu s vysokým faktorem difúzního odporu (izolace s nízkou paropropustností) – elastomerické izolace (např. syntetický kaučuk), pěnové sklo;
  • c) Použití parozábrany a kapilárně vodivé tkaniny pro nepřetržité odvádění zkondenzované vodní páry z povrchu potrubí do okolního prostředí. Tato nová a netradiční metoda je dále vysvětlena ve článku.

Princip funkce izolace s kapilárně vodivou tkaninou

Jedním z faktorů, který stál za vývojem izolace s kapilárně vodivou tkaninou bylo, že dokonale utěsněný izolační systém zcela omezující průnik vodní páry je v praxi neproveditelný. I na perfektně provedeném těsném izolačním systému se v průběhu užívání objeví netěsnosti, mezery ve spojích či mechanická poškození.

Přemístění zkondenzované vodní páry z povrchu potrubí je možné užitím kapilárně vodivé tkaniny, která umožní transport vlhkosti v tekuté fázi z místa s vyšším parciálním tlakem do místa s nižší parciálním tlakem. Toto řešení lze použít pouze pro povrchovou teplotu potrubí nad teplotu tuhnutí vody, tj. nad 0 °C. [1, 4]

Izolační pouzdro zobrazené na obrázku 2 má vnitřní vložku z tkaniny s dobrými kapilárně vodivými vlastnostmi. Tkanina prochází drážkou a vyčnívá na vnější povrch izolace. Rychlost vypařování z vyčnívající části tkaniny byla testována Prof. Korsgaardem (z Dánské technické univerzity) a je popsána ve [3]. Výsledky ukázaly, že nejvyšší rychlost odpařování je pro vyčnívající část tkaniny 10 mm a více (avšak v rozmezí 10 až 75 mm byla rychlost odpařování stejná). Proto byla pro výrobu zvolena šířka okolo 15mm. U horizontálních potrubí se doporučuje umístit pouzdro do pozice s drážkou dolů (což je pozice o 180° otočená oproti běžným zvyklostech při izolování potrubí). V této poloze gravitace napomůže s odstraňováním zkondenzované vodní páry.

Zkondenzovaná vodní pára je z povrchu potrubí absorbována tkaninou. Se vzrůstajícím množstvím absorbované vody se zaplní meziprostor tkaniny a kapilární vedení způsobí pohyb kondenzátu směrem k suším oblastem tkaniny. Kapilární vedení podpořené vlivem gravitace, přemístí kondenzát skrz drážku na vnější povrch izolace, odkud se může odpařit do okolního vzduchu. Jev funguje tak dlouho, dokud je teplota rosného bodu okolního vzduchu pod povrchovou teplotou opláštění izolace. [2]

Pokud je teplota rosného bodu rovna či vyšší než povrchová teplota opláštění, dojde ke kondenzaci na povrchu opláštění a může nastat odkapávání (také z vyčnívající části tkaniny). Neznamená to však, že vodní pára kondenzující na chladném povrchu potrubí se bude akumulovat v izolaci. Zkondenzovaná vodní pára bude nadále vysávána tkaninou a izolace může zůstat suchá.

Drážku v parozábraně, skrz kterou vyčnívá tkanina, lze považovat za mezeru v opláštění. Vodní pára však nemůže difundovat přes drážku, jakmile je tkanina nasycena vodou. Vysvětlení je následující. V počátečním období, když je tkanina suchá, dojde k difúzi vodní páry z okolního vzduchu směrem k chladnému potrubí. Je-li například v místnosti teplota 22 °C a relativní vlhkost 70 %, parciální tlak vodní páry je 1850 Pa. Pokud je teplota povrchu potrubí 5 °C, tlak vodní páry při nasycení je 870 Pa. Rozdíl tlaků bude 980 Pa směrem k potrubí. Po nějaké době (řádově ve dnech) tkanina zvlhne a parciální tlak vodní páry v drážce se zvýší téměř na stav nasycení při okolní teplotě, jenž by činil 2650 Pa. Dojde k vysychání vyčnívající tkaniny do okolního vzduchu, kde je parciální tlak nižší. Vodní pára následně může do izolace difundovat pouze skrz parozábranu a přes možné trhliny v opláštění, způsobené např. mechanickým poškozením.

