اهیمت صرفه جویی در مصرف انرژی و هزینه های سنگین انرژی بر کسی پوشیده نیست. به طور متوسط بیش از 50% درآمد هر جامعه ای صرف تولید و یا خرید انرژی در آن جامعه شده و به طور متوسط 40% کل انرژی مصرفی ,صرف سیستم های گرمایش و حرارتی می شود. عایق کاری و فرهنگ آن , در کشورهای توسعه یافته  یک اصل در طراحی و یک الزام در ساخت و ساز محسوب می شود,در هالی که اهمیت این اصل در کشور ایران جدی گرفته نشده است . لیکن در سال های اخیر , با توجه به هزینه های روز افزون انرژی در ایران و جهان به خصوص پس از برداشته شدن یارانه های انرژی , این مهم در بخش صنعتی و ساختمانی رشد چشمگیری داشته و فرهنگ عایق کاری حرارتی در کنار عایق های صوتی و ضد آتش , آینده ای امیدوار کننده در این زمینه را نید می دهد




عایق های حرارتی


       عایق حرارتی عبارتند از موادی که از نرخ انتقال حرارت بین سیستم های فیزیکی مختلف می کاهند و به عبارت ساده تر از اتلاف انرژی گرمایی یک سیستم تا حد امکان        جلوگیری می کنند.


همواره گرما از سیستم هایی که دمای بالاتری دارند به سیستم های با دمای کمتر ,جریان می یابد و این پدیده اجتناب ناپذیر است. اما می توان نرخ این جریان را به شدت کاهش داد و این هدف اصلی عایق های حرارتی است. عایق های حرارتی مختلف برای جلوگیری از مکانیزم های انتقال حرارت وجود دارند.


عایق کاری حرارتی ,اتلاف انرژی حرارتی را در بناها , سازه ها و ساختمان ها و همچنین صنایع و تجهیزات به حداقل رسانده و پیرو آن , منجر به صرفه جویی در هزینه های انرژی می شود. معمولا مدت زمان بازگشت سرمایه گذاری در عایق کاری , کم تر از یک سال است.


همچنین, از طریق بهینه سازی مصرف انرژی و صرفه جویی در هزینه های انرژی از طریق عایق کاری ,ظرفیت سیستم گرمایش و سرمایش مورد نیاز را نیز می توان کاهش داد و به این ترتیب از حجم سرمایه گذاری در سیستم های تهویه و گرمایش نیز کاسته می شود.


از دیگر مزایای عایق کاری می توان به کنترل دمایی بهتر , جلوگیری از یخ زدگی و شکست تجهیزات و بسته به نوع عایق , ایحاد مقاومت در مقابل صوت و آتش سوزی , اشاره کرد.




معمول است که در عایق کاری ساختمان ها و بناها, ضریب مقاومت گرمایی (R-value) عایق ها اهمیت دارد و بهینه بودن عایق با این پارامتر سنجیده می شود در حالی که در عایق کاری تجهیزاتی چون اجاق ها, کوره ها, فرها و یا راکتورها, ضریب انتقال حرارت (k) و همچنین گرمای ویژه (C) پارامترهای مورد سنجش عایق ها محسوب می شوند هرچند که ضریب انتقال حرارت (k) معکوس ضریب مقاومت حرارتی (R) می باشد.


عایق های حرارتی را می توان بر اساس شکل محصول نهایی,جنس ماده اولیه تشکیل دهنده عایق ,ساختار مولکولی عایق و محدوده دمای کارکردی دسته بندی نمود.




      مزایای عایق کاری


1- صرفه جویی در مصرف انرژی


2- کنترل دمای سطح برای حافظت و ایمنی


3- کنترل دمای فرآیند و پروسه


4- جلوگیری از میعان و یا تبرید برروی سطوح سرد


5- کاهش خطرات و آسیب به تجهیزات و مقابله با آتش سوزی، خوردگی و ضربه


6- کاهش نویز


7- کاهش مصرف منابع طبیعی


 


مقدمه ای بر انتقال حرارت


انرژی حرارتی: یک سیستم ترمودینامیکی می تواند انرژی های متنوعی را در خود داشته باشد. انرژی حرارتی بخشی از انرژی داخلی کل یک سیستم ترمودینامیکی است که با دمای سیستم خود را نشان می دهد. وقتی انرژی حرارتی، به هر روش یا مکانیزم ممکن، منتقل می شود اصطلاحا به آن انتقال حرارت می گویند. انتقال حرارت عبارت است از تبادل انرژی حرارتی درون یک سیستم و یا میان سیستم های فیزیکی مختلف که با هم اختلاف دما دارند.


