ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к области промышленного производства и строительства, в частности, к устройствам для обеспечения теплоизоляции и может найти применение при теплоизоляции высокотемпературных промышленных объектов (реакторов, печей), оборудования, используемого в криогенных технологиях, объектов, эксплуатируемых в районах вечной мерзлоты, в том числе с неустойчивой структурой грунта.
Известен теплоизолирующий элемент для стен зданий, выполненный в виде блока-короба с уложенными в нем не менее чем в один ярус параллельно друг другу полыми стеклянными элементами (US 1612064, 1990).
Недостатками указанного решения являются малая механическая прочность закладных элементов и большая экологическая опасность, связанная с наличием ртути в случае использования ламп дневного света.
Также известен теплоизолирующий элемент для зданий, выполненный в виде герметичного параллелепипеда, подключенного к пневматической системе для управления количеством содержащегося внутри указанного элемента газа с целью регулирования теплоизоляционными свойствами (FR 2524039, 1983).
Недостатком известного решения являются низкие теплоизоляционные свойства при больших перепадах температур из-за конвективных токов между стенками элементов.
Из известных решений наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемой полезной модели является теплоизолирующий блок, закладываемый в полости стен или между другими элементами утепляемых зданий, выполненный по форме параллелепипеда из оболочкового эластичного газо-водонепроницаемого материала с патрубком с клапанным устройством, в полости которого размещены газонаполненные и наполненные пенопластом оболочковые элементы сфероидной формы, уложенные в два ряда и жестко связанные между собой посредством напыления пенополиуретаном (RU 2232853, 2002).
К недостаткам данного решения относятся следующие:
- низкая несущая способность теплоизоляционного элемента, обусловленная низкими прочностными характеристиками сфероидных элементов и оболочкового элемента.
- недостаточно высокие теплоизоляционные характеристики, обусловленные увеличением пятна контакта между сфероидными элементами за счет увеличения внешней нагрузки и/или увеличения их размера при повышении температуры, а также ограничение количества рядов сфероидов, равное двум, что приводит к увеличению количества местных сопротивлений на пути теплового потока.
- невозможность применения теплоизоляционного блока при высоких температурах изолируемых объектов (максимальная температура эксплуатации изделий из полиэтилена и/или пенопласта, как правило, не превышает 120°C), а также малая эффективность применения из-за конвективных токов, возникающих в газовых промежутках каждого ряда, передачи тепла через теплоизоляционный элемент лучистым теплообменом, увеличения площади соприкосновения сфероидных элементов с оболочковым элементом из-за способности полиэтиленовой пленки обволакивать сфероиды.
- невозможность применения теплоизоляционного блока при низких температурах изолируемых объектов (минимальная температура эксплуатации изделий из полиэтилена и/или пенопласта, как правило, не ниже -60°C).
- малая гибкость теплоизоляционного элемента, неспособность выдерживать большие перепады температур защищаемых объектов и увеличение площадей контакта между сфероидными элементами из-за напыления пенополиуретана, фиксирующего соединение сфероидов в местах их контакта
Задачей предлагаемой полезной модели является создание теплоизоляционного блока, обеспечивающего повышение теплоизоляционных свойств, несущей способности и срока службы, а также возможность функционирования в широком интервале температур и при эксплуатации в кислородсодержащих и агрессивных средах за счет оптимизации схемы расположения слоев системы сферических теплоизоляционных элементов с обеспечением саморегуляции их взаимного расположения и формы под действием перепада температур и внешних нагрузок.
Поставленная задача достигается тем, что в теплоизоляционном блоке, содержащем кожух из эластичного материала с размещенными в нем теплоизоляционными элементами сферической формы, согласно полезной модели, теплоизоляционные элементы выполнены из твердого цельного материала и уложены в полости кожуха без зазора не менее чем в три слоя в направлении теплового потока с возможностью обеспечения их взаимного смещения относительно друг друга и распределения локальных нагрузок.
В предпочтительных вариантах реализации:
- теплоизоляционные элементы выполнены из разных материалов, отличающихся по теплостойкости, теплопроводности и прочностным характеристикам.
- теплоизоляционные элементы выполнены из стекла или полиуретана или перлита.
- кожух снабжен патрубком с клапанным устройством.
- наружные и/или внутренние стенки кожуха облицованы теплоотражающим покрытием.
- полость кожуха заполнена газом с низким коэффициентом теплопроводности.
- полость кожуха вакуумирована.
