Weryfikacja jakości izolacji polimerowych w przemyśle

Wzrost znaczenia weryfikacji termicznej izolacji

Współczesny kontekst energetyczny wymusza minimalizację strat energii w instalacjach przemysłowych oraz systemach HVAC/chłodniczych. Globalne dążenie do oszczędności energii i obawy związane z wyczerpywaniem się zasobów sprawiają, że izolacja termiczna stała się priorytetem. Jest ona kluczowa wszędzie tam, gdzie płyny i gazy są transportowane w temperaturach innych niż otoczenie – od przemysłowych rurociągów parowych po instalacje chłodnicze. Redukcja strat ciepła jest jednym z najistotniejszych czynników wpływających na koszty eksploatacji i poprawę parametrów przesyłanej energii (np. suchość pary ang. steam dryness).

Wybór i weryfikacja izolacji

Optymalny wybór izolacji wymaga rzetelnych danych do analizy kosztu cyklu życia (LCC), uwzględniającej zarówno koszt początkowy, jak i oszczędności energii. Rosnąca konkurencja na rynku może jednak prowadzić do wprowadzania produktów o niezweryfikowanych właściwościach.

Izolacje formowane na rury (otuliny) posiadają często odmienną geometrię wewnętrzną, rozkład gęstości czy kształt komórek w porównaniu do izolacji płaskich. Dodatkowo, komercyjne otuliny często charakteryzują się nieco większą średnicą wewnętrzną niż rura, tworząc szczelinę powietrzną. Czynniki te wpływają na ich "pozorną" (efektywną) przewodność cieplną, co wymaga specjalistycznych metod testowania, zgodnych z normami takimi jak ISO 8497 lub ASTM C335.

Problem niezgodności deklaracji z rzeczywistością

Niestety, coraz częściej pojawiają się wątpliwości co do rzetelności danych technicznych dostarczanych przez producentów, zwłaszcza dla materiałów polimerowych (PUR, PEF, FEF). Brakuje dogłębnej walidacji produktów, co skutkuje zaniżeniem deklarowanych wartości termicznych. Producenci często podają przewodność cieplną λ tylko w ograniczonym zakresie temperatur (np. PUR dla 10°C i 40°C), mimo że produkt może być stosowany w znacznie szerszym przedziale (do 130°C), co czyni te dane mało użytecznymi.

Cel artykułu

Niniejszy artykuł przedstawia wyniki eksperymentalnej oceny przewodności cieplnej wybranych otulin rur. Analizujemy przypadki, w których zmierzona wartość λ przekroczyła prawnie dopuszczalny limit +10% wartości deklarowanej, zgodnie z normą ISO 13787. Badania wykazały, że 50% testowanych komercyjnie dostępnych próbek izolacji miało λ wyższą niż deklarowana. W dwóch przypadkach przewodność cieplna przekroczyła nawet limit +10% (np. dla PUR przy 100°C oraz dla PEF, gdzie przekroczenie osiągnęło 16.4% przy 80°C). Celem jest zbadanie tych anomalii i ich konsekwencji dla kosztów operacyjnych i strat ciepła.

Metodyka badawcza i standardy

A. Wymogi normatywne dotyczące deklarowania przewodności cieplnej λ

Podstawowa zasada: Zgodnie z normą ISO 13787, regulującą deklarowanie właściwości termicznych produktów izolacyjnych, zmierzona przewodność cieplna nie może przekroczyć wartości deklarowanej przez producenta o więcej niż 10%. Przekroczenie tej granicy oznacza negatywny wynik walidacji, co powinno skłonić producenta do zmiany deklarowanych wartości.

Wymóg uwzględnienia starzenia: Deklarowana wartość λ musi uwzględniać efekty starzenia materiału, odpowiadające przewidywanemu okresowi eksploatacji w normalnych warunkach, a także rozproszenie zmierzonych wartości. Chociaż procedura badania przyspieszonego starzenia jest kosztowna i czasochłonna, jest niezbędna dla zapewnienia długoterminowej dokładności.