حرارت از طریق سه مکانیزم مختلف انتقال می یابد: هدایت (Conduction) – همرفت (Convection) – تابش (Radiation)


(برای توضیحات بیشتر به بخش انتقال حرارت مهندسی مراجعه فرمایید)


هر سه مکانیزم انتقال حرارت ممکن است همزمان در یک سیستم اتفاق بیافتند. لازم به ذکر است که روش چهارمی نیز برای انتقال حرارت وجود دارد که عبارت است از انتقال جرم. مثلا اگر یک جسم گرم از جایی به جای دیگری منتقل شود، طبیعتا انرژی حرارتی آن نیز به همراهش منتقل می شود. این مکانیزم انتقال حرارت در مباحث عایق و عایق کاری، کابردی نداشته و به آن نیز پرداخته نمی شود. همچنین در مکانیزم های تبدیل انرژی نیز ممکن است انرژی حرارتی بدست آید ولی در علوم ترمودینامیک، به طور جداگانه بررسی شده و در انتقال حرارت دنبال نمی شود.


علت انتقال حرارت درون یک سیستم یا بین سیستم های مختلف، اختلاف دما و یا به عبارتی اختلاف در سطح انرژی حرارتی است. همواره حرارت از سطح انرژی بالاتر (دمای بالاتر) به سطح انرژی پایین تر (دمای پایین تر) جریان می یابد تا به تعادل حرارتی برسند (قانون دوم ترمودینامیک).




 



تعاریف 


عایق (Insulation):

عایق عبارت است از ماده ای که نرخ انتقال جریان ماده یا انرژی را بین دو فضا کاهش داده یا آن را کاملا مسدود میکند. مثلا عایق های حرارتی نرخ انتقال حرارت (انرژی گرمایی) را به میزان چشمگیری کاهش می دهند و یا عایق های الکتریکی از جاری شدن جریان برق جلوگیری می کنند. عمده ترین عایق ها، عایق های حرارتی، صوتی، ضد آتش، الکتریکی و رطوبتی هستند.

 

هدایت (Conduction)

عبارت است از انتقال حرارت از طریق تماس اجرام مختلف که با هم اختلاف دمایی دارند. هدایت بین هر دو سطحی که اختلاف دمایی داشته و به صورت فیزیکی با هم در تماس باشند، اتفاق می افتد. نرخ انتقال حرارت به صورت هدایت، بستگی به جنس مواد و ضریب انتقال حرارت آنها و اختلاف دمای بین دو سطح دارد.

 

همرفت یا جابه جایی (Convection)

همرفت عبارت است از انتقال حرارت از طریق یک سیال مانند هوای پیرامون اجسام گرم و همچنین مایعات. هوا به عنوان اصلی ترین منبع انتقال حرارت به طریق همرفت شناخته می شود. در همرفت همواره هوای گرم به سمت هوای سرد جریان می یابد.

 

تابش (Radiation)

نور یکی از انواع انرژی است که اصطلاحا از طریق تابش، انتقال می یابد. در صورتی که نور به جسمی تابیده شود، آن جسم گرم می شود بدین معنی که انرژی نور در جسم تبدیل به حرارت می شود. همچنین، جسمی که نور می تاباند، گرما از دست می دهد. پس می توان نتیجه گرفت که تابش یکی از راه های انتقال حرارت است. بارزترین مثال رسیدن گرمای خورشید به زمین است، چراکه چون بین زمین و خورشید اتمسفری وجود ندارد (و تقریبا خلا است)، تنها راه انتقال حرارت از خورشید به زمین تابش بوده و هدایت و همرفت امکان پذیر نیستند.

لازم به ذکر است که تمامی اجسام تابش می کنند. وقتی نور به یک جسم تابیده می شود، کسری از آن جذب شده و کسری از آن انعکاس می یابد. کسر جذب شده مجددا توسط ماده، تحت فرکانس مشخصی بسته به جنس و رنگ سطح آن، تابش می یابد. در واقع علت اصلی که چشم می تواند اجسام را ببیند، تابش اجسام در یک فرکانس مشخص (رنگ) است. مقدار تابش اجسام، ارتباط مستقیم با درجه حرارت آنها دارد. مثلا بعضی مواد اگر بسیار داغ شوند، قبل ذوب، به رنگ کاملا قرمز در می آیند که نشان از تابش زیاد آنها دارد.

مواد عایق ضد تابش معمولا کسر جذب شده را به حداقل رسانده و کسر انعکاس را افزایش می دهند و به این ترتیب ماده انرژی از دست نمی دهد. به این دلیل است که عایق های ضد تابش اکثر به صورت فویل های صیقلی ساخته میشوند.

