Thermische Isolierung - Übersicht der Klassen und Anwendungsfelder

Isolierung ist ein zentrales Thema in der modernen Technik und Industrie, das weit über das einfache Warmhalten von Gebäuden hinausgeht. Ob es sich um die elektrische Isolierung von Motoren, die thermische Dämmung von Rohrleitungen oder den Schutz vor extremen Temperaturen in industriellen Prozessen handelt – die richtige Isolierung ist entscheidend für die Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit von Anlagen und Geräten. In der Elektrotechnik spielen Isolierstoffklassen eine wesentliche Rolle, um sicherzustellen, dass elektrische Maschinen unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten können. Doch was genau verbirgt sich hinter isolierenden Materialien, und wie tragen sie dazu bei, die Effizienz und Sicherheit industrieller Prozesse zu steigern? All dies erfahren Sie im nachfolgenden Artikel.

Was versteht man unter Isolierung?

Die Aufgabe von Isolierung ist es, einen ungewünschten Fluss von Energie (Strom, Wärme) oder Stoffen zu verhindern oder zu reduzieren, der andernfalls zu Beschädigungen und Funktionsverlust führen kann. Man unterscheidet zwischen thermischer und elektrischer Isolierung. Elektrische Isolierung bezieht sich ausschließlich auf den Fluss elektrischer Energie, während sich thermische Isolierung auf einen Wärme- oder Kältetransfer bezieht.

Thermische vs. elektrische Isolierung

Thermische Isolierung bezieht sich auf den Einsatz von Materialien und Systemen, die den Wärmefluss zwischen unterschiedlichen Bereichen kontrollieren und minimieren. In industriellen Anwendungen, wie zum Beispiel im Maschinenbau, ist thermische Isolierung maßgebend, um die Energieeffizienz zu optimieren, die Prozessstabilität zu gewährleisten und die Betriebssicherheit zu erhöhen. Durch die Reduzierung von Wärmeverlusten in Heiz- und Kühlsystemen kann der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Darüber hinaus schützt thermische Isolation sowohl Personal als auch Ausrüstung vor extremen Temperaturen, die in industriellen Umgebungen häufig vorkommen.

Thermische Klassen gemäß DIN 60085

Die DIN EN 60085 bezieht sich auf die thermische Klassifizierung von elektrischen Isolierstoffen und Isoliersystemen. Sie behandelt elektrische Isolierung im Kontext ihrer thermischen Beständigkeit. Die Norm legt fest, wie Isoliermaterialien und -systeme, die in elektrischen Maschinen und Geräten verwendet werden, in Bezug auf ihre maximal zulässigen Betriebstemperaturen klassifiziert werden. Ziel ist es, sicherzustellen, dass diese Materialien unter thermischer Belastung zuverlässig arbeiten, ohne ihre isolierenden Eigenschaften zu verlieren. Die verschiedenen Isolierstoffklassen werden dafür durch Buchstaben oder Zahlen gekennzeichnet, die jeweils einer maximal zulässigen Betriebstemperatur entsprechen.

Folgende Isolierstoffklassen werden unterteilt:

Die Isolierstoffklassen F und H sind dabei gängig für Isoliersysteme in elektrischen Maschinen und Motoren. Isoliersysteme dieser Klasse stellen sicher, dass die Maschinen unter den hohen Belastungen und schwierigen Bedingungen industrieller Umgebungen zuverlässig arbeiten. Ein Motor beispielsweise, der gemäß der Isolierstoffklasse F ausgelegt ist, kann sicher bei einer maximalen Betriebstemperatur von 155 °C arbeiten, während ein Motor der Klasse H Temperaturen bis zu 180 °C standhält.

Isolierstoffe und Isoliermaterialien

In industriellen Anwendungen werden thermische Isolierstoffe eingesetzt, um Wärmeverluste zu minimieren, die Energieeffizienz zu erhöhen und Arbeitsumgebungen sicherer zu gestalten. In der Industrie kommen thermische Isolatoren in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, darunter zum Isolieren von Rohrleitungen, Heizöfen sowie anderen Geräten und Anlagen, die hohe Temperaturen erzeugen oder handhaben.

