عایق کاری حرارتی ساختمان ها، لوله ها و تجهیزات مکانیکی
عایق های حرارتی مواد طبیعی یا صنعتی هستند. این عایق ها جریان حرارت را مهار می کنند. مواد عایق صنعتی انتقال حرارت از طریق دیوارها، لوله ها یا تجهیزات را کاهش می دهند. و می توانند با اشکال مختلف سطوح مانند دیوارها، لوله ها، مخازن و تجهیزات تطابق یابند. همچنین عایق ها به صورت ورق های سخت یا انعطاف پذیر، و در قالب فوم های سلول باز یا سلول بسته ساخته می شوند. پوشش های نهایی مختلفی برای حفاظت از عایق کاری حرارتی در برابر صدمات فیزیکی و محیطی وجود دارند.
چکیده
تحقیقات باستان شناسی نشان می دهد که انسان های پیش از تاریخ هم از بسیاری مواد طبیعی به عنوان عایق استفاده می کرده اند. آنها بدن خود را با خز، پشم و پوست حیوانات می پوشانده اند، خانه هایشان را از چوب، سنگ و خاک می ساخته اند و مواد طبیعی دیگری مانند پوشال یا سایر مواد ارگانیک را به منظور حفاظت در برابر سرمای زمستان یا گرمای تابستان به کار می گرفته اند.
در قرون وسطی، در اقلیم های شمالی سردتر، دیوارها با پوشال پر می شدند. پلاستر گل با کاه و پوشال مخلوط می شد تا از فضای داخل در برابر نفوذ سرما حفاظت کند.
روند پیشرفت عایق کاری حرارتی
تا سال ۱۹۳۲ مقوله عایق کاری حرارتی پیشرفت بسیار آرامی داشت، تا اینکه پروسه تولید عایق فایبرگلاس به طور اتفاقی کشف شد. فیبرهای شیشه ای ریزبافت اولیه که به آنها پشم معدنی می گفتند، در سال ۱۸۷۰ توسط محققی به نام John Player تولید شد. در ابتدا، او فیبرهای پشم معدنی را به عنوان یک ماده عایق در نظر نگرفته بود، او گمان می کرد که می توان از آنها برای ساخت لباس های گرم استفاده کرد. در نمایشگاه جهانی ۱۸۹۳، Player لباسی را در معرض نمایش قرار داد که از فیبرهای پشم معدنی ساخته شده بود.
تا ۴۵ سال بعد یعنی ۱۹۳۲ تحول خاصی در این زمینه رخ نداد تا Toledo از شرکت .Ohio-based Owens Corning Co اولین عایق فایبرگلاس را ساخت. این عایق ها به صورت پتویی تولید می شدند و شرکت شروع به بازاریابی و فروش آن به عنوان ماده ای جهت بهینه سازی و افزایش سطح آسایش در ساختمان ها کرد. عایق فایبرگلاس به سرعت جایگاه خود را در بازار به عنوان اولین راهکار عایق کاری حرارتی ساختمان ها، لوله ها و تجهیزات مکانیکی پیدا کرد.
عایق های فایبرگلاس
عایق های فایبرگلاس می توانستند به صورت قطعات کوچک بریده شوند تا در فضاهای کوچک بین دیوارها قرار گیرند و خصوصیات و توانایی های کافی برای عایق کاری حرارتی داشته باشند. همچنین فایبرگلاس با یک پوشش کاغذ یا پلاستیک برای عایق کاری حرارتی لوله ها مورد استفاده قرار می گرفت. وقتی لوله های سرمایشی عایق می شوند استفاده از یک سد بخار و پوشاندن اتصالات به منظور جلوگیری از نفوذ رطوبت و تعریق حاصل از تقطیر درون عایق بسیار مهم است. عایق مرطوب به گرما اجازه می دهد که بسیار راحت تر جا به جا شود.
هر ساختمانی حتی یک خانه یا دفتر کار، نیازمند یک عایق کاری حرارتی خوب است. بهترین راهکار به لحاظ قیمت و کارآیی می تواند ترکیبی از دو یا چند عایق مختلف باشد که هرکدام می توانند بهترین نتیجه را بر اساس ویژگی های خود حاصل کنند.
