Теплоизолирующая панель

Решение относится к конструкциям панелей для промышленного и гражданского строительства и может быть использовано в качестве наружных ограждающих конструкций, теплоизоляционных и несущих конструкций зданий, сооружений, кровельных покрытий, изотермических автомобильных фургонов, контейнеров, рефрижераторов и т.п.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат - получение теплоизолирующих панелей, имеющих достаточную прочность и жесткость, позволяющую создавать бескаркасные теплоизолирующие конструкции, работающие в условиях высоких динамических нагрузок на транспорте, и имеющие коэффициент теплопередачи существенно ниже, чем у рулонного утеплителя, выбранного в качестве прототипа, а так же и у других традиционных теплоизолирующих материалов.

Технический результат достигается тем, что в слое теплоизоляционного материала формируют разделенные перемычками плоские воздушные полости параллельно поверхностям панели не менее, чем в два слоя, причем, в разных слоях полости могут быть расположены в шахматном порядке, суммарная площадь перемычек между соседними полостями, расположенными в одном слое, не превышает 15-20% от общей площади панели, а в каждой воздушной полости параллельно стенкам с наибольшей площадью располагают с воздушными зазорами один или несколько тепловых отражателей.

Полезная модель относится к конструкциям панелей для изготовления изотермических автомобильных фургонов, контейнеров, рефрижераторов, а так же промышленного и гражданского строительства и может быть использована в качестве наружных ограждающих конструкций, теплоизоляционных и несущих конструкций зданий, сооружений, кровельных покрытий

Степень теплоизоляции автомобильных фургонов и любых других теплоизолированных объемов характеризуется так называемым общим коэффициентом теплопередачи К. Его физический смысл - мощность теплопередачи в Ваттах через 1 м² поверхности, через которую происходит теплообмен теплоизолированного объема с внешней средой, при разности температуры воздуха снаружи и внутри объема 1°С. Размерность коэффициента теплопередачи Вт/м²°С.

Предельные значения коэффициента теплопередачи для разных классов теплоизолированных автомобильных фургонов определены в «Соглашении о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок (СПС)».

Текст соглашения СПС на сайте http://live.unece.org/trans/main/wp11/atp.html

Фургон считается фургоном с усиленной теплоизоляцией, если его коэффициент теплопередачи не выше 0,4 Вт/м²°С. Только такие фургоны рекомендуется использовать для транспортировки замороженной продукции при температуре до -20°С.

Если данный коэффициент больше 0,4 Вт/м²°С, но не превышает 0,7 Вт/м²°С, такие фургоны считаются обычным изотермическим и рекомендуются для перевозки охлажденных продуктов при температурах от -5 до +5°С.

Фургоны, имеющие коэффициент теплопередачи более 0,7 Вт/м²°С, вообще не считаются изотермическими, и на них не принято устанавливать холодильное оборудование.

Для изготовления изотермических фургонов чаще всего применяют сэндвич-панели, представляющие собой многослойные конструкции, имеющие внешние обшивки из листового материала и между ними слой теплоизолятора, склеенные между собой клеем.

Общий коэффициент теплопередачи изотермического фургона, собранного из таких панелей, в первую очередь, определяется коэффициентом теплопроводности и толщиной теплоизоляционного материала и может быть вычислен по формуле К=/d, где - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала в Вт/м²°С, d - толщина слоя теплоизолятора в метрах.

Теплоизоляционные материалы, традиционно применяемые для изготовления сэндвич-панелей, пенопласт, экструдированный пенополистирол, пенополиуретан имеют коэффициент теплопроводности 0,03-0,04 Вт/м ²°С и, как правило, обеспечивают получение коэффициентов теплопередачи изотермических фургонов, удовлетворяющие требованиям СПС.

Однако нередко встречаются ситуации, когда теплопередача в теплоизолированный объем при использовании традиционных материалов оказывается слишком высокой. Например, когда невозможно применить теплоизолятор достаточной толщины. Типичный пример - необходимость погрузки в изотермический фургон двух европаллет, требующих внутренней ширины фургона 2500 мм, в то время, как предельная допустимая ширина фургона, определяемая ПДД, составляет 2600 мм, то есть стенка фургона не может быть сделана толще 50 мм.

Другой типичный пример - изотермический фургон с холодоаккумуляторной (эвтектической) холодильной системой, для успешной работы которой коэффициент теплопередачи фургона должен быть не более 0,3 Вт/м²°С, а габариты фургона и перевозимого груза не позволяют сделать толщину теплоизолятора больше 100-120 мм.

