Використання теплоізоляційних матеріалів є необхідним заходом в комунально-побутовому секторі, системах інженерного забезпечення будинків, а також для підтримання температурного режиму, уникнення температурних перепадів та зменшення витрат енергоресурсів в біогазових установках.

Температурний режим суттєво впливає на якість технологічного процесу та продуктивність біогазової установки, оскільки коливання температур в межах 4...5 ^оС різко змінює мікробіологічну активність анаеробних організмів [9]. Особливістю процесу в біогазових реакторах є те, що за рахунок недостатнього та нерівномірного прогрівання суміші коливання температур в об’ємі субстрату стають значними, що не відповідає технологічним  вимогам.  Це зменшує  вихід біогазу  порівняно з теоретичним [14, 31]. Вирішення задач термостабілізації біогазових реакторів можливо за рахунок підвищення термічного опору матеріалу захисних конструкцій.

Завдяки теплоізоляції зменшуються перепади температури і втрати теплоти між внутрішнім та зовнішнім середовищами біогазової установки. Головною технічною характеристикою теплоізоляційних матеріалів є теплопровідність – здатність матеріалу передавати теплоту. Варто відзначити, що величина теплопровідності теплоізоляційних матеріалів залежить від щільності матеріалу, виду, розміру, розташування пор та інших параметрів. Значний вплив на теплопровідність має температура і вологість матеріалу.

З метою підвищення термічних опорів конструкцій, зниження маси і вартості їх найчастіше виконують з повітряними прошарками [38]. В конструкції утеплення з вентильованим повітряним прошарком між утеплювачем і захисним облицюванням є вентильований повітряний прошарок. У холодну пору року водяна пара дифундує з приміщення назовні і потрапляє в утеплювач. У результаті вологість утеплювача зростає, а його теплозахисні властивості погіршуються. Завдяки наявності вентильованого повітряного прошарку волога не затримується в товщі утеплювача, а видаляється з неї висхідним потоком повітря [28]. Влаштування повітряного прошарку є розповсюдженим прийомом теплоізоляції, тому що коефіцієнт теплопровідності повітря має досить низьке значення (при t = 0^о С, λ_в = 0,023 Вт/м²·град) [28]. Використання повітряного прошарку дозволяє підвищити термічний опір в середньому в 1,4...1,8 раза. Повітря, що знаходиться у прошарку, буде виступати як додатковий теплоізолятор.

Найбільш ефективним методом збільшення термічного опору конструкції з повітряним прошарком є її екранування. Один екран з алюмінієвої фольги зменшує тепловий потік у 20 разів. Зі збільшенням числа екранів цей ефект зростає. На цьому принципі заснована теплоізоляція „альфоль”, виконана у вигляді плоских аркушів фольги на відстані 10...15 мм один від одного чи у вигляді м’ятих гофрованих листів фольги. Умовний коефіцієнт теплопровідності такого теплоізоляційного   шару при гладких аркушах складає 0,031 Вт/(м²·град), при  гофрованих – 0,028 Вт/(м²·град).

У зв’язку з цим з метою впровадження енергозберігаючих технологій актуальною задачею є розроблення багатошарових конструкцій з герметичним повітряним прошарком та із застосуванням тепловідбиваючих екранів, а також дослідження їх термічних опорів.

Запропоновано теплоізоляційну панель [35], що складається з каркасу та секцій, заповнених наповнювачем. Як секції використані пластикові пляшки з відрізаним дном, які герметично закріплені на вертикально встановлених на каркасі дротах, причому як наповнювач використовують сухе повітря, а каркас розміщений в захисному повітронепроникному корпусі. Загальну схему запропонованої конструкції теплоізоляційної панелі наведено на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 − Теплоізоляційна панель:

 

1 – каркас; 2 – пластикові пляшки з відрізаним дном; 3 – дріт; 4 – захисний повітронепроникний корпус

 

Багатошарова захисна конструкція від тепловтрат з герметичним повітряним прошарком підвищує термічний опір конструкції. Сухе повітря, яке знаходиться в пластикових пляшках 2, що розміщені в             каркасі 1, має низький коефіцієнт теплопровідності (λ_в = 0,023 Вт/м²·град), завдяки чому значно знижується теплообмін між біогазовою установкою або приміщенням та навколишнім середовищем. Оскільки пластикові пляшки 2 з відрізаним дном з’єднані між собою у пакети герметично, то це перешкоджає проникненню водяної пари до наповнювача – сухого повітря. Захисний корпус 4 перешкоджає прямому контакту теплоізоляційної панелі із матеріалом захисної конструкції, а також надає панелі більшої міцності і довговічності.