ارتباط عایق کاری با گرمایش زمین
اصولاً بنا و پوسته ساختمان ها توسط عایق های معماری، و لوله کشی و سیستم های مکانیکی توسط عایق های تأسیساتی عایق کاری می شوند.
عایق کاری بخش بسیار مهمی از هر پروژه ساختمانی است و تأثیرات آن بسیار مشهود است. عایق کاری ساختمان ها، هزینه های مربوط به سرمایش و گرمایش و تأثیرات زیست محیطی ناشی از گرمایش زمین را کاهش می دهد.
عایق کاری پوسته ساختمان
عایق کاری صحیح پوسته ساختمان به منظور کمک به حفاظت از یخ زدگی لوله ها به اندازه تأثیر آن بر پیشگیری از یخ زدگی یا صدمات ناشی از رطوبت به ساختمان ها مهم است. معمولاً، لوله های تأسیساتی نباید در دیواره های خارجی ساختمان اجرا شوند. با این حال، در برخی موارد، اجرای لوله های تأسیساتی در دیواره های خارجی در صورتی که عایق کاری پوسته ساختمان به خوبی انجام شده باشد و عایق در قسمت بیرونی محل نصب لوله ها اجرا شده باشد، امکانپذیر است.
درک مفهوم جریان حرارت/انتقال حرارت
به منظور درک عملکرد عایق، درک مفاهیم جریان حرارت و انتقال حرارت مهم است. عموماً، گرما همیشه از سطوح گرم تر به سردتر جریان می یابد. این جریان تا زمان یکسان شدن دمای هر دو سطح ادامه می یابد. گرما به سه روش مختلف “انتقال” پیدا می کند: هدایت، همرفت و تشعشع.
هدایت (Conduction)
هدایت جریان مستقیم حرارت در جامدات است. این مسأله نتیجه تماس فیزیکی دو ماده جامد با یکدیگر است. گرما توسط حرکت مولکولی منتقل می شود. مولکول ها انرژی خود را به مولکول های مجاوری که گرمای کمتری دارند انتقال می دهند و بدین ترتیب حرکت آنها را افزایش می دهند.
همرفت (Convection)
همرفت جریان طبیعی یا اجباری گرما درون یک سیال است. این سیال می تواند گاز یا مایع باشد.
تشعشع (Radiation)
تشعشع انتقال انرژی در فضا با استفاده از امواج الکترومغناطیسی است. تشعشع با سرعت نور از درون فضا عبور می کند بدون اینکه فضای بین سطوح را گرم کند.
مقایسه انواع عایق
به دلیل تنوع محصولات و کاربری عایق ها، مقایسه انواع عایق بر اساس تفاوت های آنها کاری چالش برانگیز است. در حقیقت بهترین کارآیی عایق در هر کاربردی بیش از آنکه به نوع عایق مربوط باشد به نحوه صحیح عایق کاری ارتباط دارد.
دانستن برخی مفاهیم بنیادی مانند: دمای پروسه، مقاومت فشاری یا R-Value، خوردگی، pH، عکس العمل در برابر حریق و نفوذ پذیری در مقابل بخار آب؛ به منظور افزایش آگاهی و توانایی در مورد عایق و عایق کاری بسیار مهم هستند.
اهداف عایق کاری حرارتی
کاهش اتلاف حرارت یا صرفه جویی در مصرف انرژی؛ افزایش راندمان عملکرد سیستم HVAC؛ تأسیسات، پروسه بخار و سیستم های انتقال قدرت؛ کنترل دمای سطح در پروسه های تجاری و صنعتی؛ کنترل دمای سطح جهت حفاظت از افراد و تجهیزات؛ پیشگیری یا کاهش تقطیر بر روی سطوح؛ پیشگیری یا کاهش صدمات ناشی از آتش یا مواد خورنده به تجهیزات؛ کمک به سیستم های مکانیکی برای دستیابی به استانداردهای لازم؛ کاهش نویز سیستم های مکانیکی؛ و کمک به حفاظت از محیط زیست با کاهش تولید گازهای گلخانه ای مانند CO2 و NOx.
عایق کاری حرارتی لوله ها و تجهیزات مکانیکال
برای عایق کاری لوله ها و تجهیزات مکانیکال در برابر اتلاف گرما یا حفاظت از افراد در مقابل سیستم های دما بالایی که می توانند در صورت تماس مستقیم یا در معرض قرار گرفتن آسیب رسان باشند، عایق کاری حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.