В таких случаях применяют более сложные конструкции теплоизолирующих панелей.

Так известно вакуумное теплоизоляционное изделие (Патент РФ 2144595), предназначенное для использования в строительстве, а также для теплоизоляции рефрижераторов, холодильников, теплоэнергетического и технологического оборудования и др., выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, в котором основание и крышка корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, опирающимися на промежуточный опорный элемент, выполненный в виде несущей рамки с натянутой на нее сеткой.

Суть указанного изобретения в применении в качестве теплоизолятора вакуума, коэффициент теплопроводности которого равен нулю и теплопередача конструкции с вакуумом в качестве теплоизолятора обусловлена только лишь радиационными эффектами (теплопередача излучением) и утечками тепла через края конструкции. Такая теплоизоляция давно применяется в сосудах Дьюара.

Недостатком изобретения является то, что легко реализуемая на практике конструкция сферического или цилиндрического сосуда Дьюара, становится крайне трудной для реализации в случае плоской формы теплоизоляционного изделия. Атмосферное давление стремится сплющить плоский сосуд с вакуумом внутри с силой 10 тонн на м², что вынуждает помещать внутрь герметичной оболочки сложную поддерживающую конструкцию, чрезвычайно удорожающую теплоизоляционное изделие и увеличивающее его вес. Стоимость и изотермического фургона, изготовленного из таких панелей была бы совершенно неприемлемой для массового применения. Нарушение герметичности оболочки приводит к потере теплоизолирующих свойств конструкций из таких панелей.

Известны вакуумные теплоизолирующие панели, которые представляют собой герметичную гибкую оболочку, наполненную высокопористым веществом (перлит). Из оболочки откачан воздух. Производство налажено немецкой фирмой va-Q-tec AG (информация на сайте http://va-q-tec.com). В этом случае, в отличие от предыдущего, роль поддерживающей оболочку конструкции играет пористый наполнитель. Коэффициент теплопроводности таких теплоизолирующих плит существенно ниже, чем у самых лучших традиционных теплоизоляторов из вспененных материалов. Однако вес 1 м² таких плит превышает 100 кг, что существенно выше, чем у вспененных материалов, а высокая цена таких изделий совершенно неприемлема для изготовления изотермических фургонов. Кроме того, нарушение герметичности оболочки приводит к потере, как и в предыдущем примере, теплоизолирующих свойств конструкций из таких панелей.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий к предлагаемому решению патент 345723 - Рулонный утеплитель, содержащий вспененный полиэтилен, покрытый алюминиевой фольгой, отличающийся тем, что на поверхности фольги по длине рулона расположены прокладки из эластичного теплоизолирующего материала, на которых закреплено ограничивающее полотно из полиэтиленовой пленки.

Конструкция рулонного утеплителя представлена на Фиг.1

Суть изобретения в том, что в слое теплоизолирующего материала 3 присутствуют полости, отделенные друг от друга прокладками 4 и заполоненные воздухом, коэффициент теплопередачи которого, во-первых, ниже, чем у вспененного теплоизолятора, и, во-вторых, на границе теплоизолятор - воздух внутри полости возникает переходный слой, который так же способствует снижению коэффициента теплопередачи. В итоге получают слой теплоизолятора, имеющий толщину, равную сумме толщин теплоизолятора 3 (с фольгой 2) и прокладки 4 (с пленкой 1), коэффициент теплопередачи через который при суммарной толщине ниже, чем в сплошном слое теплоизолятора той же суммарной толщины, но при отсутствии воздушных полостей.

Недостатком представленного рулонного утеплителя является его гибкость. Такой утеплитель обязательно должен быть закреплен на каком-то каркасе.

Другим недостатком является слишком высокое значение коэффициента теплопередачи у теплоизолированных конструкций, изготовленных с применением такого рулонного утеплителя.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат - получение теплоизолирующих панелей, имеющих достаточную прочность и жесткость, позволяющую создавать бескаркасные теплоизолирующие конструкции, работающие в условиях высоких динамических нагрузок на транспорте, и имеющие коэффициент теплопередачи существенно ниже, чем у рулонного утеплителя, выбранного в качестве прототипа, а так же и других традиционных теплоизолирующих материалов.

