VACUÜM ISOLATIE PANELEN TOEGEPAST

Transcriptie

1 VACUÜM ISOLATIE PANELEN TOEGEPAST Sarah Los, Arno Vrijman, Bernadette Weitjens & Piem Wirtz Begeleider: Menno Veefkind De prestaties van vacuüm isolatie panelen zijn vele male beter dan die van traditionele isolatiematerialen als steenwol en glasvezel. Bekend is dat de isolatiewaarde van materialen in een luchtledige ruimte erg groot is. In vacuüm isolatie panelen wordt dit principe succesvol toegepast. Ter illustratie: de isolatiewaarde van vacuümpanelen is 20 keer zo groot als die van glasvezel van dezelfde dikte. Hoewel deze techniek in koelkasten al op grote schaal wordt toegepast, staat de toepassing van vacuümpanelen bij ovens nog in de kinderschoenen. In dit artikel worden de opbouw en werkingsprincipe van vacuümpanelen toegelicht. Vervolgens worden de voor- en nadelen voor het toepassen van vacuümpanelen in de oven behandeld. Energiezuinigheid van consumentenproducten is steeds belangrijker, zeker met het oog op de energieklassen. Dit energieklassen systeem deelt producten in op energiezuinigheid in gebruik. Aanschaf van producten uit energiezuinige klassen gaat gestimuleerd worden door middel van kortingen en bonussen. Voor producenten is het hierdoor van belang dat hun producten binnen de A-klasse vallen, of in elk geval dat zij investeren in de ontwikkeling van energiezuinige producten. Vacuüm isolatie is een ontzettend goede vorm van isolatie, en levert dus energiebesparing op. Het ultieme voorbeeld van een toepassing van vacuüm isolatie is de thermosfles. In een thermosfles is er zelfs helemaal geen isolatie materiaal aanwezig. In plaats daarvan is de ruimte tussen de twee wanden van de cilinder volledig (99,99%) luchtledig gemaakt. Omdat er praktisch geen gasmoleculen meer over zijn om warmte te transporteren, is dit een extreem goede isolatiemethode. De R -waarde is een maat voor de isolatiewaarde. Hoe hoger de R-waarde, hoe beter een materiaal isoleert. De R-waarde van het vacuüm bij de thermoskan is 250. In figuur 1 staan de R -waarden van verschillende isolatiematerialen, Nanogel is een type kernmateriaal welke wordt toegepast in vacuüm isolatie panelen. Aan de isolatie van de oven is nog veel te verbeteren. Een aanzienlijk deel van de toegevoerde warmte aan de oven verdwijnt naar buiten en gaat zo verloren. Figuur 1 Het energieverlies tijdens het gebruik van de oven zal aanzienlijk verkleind worden wanneer vacuümpanelen worden toegepast in plaats van conventionele isolatiematerialen zoals bijvoorbeeld steenwol. De hoge temperaturen waaraan het isolatiemateriaal wordt blootgesteld en de beschikbare ruimte voor het isolatiemateriaal in de huidige oven stellen een aantal eisen aan het vacuümpaneel. Het isolatiemateriaal van een oven moet bestand zijn tegen temperaturen tot 300 C voor standaardovens en tot 550 C als er pyrolyse toegepast wordt. Pyrolyse is het proces waarbij de oven automatisch gereinigd wordt, door alle vetten en etensresten op hoge temperatuur te verbranden. In de huidige oven heeft de beschikbare ruimte voor het isolatiemateriaal een hoogte van ongeveer 3 cm, in de toekomst kan met een isolatieruimte van 2 cm worden volstaan. De isolatieruimte van de oven wordt door een aantal onderdelen doorkruist, bijvoorbeeld door het verwarmingselement. Hierdoor is het vereist dat er gaten in de vacuümpanelen kunnen worden ontworpen en vervaardigd voor de doorvoer van elementen. 1