B. Metodyka pomiaru izolacji cylindrycznej

Zastosowana metodyka: Badania przewodności cieplnej otulin rurowych w warunkach stanu ustalonego przeprowadzono zgodnie z europejską normą ISO 8497, tożsamą z międzynarodowym standardem ASTM C335. Jest to najbardziej precyzyjna absolutna metoda, wykorzystująca specyficzną konstrukcję aparatury.

Aparatura: Do pomiarów użyto aparatu Netzsch Taurus TLR 1000, który umożliwia pomiary w szerokim zakresie temperatur (nominalnie od -15°C do 150°C). Aparat wyposażony jest w dodatkową osłonę grzewczo-chłodzącą, co pozwala na prowadzenie eksperymentu niezależnie od temperatury otoczenia. Pomiar polega na indukowaniu radialnego strumienia ciepła przez materiał i mierzeniu różnicy temperatur między zewnętrzną stroną izolacji a grzejnikiem w stanie ustalonym.

Warunki testowe: Pomiary wykonano dla izolacji zamontowanej na aparaturze w sposób symulujący rzeczywiste warunki eksploatacji. Izolacje cylindryczne mogą mieć inną geometrię lub rozkład gęstości niż płaskie. Ponadto, komercyjne produkty charakteryzują się nieco większą średnicą wewnętrzną, co powoduje powstanie szczeliny powietrznej o zmiennej grubości między rurą a izolacją. Takie pomiary są bardziej reprezentatywne dla końcowej wydajności niż te uzyskane metodą płyty grzejnej (GHP).

Walidacja jakości: Niezawodność pomiarów potwierdzono, porównując wyniki dla referencyjnych próbek wełny mineralnej (REF-1 i REF-2) z danymi akredytowanych laboratoriów. Maksymalna różnica dla REF-1 wyniosła 1.38% (średnia <1.24%), a dla REF-2 1.01% (średnia 0.52%). Niskie wartości różnic potwierdzają precyzję aparatury i metodologii.

C. Charakterystyka badanych próbek polimerowych

Do badań porównawczych wybrano 10 komercyjnie dostępnych otulin, w tym piankę poliuretanową (PUR), piankę polietylenową (PEF) oraz elastyczną piankę elastomerową (FEF), a także wełnę mineralną i polistyren ekspandowany (EPS). Wszystkie próbki pasowały do rury o nominalnej średnicy 20 mm.

Problem z danymi producentów: Zauważono, że niektórzy producenci podają zależność temperatury przewodności cieplnej w zaledwie kilku punktach. W przypadku próbek PUR producent zadeklarował λ jedynie dla 10°C i 40°C (maksymalnie 0.032 W/(m·K) i 0.036 W/(m·K) odpowiednio), mimo że produkt przystosowany jest do pracy w temperaturach do 130°C. Biorąc pod uwagę wzrost przewodności cieplnej wraz z temperaturą, tak ograniczone informacje mają wątpliwą użyteczność w większości zastosowań.

Wyniki i analiza krytyczna dla poszczególnych materiałów

A. Pianka Poliuretanowa (PUR)

Niezgodność deklaracji: Zmierzone wartości λ dla obu badanych próbek pianki poliuretanowej (PUR-1 i PUR-2) konsekwentnie przekraczały wartości deklarowane, zazwyczaj o około 7-8%. Oznacza to, że produkty te charakteryzują się wyższą przewodnością cieplną niż podano w specyfikacji. Próbki PUR miały najniższe deklarowane wartości λ w 10°C spośród wszystkich badanych materiałów. Zmierzone λ w 10°C wynosiło 0.034 W/(m·K) dla PUR-1 i 0.035 W/(m·K) dla PUR-2. Obie próbki, wykonane z tego samego materiału, różniły się jedynie grubością, a ich przewodność cieplna różniła się tylko o około 1.1%.

