Die Tauwasserverhinderung ist die Hauptaufgabe einer Kältedämmung. Tauwasser entsteht, weil Luft nicht unendlich viel Wasserdampf aufnehmen kann. Bei einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit enthält Luft eine definierte Menge von Wasserdampf. Kühlt man Luft ab, so wird sie bei einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Taupunkttemperatur, zu 100 % mit Wasserdampf gesättigt sein. Würde man die Luft weiter abkühlen, so würde ein Teil des Wassers nicht mehr in Form unsichtbaren Wasserdampfes gehalten werden können und deshalb in Tropfenform ausfallen. Warme Luft kann also mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte (Bild 2). Der jeweilige Wasserdampfgehalt der Luft kann der Einfachheit halber direkt aus Tabellen entnommen werden, die sich in der gängigen Fachliteratur finden lassen. Sie zeigen, wie weit man Luft einer bestimmten relativen Feuchte abkühlen darf, ohne dass die relative Feuchte von 100 % überschritten wird und damit Tauwasser entstehen würde. Bild 3 zeigt ein Beispiel: 22°C warme Luft mit einer relativen Feuchte von 80 % kann um 3,6 K auf 18,4°C abgekühlt werden, ohne dass Tauwasser entsteht. Oder anders ausgedrückt: 22°C warme Luft mit einer relativen Feuchte von 80 % besitzt eine Taupunkttemperatur von 18,4°C. Luft mit 22°C und 80 % relativer Luftfeuchte enthält also genau soviel Wasser als unsichtbaren Wasserdampf wie bei einer Temperatur von 18,4°C und 100 % rel. Feuchte, nämlich 13,2 g Wasser pro kg trockener Luft. Würde man die Temperatur auf 6°C reduzieren, können nur noch 5,8 g Wasser gehalten werden. Die Differenz von 7,4 g würde als Tauwasser auftreten.
Im Normalfall enthält Luft nur einen bestimmten Prozentsatz der maximal möglichen Feuchtigkeit. Er wird als relative Luftfeuchte angegeben und lässt sich auf zweierlei Weise definieren:
1. als der einhundertfache Wert des Verhältnisses von vorhandenem Feuchtegehalt zu max. möglichem Feuchtegehalt.
2. als der einhundertfache Wert des Verhältnisses aus Wasserdampfteildruck und Sättigungsdruck.
Taupunkttemperatur darf nicht unterschritten werden
Überträgt man dieses physikalische Gesetz auf Dämmungen im Kältebereich, müssen die Dämmschichtdicken so dimensioniert werden, dass die Taupunkttemperatur auf der Dämmstoffoberfläche niemals unterschritten wird. Bei dem gewählten Beispiel (Bild 4) muss die Dämmschichtdicke mindestens 10,4 mm betragen, damit es nicht zur Tauwasserbildung kommt (Umgebungstemperatur 22°C, Mediumtemperatur 6°C, relative Luftfeuchte 80 %, Rohraußendurchmesser 33,7 mm). In der Praxis wird man nur selten ein Produkt mit der exakt errechneten Dämmschichtdicke finden. Man wählt daher im allgemeinen die nächst größere Dämmschichtdicke. Um Tauwasser zu verhindern, muss in jedem Fall gewährleistet sein, dass die Oberflächentemperatur auf der Dämmung mindestens gleich oder höher ist als die Taupunkttemperatur bei definierten Umgebungsbedingungen.
Die richtige Dicke bringt’s
Nur richtig bemessene Dämmschichtdicken schützen optimal vor Tauwasserbildung. Will man die Oberflächentemperatur bzw. die Dämmschichtdicke (Bild 5) berechnen, die notwendig ist, um sicherzustellen, dass die Oberflächentemperatur mindestens gleich der Taupunkttemperatur ist, müssen neben der Mediumtemperatur auch die Umgebungsbedingungen – Umgebungstemperatur, relative Luftfeuchte – bekannt sein bzw. sind im Rahmen der Projektierung als zu erwartende Maximalwerte festzulegen. Außerdem müssen die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Isolierung, der Wärmeübergangskoeffizient der Oberfläche der Dämmung und das zu dämmende Objekt (Rohr/Kanal etc.) ermittelt werden. Diese Formeln dürften allgemein bekannt sein. Entscheidend ist jedoch die Kenntnis darüber, wie sich die einzelnen Einflussgrößen auf die Auslegung und spätere Funktionstauglichkeit der Dämmung auswirken.