2 Van belang is dat het vacuümpaneel een levensduur heeft, welke minstens zo groot is als de levensduur van de oven. De gehanteerde levensduur van de oven is 15 jaar. Werkingsprincipe Thermische isolatie werkt de overdracht van warmte tussen twee substanties van verschillende temperatuur tegen. Er zijn verschillende mechanismen voor het overdragen van warmte, waarbij de fysische toestand en de temperatuur bepalen welk mechanisme domineert. Vacuüm isolatiepanelen gaan de warmteoverdracht via twee van de drie mechanismen tegen. De effecten van vacuümisolatie panelen op elk van de drie mechanismen zijn: Geleiding: van toepassing bij een vaste stof, een vloeistof of een gas. Geleiding via een vaste stof gebeurt middels de folie van het paneel, dit is de afsluitende laag om het kernmateriaal. deze moet zoveel mogelijk isoleren. In een vacuüm komt geleiding via een vloeistof of gas praktisch niet voor omdat er weinig moleculen beschikbaar zijn voor energie-overdracht. Convectie: van toepassing op een bewegend fluidum. In het vacuüm paneel is een minimale hoeveelheid gas aanwezig, dus komt convectie praktisch niet voor. Straling: van toepassing op vacuüm. Vacuüm op zich bevordert de warmte overdracht via straling. Dit is dus een nadeel. De folie kan echter van een reflecterend materiaal gemaakt worden, waardoor de straling tegengehouden wordt. OPBOUW Vacuüm isolatie panelen kunnen worden vervaardigd uit verschillende materialen en door middel van technieken. De globale opbouw van de verschillende panelen is gelijk. (figuur 2) Een vacuüm isolatie paneel is opgebouwd uit drie componenten: 1. Een kernmateriaal (core material), dat de basis vormt van het paneel. 2. Een dunne folie (film barrier), die de vacuüm gezogen ruimte afsluit. 3. Een getter en/ of een desiccant, die dienen om respectievelijk gasmoleculen en vocht op te nemen. Figuur 2 Kernmaterialen Het paneel moet bestand zijn tegen een grote druk, omdat het vacuüm (=onderdruk) constant belast wordt door een hoge atmosferische druk van buitenaf. Omdat het niet praktisch is om de wanden zo dik te maken dat ze de druk aankunnen (de dikke wanden zullen veel warmte geleiden op het punt waar ze samenkomen), is er een geschikt ondersteunend materiaal nodig, dat er voor zorgt dat het paneel niet inklapt: het kernmateriaal. (figuur 2, core material)dit is een open-cel materiaal, waardoor het mogelijk is een vacuüm aan te brengen, het grootste deel van het gas kan uit de cellen gezogen worden. Dit materiaal moet sterk genoeg zijn om de enorme druk aan te kunnen en tevens niet te veel warmte geleiden. In VIP s vervult het kernmateriaal dus een tweetal functies. Ten eerste verschaft het fysieke ondersteuning aan de folie, zodat het paneel niet inklapt als het vacuüm wordt aangebracht. Ten tweede verhindert de kern de stroming van gasmoleculen die nog steeds aanwezig zijn in het vacuüm gezogen materiaal. Op die manier wordt voorkomen dat deze moleculen warmte transporteren tussen de beide wanden van het paneel. 2

3 Folie De folie is het materiaal dat de wanden vormt van het vacuüm paneel. (figuur 2, barrier/envelope) De functie van de folie bestaat uit het vormen van effectieve barrière tegen alle atmosferische gassen en vocht, zodat het vacuüm gehandhaafd blijft. Nadat het vacuüm is aangebracht worden de wanden stevig dicht geseald. De enige materialen die 100% impermeabel zijn voor gassen, zijn glas en metaal. Helaas is glas veel te breekbaar. Metaal kan gebruikt worden, maar kan de gemiddelde isolatiewaarde van het paneel significant naar beneden halen. Dit door de warmtegeleiding aan de randen waar de wanden samenkomen (het zogenaamde edge effect ). In toepassingen bij hoge temperaturen, zoals bij ovens, of bij panelen die zijn opgebouwd uit kernmateriaal dat erg gevoelig is voor