Einige Materialien eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften besonders für den Einsatz als Isolierungen. Während Polyurethankautschuke und Schaumstoffe zwar über einen breiten Temperaturbereich verwendbar, aber in der Regel auf moderate Temperaturen bis etwa 80-100 °C begrenzt sind, verfügen allgemeine Kautschuke über eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit. Silikonkautschuk, zum Beispiel, kann Temperaturen bis über 250 °C aushalten. Eine Übersicht einiger technischer Kunststoffe und ihrer Eigenschaften finden Sie in unserem Blog Spezialkunststoffe in der Praxis.

Isolierplatten als isolierende Komponenten

Isolierplatten sind speziell entwickelte Komponenten für die thermischen Isolierung. Typische Materialien, aus denen Isolierplatten bestehen, sind beispielsweise Polystyrol, Glaswolle, Extruderschaum oder Polyurethan. Jedes Material verfügt über besondere Eigenschaften, nicht nur in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch im Hinblick auf Brandschutz oder Feuchtigkeitsbeständigkeit.

Isolierplatten von MISUMI

MISUMI bietet ein umfassendes Sortiment an Isolierplatten. Diese bestehen aus laminierten wärmebeständigen Glasfaserfolien (für den Rahmen) und Verbundwerkstoffen mit hoher Wärmebeständigkeit. Es gibt unterschiedliche Varianten, wie zum Beispiel eine Standardausführung für den Einsatz als normaler Konstruktionswerkstoff für Heizpressen oder Abstandshalter. Darüber hinaus gibt es aber auch noch Ausführungen für hohe bzw. sehr hohe Temperaturen, die eine hochgradige Wärmebeständigkeit von bis zu 1000 °C aufweisen können. Die thermisch isolierenden Platten von MISUMI bieten eine überragende Wärmeisolierung und sorgen so für eine verbesserte und sicherere Betriebsumgebung.

Anwendungshinweise für Isolierplatten

Bei Isolierplatten gibt es einige Besonderheiten, die für eine erfolgreiche Anwendung beachtet werden sollten, wie beispielsweise:

• Thermisch isolierende Platte können leicht brechen. Daher sollte beim Festschrauben stets eine Unterlegscheibe verwendet und die Schraube nicht zu fest angezogen werden.
• Sobald sich Isolierplatten mit Feuchtigkeit vollsaugen, kann es zu Rissen kommen und die Leistungsfähigkeit kann verringert werden. Sie sollten daher nur in trockener Umgebung gelagert und angewendet werden.
• Bei sehr hohen Temperaturen können Rauch oder Gerüche entstehen. Obwohl diese nicht gesundheitsschädlich sind, sollten Isolierplatten nur in gut belüfteten Umgebungen zum Einsatz kommen.

Kennwerte der thermischen Isolierung

Thermische Isolierung lässt sich anhand unterschiedlicher Kennwerte beschreiben bzw. quantifizieren. Diese Kennwerte sind eine wichtige Entscheidungsgrundlage bei der Auswahl des geeigneten Isoliermaterials in verschiedenen Anwendungen. Zu den Kennwerten thermischer Isolierung gehören zum Beispiel:

• Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Sie wird in Watt pro Meter pro Kelvin (W/m * K) gemessen. Niedrigere Werte bedeuten eine bessere Isolierung.
• Wärmewiderstand: Der Wärmewiderstand, oder kurz R-Wert, ist ein Maß für den Widerstand eines Stoffes oder Materials gegenüber dem Wärmefluss. Er wird in Quadratmetern Kelvin pro Watt (m²K/W) angegeben. Je höher der Wärmewiderstand ist, desto besser ist die Isolierung.
• Wärmedurchgangskoeffizient: Der Wärmedurchgangskoeffizient, auch U-Wert genannt, gibt an, welcher Wärmestrom durch ein Bauteil bei einem Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenseite fließt. Ein niedriger Wärmedurchgangskoeffizient weist darauf hin, dass das Material nur wenig Wärme durchlässt und gut isolierend ist.
• Spezifische Wärmekapazität: Die spezifische Wärmekapazität bezieht sich auf die Wärmemenge, die erforderlich ist, die Temperatur einer bestimmten Masse eines Materials zu erhöhen. Dieser Wert wird in Joule pro Kilogramm und Kelvin (J/kgK) angegeben. Je höher die spezifische Wärmekapazität, desto mehr Wärme kann ein Material aufnehmen.
• Brandverhalten: Das Brandverhalten bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Feuer und hohen Temperaturen standzuhalten, also ob es beispielsweise entflammbar ist oder im Brandfall Rauch und Giftstoffe abgibt.

