Koude isolatie in industriële processen vergt zowel qua ontwerp als materiaalgebruik een geheel andere benadering dan warmte-isolatie. Dampremmende lagen moeten de invloed van vocht zoveel mogelijk voorkomen, omdat vocht de isolatiewaarde ondermijnt en bij bevriezing schade kan veroorzaken. Daar waar mechanische beschadiging kan optreden wordt de dampremmende laag beschermd door een afwerking van beplating of kunststof.
Het begrip ‘thermische isolatie’ wordt verdeeld in twee groepen: warmte-isolatie voor het temperatuurgebied boven de omgevingstemperatuur en koude of cryogene isolatie voor het temperatuurgebied beneden de omgevingstemperatuur tot circa -200 °C voor industriële toepassingen. De term cryogeen is niet duidelijk gedefinieerd. Deze aanduiding wordt meestal gebruikt voor een temperatuurgebied met bovengrenzen variërend tussen -40 °C en -150 °C tot het absolute nulpunt van -273 °C. Voor zowel ontwerp als materiaalgebruik zijn er essentiële verschillen tussen warmte- en koude-isolatie. De applicatie van koude isolatiesystemen vereist bovendien eventueel aandacht dan die van warme isolatiesystemen.
Het ontwerp
Een koud isolatiesysteem wordt ontworpen en aangebracht met als doel koude conservering (beperken van energieverlies door warmteabsorptie), temperatuurbeheersing van processen in leidingen en apparatuur en voorkoming van condensvorming op het buitenoppervlak van het isolatiesysteem. Bij koude isolatie is er een warmtestroom van de omgeving naar het koudere geïsoleerde oppervlak. Met die warmtestroom wordt waterdamp meegenomen in het isolatiesysteem. Water (in de vorm van damp, vloeistof of ijs) in een isolatiesysteem vermindert niet alleen de isolatiewaarde daarvan, maar kan uiteindelijk leiden tot het kapotvriezen van de isolatie, met alle gevolgen van dien. Het is dan ook essentieel dat er geen water of waterdamp in de isolatie binnendringt. Een koud isolatiesysteem moet daarom aan de buitenzijde worden afgewerkt met een dampremmende laag; de zogenaamde primaire dampremmende laag. Bij bedrijfstemperaturen beneden -50 °C, waar een meerlaags isolatiesysteem wordt toegepast, wordt zelfs een tweede dampremmende laag aangebracht tussen de buitenste isolatielaag en de daar onderliggende laag; dat is de secundaire dampremmende laag.
Voor een optimale bescherming tegen het binnendringen van vocht is het van groot belang dat isolatie en dampremmende laag onbeschadigd blijven. Daar waar mechanische beschadigingen kunnen optreden, wordt het isolatiesysteem beschermd met een afwerklaag, bestaande uit beplating of versterkte kunststof.
Desondanks is in de praktijk de kans op beschadigingen nooit uit te sluiten. Om in dergelijk situaties de schade door vocht zoveel mogelijk te beperken, worden dampkeringen aangebracht, waarbij het isolatiesysteem wordt opgedeeld in compartimenten.
De uitvoering van de isolatie van de diverse soorten steunpunten, expansiestukken, overgangsgebieden van warm naar koud en in situ applicaties vallen buiten het bestek van dit artikel, maar zijn belangrijke facetten die van meet af aan in het ontwerp van leidingen en apparaten moeten worden meegenomen.
Materialen
Zijn de materialen bij warme isolatie in de procesindustrie voornamelijk poreuze, vezelachtige materialen, bij koude isolatie worden materialen toegepast met gesloten cellen om het transport van warmte en waterdamp tegen te gaan. De meest gebruikte materialen voor cryogene toepassing in de procesindustrie zijn polyurethaan hardschuim of polyisocyanuraatschuim (PUR/PIR) en cellulair glas. Deze materialen worden veelal als voorgevormde schalen of platen aangebracht, in een of meer lagen, en bevestigd met een kunststof tape of een metalen band, afhankelijk van de afmetingen. Voor bochten, aansluitingen, flenskappen etc. maken leverancier prefab vormstukken, wat de applicatie versneld en de kwaliteit verhoogd. Deze vormstukken worden momenteel met computergestuurde freesmachines vervaardigd. Wellicht dat in de toekomst dergelijk materialen en vormstukken met een 3D-printer kunnen worden gemaakt.
Een volkomen dampkerende laag kan alleen worden bereikt met een omhulsel van glas of metaal. Dit is echter niet praktisch. Het best haalbare compromis is een aluminiumfolie die aan beide zijden is versterkt met een polyester film. Deze multiplex folie wordt beschermd door het aanbrengen een metalen beplating of een beschermende kunststof. Er wordt dan ook gesproken van een dampremmende laag.
De huidige isolatiefilosofie gaat ervan uit dat bij juiste applicatie de penetratie van vocht dermate gering is dat het koude isolatiesysteem zoals omschreven goed functioneert. Het accent wordt tegenwoordig steeds meer op de dampremmend laag gelegd, omdat de ‘gesloten cel’ in de isolatiematerialen bij nader inzien toch lang niet altijd volledig gesloten is. Zo wordt al jaren PIR/PUR alleen in combinatie met een multiplex folie voor koude isolatiesystemen toegepast.