Przekroczenie limitu +10%: W przypadku próbki PUR-2, zmierzona wartość λ osiągnęła 10% przekroczenia wartości deklarowanej przy temperaturze 100°C. Przekroczenie tego prawnie dopuszczalnego limitu skutkuje negatywnym wynikiem walidacji zgodnie z normą ISO 13787.

Zależność temperaturowa: Badania wykazały nieliniowy wzrost przewodności cieplnej pianki poliuretanowej wraz z temperaturą. Może to wynikać zarówno z nieliniowego wzrostu przewodności, jak i potencjalnej konwekcji w radialnej szczelinie powietrznej oraz działania wewnętrznej warstwy papierowej, która może zwiększać straty ciepła. Jest to szczególnie istotne, biorąc pod uwagę ograniczone dane temperaturowe dostarczane przez producentów, mimo szerokiego zakresu zastosowań PUR.

B. Pianka Polietylenowa (PEF)

Brak powtarzalności: W przeciwieństwie do innych materiałów, pomiary przewodności cieplnej dla próbki pianki polietylenowej (PEF-1) wykazały brak powtarzalności. Zmierzone wartości λ wzrastały znacząco z każdym kolejnym pomiarem. Pomimo że zmierzona λ w 10°C (0.036 W/(m·K)) była równa wartości deklarowanej (0.038 W/(m·K)), powyżej 24°C wartości zmierzone zaczęły przewyższać deklarację.

Znaczące przekroczenie limitu: W kolejnych pięciu pomiarach przy 80°C odnotowano stały wzrost przekroczenia deklarowanej wartości. W pierwszym pomiarze przekroczenie wynosiło 9.6%, natomiast w piątym osiągnęło 16.4%.

Wniosek: Brak wykrycia straty masy wyklucza rozkład termiczny. Ciągły wzrost λ sugeruje zmiany wewnętrznej struktury materiału, wskazując, że deklarowany limit temperatury dla tego materiału może być zbyt wysoki.

C. Elastyczna Pianka Elastomerowa (FEF)

Rozbieżność w FEF: Mimo że próbki elastycznej pianki elastomerowej (FEF-1 i FEF-2) pochodziły od różnych producentów, ich deklarowane właściwości termiczne były bardzo podobne, z identyczną deklarowaną przewodnością cieplną (λ) w 10°C (0.037 W/(m·K)). Jednakże, wraz ze wzrostem temperatury, zmierzone wartości znacząco się rozchodziły, przewyższając deklaracje w większości punktów temperaturowych. Dopiero przy najwyższej dopuszczalnej temperaturze wyniki pomiarów były zbliżone do deklaracji producenta. Zauważalną różnicą była metoda deklarowania: FEF-1 podawał zależność liniową w siedmiu punktach, natomiast FEF-2 — wielomian drugiego rzędu. Oba materiały FEF charakteryzowały się znaczną rozszerzalnością cieplną, co wymagało korekty w pomiarach.

Zastosowania chłodnicze: FEF jest materiałem powszechnie stosowanym w inżynierii chłodniczej, do transportu mediów o bardzo niskich temperaturach, sięgających nawet -50°C.

Problem niskich temperatur: W przypadku FEF, różnica między wartościami zmierzonymi a deklarowanymi wzrastała w niższych temperaturach. Chociaż badania nie obejmowały pomiarów poniżej 0°C, zaobserwowane trendy wyraźnie sugerują, że w tych warunkach przewodność cieplna materiałów jest znacznie wyższa niż deklarowana. Jest to kluczowa obserwacja dla branży chłodniczej, mogąca prowadzić do niedoszacowania strat ciepła w instalacjach niskotemperaturowych.