Технический результат достигается тем, что в теплоизолирующей панели слой теплоизоляционного материала и разделенные перемычками плоские воздушные полости, последние формируют в объеме теплоизоляционного материала параллельно поверхностям панели не менее, чем в два слоя, причем, в разных слоях полости могут быть расположены в шахматном порядке, суммарная площадь перемычек между соседними полостями, расположенными в одном слое, не превышает 15-20% от общей площади панели, а в каждой полости параллельно стенкам с наибольшей площадью с воздушными зазорами располагают один или несколько тепловых отражателей.

Конструкция предлагаемой теплоизолирующей панели изображена на Фиг.2:

1 - теплоизоляционный материал

2 - воздушные полости в теплоизоляционном материале, расположенные в n слоев друг над другом в шахматном порядке

3 - тепловые отражатели в каждой полости, расположенные друг над другом с воздушным зазором

На Фиг.2 схематично изображен поперечный разрез панели с воздушными полостями 2, расположенными друг над другом в n слоев. С увеличением количества слоев воздушных полостей теплоизолирующие свойства панели улучшаются. Предел на увеличение количества слоев воздушных полостей накладывает только снижение прочности панели.

В каждой воздушной полости 2 расположен тепловой отражатель 3. Отражатели также могут быть в несколько слоев, что отражено на Фиг.2. Назначение отражателей - уменьшение теплопередачи сквозь плоскую воздушную полость за счет излучения тепла с ее стенок. Так, например, один отражатель из блестящей алюминиевой фольги, независимо от ее толщины, снижает теплопередачу излучением в два раза. Два слоя отражателей с воздушным зазором между ними - снижает теплопередачу в 4 раза, Три слоя - в 8 раз и т.д.

Отражатели могут быть прикреплены к теплоизолятору, причем, достаточно закрепить в одной или нескольких точках, например, клеем в углах, а могут быть просто вложены в полость и удерживаться в ней за счет упругости. Важно, чтобы между теплоизолятором и отражателем, а так же между соседними отражателями тепла, если их несколько, на максимально возможной их площади, за исключением только лишь точек крепления и некоторого количества точек возможного соприкосновения друг с другом, должен присутствовать воздушный зазор не менее 0,1 мм

Поверхность отражателей может быть не плоской, а, например, гофрированной. Теплоотражатель помимо своей основной функции, снижение теплопередачи излучением, выполняет еще одну функцию - он разделяет пространство воздушной полости на две или более областей, что снижает интенсивность конвективных потоков воздуха в замкнутой полости и способствует дополнительному снижению коэффициента теплопередачи теплоизоляционной панели. Именно поэтому важно наличие воздушных зазоров пусть даже самой малой толщины.

Отражателем может являться также слой металлизации или какого-то другого отражающего тепло покрытия, нанесенного непосредственно на стенки воздушных полостей, хотя эффективность такого теплоотражателя будет ниже, чем у вложенного в полость одного или нескольких отражателей с воздушными зазорами.

В качестве отражателя, нанесенного непосредственно на стенки воздушных полостей может быть применено теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер (пат. РФ 2374281), которое в тонком слое обладает очень низким коэффициентом теплопроводности.

Предпочтительное расположение полостей в теплоизоляционном материале в каждом слое показано на Фиг.3.

Регулярное расположение полостей удобно в технологическом плане, так как упрощает автоматизацию процесса изготовления полостей и размещение отражателей в них.

Размер полостей и ширину перемычек 4 между ними выбирают таким образом, чтобы на плите теплоизолятора убралось бы целое количество полостей по ее ширине и длине с учетом требования: суммарная площадь перемычек между полостями должна быть 15-20% от общей площади панели. Чем больше площадь перемычек, через которые идет прямой, ничем не ограниченный тепловой поток, тем, естественно, слабее проявляется эффект снижения коэффициента теплопередачи панели за счет наличия воздушных полостей. Однако чрезмерное снижение площади перемычек приводит к уменьшению прочности панели. Указанные 15-20% - экспериментально найденный нами компромисс между теплопередачей через панель и ее прочностью.

Глубину полостей выбирают в пределах 3-15 мм в зависимости от толщины панели. При увеличении глубины полости свыше 15 мм ее тепловое сопротивление уже практически не увеличивается, а прочность панели уменьшается. При глубине полости менее 3 мм ее тепловое сопротивление начинает быстро уменьшатся и эффект снижения коэффициента теплопередачи панели за счет присутствия в ней воздушных полостей уменьшается.

