Instalacja niepodszyta wiatrem. Jak wartość prędkości wiatru wpływa na grubość izolacji przemysłowych?

Celem projektowania izolacji technicznych, zwłaszcza w skali przemysłowej, jest taki dobór rozwiązań, który po spełnieniu norm dotyczących wykonania i odbioru izolacji pozwoli na uzyskanie ekonomicznie uzasadnionego, minimalnego współczynnika przenikania ciepła. Aby utrzymać wszystkie wymagane parametry w zadanych zakresach, projektant powinien uwzględniać wiele czynników – m.in. specyfikę przewodu instalacyjnego, materiał płaszcza, typ medium czy warunki środowiskowe. Wśród tych ostatnich szczególną uwagę warto poświęcić wartości prędkości wiatru – jak w praktyce wpływa ona na temperaturę powierzchni płaszcza i grubość izolacji?

Bezpieczeństwo – słowo, którego nie rzuca się na wiatr

Aktualne warunki projektowania i wykonywania izolacji w obiektach przemysłowych określa Polska Norma PN-B-20105:2014-09 Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych – Wymagania dotyczące projektowania, wykonania i odbioru robót. W załączniku A normy znaleźć możemy kryteria dotyczące doboru grubości izolacji. Jedno z tych kryteriów zakłada, że grubość izolacji termicznej należy określać zgodnie z normą PN-EN ISO 12241:2010, m.in. z uwagi na konieczność spełnienia wymagania maksymalnej temperatury zewnętrznej powierzchni izolowanego wyposażenia lub instalacji wysokotemperaturowych. Więcej informacji na ten temat dostarcza wspomniana norma PN-B-20105, która mówi: w przypadku izolacji zimnochronnej rzeczywista temperatura płaszcza ochronnego izolacji nie może różnić się więcej niż o 5% od temperatury projektowanej z uwagi na ochronę przed kondensacją pary wodnej na powierzchni zewnętrznej zaizolowanego obiektu. Większe różnice temperatury dla izolacji zimnochronnej oraz przekroczenie 50°C dla izolacji ciepłochronnej jest dopuszczalne w przypadku uzasadnionym względami technicznymi, np. w miejscu styku z konstrukcją nośną płaszcza ochronnego, dla kapturów izolacyjnych, na włazach, wziernikach, kompensatorach, zawieszeniach i podporach. Ta sama norma mówi nam jednak dalej, iż podczas projektowania izolacji instalacji należy brać przede wszystkim bezpieczeństwo operujących w ich pobliżu ludzi: (…) w przypadku, gdy kontakt obsługi z obiektem lub jego elementem może spowodować poparzenie pracowników, należy zastosować na tych odcinkach izolację ochronną, jeżeli nawet ze względów technologicznych nie jest ona wymagana. W normalnych warunkach pracy maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni zewnętrznej płaszcza izolacji wynosi 50°C.

Wpływ wiatru – czynnik kluczowy

Jak aspekt bezpieczeństwa podczas projektowania izolacji przemysłowej należy realizować w praktyce? Temperatura powierzchni nie jest w końcu żadną miarą jakości izolacji cieplnej. Ta ostatnia zależy nie tylko od obliczeniowego współczynnika przewodzenia ciepła konstrukcji, lecz także od szeregu warunków technologicznych. Zaliczyć do nich możemy m.in. temperaturę medium, temperaturę otoczenia, stan izolacji powierzchni, obecność sąsiednich ciał promieniujących czy wpływ warunków atmosferycznych. Czynnikiem nierzadko pomijanym, choć mającym znaczny wpływ na końcowe parametry strat ciepła i temperatury powierzchni, jest zjawisko chłodzenia wiatrem. – Wiatr wzmaga wymianę ciepła pomiędzy powierzchnią izolacji, a otaczającym je powietrzem. Chłodzi, gdy temperatura powietrza jest niższa, a grzeje, gdy przewyższa temperaturę medium – wyjaśnia Robert Kotwas, ekspert firmy Paroc. – Przy wykonywaniu obliczeń parametrów izolacji warto więc przyjąć odpowiednią wartość prędkości wiatru. Źle dobrane rozwiązanie może znacząco wpłynąć na temperaturę powierzchni płaszcza izolacji, przez co rzeczywiste wyniki będą wyraźnie odbiegać od obliczonych – dodaje. Aby sprawdzić, jak istotną rolę pełni wartość prędkości wiatru, wystarczy wykonać kilka profesjonalnych obliczeń.

Instalacja niepodszyta wiatrem

Do przykładowych obliczeń[1] wykorzystamy niepalną matę na bazie wełny kamiennej, do stosowania jako izolacja termiczna przewodów wysokotemperaturowych. Deklarowana przewodność cieplna izolacji w 600°C wynosi 0,161 W/mK. W przypadku wełny kamiennej na parametr ten składają się cztery podstawowe czynniki:

• przewodność cieplna nieruchomego powietrza uwięzionego pomiędzy włóknami,
• przewodność cieplna przez włókna,
• naturalna i wymuszona konwekcja wynikająca z ruchu powietrza w wełnie,
• promieniowanie cieplne.

Na potrzebę obliczeń rozważmy rurociąg stalowy o grubości 8,8 mm i średnicy zewnętrznej 406,4 mm. Przez rurociąg transportowana jest para wodna o zakładanej temperaturze 550°C. Rurociąg usytuowany jest poza budynkiem zakładu przemysłowego – średnia temperatura otoczenia wynosi 25°C, wilgotność względna sytuuje się na poziomie 50%. Zakładając początkowo prędkość wiatru na poziomie 0 m/s, aby osiągnąć temperaturę powierzchni równą lub poniżej 50 °C, przy płaszczu z blachy ocynkowanej potrzebujemy 240 mm izolacji (rys. 1), zaś dla płaszcza z blachy aluminiowej – 330 mm izolacji (rys. 2).

Rys. 1

Rys. 2

Jak gwałtownie zmienia się temperatura na płaszczu w przypadku różnych wartości prędkości wiatru oraz zachowanej, stałej grubości izolacji, prezentuje poniższa tabela.

Wpływ prędkości wiatru na obliczeniową grubość izolacji przedstawia kolejna tabela. Pokazano w niej, jaka powinna być grubość izolacji, aby przy różnych prędkościach wiatru temperatura na powierzchni płaszcza nie przekraczała przepisowych 50 °C. – Dodanie do obliczeń wiatru o prędkości zaledwie jednego metra na sekundę drastycznie zmniejsza grubość wymaganej izolacji – wyjaśnia Robert Kotwas. – W przypadku obliczeń parametrów izolacji, o ile zamawiający nie zaleci innych założeń, zalecamy przyjmowanie następujących wartości prędkości wiatru: 0,5-1 m/s wewnątrz pomieszczeń, 1-2 m/s dla instalacji osłoniętych na zewnątrz, 4-8 m/s dla pozostałych instalacji na zewnątrz oraz 8-10 m/s dla instalacji usytuowanych na zewnątrz w warunkach wietrznych, np. na wybrzeżu – radzi ekspert Paroc.

Poprawne projektowanie izolacji w instalacjach przemysłowych musi uwzględniać wiele czynników – nie tylko technologicznych i środowiskowych, ale w określonych przypadkach także tych związanych z bezpieczeństwem pracy. Wiedząc, jak wartość prędkości wiatru wpływa na temperaturę powierzchni płaszcza, projektant może lepiej dostosować odpowiednią grubość materiału izolacyjnego do określonego zastosowania.

[1] Narzędzie obliczeniowe – Paroc Calculus http://85.76.241.40/paroc-calculus/index_pl.html