Technické izolace detailně (I) – účel technických izolací

Snad každé technické dílo vyžaduje vedle vlastního základního technického prvku nebo souboru ještě doplňující, někdy významná, někdy podružnější, avšak někdy podmiňující technická opatření k tomu, aby mohlo plnit své zamýšlené poslání. Mezi nimi připadá, zejména v poslední době, stále významnější úloha řešení tepelně technických podmínek. Jednou z důležitých činností v této oblasti je použití tepelných izolací na rozvodech potrubí, vzduchovodů a nádrží, které se uznává jako nutná podmínka v jakékoliv činnosti stavebnictví, strojírenství a obdobných oborech.

Výběr správného izolačního materiálu a jeho vhodné uplatnění, včetně návrhu tloušťky izolace, nabývá zejména v posledních desetiletích na důležitosti úměrně s rostoucí náročností a vzácností energetických zdrojů. Zejména proto, že žádný jiný materiál použitý v projektech nepřináší investorovi během životnosti zařízení takovou finanční návratnost jako právě tepelná izolace.

V novém seriálu na pokračování Technické izolace detailně bychom se systematicky snažili věnovat některým speciálním otázkám profese technických izolací. Věříme, že tímto seriálem se podaří alespoň částečně pozvednout odbornou úroveň v místech, které byly v poslední době odsunuty poněkud do stínu zájmů. Dříve než přistoupíme ke konkrétním tématům, bylo by vhodné říci si něco k základnímu rozdělení technických izolací do skupin podle funkcí, ke kterým mohou být izolace použity.

Tepelná izolace je primárně určena pro snížení intenzity tepelného toku. Mimo rozsáhlé uplatnění při izolování obvodového a střešního pláště budov může mít tato obecná vlastnost izolace různá praktická využití. Patří mezi ně zejména:

• Snižování nežádoucích tepelných ztrát (nebo zisků) rozvodů a zařízení technického vybavení budov, v jehož důsledku dojde ke snížení provozních nákladů a k lepšímu hospodaření s přírodními zdroji.
• Ochrana osob před popálením vhodným ovlivněním povrchové teploty.
• Ochrana proti kondenzaci udržením povrchové teploty nad teplotou rosného bodu okolního vzduchu.
• Ochrana proti vnitřní kondenzaci nebo zamrznutí při dopravě tekutin s citlivostí na teplotu.
• Ochrana proti nežádoucím změnám fyzikálních vlastností tekutin při jejich delším skladování při atmosférických podmínkách.
• Kontrola technologického procesu v případech, kde je udržení předepsané teploty rozhodující podmínkou pro úspěch výroby.
• Časový posun nebezpečných účinků požáru.
• Snižování hlukové zátěže generované technickými zařízeními.

Úspora energie

Tloušťku izolace počítáme podle kritéria maximální tepelné ztráty, s přihlédnutím k nežádoucímu oteplování nebo chladnutí teplonosné látky, zajištění funkčnosti technologických procesů v případech, kde je udržení předepsané teploty rozhodující podmínkou, apod. Podle technologie se kontrolním výpočtem ověřuje, že ve skutečnosti je tepelná ztráta nižší než očekávaná.

Nejmenší tloušťka izolace je pro některé případy dána vyhláškou 197/2007 Sb. Pokud není třeba respektovat přednostně jiné požadavky, je vhodné při návrhu pracovat s ekonomicky optimální tloušťkou izolace. Větší tloušťka izolace snižuje tepelné ztráty, a s tím spojené výdaje. Zároveň však zvyšuje pořizovací cenu izolačního systému zahrnující náklady na materiál i montáž.

Obr. 1 Maximální snížení povrchové teploty třívrstvým kladením izolace – 1. vrstva keramická vlna, 2. a 3. vrstva rohože na pletivu z kamenné vlny

Téma ekonomické tloušťky izolace se sice v praxi velice často zmiňuje, ale obvykle chybí podrobnější poklady, jakým způsobem ekonomický návrh správně provést. Důsledné hledání ekonomického minima totiž musí respektovat i takové vlivy jako je hodnota peněz ve sledovaném časovém období, prognóza cenového vývoje, náročnost údržby izolace a její životnost a další. Tomuto tématu se proto budeme důkladně věnovat v některém z dalších dílů seriálu o technických izolacích.