drukverhogingen, is metaalfolie het aangewezen materiaal. Getters en Desiccants Afhankelijk van het kernmateriaal dat wordt gebruikt en van de levensduur die is gewenst, zijn getters en desiccants nodig. (figuur 2,getter/disiccant) Getters zijn chemische stoffen die gassen absorberen, desiccants zijn stoffen die vocht opnemen. Deze worden toegevoegd aan het kern materiaal van het paneel in de vorm van poeders of kleine pakketjes. (figuur 3) De chemische stoffen absorberen ongewenste gassen en vocht die van buitenaf door de folie dringen, of die nog aanwezig zijn in de kern. Doordat deze gassen worden geabsorbeerd is het mogelijk om een stijging van de druk binnenin het paneel te vertragen. Op die manier worden de levensduur en de prestatie van het paneel verlengd. Figuur 3 Om effectief te zijn moeten de getters en desiccants nauwkeurig afgestemd worden op de te absorberen hoeveelheid- en soort gassen die verwacht kunnen worden. Ze moeten ook in staat zijn om stoffen te absorberen en vast te houden bij de lage druk die in het paneel aanwezig is. Het is dus belangrijk dat de keuze voor hoeveelheid en type getter/ desiccant wordt afgestemd op het soort kernmateriaal, het foliemateriaal en de gewenste levensduur. VOORDELEN Het voordeel van het toepassen van vacuümpanelen is de goede isolatieprestatie. Deze komt tot uiting in een aantal aspecten: 1. verlaging energieverbruik 2. verkleining van isolatievolume 3. verlaging van de massa De toepassing van vacuüm panelen als isolatiemateriaal zal hogere kosten met zich mee brengen dan het gebruik van de traditionele isolatiematerialen. De kosten van de gebruiksfase worden echter teruggedrongen door het beperken van het energieverlies. Bovendien is de oven als consumentenproduct met deze verkleining van het energieverlies een stap dichterbij het begeerlijke A-label, waardoor het gunstig in de markt gepositioneerd wordt. PROBLEMEN Een zwak punt bij het gebruik van vacuüm isolatie panelen is de haalbare levensduur. Het is wel mogelijk om een geschikte levensduur te bereiken, maar deze is sterk afhankelijk van verschillende factoren. De levensduur van VIP s hangt af van de volgende factoren: 4. het initiële vacuümniveau van het paneel 3

4 5. de gasdoorlaatbaarheid van de folie 6. de uitwaseming van gassen door het kernmateriaal en folie 7. de gasdoorlaatbaarheid van de sealrand 8. de hoeveelheid en effectiviteit van de getter en het desiccant 9. het effect van druktoename op het specifieke kernmateriaal 1. Het initiële vacuümniveau Platte vacuümpanelen behouden niet hun hele leven een perfect vacuüm. De meeste panelen zijn vacuüm gezogen tot ongeveer mbar. Een lager vacuüm niveau realiseren is zeer kostbaar en in de meeste gevallen zorgt het niet voor een hoger R waarde. Hoe hoger de initiële druk binnen het paneel, hoe korter de effectieve levensduur van dat paneel zal zijn. Een paneel dat grondig vacuüm gezogen is zal dus een langere levensverwachting hebben. 2. Gasdoorlaatbaarheid van de folie Alle membraanfilms die nu in gebruik zijn, laten sommige gasmoleculen en vocht door na verloop van tijd. De hoeveelheid gas dat door wordt gelaten en hoe effectief de kern en getter er mee omgaan, speelt een grote rol in de levensduur van het paneel. De hoeveelheid gas die wordt doorgelaten hangt af van het materiaal en de weerstand tegen degeneratie in de gebruiksfase. Sommige folies kunnen beter omgaan met spanningen door buiging dan andere. Een bepaalde folie kan onder laboratorium-omstandigheden zeer goed presteren, maar tijdens gebruik ineens makkelijk gas door gaan laten, wanneer ze gevouwen of gebogen worden. Ook de gevoeligheid voor lekprikken is een groot probleem. Bij plaatsing in bijvoorbeeld de oven moet hier voorzichtig mee worden omgesprongen. De meeste folies hebben wel een extra beschermlaag tegen doorprikken en worden in een beschermende verpakking vervoerd. 