D. Ogólny wniosek z walidacji

Podsumowanie: Analiza termiczna wykazała, że 50% badanych komercyjnie dostępnych próbek charakteryzowało się λ wyższą niż deklarowana. Tylko próbki MW-1, MW-2 i EPS-1 spełniły specyfikacje w całym mierzonym zakresie temperatur. Dwie próbki (PEF-1 i PUR-2) przekroczyły limitujący próg +10% w całym zakresie pomiarowym lub jego części.

Przyczyna rozbieżności: Istnieje kilka potencjalnych wyjaśnień zaobserwowanych rozbieżności:

• Osłabiona kontrola jakości w procesie produkcyjnym.
• Niedoszacowanie dyspersji parametrów produktu, prowadzące do wprowadzania na rynek produktów o niewystarczającej weryfikacji.
• Brak kompleksowej walidacji termicznej. Jest mało prawdopodobne, by 50% losowo wybranych próbek było wadliwych.

Wnioski te podkreślają, że inżynierowie i projektanci potrzebują wiarygodnych danych dla całego zakresu pracy materiału. Przewodność cieplna (λ) znacząco wzrasta z temperaturą, a jej niedoszacowanie ma zauważalny wpływ na całkowitą stratę ciepła i koszty operacyjne. Informacje o λ podane tylko w kilku punktach temperaturowych są wątpliwe, zwłaszcza gdy materiał przeznaczony jest do pracy w szerokim zakresie (np. PUR do 130°C).

Konsekwencje i postulaty dla branży

A. Skutki inżynieryjne i ekonomiczne

Wpływ na koszty operacyjne: Niezgodności w przewodności cieplnej mają bezpośrednie przełożenie na efektywność energetyczną. Nawet niewielkie przekroczenie deklarowanej wartości λ znacząco wpływa na całkowitą stratę ciepła i koszty operacyjne, zwłaszcza w przemyśle i systemach HVAC, gdzie montowana jest duża ilość izolacji. Wzrost λ oznacza, że izolacja jest mniej efektywna, co prowadzi do większych strat energii niż zakładano, a w konsekwencji do wyższych kosztów eksploatacyjnych.

Ryzyko projektowe: Inżynierowie i projektanci, polegając na zaniżonych deklaracjach, ryzykują niewłaściwą optymalizację systemu. Niezawodne dane są kluczowe dla optymalizacji i prognozowania kosztów. Jeśli deklarowane wartości są niższe niż rzeczywiste (co zaobserwowano w 50% próbek), pojawia się ryzyko nieprawidłowego projektowania. Ma to znaczenie nie tylko energetyczne, ale i bezpieczeństwa – np. w instalacjach chłodniczych z FEF (amoniak, glikol), niedoszacowanie λ może utrudniać zapobieganie kondensacji powierzchniowej i korozji. Zauważony wzrost λ w niższych temperaturach dla FEF jest kluczową obserwacją dla tej branży.

Długoterminowa stabilność: Deklarowana wartość λ powinna uwzględniać efekty starzenia, odpowiadające przewidywanemu okresowi eksploatacji. Badania eksperymentalne materiałów takich jak PEF wykazały niepowtarzalność pomiarów i wzrost λ z każdym kolejnym testem, sugerując zmiany w wewnętrznej strukturze materiału. Taki trend wskazuje, że deklarowany limit temperatury dla PEF (80°C) może być zbyt wysoki, a stabilność termiczna wątpliwa. Kompleksowe testy starzenia są konieczne, zwłaszcza dla nowych materiałów, aby zagwarantować ich trwałość.

B. Wymagania wobec producentów i normalizacja

Wymóg pełnego zakresu danych: Producenci powinni dostarczać informacje o λ dla całego zakresu temperatur, w którym materiał jest stosowany (np. dla PUR aż do 130°C). Informacja λ/10°C jest niewystarczająca, ponieważ przewodność cieplna rośnie znacząco z temperaturą, a tempo tego wzrostu różni się dla poszczególnych materiałów.