Verschiedene Einflussfaktoren
Einflussfaktor Umgebungsbedingung
Um die Mindest-Dämmschichtdicken von Kältedämmungen ermitteln zu können, muss man Annahmen über typische Umgebungsbedingungen treffen. Die in Tabelle 1 aufgeführten Maximal-Werte wurden bei Anfragen von Isolieren, Planern und Anlagebetreibern genannt und spiegeln die Bedingungen wider, die typischerweise der Dimensionierung von Kältedämmungen zugrunde gelegt werden. Ein oft gemachter Fehler ist die Unterschätzung des Einflusses der relativen Luftfeuchte auf die notwendige Dämmschichtdicke zur Tauwasserverhinderung. Ein 10%iger Anstieg der Luftfeuchte kann z.B. in bestimmten Bereichen eine Verdoppelung der Dämmschichtdicke erforderlich machen (siehe Tabelle 2).
Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes
Die Wärmeleitfähigkeitswerte, der für technische Isolierungen üblichen Dämmstoffe liegen im Bereich von 0,030 bis 0,060 W/(m²K). Ein die Wärmeleitfähigkeit beeinflussender Parameter ist die Mitteltemperatur. Bei elastomeren Dämmstoffen wie AF/Armaflex erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Dadurch wird die Dämmschichtdicke der Isolierung maßgeblich beeinflusst, denn je niedriger die Wärmeleitfähigkeit, desto geringer die Dämmschichtdicke. Seriöse Dämmstoffanbieter geben daher die Wärmeleitfähigkeit ihrer Stoffe nur in Kombination mit der Mitteltemperatur an.
Einflussfaktor Wärmeübergangskoeffizient
In der Praxis und auch bei der Planung von Anlagen muss auf jeden Fall vermieden werden, dass Rohre und Kanäle zu dicht nebeneinander liegen oder in einem zu geringen Abstand von Wänden und sonstigen Einbauten verlaufen. Neben der verarbeitungsbedingten Schwierigkeit hier überhaupt eine fachgerechte Dämmung aufbringen zu können, birgt dies auch die Gefahr in sich, dass Stauzonen auftreten. In diesen Bereichen wird die, für eine genügend hohe Oberflächentemperatur notwendige „Luftzirkulation“ (Konvektion) unterbunden, das heißt in solchen Stauzonen stellt sich ein geringerer Wärmeübergangskoeffizient ein (Bild 6). Dadurch erhöht sich die Gefahr der Tauwasserbildung erheblich.
Folglich wird grundsätzlich ein Abstand von 100 mm zwischen den fertig gedämmten Rohrleitungen bzw. als Abstand zur Wand oder Decke gefordert. Bei Behältern, Apparaturen etc. sollte sogar ein Abstand von mindestens 1000 mm eingehalten werden.
Der Wärmeübergangskoeffizient außen αa muss auf jeden Fall bestimmt werden. Dazu müssen die Platz- und Lüftungsverhältnisse ermittelt werden und die Oberflächenbeschaffenheit des Dämmstoffes oder dessen Beschichtung bekannt sein. Vereinfachend kann bei normalen Platzverhältnissen für z.B. mit AF/Armaflex gedämmte Anlagen für den αa-Wert mit folgenden Erfahrungswerten gerechnet werden:
– Ungestrichen schwarz oder mit Schutzanstrich Armafinish 99 gestrichen (grau/weiß): 9 W/(m²·K)
– Mit verzinktem Stahlblechmantel ummantelt: 7 W/(m²·K)
– Mit Aluminium- oder Edelstahlblech ummantelt: 5 W/(m²·K)
Um das Eindringen der Blechtreibschrauben in die Dämmung aufzufangen, muss allerdings, unter Berücksichtigung der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten, die Dämmschichtdicke der flexiblen Dämmung (Elastomer) um die Eindringtiefe der Blechtreibschrauben erhöht werden. Die Tabelle 2 zeigt, welche Mindest-Dämmschichtdicken bei einer Mediumtemperatur von +6°C und einer Umgebungstemperatur von +22°C für die ebene Fläche eingesetzt werden müssen, wenn die αa-Werte bzw. Luftfeuchten variiert werden.
