Jaki jest wpływ ściskania izolacji pod wpływem siły docisku na jej właściwości termiczne?

Siły zwarcia w przemysłowych prasach grzewczych stosowanych do laminowania, formowania kompozytów i klejenia paneli drewnianych mogą wynosić od kilku ton do setek ton. Kiedy prasa zamyka się pod wpływem ton nacisku, tylna izolacja zostaje ściśnięta. Z biegiem czasu to ściskanie może trwale pogorszyć jego grubość i, co ważne, jego odporność na przepływ ciepła. Skuteczność izolacji powoli maleje, często bez ostrzeżenia. Zrozumienie związku pomiędzy siłą ściskającą izolacji a wydajnością cieplną jest ważne przy projektowaniu energooszczędnych i trwałych urządzeń do obróbki cieplnej.

Mechanizm: uszkodzenie oporu cieplnego poprzez ściskanie
Większość izolacji wysokotemperaturowych opiera się na kieszeniach uwięzionego powietrza lub gazu, które spowalniają przepływ ciepła. W wełnie mineralnej włókna tworzą sieć mikroskopijnych szczelin powietrznych. Porowata substancja stała krzemianu wapnia zatrzymuje stojące powietrze. W płytach mikroporowatych pory-w skali nano uniemożliwiają ekstremalną konwekcję gazów. Wszystkie te metody opierają się na obecności struktur o małej gęstości i dużej-objętości pustych przestrzeni.

Zatem izolacja jest poddawana naprężeniom ściskającym, gdy przyłożona jest siła zaciskająca. Struktura zaczyna się rozpadać:

Przestrzenie powietrzne kurczą się lub całkowicie uszczelniają.

Włókna lub cząstki stają się ściślej upakowane.

Zwiększa stałe, stałe ścieżki przewodzenia.

Gęstsza substancja jest lepszym przewodnikiem ciepła. Efektywny opór cieplny (wartość R-) zmniejsza się wraz ze wzrostem przewodności cieplnej materiału. Na przykład płyta z wełny mineralnej o grubości 25 mm ściśnięta do 20 mm może stracić 20% lub więcej swojej skuteczności izolacyjnej. Jeśli ściskanie jest większe niż granica sprężystości materiału, efekt jest trwały. - większość włóknistych i porowatych izolacji nie odskakuje całkowicie po cyklach dużego obciążenia.

Pomiar efektu: oceny wytrzymałości na ściskanie
Producenci izolacji zwykle podają wytrzymałość na ściskanie przy określonym procentowym odkształceniu, zwykle przy odkształceniu 5% lub 10%. Materiał o ciśnieniu znamionowym 200 kPa przy ściskaniu 5% po przyłożeniu ciśnienia 200 kPa (około 20 ton na metr kwadratowy) zmniejszy grubość o 5%. Poniżej tego progu izolacja pozostaje w większości nienaruszona. Postępujące zapadanie się nad nim powoduje szybszą degradację wydajności cieplnej.

Specyfikator jest odpowiedzialny za dopasowanie wytrzymałości izolacji na ściskanie do ciśnienia procesowego generowanego przez mechanizm zaciskający prasy. Typowe pułapki obejmują

Miękka wełna mineralna o małej gęstości (wytrzymałość na ściskanie < 50 kPa) w prasach o nacisku zwarcia 500 kPa.

Nie biorąc pod uwagę, że lokalne skoki ciśnienia (np. na żebrach podporowych lub kołkach prowadzących) mogą być znacznie wyższe niż średnie ciśnienie prasy.

Strategie łagodzące: materiały o dużej wytrzymałości na ściskanie
Materiały izolacyjne muszą mieć wytrzymałość na ściskanie większą niż maksymalne przewidywane ciśnienie zaciskania,-uwzględniając marginesy bezpieczeństwa na wypadek nierównego rozkładu obciążenia,-aby nie utracić wydajności. Następujące materiały zostały sprawdzone w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń:

Krzemian wapnia o dużej gęstości (większy lub równy 300 kg/m3) • Wytrzymałość na ściskanie 500 kPa do 1000 kPa przy 5% odkształceniu. Do użytku z większością pras przemysłowych.