 

ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه (Heat Capacity & Specific Heat)

ظرفیت گرمایی خاصیتی فیزیکی از ماده بوده و عبارت است از مقدار گرمایی که لازم است به ماده داده شود تا دمای آن یک واحد دما (مثلا یک درجه سانتی گراد یا یک درجه فارنهایت) افزایش پیدا کند. ظرفیت گرمایی را با C نشان می دهند و واحد آن در سیستم متریک J/0K (ژول بر درجه کلوین) می باشد.

همچنین، گرمای ویژه عبارت است از مقدار گرمایی که لازم است به واحد جرم ماده داده شود تا دمای آن یک واحد دما (مثلا یک درجه سانتی گراد یا یک درجه فارنهایت) افزایش پیدا کند. گرمای ویژه را معمولا با Cm نشان داده و واحد آن J/m0K (ژول بر جرم درجه کلوین) است. ظرفیت گرمایی جرم مشخصی از یک ماده برابر است با مقدار جرم ماده ضرب در گرمای ویژه آن.

در بیشتر سیستم های ترمودینامیکی، ظریفت گرمایی سیستم ثابت نیست و به پارامترهای مختلفی از جمله فشار و دمای سیستم بستگی دارد. برای اطلاعات بیشتر در این مورد رجوع شود به:

http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_capacity

 

ضریب هدایت گرمایی – ضریب انتقال حرارت (Thermal Conductivity)

ضریب هدایت گرمایی (k) خاصیتی از ماده بوده و عبارت است مقدار انرژی گرمایی که ماده می تواند در واحد سطح، در واحد ضخامت و در واحد زمان و در دمای مشخصی، از خود عبور دهد. هرچه ضریب هدایت گرمایی کمتر باشد، نشان می دهد که ماده قابلیت انتقال انرژی گرمایی کمتری داشته و بیشتر برای عایق مناسب است. واحد ضریب انتقال حرارت در سیستم متریک W/m0K (وات بر متر درجه کلوین) و در سیستم اینچی Btu/hft0F (واحد گرمای بریتیش بر ساعت فوت درجه فارنهایت) می باشد.   BTU تقریبا 1.055 ژول است. ضریب انتقال حرارت را با k نشان می دهند.

ضریب انتقال حرارت عایق های مختلف، بستگی به اختلاف درجه حرارت بین سطوح عایق، چگالی و عمر عایق دارد. معمولا هرچه درجه حرارت بالاتر رود، ضریب انتقال حرارت عایق ها نیز افزایش یافته و عملکرد عایق افزایش می یابد. همچنین، با کاهش چگالی و افزایش عمر، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. 

k value vs density vs temp. diagram

 

مقاومت حرارتی (Resistance Value)

ضریب مقاومت حرارتی که آن را با R نشان می دهند، برعکس ضریب انتقال حرارت است و درواقع مقدار مقاومت ماده در مقابل جریان انرژی گرمایی می باشد. مقدار دقیق R عبارت است از عکس ضریب انتقال حرارت (k) ضرب در ضخامت ماده (d) :

R=d/k

واحد مقاومت حرارتی در سیستم متریک m2.0K/W (متر دو درجه کلوین بر وات) است. میزان بهینه بودن یک عایق را با مقدار R-value آن عایق می سنجند. هرچه ضریب R یک عایق بالاتر باشد، عایق بهتری بوده و گرما را کمتر از خود عبور می دهد. مثلا ضریب R برای بتون معمولی تقریبا 0.08 در هر اینچ ضخامت است ولی پشم شیشه نرمال R-value برابر 4 در هر اینج ضخامت دارد.

 

با توجه به رابطه R با k، نمی توان نتیجه گرفت که مثلا دو برابر کردن ضخامت، مقدار اتلاف انرژی را نصف می کند. بلکه نسبت R با ضخامت، نمایی است و با اضافه کردن مقدار عایق با ضخامت کم، اتلاف انرژی به میزان چشم گیری کاهش می یابد ولی بعد از آن، اضافه کردن ضخامت عایق تاثیر با شدت اولیه را نخواهد داشت. حتی در عایق کاری لوله ها، ممکن است با اضافه کردن ضخامت عایق، مقدار اتلاف انرژی بیشتر نیز بشود (به دلیل افزایش سطح و نتیجتا افزایش شار حرارتی – برای توضیحات بیشتر به انتقال حرارت یک بعدی خطی مراجعه فرمایید)

عایقکاری و تعاریف