Die Rolle von Dämmsystemen bei der Begrenzung des Wärmeübergangs
Die Aufgabe eines Dämmsystems besteht darin, unter teilweise rauen Umgebungs- und Betriebsbedingungen für thermische Widerstandsfähigkeit zu sorgen. Ironischerweise sind es genau diese Bedingungen, die ein Dämmsystem so stark beeinträchtigen können, dass es zu Problemen bei der Prozesssteuerung, beim Personenschutz, zu Geräteschäden und erhöhten Betriebskosten kommen kann. Der Schlüssel für einen weiterhin sicheren und effizienten Betrieb der Anlagen liegt in der Wahl eines Dämmstoffs, der auch unter anspruchsvollen Umgebungs- und Betriebsbedingungen eine unveränderte thermische Leistungsfähigkeit gewährleistet.
Wärmeübertragung 101
Wärme kann auf drei verschiedene Arten übertragen werden: durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung ist die Übertragung von Energie (Wärme) innerhalb eines Materials oder zwischen zwei Körpern, die in physischem Kontakt stehen. Konvektion ist die Wärmeübertragung durch die Bewegung von Teilen einer Flüssigkeit oder eines Gases innerhalb des Materials aufgrund von Unterschieden in Temperatur, Dichte usw. innerhalb des Materials. Strahlung ist die Übertragung von Energie (Wärme) von einem Körper mit höherer Temperatur durch den Raum auf einen anderen Körper mit niedrigerer Temperatur, ohne den Raum zwischen den beiden Körpern zu erwärmen.
Diese Begriffe werden verwendet, wenn es um Wärmeübertragung in realen Anwendungen geht, und sind gemäß ASTM C168 und ISO 7345 definiert. Diese Erörterung konzentriert sich in erster Linie auf die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung.
Alle Materialien weisen eine Eigenschaft auf, die als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird und in bestimmten Branchen auch als „k“-Wert oder „λ“-Wert bekannt ist. Die Wärmeleitfähigkeit ist definiert als die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch ein bestimmtes Material fließt. Sie wird ausgedrückt als die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit bei einem Temperaturgradienten von einem Grad pro Längenabstand fließt. Standardmäßige Maßeinheiten und Angaben erfolgen in W/m•K oder Btu-in./hr-ft²-°F. Bei homogenen Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit nicht von der Fläche, Dicke oder Form des Materials abhängig; die Gesamtmenge der übertragenen Wärme hängt jedoch von diesen Faktoren ab.
Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit temperaturabhängig und wird häufig zusammen mit der mittleren Temperatur des Materials über einen Bereich möglicher Anwendungstemperaturen angegeben. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die Wärmeleitfähigkeit eines Materials mit der Temperatur ändern kann, da dies erhebliche Auswirkungen auf die Auslegung von Dämmsystemen hat. Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit sind in ASTM C177, ASTM C518 und EN ISO 13787 festgelegt.
Neben der Wärmeleitfähigkeit oder dem „k“-Wert werden bei der Erörterung der Wärmeübertragung von Materialien häufig noch einige andere Begriffe verwendet:
Der Wärmewiderstand (R) ist eine thermische Eigenschaft eines Körpers oder einer Baugruppe, die als Verhältnis der Differenz zwischen den Durchschnittstemperaturen zweier Oberflächen zum durch sie hindurchfließenden stationären Wärmefluss gemessen wird (die Wärmeflussrate pro Flächeneinheit einer Oberfläche, die bestimmt werden muss). Der „R“-Wert eines Materials lässt sich ermitteln, indem man die Dicke des Materials durch seinen „k“-Wert oder Wärmeleitfähigkeitswert dividiert.
Der „R“-Wert wird am häufigsten bei Baumaterialien für den privaten Gebrauch und im Bauwesen verwendet.
Die Wärmeleitfähigkeit (C) ist die Eigenschaft eines Körpers oder einer Baugruppe, die als Verhältnis des stationären Wärmeflusses zwischen zwei bestimmten Oberflächen (zeitliche Wärmeflussrate pro Flächeneinheit einer der zu identifizierenden Oberflächen) zur Differenz der Durchschnittstemperaturen dieser beiden Oberflächen gemessen wird. Der Kehrwert des „R“-Werts (oder 1/R) entspricht dem „C“-Wert.