Ochrana osob před kontaktem s horkým povrchem

Častým kritériem pro návrh tloušťky izolace, zejména pro vyšší provozní teploty vyskytující se v průmyslových aplikacích, je kritérium povrchové teploty. Nebezpečí popálení lidské pokožky nezávisí jen na maximální povrchové teplotě, ale i povrchovém materiálu a délce styku pokožky s horkým nebo studeným povrchem. Pro snížení rizika úrazu je nutné navrhnout správný typ a dostatečnou tloušťku tepelné izolace. Pokud z prostorových či jiných důvodů není možné navrhnout příslušnou tloušťku izolace, lze povrchovou teplotu snížit vhodnou povrchovou úpravou (volit nekovové typy opláštění, tj. plasty, poplastované plechy, tkaniny ze skelných vláken, apod.).

Ochrana proti kondenzaci na vnějším povrchu

Obr. 2 Chladicí rozvody izolované syntetickým kaučukem

V potravinářském, v textilním průmyslu, u klimatizačních zařízení, apod. se vhodným uplatněním izolace zvýší povrchová teplota zařízení nad teplotu rosného bodu. Dosáhne se tím požadovaného účinku – zabránění kondenzace na studeném povrchu. Kondenzace na takovém povrchu je jev nežádoucí, protože způsobuje odkapávání z oroseného povrchu. Stále kapající kondenzát je velmi vážným problémem, protože může narušit pracovní režimy, způsobit stavební vady, korozi, atd. Druhou důležitou vlastností izolace je v co největší míře zamezit pronikání vodní páry do izolačního materiálu, která vede k akumulaci vlhkosti ve struktuře izolace. Výběr vhodného druhu izolačního materiálu pro chladicí zařízení a výpočet jeho správné tloušťky je důležitou prací projektanta.

Ochrana proti kondenzaci na vnitřním povrchu

Zatímco v předešlém případě jsme měli na mysli kondenzaci vodních par, vyskytuje se, např. při dopravě technických látek, nejčastěji v souvislosti s chemickou výrobou, požadavek na vyloučení možnosti fázové přeměny při dopravě nebo skladování speciálních tekutin. Technické řešení takových problémů je třeba podřídit fyzikálním vlastnostem předmětné látky a kinetickým podmínkám prostředí nad vnitřním povrchem.

Ochrana proti zamrznutí dopravních tras

Obr. 3 Topný kabel na technologickém rozvodu, zabraňující nežádoucí chladnutí procházející látky, před zakrytím izolací

Snížení tepelných ztrát potrubí dopravujícího tekutinu není v tomto případě předmětem ekonomického hlediska, ale podmínkou, na jejímž splnění závisí zásobování odlehlého místa produktem nebo nejčastěji vodou, u nichž má být zachována požadovaná kvalita závidející na teplotě. Provedení izolace určuje nejen velikost dopravního potrubí, ale také prostředí, jímž je vedeno a zejména množstvím a kvalitou dopravované látky.

Pokud není možné zajistit ochranu proti zamrznutí izolací nebo minimálním průtokem kapaliny potrubím, omotává se potrubí topným kabelem. I zde sehrává izolace důležitou úlohu. Její provedení bude záviset na kombinaci jejího účinku s výkonem topného kabelu, který musí být navržen na tepelnou ztrátu předávanou do prostoru. Někdy se ještě tyto funkce kombinují s předpokladem, který připouští částečnou skupenskou přeměnu vody na led. Je to pak další parametr, který spolu s tepelnou izolací ovlivňuje řešení problému.

Ochrana proti zamrznutí nádob

Problémy nestacionárních tepelných dějů řeší tepelné izolace u cisteren, nádob a nádrží, které mají dlouhodobě uchovávat látky, jejichž aktuální použitelnost je limitována teplotou. Jedná se např. o oleje, ropné nebo bituminézní produkty, které mohou být dopravovány či zpracovávány pouze tehdy, nestoupne-li jejich viskozita nad přípustnou míru. Také u vodních emulsí a potravin nesmí teplota při jejich skladování klesnout pod určitou mez. Velmi často pomůže správně provedená izolace dosáhnout požadovaných podmínek i bez nutnosti nákladného a často problematického přihřívání takových skladových zařízení.

Zajištění funkčnosti technologických procesů

Kromě snižování tepelných ztrát je u technologických rozvodů nutný návrh takového typu a takové tloušťky izolace, aby byla udržena požadovaná teplota pracovní látky při transportu z jednoho místa technologického zařízení do druhého. Změny teploty pracovní látky mohou být průběžné, přerušované (např. při nezbytnosti zajištění technologických odstávek nutných pro čištění) nebo cyklické, u kterých se prudce mění podmínky provozu např. se změnou počasí.