Experimentální testování izolace

Experimenty jsem provedl v laboratoři na Dánské technické univerzitě v Kodani. Toto experimentální testování, finančně podpořené firmami Saint-Gobain Orsil a Isover Scandinavia, prokázalo funkčnost izolace s kapilárně vodivou tkaninou a schopnost kompenzovat špatně provedenou izolatérskou práci či netěsnosti vzniklé během životního cyklu izolace. Definovalo také určitá omezení, která je nutné při aplikaci vzít v úvahu. Detailní popis všech prováděných pokusů je popsán v disertační práci [6], část výstupů byla publikována v [5]. Základní experiment dokazující funkčnost izolace bude popsán dále v této kapitole. Vzorky izolačních pouzder (obr. 3) jsem testoval v horizontálním zkušebním kanále. Pro udržení konstantní vlhkosti uvnitř zkušebního kanálu jsem využil nasycený solný roztok NaCl, jenž je v rovnovážném stavu nasycení při relativní vlhkosti 75 %. Pro zajištění průtoku uvnitř potrubí, z jedné strany zaslepeného, bylo použito typu potrubí „trubka v trubce“. Každé zkušební potrubí se skládalo ze dvou koncentrických trubek, kde vnější trubka sloužila jako přívod a vnitřní jako zpátečka. Tato konfigurace bude dále nazývána „chladný prst“. Dovoluje pravidelné sundávání a vážení vzorků pro určení změny hmotnosti. Chladicí jednotka udržovala teplotu vody v potrubí okolo +6°C. Jedná se o nejběžnější teplotu rozvodu chladu vyskytující se v praxi.

Dva vzorky jsem udělal z 1” černé trubky o délce 0,65 m, které jsem opláštil izolačními pouzdry délky 0,6 m s vnějším průměrem 92 mm. Tloušťka použité izolace byla 30 mm. Konce izolačních pouzder jsem zakryl PVC mezikružím. Obvodový styk pouzdra a mezikruží jsem utěsnil silikonovým tmelem tak, aby ze strany vzorku nedocházelo k nežádoucí difúzi vodní páry. Šířka vyčnívající části tkaniny byla 13 mm. Tyto dva vzorky jsem nejdříve zvážil a poté umístil na chladný prst. Testovací období trvalo dva měsíce. Během celého období byla průměrná teplota v kanále 20 °C, průměrná relativní vlhkost 71 % a průměrná povrchová teplota potrubí 6 °C.

Jeden ze vzorků jsem instaloval s předem navlhčenou tkaninou (proto, aby bylo kapilární vedení aktivní ihned po instalaci vzorku). Druhý vzorek byl suchý. Na obr. 4 je možno vidět, že u vzorku 2 (s počátečně suchou tkaninou), došlo během prvních dvou dnů k prudkému nárůstu hmotnosti. Následně se hmotnost vzorku ustálila na konstantní hodnotě. Toto odpovídá předpokladu, že v počátečním období musí dojít k akumulaci vlhkosti, než se tkanina nasytí. Vzorek 1, který měl předem navlhčenou tkaninu, začal okamžitě odvádět zkondenzovanou vodní páru skrz drážku do vyčnívající části tkaniny. Po třech dnech bylo dosaženo stavu rovnováhy - difúze vodní páry do systému se rovnala kapilárnímu vedení kondenzátu ze systému. Za rovnovážného stavu nedochází k dalšímu zvyšování obsahu vlhkosti v izolaci a ta proto může plnit svoji tepelně-technickou funkci.

Data z experimentu ukazují, že nárůst hmotnosti byl zhruba 5 až 6 g na vzorek. 100% nasycení tkaniny by odpovídalo nárůstu hmotnosti o 12 g na vzorek (20 g/m). Z toho je možné usoudit, že (1) měřený nárůst vlhkosti je obsažen pouze v tkanině (což znamená, že vlastní izolace je suchá) a (2) tkanina je nasycená méně než z 50%.

V 16. dni (ozn. 1) jsem tkaninu vzorku 1 navlhčil vstříknutím 6ml vody. Během tří dnů obsah vlhkosti v tkanině klesl na stejnou úroveň, jaká byla před navlhčením. Ve dnech 21 (ozn.2) a 24 (ozn. 3) jsem tkaninu opět navlhčil 6ml vody, avšak nyní jsem vzorek otočil do pozice s drážkou nahoru. Jak je možno vidět, tkanina odváděla vlhkost i bez pomoci gravitace, tzn. pouze kapilárním vedením. Od 24. do 56. dne byly vzorky v rovnovážném stavu. 56. den (ozn. 4) jsem vypnul chladicí jednotku. Během následujících čtyř dnů se ze vzorků do okolního vzduchu odpařila všechna vlhkost a vzorky tak byly suché stejně jako před experimentem. Z výsledků je patrné, že u izolačního pouzdra nezáleží na jeho orientaci. Kapilární vedení tkaniny je dostatečně silné na to, aby odvedlo vlhkost difundující k chladnému potrubí, i když je v pozici s drážkou nahoru.