Die Wärmedurchlässigkeit (U) ist der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient – das Verhältnis des stationären Wärmeflusses von der Umgebung auf einer Seite eines Körpers durch den Körper hindurch zur Umgebung auf seiner gegenüberliegenden Seite (zeitliche Wärmeflussrate pro Flächeneinheit einer zu identifizierenden Oberfläche) zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Umgebungen.
WAS KANN DIE WÄRMELEITFÄHIGKEIT EINES DÄMMSTOFFS BEEINFLUSSEN?
Feuchtigkeitsdurchdringung
Feuchtigkeitsdurchdringung ist die größte Gefahr für die thermische Effizienz. Feuchtigkeitsaufnahme kann den Wärmefluss und damit die Betriebskosten erhöhen. Sie kann sich zudem nachteilig auf die Qualität und Quantität der Produktleistung auswirken.
Beispiele hierfür sind übermäßiger Verdampfungsverlust, Produktionsunterbrechungen aufgrund von Viskositätsänderungen, Beschädigung von Anlagen und möglicherweise ein Anlagenstillstand.
Weitere mögliche Probleme sind Korrosionsprobleme sowie Fragen des Personenschutzes aufgrund erhöhter Oberflächentemperaturen an erhitzten Anlagen.
Dämmstoffe, die Wasser enthalten, weisen bis zu dreimal höhere Wärmeleitwerte auf als im trockenen Zustand.1
Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann die Wärmeleitfähigkeit sogar noch weiter ansteigen, da die Wärmeleitfähigkeit von Eis vier- bis sechsmal höher ist als die von Wasser.
Jüngste Studien zu offenzelligen Dämmstoffen haben gezeigt, dass ein Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts um 1 % zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um 23 % führen kann.2
Je nach Porosität eines Dämmstoffs kann der Wärmefluss bereits bei einem Feuchtigkeitsgehalt von nur 20 Volumenprozent um bis zu 300 Prozent ansteigen.3
1 Cremaschi et al., 2012a; Wilkes et al., 2002
2 A M Gusyachkin et al., 2019
3 Weiwei Zhu et al., 2014
Feuchtigkeit kann direkt als aufgenommene Feuchtigkeit durch Spalten in Fugen und Dichtungen, Öffnungen in der Ummantelung oder von innen nach außen über undichte Stellen an Rohren oder Behältern in eine Dämmung eindringen.
Zudem ist zu beachten, dass Feuchtigkeit vor, während oder nach der Installation in eine Dämmung eindringen kann.
Eine noch bedeutendere Ursache für das Eindringen von Feuchtigkeit und durchnässte Dämmung ist die Diffusion von Wasserdampf, der anschließend bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur oder in kalten Prozessen als Flüssigkeit oder Eis kondensiert.
Dieses Phänomen tritt besonders häufig bei vielen offenzelligen oder anderweitig durchlässigen Dämmstoffen auf, die auf eine Ummantelung angewiesen sind, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern oder zu verlangsamen.
Einige geschlossenzellige Materialien, wie beispielsweise häufig verwendete Schaumkunststoffe, lassen eine langsame Diffusion von Wasserdampf zu, wenn zwischen der einen und der anderen Seite des Produkts ein Dampfdruckunterschied besteht. Feuchtigkeitsbeladene Luft sammelt sich dann in den Zellen an, aus denen das Treibmittel entwichen ist. Dies kann zu feuchten und leistungsmindernden Dämmsystemen führen, weshalb diese Materialien häufig durch Dampfsperren oder -bremsen geschützt werden.
Diese Materialien können anfällig für strukturelle Verformungen, unvollständige Abdichtungen oder Schäden durch mechanische Beanspruchung sein. Bei kryogenen Systemen beispielsweise kann bereits ein winziger Nadellochbruch innerhalb weniger Tage zur Eisbildung führen.