Dämmschichtdicken müssen berechnet werden
Bei Berechnung der notwendigen Dämmschichtdicke zur Verhinderung von Tauwasser ist entscheidend, ob eine ebene Fläche oder ein zylindrisches Objekt (Rohr) gedämmt werden soll (Bild 5). Bei zylindrischen Objekten gehen neben den Umgebungsbedingungen auch das logarithmische Durchmesserverhältnis des gedämmten Rohrs zum ungedämmten Rohr in die Berechnung ein. Das hat zur Folge, dass bei Rohren dünnere Dämmschichtdicken ausreichen, um die gleiche Wirkung zu erzielen, d.h. die gleiche Oberflächentemperatur zu erhalten wie bei ebenen Flächen. Die Lösung ist nur iterativ zu ermitteln. Um dieses komplizierte Verfahren zu umgehen, erfolgt die Berechnung zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Berechnungsprogramms, wie mit der von Armacell angebotenen Software ArmWin AS.
In der Praxis wird der Verarbeiter in der Regel nicht Leitungen mit einem Rohraußendurchmesser, sondern viele Rohrleitungen mit unterschiedlichen Rohraußendurchmessern unter sonst gleichen Umgebungsbedingungen dämmen müssen. Das heißt, er müsste für jede Rohrleitung die Dämmschichtdicke des Isoliermaterials berechnen. Für diesen Fall bieten Hersteller Dämmstoffe mit sogenannten zunehmenden Dämmschichtdicken an, wie AF/Armaflex. Der Einsatz eines solchen Produkts erlaubt den Verzicht auf die vielfachen Berechnungen und bringt daher eine große Zeiteinsparung mit sich.
Die folgende Gegenüberstellung (Bild 8) demonstriert dies. Die eingezeichnete Kurve stellt die Mindestdämmschichtdicke für das uns schon bekannte Beispiel dar. Wir gehen davon aus, dass der verwendete Dämmschlauch 13 mm dick ist, eine Toleranz von ±1,0 mm und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,036 W/(m·K) bei 0°C Mitteltemperatur hat. Man sieht, dass dieser Schlauch nur für Rohrdurchmesser bis etwa über 54 mm geeignet ist. Bei größeren Rohrdurchmessern müsste die nächst größere Dämmschichtdicke (19 mm) eingesetzt werden.
Produkte mit zunehmender Dämmschicht einsetzen
Wählt der Verarbeiter jedoch ein Produkt mit zunehmenden Dämmschichtdicken, kommt er mit einer Dimension aus. Die Kurve der Mindestdämmschichtdicke stellt sich aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit des neuen AF/Armaflex geringer dar. In dem Beispiel (Bild 9) würde ein AF-2 Schlauch für alle Rohrdurchmesser ausreichen. Diese Dämmschläuche decken einen Dickenbereich von 9,5–16,0 mm (±1,0 mm Dickentoleranz) ab. Im Bild lässt sich sehr gut erkennen, wie mit steigendem Rohrdurchmesser auch die Dämmschichtdicke zunimmt.
Diese Dämmschichtdicken haben bei allen Rohrdurchmessern einen angemessenen Abstand zu den berechneten Mindestdicken. Das bedeutet gleiche Sicherheit in allen Bereichen und positive Einwirkung auf die Energieeinsparung. Kommen Dämmplatten zum Einsatz haben diese natürlich keine zunehmenden Dämmschichtdicken. Deshalb ist hierfür eine individuelle Dimensionierung notwendig, abhängig davon, auf welchen Rohrdurchmessern diese Platten eingesetzt werden oder ob die Platten auf ebenen Objekten zur Anwendung kommen.
Die Verhinderung von Tauwasser auf der Oberfläche ist eine Minimalanforderung, die von jeder Kältedämmung dauerhaft und auch unter kritischen Bedingungen zu erfüllen ist. Voraussetzung hierfür ist die richtige Dimensionierung der Dämmschichtdicke, die neben der Material- und Verarbeitungsqualität maßgeblich ist. Daher lohnt sich eine fachmännische Kältedämmung in jedem Fall. Planer und Verarbeiter, die aus Kostengründen Qualitätseinbußen bei der Kältedämmung in Kauf nehmen, gehen ein oft nicht kalkulierbares Risiko ein.
Weitere Informationen
Unsere Autorin Dipl.-Ing. (FH) Michaela Störkmann ist seit 1986 bei Armstrong World Industries GmbH tätig und seit 2006 Technical Manager Nordeuropa der Armacell GmbH; 48153 Münster, Telefon (02 51) 76 03-678, E-Mail: armaplus.ser vice@armacell.com