Transparentność testów: Dokumentacja izolacji powinna obowiązkowo zawierać informację, czy materiał był testowany ze szczeliną powietrzną między grzejnikiem a izolacją. Izolacje cylindryczne często charakteryzują się nieco większą średnicą wewnętrzną niż rura, co prowadzi do powstania szczeliny powietrznej wpływającej na "pozorną" przewodność cieplną. Pomiary metodą rurową (ISO 8497 / ASTM C335) uwzględniają tę szczelinę, dostarczając dane lepiej aplikowalne do rzeczywistych warunków eksploatacji.

Niezbędna weryfikacja: Biorąc pod uwagę duży wpływ instalacji przemysłowych na całkowite zapotrzebowanie na energię i koszty środowiskowe/ekonomiczne, wymagana jest dogłębna analiza przeznaczonej do stosowania izolacji. Mimo wielu zalet materiałów takich jak PUR, PEF czy FEF (np. masa, odporność na wilgoć w porównaniu do wełny mineralnej), konieczne jest wprowadzenie metody jednoznacznego deklarowania ich właściwości termicznych. Pomoże to inżynierom i projektantom w podejmowaniu świadomych decyzji i unikaniu niewłaściwej optymalizacji.

Podsumowanie

Przeprowadzona analiza i badania eksperymentalne jednoznacznie wskazują na konieczność rzetelnej walidacji produktów izolacyjnych. Ma to kluczowe znaczenie w kontekście ich rosnącego wpływu na efektywność energetyczną i koszty środowiskowe.

Kluczowe spostrzeżenia i postulaty:

• Niezgodność deklaracji a straty energii: Zmierzone λ niektórych komercyjnie dostępnych otulin polimerowych (PUR, PEF, FEF) było znacznie wyższe niż deklarowane przez producentów, w niektórych przypadkach przekraczając prawnie dopuszczalny limit +10%. Wzrost λ wraz z temperaturą oznacza, że nawet niewielkie przekroczenie ma zauważalny wpływ na całkowitą stratę ciepła i koszty operacyjne instalacji.
• Ryzyko projektowe: Inżynierowie i projektanci potrzebują wiarygodnych danych dla całego zakresu pracy materiału. Poleganie na zaniżonych deklaracjach stwarza ryzyko niewłaściwej optymalizacji systemu.
• Wymóg pełnej transparentności:
  • Producenci muszą dostarczać informacje o λ dla całego zakresu temperatur, w którym materiał jest stosowany. Podawanie właściwości termicznych materiału przeznaczonego do pracy do 130°C (jak PUR) tylko dla 10°C i 40°C jest wątpliwe pod względem użyteczności.
  • Należy wprowadzić metodę jednoznacznego deklarowania właściwości termicznych.
  • Dokumentacja powinna zawierać oświadczenie, czy materiał był testowany ze szczeliną powietrzną, co zwiększa aplikacyjność danych w rzeczywistych warunkach.
• Stabilność i trwałość: Należy poświęcić więcej uwagi stabilności termicznej materiałów w czasie. Problem ten uwypuklił brak powtarzalności pomiarów dla PEF, gdzie λ wzrastała z kolejnymi pomiarami. Trwałość ta powinna być gwarantowana przez kompleksowe testy starzenia.

Wysoki wpływ instalacji przemysłowych na całkowite zapotrzebowanie na energię, a tym samym na koszty środowiskowe i ekonomiczne, wymaga dogłębnej i rzetelnej analizy właściwości izolacyjnych.

Artykuł bazuje w przeważającej mierze na eksperymentalnym badaniu i analizie termicznej otulin rurociągów, które wykazały niezgodność deklarowanych i zmierzonych wartości przewodności cieplnej ( λ).

Główne źródło:
Tytuł: Comparative Study on Selected Insulating Materials for Industrial Piping
Rok publikacji: 2024
Autor: Jan Porzuczek