- кожух снабжен закрепленными на его противоположных стенках внутренними стяжками, ограничивающими осевое и радиальное перемещение указанных стенок относительно друг друга.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг.1 изображен общий вид теплоизоляционного блока, на фиг.2 приведен фрагмент теплоизоляционного блока с облицовкой теплоотражающим покрытием, на фиг.3 изображено поперечное сечение теплоизоляционного блока для случая исполнения сферических элементов из различных материалов, на фиг.4 изображено поперечное сечение теплоизоляционного блока для случая исполнения кожуха со стяжками.
Теплоизоляционный блок состоит из кожуха 1, выполненного из эластичного материала, в полости которого уложены теплоизоляционные элементы 2 сферической формы не менее чем в три слоя в направлении теплового потока. Кожух 1 снабжен патрубком 3 с клапанным устройством. Наружные и внутренние поверхности стенок кожуха 1 могут быть облицованы теплоотражающим покрытием 4, 5. Противоположные стенки кожуха 1 соединены внутренними стяжками 6.
В процессе эксплуатации блока при возникновении перепада температур на противоположных поверхностях теплоизоляционного блока тепловая энергия поступает на поверхность контакта с горячим объектом и, пройдя ее, тепло передается теплоизоляционному блоку. Тепловой поток проходит через теплоизоляционные элементы сферической формы 2, соприкасающиеся между собой не менее чем в двух точках, а также с поверхностью контакта с холодным объектом. Благодаря минимизации площадей соприкосновений твердотельных теплоизоляционных элементов 2 сферической формы, резко снижается интенсивность передачи тепла теплопроводностью.
Расположение сферических теплоизоляционных элементов 2 не менее чем в три слоя в направлении теплового потока обеспечивает повышение теплоизоляционных свойств за счет больших местных термических сопротивлений при сохранении высокой несущей способности.
При этом отсутствие жесткой связи между вышеуказанными элементами 2 приводит к возможности их взаимного смещения относительно друг друга.
За счет образования многослойного наполнителя, состоящего из сферических твердотельных теплоизоляционных элементов 2, происходит распределение силового воздействия от локальных нагрузок.
Устойчивость формы теплоизоляционного блока может быть повышена за счет применения внутренних стяжек 6, соединяющих противоположные стенки кожуха 1 таким образом, что в процессе эксплуатации стяжки препятствуют увеличению расстояния между стенками кожуха 1 за счет ограничения осевого и радиального перемещения стенок относительно друг друга
Интенсивность передачи тепла излучением внутри теплоизоляционного элемента может быть снижена путем нанесения теплоотражающего покрытия 4 и 5 на внутренние и/или внешние поверхности кожуха теплоизоляционного блока в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена.
2
Интенсивность передачи тепла конвекцией внутри теплоизоляционного блока может быть снижена путем изменения характеристик газовой среды или вакуумирования внутреннего пространства теплоизоляционного блока. Для случая изменения характеристик газовой среды или вакуумирования внутреннего пространства теплоизоляционный блок может быть снабжен патрубком 3 с клапанным устройством. При этом в процессе эксплуатации в кожухе теплоизоляционного блока возникает значительное сопротивление передаче тепла теплопроводностью от более нагретых к менее нагретым участкам за счет заполнения кожуха 1 газом с низким коэффициентом теплопроводности, например, аргоном (Ar), азотом (N), или вакуумирования. При этом выбор между сменой газа или вакуумированием обусловлен экономическими соображениями.
Расширение диапазона применения блока может быть достигнуто путем изготовления сферических теплоизоляционных элементов 2, заполняющих блок, из различных материалов в зависимости от условий внешней среды: температур, силовых нагрузок и т.д. Например, один слой сферических теплоизоляционных элементов 2, ближайший к наиболее нагретой поверхности кожуха, выполнен из теплостойкого материала (стекло), а другой - из материала с меньшей стойкостью к высоким температурам, но при этом меньшей теплопроводностью (полиуретан, перлит). При этом в процессе эксплуатации наиболее нагретая поверхность кожуха 1 имеет высокую температуру, соответственно, слой сферических теплоизоляционных элементов 2, непосредственно соприкасающихся с этой поверхностью, должен быть выполнен из материалов, сохраняющих рабочие характеристики при данной температуре. Следующий слой сферических теплоизоляционных элементов 2, непосредственно соприкасающихся с первым, более нагретым слоем, выполняется из других материалов, сохраняющих рабочие характеристики уже при более низких температурах и т.д. Наиболее эффективные по теплопроводности и прочностным характеристикам материалы сферических теплоизоляционных элементов могут не обладать такими характеристиками, которые позволяли бы выдерживать самые высокие температуры, поэтому наиболее нагретые слои выполняются из других материалов, более устойчивых к нагреву.