3. Uitwaseming van gassen. De meeste materialen wasemen gassen uit wanneer ze in een lage- druk omgeving worden geplaatst. Het soort gas en de hoeveelheid ervan en tijdsduur varieert van materiaal tot materiaal. Het vrijgekomen gas kan aanzienlijk bijdragen aan de toename van de druk en dus het verlies van het vacuüm. In sommige gevallen wordt er zelfs meer gas ontwikkeld dan doorgelaten kan worden. Een aantal materialen, zoals silica en metaal, wasemen helemaal geen gassen uit, terwijl andere daar altijd mee doorgaan. Het kern- en membraanmateriaal bepaald wat de vrijgekomen gassen voor invloed hebben op de levensduur van het product. 4. De gasdoorlaatbaarheid van de sealrand De folie wordt rondom geseald, zodat het vacuüm wordt ingesloten. In eerste instantie werden metalen films aan elkaar gelast of gesoldeerd. Tegenwoordig wordt een dunne laag plastic gelamineerd aan het de binnenkant van de folie, zodat geseald kan worden onder toevoeging van warmte. Helaas hebben deze lagen niet dezelfde weerstand tegen gas en vochtdoorlaatbaarheid als de rest van de film. Om deze negatieve invloed te bepreken, gebruiken fabrikanten een zo dun mogelijk laag en wordt de sealingrand breed uitgevoerd. Hoe dun de laag is die een bepaalde VIP fabrikant nodig heeft hang af van hun sealing apparatuur en hun proces- en kwaliteitscontrole. In figuur 4 staat afgebeeld hoe de sealrand moet worden uitgevoerd om lekkage langs de sealrand te voorkomen. 4

5 5. De getter en desiccants Een continue absorptie van externe gassen en vocht levert een essentiële bijdrage in het verlengen van de levensduur van elke VIP. Door deze gassen te vangen en vast te houden, de taak van de getters en desiccants, wordt voorkomen dat de interne druk van het paneel toeneemt, waardoor het vacuüm niveau in stand wordt gehouden. Een aantal kernmaterialen vervullen tevens de functie van de getters en desiccants, terwijl andere kernmaterialen geen enkele mogelijkheid tot absorberen hebben. Het is daarom van groot belang om de chemische bestanddelen, als getters en desiccants, toe te voegen aan de VIP folie. Deze bestanddelen moeten passen bij het type gas moet worden op genomen. Daar de toevoeging van deze getters de kosten omhoog brengt en de isolatiewaarde van het paneel vermindert, moet er een compromis worden gemaakt met de gewenste levensduur. Figuur 4 6. Het effect van druktoename op het specifieke kernmateriaal Elk vacuüm isolatie paneel berust op een groot vacuüm, waardoor een hoge R-waarde bereikt wordt. Daalt dit vacuüm door druktoename in het paneel, dan daalt ook de R-waarde. De relatie tussen de interne druk en de R-waarde varieert per type kernmateriaal. CONCLUSIES In de isolatie van de oven lijkt een goede toepassing te liggen voor vacuüm isolatie panelen. De energiewinst die kan worden behaald door het toepassen van de panelen is groot. Het materiaal waaruit het paneel is opgebouwd heeft veel invloed op de prestaties van het paneel: op de isolatiewaarde, maar met name op de levensduur. De materiaalkeuze voor de verschillende elementen van een paneel is van groot belang en wisselt per toepassing. Een goed ontwerp en een goede productie van de vacuüm isolatie panelen kunnen bijdragen aan een superisolatie-prestatie. BRONNEN HTUwww.vacuüminsulate.orgUTH HTUwww.saesgetters.comUTH HTUwww.glacierbay.comUTH HTUwww.dow.comUTH 5