آیا عایق کاری حرارتی منحصراً در فضای بسته انجام می شود؟
عایق کاری حرارتی بر روی سطح سیستم های مکانیکی در فضای باز و بسته انجام می شود. عایق کاری بر روی دیواره های خارجی ساختمان به منظور ایجاد مقاومت در برابر انتقال حرارت از طریق دیوارها اجرا می شود تا انرژی مورد نیاز برای گرمایش یا سرمایش ساختمان را کاهش دهد. عایق کاری به تنهایی از یخ زدگی جلوگیری نمی کند بلکه تنها انتقال حرارت را کند می کند.
عایق الاستومری ، ساده ترین راه کاهش مصرف انرژی
استفاده بیشتر از عایق های لوله و تجهیزات مکانیکی ساده ترین راه جهت کاهش مصرف انرژی در سیستم های سرمایشی و گرمایشی، آب گرم مصرفی، آب سرد سرمایشی و بخش های مختلف سیستم های خنک کننده مانند کانال ها، پلنوم ها، جعبه های فیلتر و …؛ و کاهش هزینه ها در ساختمان ها است. همچنین با افزایش ضخامت عایق در غالب موارد صرفه جویی معنا داری در مصرف انرژی و هزینه ها در طول عمر ساختمان ایجاد می شود.
اصولاً سازندگان ساختمان ها تمایلی به عایق کاری مسیرهای فرعی لوله ها ندارند یا تلاش می کنند از حداقل ضخامت عایق در این مسیرها استفاده کنند تا به این طریق هزینه های مترتب بر عایق کاری و به تبع آن قیمت تمام شده ساختمان را کاهش دهند. ارایه برنامه ها و توجیهات اقتصادی و ایجاد الزامات قانونی در بحث صرفه جویی مصرف انرژی می تواند تا حد زیادی به بهبود این وضعیت کمک کند.
کنترل اتلاف دما با عایق کاری حرارتی
در ساختمان های صنعتی، مانند نیروگاه ها، پالایشگاه ها و … عایق های حرارتی به منظور کنترل اتلاف دما توسط لوله های پروسه و تجهیزات، سیستم های تبخیر و تقطیر، بویلرها، دودکش ها، محفظه های فیلتراسیون، سختی گیرها و مخازن ذخیره مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین می توان از عایق ها به منظور حفاظت از افراد و ایجاد یک محیط کاری قابل تحمل در کارخانه یا فضای کاری استفاده کرد.
مزایای عایق کاری
حفظ انرژی
مقادیر قابل توجهی انرژی گرمایی بطور روزمره در واحدهای صنعتی در سراسر جهان بر اثر نقصان یا عدم عایق کاری یا ضعف در نگهداری صحیح، از سطوح گرم و سرد به هدر می روند. سیستم های عایق کاری که با دقت و صحیح طراحی و اجرا شده اند بلافاصله نیاز به انرژی را کاهش می دهند. مزایای عایق کاری در بخش صنعت شامل صرفه جویی بسیار زیاد در هزینه ها، ثبات در تولید و دستیابی به کیفیت بالای استاندارد محیطی است.
کنترل انتقال حرارت پروسه
با کاهش اتلاف حرارت، عایق کاری می تواند به حفظ دمای پروسه در مقادیر یا بازه های از پیش تعیین شده کمک کند. ضخامت عایق بایستی کافی باشد تا انتقال حرارت یا تغییرات حرارتی در یک سیستم دینامیکی یا حتی استاتیکی را محدود کند.
کنترل تقطیر
استفاده از ضخامت کافی عایق و یک سیستم سد بخار موثر یا روکش عایق کارآمدترین راهکار جهت کنترل تقطیر بر روی سطوح و درون سیستم عایق کاری لوله های سرمایشی، کانال ها، چیلرها و زهکش های بام است. لازم است که عایق دارای ضخامت کافی باشد تا دمای سطح را تا حد ممکن بالاتر از دمای نقطه شبنم حفظ کند تا از تقطیر بر روی سطح لوله یا عایق و چکیدن آن بر روی سقف یا کف جلوگیری کند. یک سیستم مهار کننده موثر بخار یا روکش عایق به منظور محدود کردن انتقال رطوبت به داخل سیستم عایق کاری از طریق اتصالات، درزها، منافذ، بست ها و ساپورت ها مورد نیاز است.