Folglich ist es in vielen Anwendungsfällen entscheidender, dass eine Dämmung eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit aufweist, als dass sie von Haus aus eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Materialalterung
Der Leistungsabfall von Dämmstoffen aufgrund von Alterung oder thermischer Abweichung resultiert aus der „Ausgasung“ bzw. der Gasdiffusion durch die Zellwände von Kunststoffschaum-Dämmstoffen. Der Gastransport erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Gaskonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zellen sowie aufgrund temperaturbedingter Druckunterschiede zwischen Innen und Außen. Extreme Temperaturen, der Kontakt mit Chemikalien und Strahlung können die Alterung im Laufe der Zeit beschleunigen. Dies kann dazu führen, dass die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit eines Materials in der Anwendung deutlich höher ist als die veröffentlichten Werte, was zu einem erheblichen Unterschied zwischen der tatsächlichen und der Auslegungseffizienz führt. Zelluläre Kunststoffschaumdämmstoffe wie Polyisocyanurat, Polyurethan und Phenolharzschaum sind besonders anfällig für diese Einflüsse, und Tests haben gezeigt, dass Polyisocyanurat-Proben nach zwei Jahren im Durchschnitt 22 Prozent über ihrem angegebenen k-Wert lagen.4
Andere Studien haben gezeigt, dass Alterung und Verlust der thermischen Effizienz bis zu 20 Jahre nach der Installation der Dämmung andauern können.5
4 Kenneth E. Wilkes et al., 2001
5 Kim Jin-Hee et al., 2020
Absorption flüssiger Chemikalien
Die Wärmeleitfähigkeit von verschütteten, ausgetretenen oder sogar in der Luft vorhandenen Chemikalien kann die ohnehin schon erhöhte Wärmeleitfähigkeit einer bereits feuchten Dämmung noch verstärken. Darüber hinaus kann chemischer Angriff die Dämmung physikalisch zerstören oder zumindest die thermische Effizienz und die mechanische Festigkeit beeinträchtigen. Schaumkunststoffe und offenzellige Dämmstoffe sind anfällig für einen Verlust der thermischen Leistungsfähigkeit aufgrund chemischer Absorption. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Dämmung zuvor durch eindringende Feuchtigkeit geschwächt wurde.
Bestimmte Systeme sind auf Imprägniermittel angewiesen, um die Isolierung in Hochtemperatursystemen zu schützen. Selbst wenn eine wirksame Imprägnierung vorhanden ist, verhindert diese nicht die Absorption einfacher Kohlenwasserstoffe. Tatsächlich können diese Imprägniermittel durch solche Flüssigkeiten zerstört werden, wodurch das Dämmmaterial flüssige Chemikalien aufnehmen kann, was zu einer Verringerung der thermischen Leistung und erhöhten Brandrisiken führen kann.
DIE FOAMGLAS® DÄMMLÖSUNG AUS SCHAUMGLAS
Es ist offensichtlich, dass die Aufnahme und Speicherung von Flüssigkeit zu den schädlichsten Faktoren für ein Dämmsystem gehören. Daher ist es äußerst vorteilhaft, ein undurchlässiges Dämmmaterial zu wählen, das nicht auf eine externe Dampfsperre angewiesen ist, um das Eindringen von Feuchtigkeit in die Dämmung zu verhindern.
Die FOAMGLAS® Schaumglasdämmung ist ein vollständig aus Glas bestehendes Material mit zu 100 % geschlossenen Zellen, das das Risiko des Eindringens von Feuchtigkeit (Dampf) in das Dämmmaterial ausschließt.
Selbst nach vollständigem Eintauchen in Wasser ist die einzige messbare Feuchtigkeit, die auf der FOAMGLAS® Dämmung zu finden ist, diejenige, die an den Oberflächenzellen haftet.
Das Eindringen von Feuchtigkeit und die Materialalterung können bei anderen offenzelligen oder anderweitig durchlässigen Dämmstoffen zu einem dauerhaften Verlust der Wärmedämmleistung führen. FOAMGLAS® Dämmung ist unempfindlich gegenüber Gasdiffusion und altert im Laufe der Zeit nicht; sie bietet über die gesamte Lebensdauer des Systems hinweg eine konstante Wärmedämmleistung. Dies minimiert die Notwendigkeit eines Dämmungsaustauschs und unterstützt Planungen, die auf niedrigere langfristige Lebenszykluskosten abzielen.
Die vollständig aus Glas bestehende Zusammensetzung und die Tatsache, dass keine Bindemittel oder Füllstoffe enthalten sind, machen FOAMGLAS® Dämmung zu einem der chemisch beständigsten Dämmstoffe auf dem Markt. Dies trägt dazu bei, dass die mechanische und thermische Leistungsfähigkeit eines FOAMGLAS® Dämmsystems nicht durch mögliche äußere oder innere chemische Einflüsse beeinträchtigt wird, während gleichzeitig das Brand- und Korrosionsrisiko für Rohrleitungen und Anlagen gemindert wird.