Bei der Auswahl eines geeigneten Isoliermaterials müssen die spezifischen Anforderungen einer Anwendung sorgfältig bewertet werden. Bei der Planung von Isolieranwendungen müssen auch immer Sicherheitsreserven eingeplant werden, um unerwartete Belastungen oder Extrembedingungen zu bewältigen. Diese Reserven sorgen dafür, dass das Isoliermaterial auch unter ungünstigen Bedingungen zuverlässig funktioniert und die Systemanforderungen erfüllt. Hierbei sollte eben auch der Einfluss von thermischen Ausdehnungen und die Möglichkeit von Ausfällen durch mechanische Belastungen berücksichtigt werden. Die Integration von Sicherheitsreserven in der Planungsphase erhöht die Robustheit des Systems und stellt sicher, dass die Isolierung effizient und zuverlässig arbeitet.

Anwendungsfelder thermischer Isolierung

Die Anwendungsgebiete thermischer Isolierung sind sehr vielseitig. Im Maschinenbau und in der industriellen Fertigung sorgt die thermische Isolierung für eine Verbesserung der Energieeffizienz, eine Optimierung von Prozessen sowie die Erhöhung der allgemeinen Sicherheit. Im Maschinenbau verbessern Isolierplatten die Effizienz von Heiz- und Kühlsystemen, indem sie Wärmeverluste minimieren und die Temperaturkontrolle verbessern.

Thermische Isolierung bei Spritzgussmaschinen

Spritzgussmaschinen werden für die Herstellung von komplexen Kunststoffteilen verwendet. Dieser Prozess erfordert erhebliche Mengen an Energie und es sind hohe Temperaturen involviert. Durch Erhitzen von Kunststoffgranulat bis zum Schmelzpunkt wird der Kunststoff für die Spritzgussmaschine verarbeitbar. Thermische Isolierung kommt bei Spritzgussmaschinen einerseits zum Einsatz, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten und das Abkühlen der Schmelze zu verhindern. Andererseits sollen durch die Isolierung Wärmeverluste minimiert, die Bediensicherheit erhöht und der Energieverbrauch reduziert werden.

Weitere Hinweise und Infos zum Thema Maschineneinstellungen bei Spritzgussmaschinen finden Sie im Blog Kunststoffspritzguss - Maschineneinstellungen.

Rohrisolierung in der Industrie

In industriellen Prozessen dient die Rohrisolierung unter anderem dazu, die Wärmeübertragung von heißen oder kalten Medien in die Umgebung zu reduzieren. Dies erhöht nicht nur den Schutz von Arbeitskräften vor potenziell gefährlichen Oberflächentemperaturen der Rohre, sondern verhindert auch Kondensation auf den Außenseiten von Kälteleitungen, die zu Korrosion führen kann.

Isolierplatten in der Metallverarbeitung

In der Metallverarbeitungsindustrie werden Heizöfen zur Wärmebehandlung eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Metallen durch Prozesse wie Härten, Anlassen und Glühen zu verändern. Thermischer Isolierung kommt dort eine ganz besondere Bedeutung zu. Isolierplatten aus hochtemperaturbeständigen Verbundwerkstoffen reduzieren den Wärmeverlust und ermöglichen gleichzeitig eine gleichmäßigere Verteilung der Temperatur im Ofen. Verbundwerkstoffe, die in Isolierplatten für Heizöfen verwendet werden, sind speziell dafür ausgelegt, extreme Temperaturen standzuhalten. Keramikfaser-Verbundstoffe, zum Beispiel, sind bekannt für ihre exzellente Wärmebeständigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit. Eine Übersicht einiger Werkstoffe der technischen Keramik und ihrer Eigenschaften finden Sie in unserem Blog Technische Keramiken in der Praxis.