Een nieuwe ontwikkeling is een flexibele aerogel deken voorzien van een dampremmende laag. In de praktijk wordt dit materiaal hier en daar al toegepast, maar er is nog steeds discussie omdat het materiaal niet bestaat uit ‘gesloten cellen’. Echter de toepassing van vele lagen multiplex folie bij dit materiaal in combinatie met de waterafstotende eigenschap van de aerogel geeft positieve resultaten bij onafhankelijke cryogene testen. Ervaringen in de praktijk zullen de doorslag moeten geven.
Contractie
Isolatiematerialen zoals hierboven genoemd (PIR/PUR en cellulair glas) zijn niet erg flexibel. Daarom moeten de schaaldelen of platen zorgvuldig op maat gebracht en geplaatst worden, zodanig dat geen open naden ontstaan. Dat vereist meer vakmanschap dan het aanbrengen van wollen dekens. Ook de installatie van de dampremmende laag moet zorgvuldig worden uitgevoerd.
Het zal duidelijk zijn dat bij afwijkende vormen in de te isoleren systemen, zoals bochten, afsluiters, flenzen, aansluitingen etc. de moeilijkheidsgraad toeneemt. Er moet de grootste zorg worden besteed aan de maatvoering en het aanbrengen om het systeem goed te kunnen laten functioneren en lekkages in de dampremmende laag te voorkomen.
Bij lage bedrijfstemperaturen treedt aanzienlijke contractie op in de geïsoleerde leidingen en apparaten, maar ook in de isolatiematerialen. Het is daarom erg belangrijk dat koude-isolatiesystemen worden ontworpen op de te verwachten contractieverschillen. Daarbij komt dat cellulair glas minder krimpt dan staal en PIR/PUR juist weer meer krimpt dan staal. Als gevolg daarvan moet bij toepassing van cellulair glas in elke laag een contractienaad worden toegepast, terwijl dat bij PUR/PIR alleen in de buitenste laag nodig is. De benodigde contractienaden moeten nauwkeurig worden aangebracht en deze worden aan de buitenkant afgewerkt met een rubber balg om de beweging op te kunnen vangen en toch het vocht buiten te houden.
Als er een beplating wordt aangebracht ter bescherming van het isolatiesysteem, is er ook daar weer een markant verschil tussen warme en koude isolatie. Bij warme isolatie dient de beplating ter bescherming van het isolatiemateriaal tegen weersinvloeden en om de isolatiewol droog te houden. Bij koude isolatie is bescherming van de primaire dampremmende laag de belangrijkste functie. De beplating wordt vastgezet met stalen banden en niet met schroeven, want die beschadigen de onderliggende dampremmende laag. Aan de binnenzijde van de beplating kan onder bepaalde omstandigheden condensvorming optreden. Dat vocht tussen beplating en dampremmende laag moet gemakkelijk kunnen worden gedraineerd. De meest recente ontwikkeling is dat de beplating aan de onderzijde van leidingen en apparaten door het aanbrengen van afvoergaten open wordt gehouden. Ook binnengedrongen regenwater kan op die manier gemakkelijk weglopen en accumuleert niet in een ‘gesloten’ beplating.
Kan men warme isolatiesystemen na inbedrijfname nog redelijk gemakkelijk controleren op waterdichtheid en isolatiecapaciteit, koude isolatiesystemen kunnen na het opstarten van de installatie niet meer worden geopend. Controle kan alleen worden uitgevoerd met thermografische apparatuur. Eventueel geconstateerde ‘cold spots’ kunnen pas worden gerepareerd tijdens een eerstvolgende shut-down.
Het moge duidelijk zijn dat koude isolatiesystemen in diverse stadia zorgvuldigheid en deskundigheid behoeven om tot goede resultaten te komen. Kwaliteitscontrole op elke laag is daarom essentieel. De Stichting Isolatie Nederlandse Industrie (CINI) heeft in het door haar uitgegeven CINI-Handboek veel aandacht besteed aan dit onderwerp. Het beschrijft gedetailleerd de eerder genoemde onderdelen, ontwerp, materialen en specifieke applicatietechnieken, verduidelijkt met tal van constructieschetsen.
Deze constructieschetsen worden in de komende tijd in de CINI Commissie ‘Koude Isolatie’ gerevideerd. Reacties uit het veld worden op prijs gesteld; lezers die verbetervoorstellen hebben op de ‘koude schetsen’ kunnen hun commentaar sturen naar het CINI-secretariaat.
Dit artikel stond onder verantwoordelijkheid van CINI in Isolatie Magazine 73.
De meest gebruikte materialen voor cryogene toepassing in de procesindustrie zijn polyurethaan hardschuim of polyisocyanuraatschuim (PUR/PIR) en cellulair glas. Deze materialen worden veelal als voorgevormde schalen of platen toegepast. Foto: Foamglas
Links de dampkering; rechts de opbouw van een meerlaags PIR-systeem.
Foto’s: CINI