Расположение воздушных полостей в шахматном порядке позволяет прервать тепловой поток через перемычку между соседними полостями в одном слое воздушной полостью в следующем слое, что также позволяет дополнительно понизить коэффициент теплопередачи панели.

Сущность полезной модели поясняется на примере изготовления в соответствии с заявляемой полезной моделью теплоизолирующих сэндвич панелей «Проматерм» для изотермического фургона, предназначенного для установки на него эвтектической холодильной системы. Для успешной работы таких холодильных систем, основанных на предварительном накоплении холода в замороженном растворе, требуется изотермический фургон с очень высокой степенью теплоизоляции.

Для изготовления сэндвич панелей в качестве теплоизолирующего материала был использован экструдированный пенополистирол «Теплекс» в виде плит размером 2000×600×40 мм, имеющих коэффициент теплопроводности 0,028 Вт/м°С.

Полости в слое теплоизолятора были изготовлены следующим образом.

В части плит теплоизолятора с обеих сторон были сделаны с помощью фрезеровки углубления размером в плане 130×130 мм и глубиной 5 мм. Ширина перемычки между углублениями составляла 15 мм. На ширине плиты (600 мм) убирается 4 таких углубления с перемычками, а суммарная площадь перемычек не превышает 20% площади панели.

В каждое углубление был вложен квадрат 130×130 мм из пищевой алюминиевой фольги и закреплен по углам 4 каплями клея.

После этого осуществлялась сборка сэндвич панели в следующей последовательности:

- на стол пресса укладывалась внешняя обшивка сэндвич панели - плакированная оцинкованная сталь 0,6 мм, на нее наносился слой клея (применялся двухкомпонентный полиуретановый клей);

- на клей укладывались встык плиты теплоизолятора без фрезерованных углублений, на уложенные плиты теплоизолятора снова наносился слой клея;

- на клей укладывались встык плиты теплоизолятора с фрезерованными углублениями и вклеенной в них фольгой;

- на плиты без углублений на монтажном столе рядом с прессом наносился слой клея и они укладывались встык на плиты с углублениями, находящимися на столе пресса, на поверхность уложенных плит снова наносился слой клея;

- на слой клея укладывалась внутренняя обшивка сэндвич панели - оцинкованная сталь 0,5 мм.

Вся эта сборка сжималась прессом до полного схватывания клея (~12 часов).

В итоге получалась многослойная сэндвич панель с размером 5200×1660 мм толщиной 121 мм для одной из стен фургона. Герметичные воздушные полости с теплоотражателями в них, расположенные в два слоя в шахматном порядке, оказывались внедрены внутрь панели. См фиг.4.

На фиг.4:

1 - внутренний слой сэндвич панели - оцинкованная сталь 0,5 мм;

2 - три плиты теплоизолятора толщиной по 40 мм каждая;

3 - полости 130×130×5 мм, фрезерованные на обеих сторонах средней плиты с перемычками шириной 15 мм (Фиг.3). В каждой полости имеется один теплоотражатель из алюминиевой фольги, приклеенный к дну полости по углам;

4 - внешний слой сэндвич панели - плакированная оцинкованная сталь 0,6 мм;

5 - слои клея (двухкомпонентный полиуретановый клей «Кестопур»)

Точно так же были изготовлены панели пола, потолка, передняя и задняя стенки фургона.

Из этих панелей был собран изотермический фургон - мороженица с 10 боковыми дверями (по 5 с каждой стороны) размером 5200×200×1660 мм. Коэффициент теплопередачи фургона был измерен на измерительной станции ООО «Тепломер» по методике, определенной в «Соглашении о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок (СПС).

Измерения показали, что коэффициент теплопередачи фургона 0,28 Вт/м²°С. Измерения точно таких же фургонов, изготовленных ранее из экструдированного пенопласта «Теплекс» толщиной 120 мм по традиционной технологии (без воздушных полостей), показывали коэффициент теплопередачи 0,35-0,38 Вт/м²°С.

То есть применение в качестве теплоизолятора заявляемых теплоизолирующих панелей толщиной 120 мм с 2 слоями воздушных полостей для изготовления изотермического фургона вместо ранее применяемого такого же теплоизолятора в виде единой плиты толщиной 120 мм позволило снизить коэффициент теплопередачи фургона на 20%.

На фургон, изготовленный из заявляемых теплоизолирующих панелей, была установлена эвтектическая холодильная система «Carrier» и этот рефрижератор на шасси Hd-78 с успехом эксплуатируется в Краснодарском крае в условиях высокой температуры окружающего воздуха, что подтверждает его высокую степень теплоизоляции.