Proces, při kterém během několika minut dochází k cyklické změně z vysoké teploty na nízkou, vyžaduje izolaci, která má schopnost rychle měnit svou teplotu a má minimum hmoty pro držení tepla (tzn. maximální teplotní vodivost, která je dána nízkou tepelnou kapacitou a nízkou objemovou hmotností izolace).

Obr. 4 Požární ucpávka v požárně dělicí konstrukci zabraňující přenosu požáru okolo potrubních prostupů

U rozvodů, u kterých je nutné sledovat změnu teploty dopravované látky, se již ve fázi přípravy projektu musí zvážit, zda navýšení tloušťky izolace či změna trasování potrubí poskytne to nejefektivnější možné řešení. Toto rozhodnutí se výrazným způsobem liší od tradičního přístupu, kdy se volí taková izolace, která je ekonomicky nejvýhodnější.

Požární ochrana

Při projektování a výstavbě i rekonstrukcích stavebních objektů se vyžaduje, aby tyto budovy plnily nejen užitné, ekonomické a estetické cíle, ale aby vyhovovaly též požadavkům hygienickým, bezpečnostním a protipožárním. Přitom se nejedná pouze o hořlavost použitých materiálů (klasifikace do třídy reakce na oheň podle ČSN EN 13 501-1), ale i celkové chování rozvodů procházejících požárně dělicími konstrukcemi. Celkové řešení požární bezpečnosti je velmi složité a podléhá řadě velmi přísných legislativních předpisů. Velmi důležitá úloha přitom připadá tepelným izolacím a detailům jejího provedení. Poslání izolací v těchto případech není v oblastech ekonomických efektů, ale výhradně v oblasti bezpečnosti a ochrany lidského zdraví. Proto se zde také primárně neposuzuje velikost tepelných ztrát nebo udržení požadovaných teplot, jak tomu bylo v předchozích případech využití tepelných izolací, ale sleduje se výhradně požadavek, aby jejich provedení izolace splňovalo zákonné podmínky a předepsané zkoušky.

Ochrana proti hluku

Obr. 5 Akustické tlumiče používané pro snížení přenosu hluku ze strojoven do koncových elementů vzduchovodů

Nádrže i potrubí, kterými protékají plyny, páry nebo kapaliny, představují často významný zdroj hluku. Příčinou mohou být vysoké rychlosti proudění přepravované teplonosné látky nebo vložené odpory (síta, mříže), které způsobují turbulence a tím pak vznik hluku. Potrubími mohou procházet zvuky z armatur nebo čerpadel, které se tak mohou přenášet až do vzdálených částí budov. Při projekci i realizaci je tedy důležité zajistit na všech prostupech potrubí stěnami nebo stropy utlumení šíření zvuku ve hmotě. Toho lze dosáhnout např. vyprojektováním dostatečně velkých prostupů, přičemž se volná část otvoru zvukotěsně uzavře. Pevným spojením je třeba se vyhýbat, protože zvyšují přenos zvuku vzduchem i konstrukcí stěn a stropů.

Dodržení směrných imisních hodnot provozního zařízení, vyžadované technickými předpisy na ochranu proti hluku, si může vynutit provedení protihlukových opatření. Potřebnou tepelnou izolaci lze v řadě případů spojit i se zlepšením akustických parametrů. U protihlukových izolací je nutné, aby vnější plechové opláštění bylo instalováno beze spár a nebylo uloženo na kovových podpěrách přenášejících zvuk, nýbrž pouze na pružných distančních podložkách (pryžové prvky, ocelová péra).

Závěr

I když je výsledkem uplatnění tepelné izolace vždy potlačení intenzity tepelného toku, není smysl takového opatření pokaždé stejný. V předchozím stručném přehledu jsme se pokusili ukázat na různorodost tepelně izolační techniky a na hlediska a metody, které umožňují tyto úlohy řešit. V dalším pokračování zamýšleného seriálu se vrátíme k jednotlivým formulacím tepelně izolačních úloh a pokusíme se naše čtenáře přiblížit k jejich konkrétnímu řešení.

Použité zdroje

• [1] KOVERDYNSKÝ, V., Příručka pro návrh technických izolací, Praha: Saint-Gobain Construction Products CZ a.s., 2012, s. 60.