Sztywna izolacja mikroporowata (np. płyty na bazie krzemionki koloidalnej): Wytrzymałość na ściskanie często przekracza 1000 kPa przy odkształceniu 5-10%. Przewodność cieplna jest bardzo niska (0,021 W/mK w temperaturze 200 stopni). Ta kombinacja jest idealna do zastosowań wymagających wysokiej temperatury i dużych sił.

Compressed ceramic fibre boards (high-density grades >400 kg/m3): Zapewniają wytrzymałość na ściskanie ~400–800 kPa, jednakże produkty o większej gęstości mają niższą wewnętrzną wydajność cieplną niż ich odpowiedniki mikroporowate.

Koce aerożelowe (aerżel krzemionkowy ze wzmocnieniem z włókna szklanego) mają zazwyczaj niewielką wytrzymałość na ściskanie, około 100–300 kPa przy 5–10% odkształceniu. Wydajność przy dużej sile mocowania, pracę ciągłą należy sprawdzić na podstawie danych producenta. W przypadku pras o wyższych parametrach nie należy używać aerożelu, chyba że jest on-nieobciążony (np. za sztywną płytą obciążającą).

Załaduj płyty dystrybucyjne, aby zmniejszyć lokalną kompresję
Naprężenia punktowe pochodzące od elementów konstrukcyjnych, takich jak śruby mocujące, kołki wyrównujące, żebra usztywniające itp. mogą powodować miejscowe ściskanie znacznie powyżej normalnego ciśnienia, nawet przy izolacji o wysokiej wytrzymałości. Prostym i skutecznym środkiem zaradczym jest zastosowanie płyt rozkładających obciążenie:

Płyta ze stali miękkiej lub aluminium pomiędzy ramą prasy a izolacją.

Rozprasza skupione siły na większym obszarze.

Ogranicza maksymalne naprężenie ściskające izolacji do jej wartości znamionowej.

W przypadku bardzo dużych sił mocowania można zastosować metodę dwuetapową. Cienka-płyta mikroporowata o wysokiej wytrzymałości jest umieszczana bezpośrednio na płycie grzewczej (wytrzymuje ściskanie), a za nią tańsza płyta krzemianowo-wapniowa o niższych naprężeniach dzięki rozkładowi obciążenia.

Ukryty koszt zignorowanej kompresji
Izolacja poddana ciągłemu ściskaniu stopniowo traci swoje właściwości izolacyjne. Tej degradacji nie można zaobserwować spoza zespołu prasy. Strata ta może pozostać niezauważona przez operatorów do czasu znacznego wzrostu zużycia energii lub pogorszenia się równomierności temperatury, bez okresowego demontażu i pomiaru grubości. W niektórych przypadkach ściśnięta izolacja może generować niebezpiecznie wysokie temperatury w zewnętrznej strukturze prasy, powodując straty energii i zagrożenia bezpieczeństwa.

Tę ukrytą degradację rozwiązuje się za pomocą techniki wydajności cieplnej, która ustala siłę docisku izolującego. Aby rozwiązać ten problem, należy upewnić się, że wytrzymałość materiału na ściskanie odpowiada ciśnieniu procesowemu, w razie potrzeby zastosować płyty rozkładające obciążenie i wybrać nowoczesne materiały, takie jak krzemian wapnia o dużej gęstości lub sztywne płyty mikroporowate, które łączą niską przewodność cieplną z dużą-nośnością.

Wniosek
Ignorowanie naprężeń ściskających izolację prowadzi do cichej, pogłębiającej się utraty sprawności cieplnej. Izolacja musi być zaprojektowana równie starannie, jak same grzejniki. Projektanci mogą zmniejszyć utratę grubości, zapewnić stałą wartość R- i zwiększyć żywotność pras termicznych, określając materiały o obciążalności, takie jak krzemian wapnia o dużej gęstości lub izolacja mikroporowata, w tym płyty rozkładające obciążenie. Dane dotyczące wytrzymałości na ściskanie przy określonym odkształceniu (często 5% lub 10%) powinny być wymaganą pozycją w każdej specyfikacji zamówienia izolacji dla zaciskowych systemów grzewczych.