با کنترل تقطیر، طراح سیستم می تواند پتانسیل؛ کاهش زمان و تعدد دفعات سرویس و نگهداری؛ رشد قارچ و کپک و مشکلات بهداشتی ناشی از تقطیر آب؛ و خوردگی لوله، شیرآلات و اتصالات ناشی از تجمع آب درون سیستم عایق کاری را کنترل کند.
حفاظت فردی
عایق کاری حرارتی یکی از موثرترین روش ها جهت حفاظت از کارکنان در برابر سوختگی های درجه دو و سه ناشی از تماس پوست به مدت بیش از ۵ ثانیه با سطوح لوله ها و تجهیزات داغ با دمای بالاتر از ۵۸° C) 136.4° F) (بر اساس ASTM C 1055) است. عایق کاری دمای سطح را به مقادیر بی خطر کاهش می دهد و این امر موجب افزایش ایمنی کارکنان می شود.
ایمنی در برابر حریق
در ترکیب با سایر مواد ضد حریق، عایق کاری حرارتی به ایمنی در برابر حریق کمک می کند. عایق ها غالباً در فضای عبوری لوله ها و سایر تأسیسات به همراه سیستم های طراحی شده به منظور ایمنی در برابر حریق، برای ایجاد یک سد دفاعی موثر در مقابل گسترش آتش، دود و گازهای سمی از منافذ محل عبور کانال ها، لوله ها و کابل ها، مورد استفاده قرار می گیرند.
کانال های چرب می توانند آتش بگیرند و اگر چربی کاملاً نسوزد یا آتش خاموش نشود از شدت داغی سرخ می شوند. استفاده از مواد عایق بر روی این کانال ها از گسترش آتش و سرایت آن به مصالح ساختمانی قابل اشتعال مجاور آنها جلوگیری می کند.
به هر حال خصوصیات عایق ها در بخش مقاومت در برابر حریق در بین محصولات مختلف بسیار متفاوت است و بایستی دقت زیادی در انتخاب هر محصول برای کاربری مخصوص آن صورت گیرد.
تضعیف صدا
مواد عایق می توانند به منظور کاهش انتقال سر و صدا طراحی شده و مورد استفاده قرار گیرند. در این حالت عایق بین منبع صدا و فضای اطراف قرار می گیرد. گاهی اوقات، عایق هایی با خصوصیات جذب صدای بالا می توانند مستقیماً بر روی سطوح منابع تولید صدا نصب شوند تا با جذب صدای اضافی و کاهش سطح نویز از قرار گرفتن افراد در معرض سر و صدا و نویز اضافی جلوگیری کنند.
زیبایی
اغلب سیستم های عایق کاری مکانیکال در ساختمان های معمول در معرض دید افراد حاضر در ساختمان نیستند. موارد استثنا خصوصاً عایق کاری حرارتی بیشتر در موتورخانه ها دیده می شوند یعنی جایی که تجهیزات گرمایشی، سرمایشی و لوله های مرتبط با آنها برای کارکنان یا افرادی که به این فضاها دسترسی دارند قابل مشاهده هستند.
ایجاد ظاهر زیبا و قابل قبول برای سطوح عایق قابل مشاهده در ساختمان ها امری معمول است. این سطوح می توانند برای زیباتر شدن، رنگ آمیزی یا روکش شوند. بخصوص در بیمارستان ها، مدارس، فروشگاه ها، رستوران ها و حتا کارخانه های مواد غذایی و کارخانه های تولید قطعات الکترونیکی و کامپیوتری هر جا که سطوح عایق در معرض دید افراد قرار دارند این مسأله بسیار مهم است.
ویژگی های عایق
عایق ها بسته به نوع عملکرد، محل استفاده و طول عمر کاری، دارای ویژگی ها و محدودیت های متفاوتی هستند.
به همین خاطر هر جا که لازم است از عایق ها در کاربری های صنعتی یا تجاری استفاده شود بایستی این کار با مشاوره و نظر مهندسان طراح مربوطه یا مالکین ساختمان ها انجام شود.
مقاومت حرارتی
این مقدار با تغییرات دما، در بخش ثابت، بین دوسطح مشخص ماده یا ساختار که یک جریان حرارتی واحد را در یک سطح واحد القا می کند تعیین می شود.