Следует так же отметить, что эвтектические плиты в количестве 5 штук, закрепленные на потолке в фургоне, и 1 плита на передней стенке имеют вес 81 кг каждая, то есть их общий вес 486 кг, а с учетом элементов крепления и прочей арматуры холодильной системы вес превышает 500 кг. Успешная эксплуатация рефрижератора на протяжение уже нескольких месяцев подтверждает высокую прочность заявляемых теплоизолирующих панелей, достаточную для создания конструкций, работающих в условиях динамических нагрузок на транспорте.

В дополнение следует заметить, что воздушные полости могут быть образованы и на наружных плоскостях теплоизолирующих панелей, см. Фиг.5, что существенно упростило бы и удешевило их изготовление, так как в этом случае присутствует всего 2 слоя клея, а не 4, как на Фиг.4, а формирование полостей на внешней поверхности намного менее трудоемко, чем во внутреннем объеме плиты.

На фиг.5:

1 - внутренний слой сэндвич панели - оцинкованная сталь 0,5 мм;

2 - плита теплоизолятора толщиной по 120 мм;

3 - полости 130×130×5 мм, фрезерованные на обеих сторонах плиты с перемычками шириной 15 мм (Фиг.3). В каждой полости имеется теплоотражатель из алюминиевой фольги, приклеенный к дну полости по углам;

4 - внешний слой сэндвич панели - плакированная оцинкованная сталь 0,6 мм;

5 - слои клея (двухкомпонентный полиуретановый клей «Кестопур»)

Однако испытания прочности на изгиб сэндвич панелей, изготовленных из таких теплоизолирующих панелей, показали существенное снижение прочности, так как при изгибе наибольшие касательные напряжения возникают именно на наружных плоскостях, и уменьшение до 15-20% от общей площади приклейки внешней обшивки приводит к существенному снижению прочности сэндвич панели, что ограничивает диапазон их возможного применения. Разрушение при изгибе возникает за счет отрыва внешней обшивки из-за недостаточной площади склейки.

Касательные напряжения, возникающие при изгибе в глубине объеме панели вблизи ее средней линии, намного меньше и поэтому уменьшение площади склейки в глубине панели до 15-20% от общей площади панели не приводит к существенному уменьшению прочности. При увеличении количества слоев воздушных полостей для дальнейшего снижения коэффициента теплопередачи, не следует удалять слои с воздушными полостями от средней плоскости панели дальше, чем на 15-20% от полной толщины панели.

Разумеется, сказанное выше справедливо для конструкций из панелей, подверженным высоким нагрузкам, подобным автофургонам или крупным конструкциям в строительстве.

Если речь идет о конструкциях, не подверженных значительным нагрузкам, предназначенных, например, для работы в лабораторных условиях, ограничения на количество слоев воздушных полостей и их расположение практически полностью отсутствуют.

В таких случаях предлагаемая теплоизолирующая панель не обязательно должна применяться в качестве теплоизолятора в составе сэндвич панели, то есть когда на поверхности панели наклеены внешние слои из листового материала (1 и 4 на Фиг.4), увеличивающие прочность. Они могут применяться и без внешнего покрытия, как изображено на Фиг.2.

Расчеты показывают, что применение предлагаемых теплоизоляционных панелей из экструдированного пенополистирола «Теплекс» с 5 слоями воздушных полостей и двумя слоями теплоотражателей в каждой воздушной полости позволяет получить теплоизолированную конструкцию с коэффициентом теплопередачи не выше 0,20 Вт/м²°С при толщине 80 мм. Расчетный коэффициент теплопередачи конструкции из 80 мм теплекса с коэффициентом теплопроводности 0,028 Вт/м°С без воздушных полостей и теплоотражателей, составлял бы 0,35 Вт/м²°С.

Теплоизолирующая панель, включающая слой теплоизоляционного материала и разделенные перемычками плоские воздушные полости, отличающаяся тем, что последние формируют в объеме теплоизоляционного материала параллельно поверхностям панели не менее чем в два слоя, причем в разных слоях полости могут быть расположены в шахматном порядке, суммарная площадь перемычек между соседними полостями, расположенными в одном слое, находится в пределах от 15 до 20% от общей площади панели, а в каждой воздушной полости параллельно стенкам с наибольшей площадью располагают с воздушными зазорами один или несколько тепловых отражателей.