Zásady pro instalaci

Způsob instalace izolace s kapilárně vodivou tkaninou je podobný způsobu izolování tepelných rozvodů trubicemi z minerální vlny. Tato izolace však může být použita nejen na nové rozvody, ale i na výměny izolací na rozvodech, které jsou v provozu. Tloušťka izolace musí být minimálně taková, aby povrchová teplota opláštění byla vyšší než teplota rosného bodu.

V aplikacích, kde hrozí zvýšené riziko poškození vnějšího povrchu izolace či tam kde jsou vysoké hygienické požadavky, a kde je nutné zajistit efektivní čištění povrchu izolace (např. v potravinářském průmyslu), je vhodné použít druhého opláštění. V tomto případě je však nutné dbát na to, aby mezery v druhém plášti či perforování pláště přímo nad vypařovací plochou nebyly utěsněny. Utěsnění vypařovací plochy by způsobilo nefunkčnost systému.

Izolace je vhodná pro chladové či duální rozvody v rozmezí teplot 0 °C až 250 °C. Horizontální rozvody by měly být instalovány v pozici s drážkou dolů (tato otočení se liší od běžných trubic z minerální vlny o 180°). Experiment však dokázal, že systém bez problému pracuje také v pozici s drážkou nahoře (bod 2 a 3 v obrázku 4).

Během instalace je třeba zabezpečit pozici tkaniny na místě během posouvání, otáčení či napojování dalších izolačních úseků. Jednotlivé potrubní úseky je nutné k sobě srazit na doraz a spoj přelepit hliníkovou páskou. Všechny konce úseků (např. konce u přírub a ventilů) je také nutné přelepit hliníkovou páskou.

             

U vertikálních rozvodů je vhodné podélnou vypařovací plochu přelepit hliníkovou páskou. Předejde se tak možnému zvýšenému vnikání okolního vlhkého vzduchu do systému vlivem komínového efektu. Dále je nutné zajistit návaznost tkaniny z jednotlivých izolačních pouzder. Tím se docílí toho, že vlhkost, která se k chladnému potrubí může dostat například mechanicky poškozenou parozábranou na vnějším povrchu izolace bude tkaninou odvedena do místa, odkud se bude moct odpařit, tj. k nejbližšímu horizontálnímu úseku (zejména pod stoupačkou). V případě, kdy pod stoupačkou není horizontální potrubí nebo je vypařovací oblast kratší než 15 cm, je vhodné nechat 10 až 15 cm vypařovací plochy nad spodním kolenem nezalepenou, případně zvětšit vypařovací plochu podle Obr. 6. U vertikálních rozvodů ve zvlášť nepříznivých podmínkách (vysoká teplota a vysoká relativní vlhkost) by se vlhkost ze stoupačky mohla akumulovat v izolaci spodního kolena pod stoupačkou. Za těchto podmínek je nutné použít druhého opláštění (vhodné zejména PVC), pro zpomalení difúze vlhkosti do systému.

Kolena, příruby, ventily a další armatury musí být 100% omotány tkaninou (viz Obr. 7). Tkanina by měla přesahovat minimálně 3 cm na navazující tkaninu izolačního pouzdra pro zajištění průběžné kapilární cesty s přilehlou izolací. Tloušťka izolace by měla být stejná jako u přilehlého rovného úseku. Spoj izolace armatury s izolací rovného úseku musí být přelepen hliníkovou páskou pro vytvoření těsnosti parozábrany.

Více vlhkosti se může do izolace dostat, pokud by podélná drážka byla příliš rozevřená. Vodní pára by okolo tkaniny mohla proniknout přes difúzně propustnou izolaci. Toto zvýšené pronikání je nebezpečné pouze u vyšších relativních vlhkostí v kombinaci se zvýšenou teplotou. Existují tři způsoby, jak zaručit uzavření podélné drážky. Prvním a nejvhodnějším je přelepení podélného spoje děrovanou hliníkovou lepicí páskou (Obr. 8 nahoře). Druhým způsobem je omotání pouzdra mosazným nebo měděným drátem po celé délce potrubí (Obr. 8 dole).

Třetím nejjednodušším způsobem, který byl využit i při testování, je uzavření pouzdra příčným přelepením hliníkovou páskou po vzdálenostech okolo 30 cm. Páska musí být omotána kolem celého obvodu izolace s přesahem několika cm, aby po určitém čase nedošlo k odlepení pásky. Příčné přelepení nesmí být příliš těsné, aby se na plášti nevytvořily nerovnosti.

Závěr

Tepelná izolace ze skleněné vlny, uvnitř které je kapilárně vodivá tkanina, dokáže úspěšně předejít akumulaci vlhkosti v izolaci potrubních rozvodů s povrchovou teplotou nižší než je teplota rosného bodu okolního vzduchu. Kapilárně vodivá tkanina slouží k absorpci zkondenzované vodní páry z povrchu potrubí a k jejímu transportu, vlivem kapilárního vedení a gravitace, na odpařovací plochu na vnějším povrchu izolace, odkud se vlhkost odpařuje do okolního prostředí. Izolace zůstává suchá a tak je splněn předpoklad udržení počáteční tepelné vodivosti izolace po celou dobu její životnosti.