Запропоновано також теплогідроізоляційну багатошарову конструкцію [40], в якій за рахунок введення теплоізоляційної панелі та алюмінієвої фольги зменшуються тепловтрати в навколишнє середовище. Теплогідроізоляційна багатошарова конструкція містить утеплювальний шар, що включає гідроізолювальний шар, металеву сітку та шар пароізоляції, а також додатковий шар теплоізоляції, як такий використовується алюмінієва фольга. Поверх нього розташовано шар пластикових пляшок із сухим повітрям, а зверху встановлено захисний матеріал від механічних пошкоджень.

Загальну схему запропонованої теплогідроізоляційної багатошарової конструкції наведено на рис. 3.9.

Рисунок 3.9 − Теплогідроізоляційна багатошарова конструкція:

 

1,2 – гідроізолювальні шари; 3 – алюмінієва фольга; 4 – теплоізоляційна панель із пластикових пляшок з сухим повітрям; 5 – металева сітка;                        6 – захисний матеріал від механічних пошкоджень

 Теплогідроізоляційну багатошарову конструкцію виконано таким чином. Гідроізолювальні шари 1 і 2 захищають від проникнення вологи в приміщення або до корпуса біогазової установки. Поверх шарів 1 і 2 укладено алюмінієву фольгу 3, що служить для відбивання довгохвильового тепла та погіршення умов паропроникнення. На алюмінієву фольгу встановлено теплоізоляційну панель із пластикових пляшок 4, яка перешкоджає проникненню вологи. Це приводить до зниження теплообміну між біогазовою установкою чи приміщенням та  навколишнім середовищем.  Металева сітка 5, що розташована поверх теплоізоляційної панелі, підвищує механічну міцність. Над сіткою 5 укладено захисний матеріал від механічних пошкоджень 6, який захищає від зовнішніх механічних пошкоджень та утеплює конструкцію.

Оцінивши ситуацію на українському ринку, можна відзначити, що в 2006 році продовжувалася тенденція перерозподілу ринку між видами технічної ізоляції. Сучасні спінені матеріали (на основі спіненого поліетилену і синтетичного каучуку) активно займали частину ринку, де раніше застосовувались вироби із мінерального і скловолокна. Цьому посприяли дефіцит і підвищення цін на технічну ізоляцію на основі базальтового і скловолокна. В 2006 р. спостерігалась ще одна тенденція. Вітчизняні підприємства почали усвідомлювати необхідність використання технічної ізоляції взагалі і якісної ізоляції особливо.

Мінеральна вата – волокнистий матеріал, який отримують із силікатних розплавів гірських порід, металургійних шлаків тощо. Головні властивості виробів з мінеральної вати – високий рівень тепло- і звукоізоляційності, стійкість до температурних деформацій, негігроскопічність, хімічна і біологічна стійкість, екологічна безпечність і легкість у монтажі. До того ж, вони належать до класу негорючих матеріалів.

Пінополістирол – спінений і екструдований – вже понад сорок років застосовується як теплоізоляційний матеріал. Він є міцним, характеризується низькими показниками теплопровідності і густини, що дає змогу використовувати його як конструктивний елемент [39]. Пінополістирол – екологічно чистий матеріал, виключно стійкий до дії агресивних хімічних середовищ.

Термічний опір конструкції, що складається з кількох шарів матеріалу, розташованих перпендикулярно до напрямку теплового потоку, визначається згідно з формулою [28]:

Для теплоізоляційних конструкцій із різних матеріалів, а саме мінеральної вати, пінополістиролу, багатошарової конструкції із герметичним повітряним прошарком проведено числові експерименти з визначення термічних опорів цих матеріалів залежно від їх товщини для отримання оптимальних теплоізоляційних характеристик при підтриманні теплового режиму в біогазовій установці. Результати числових експериментів наведено в табл. 3.4, а графічні зміни термічних опорів залежно від товщини шару матеріалу зображено на рис. 3.10.

Таблиця 3.4 − Термічний опір теплоізоляційних матеріалів

Аналіз результатів чисельного експерименту із визначення термічних опорів теплоізоляційних матеріалів залежно від їх товщини свідчить про те, що для отримання оптимальних теплоізоляційних характеристик для підтримання теплового режиму в біогазовій установці найефективнішим є використання запропонованих теплоізоляційних багатошарових конструкцій із герметичним повітряним прошарком. Крім того, затрати на виготовлення запропонованих багатошарових конструкцій є мінімальними завдяки використанню вторинних ресурсів.