Výhody izolace s kapilárně vodivou tkaninou:

- Aktivní element (kapilárně vodivá tkanina) udržuje strukturu izolace suchou. Nedochází ke zvyšování tepelné vodivosti izolace λ, zkondenzovaná vodní pára je obsažená pouze ve tkanině. Za běžně se vyskytujících podmínek je tkanina ze 40 až 50 % nasycená.
- Není třeba lepidla. Jedná se o izolaci, která nemusí mít difúzně dokonale těsné opláštění, protože tkanina všechen kondenzát z potrubí odvede do okolního vzduchu.
- Izolace je vyrobena ze skleněné vlny, je nehořlavá (třída reakce na oheň A2 dle ČSN EN 13501-1).
- Izolace může být užita přímo na potrubí v provozu (tkanina odvede zabudovanou vlhkost do okolního prostředí). Chladicí systém není nutno kvůli izolování rozvodů vypínat.
- Produkt je vyroben z 80% z recyklovaného skla a je dále recyklovatelný.
- Izolace se vyrábí ve větších izolačních tloušťkách. Navýšení tloušťky je u izolace z minerální vlny mnohem levnější než u jiných typů chladových izolací (kaučuk, pěnové sklo). Sníží se tím tepelné zisky z okolí, což sebou nese výhodu snížení spotřeby elektrické energie nutné pro pohon kompresoru.

Nevýhody izolace s kapilárně vodivou tkaninou:

- Izolace nemůže být použita pro podnulové teploty. Její použití je možné pouze u duálních rozvodů, kdy se nižší teplota než 0 °C vyskytuje v krátkém časovém období (max. tři dny, je-li izolace bez druhého opláštění). Experimenty ukázaly, že pro teploty potrubí okolo -5 °C, dojde ke zvýšení hmotnosti na stav nasycení tkaniny za tři dny. Pokud by byl časový úsek delší došlo by k zmrznutí kondenzátu v izolaci přilehlé ke tkanině a postupně by se tato oblast se zmrzlým kondenzátem zvětšovala. Je-li použito druhého opláštění, které omezí difúzi vodní páry do systému (např. PVC s nezalepeným podélným spojem), toto období se může prodloužit až na 50 dní. V periodě, kdy je povrchová teplota nad nulou, zmrzlá vlhkost roztaje a bude odsáta tkaninou do okolního prostředí.
- Izolaci nelze použít pro aplikace, které neumožní vypařování z vyčnívající části tkaniny, jako např. rozvody zasypané zeminou.

Literatura

[1] ASHRAE Handbook 2005 - Fundamentals, Chapter 26, pp 26.10, USA, Atlanta: ASHRAE, Inc., 2005, ISBN 1-931862-71-0.
[2] CRALL C., Chill out! Insulation Outlook, August 2004, pp 14 – 22.
[3] KORSGAARD V., Innovative Self-drying Concept for Thermal Insulation of Cold Piping. Insulation Materials: Testing and Applications: Third Volume, ASTM STP 1320, R.S. Graves and R.R. Zarr, Eds., American Society for Testing and Materials, 1997, pp 416-425.
[4] KORSGAARD V., HygroWick, The Self-Drying Concept for Thermal Insulation of Cold Piping. Invited lecture given to the FESI – Congress, Lucerne, 2nd October 1998.
[5] KOVERDYNSKÝ V., Tepelná izolace s kapilárně aktivní tkaninou pro rozvody chladu, VVI, 15. ročník, 1/2006, strana 49 – 54, STP, Praha, ISSN 1210-1389.
[6] KOVERDYNSKÝ V., Self-Drying Insulation for Cold Piping, Ph.D. Thesis, Vysoké učení technické, Brno, 2007, 143 stran.
[7] EN 14114, Hygrothermal Performance of Building Equipment and industrial installations – Calculations of Water Vapour Diffusion – Cold Pipe Insulation systems, European Committee for Standardization, March 2002.

 Hodnocení
Zhodnoťte, jak se Vám článek líbil (1 = výborný ... 5 = špatný)
 
průměrné hodnocení: 1,2 (počet známek: 5) 

Diskuze ke článku
V diskuzi není žádný příspěvek
Přihlášení/odhlášení odběru příspěvků e-mailem:
váš e-mail:

Podmínky užívání portálu TLAKinfo.
Připomínky, náměty a dotazy - redakce portálu.
© Copyright DEKRA CZ, a.s. 2005-2019, všechna práva vyhrazena.