هدایت حرارتی محسوس
هدایت حرارتی مختص یک ماده، جابجایی دما توسط انتقال حرارت به دلیل تفاوت مشخصات و ضخامت یا انتشار سطحی نمونه های مختلف را نشان می دهد.
هدایت حرارتی
نسبت زمانی عبور جریان حرارتی از درون یک سطح واحد از یک ماده همگن است که یک گرادیان دمایی در یک جهت عمود بر سطح به آن القا شده است. موادی با فاکتور k پایین تر، انتخاب بهتری برای عایق کاری حرارتی هستند.
دانسیته
وزن حجم خاصی از ماده است که با واحد پوند بر فوت مکعب یا کیلوگرم بر متر مکعب شناخته می شود.
مقاومت فشاری
این خصیصه در حقیقت مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل (کاهش ضخامت) تحت بار فشاری را مشخص می کند. این مسأله بخصوص زمانی که فشار خارجی به عایق وارد می شود بسیار مهم است.
انبساط حرارتی/ایستایی ساختاری و ابعادی
سیستم های عایق کاری که در محیط های مختلف قرار می گیرند، تحت ساختارها و شرایط محیطی متنوعی هستند. در شرایط کاری دمای بالا ممکن است سطح فلز منبسط شده و بین عایق و فلز فاصله ایجاد شود.
این مسأله می تواند باعث ایجاد فضاهای باز شده و عبور حرارت و رطوبت از این طریق عملکرد سیستم را مختل می کند.
نفوذ پذیری در برابر بخار آب
در حقیقت بازه زمانی مورد نیاز برای نفوذ بخار آب از طریق یک واحد سطح عایق با ضخامت واحد است که تحت تأثیر تفاوت فشار بخار واحدی بین دو سطح مشخص، و در ساختار دمایی و رطوبتی خاصی قرار گرفته است.
پاکیزگی
توانایی یک ماده جهت شستشو یا پاکسازی به منظور حفظ ظاهر است.
مقاومت دمایی
قابلیت یک ماده در عملکرد تحت دماهای بالا و پایینی است که ممکن است آن ماده در زمان استفاده در معرض آنها قرار گیرد.
مقاومت در برابر آب و هوا
توانایی یک ماده در قرار گرفتن طولانی مدت تحت شرایط آب و هوایی فضای باز بدون از دست دادن خصوصیات مکانیکال است.
مقاومت در برابر خوردگی
قابلیت یک ماده در مواجهه طولانی مدت با یک محیط خورنده بدون نشان دادن علایم معنادار از شروع خوردگی و به تبع آن تغییر مشخصات مکانیکال.
مقاومت در برابر حریق/تحمل حریق
قابلیت یک عایق نصب شده در مواجهه با گرما و شعله در یک بازه زمانی مشخص با کمترین تغییرات یا فقدان محدود و قابل اندازه گیری در مشخصات مکانیکال.
مقاومت در برابر رشد قارچ و کپک
توانایی یک ماده در کاهش امکان رشد قارچ و کپک روی سطح یا داخل آن وقتی تحت شرایط محیطی مناسب بدین منظور قرار می گیرد.
اشکال و انواع عایق های حرارتی
- فایبر گلاس یا فیبر معدنی، پشم معدنی، فیبر سرامیکی نسوز و عایق های سلولی از حفرات ریز هوایی مجزا تشکیل شده اند که غالباً به صورت شیمیایی یا مکانیکی دارای ارتباط ظریفی با هم هستند و به اشکال صفحه ای، پتویی یا استوانه توخالی ساخته می شوند، که به نام عایق های فیبری شناخته می شوند.
- فوم الاستومریک، فوم فنولیک، پلی اتیلن، پلی ایزوسیانورات، پلی استایرن، پلی یورتان و عایق های گرانولار در حقیقت از محفظه های هوایی تشکیل شده اند که حاوی تعداد زیادی حباب کوچک است و به اشکال صفحه ای، پتویی و استوانه توخالی تولید می شوند.
- سیلیکات کلسیم، عایق های سیمانی و پرلیت نیز دارای ساختار مشابهی بوده و به اشکال بلوکی، صفحه ای و استوانه توخالی ساخته می شوند.
- عایق های سخت یا نیمه سخت خود ایستا از جنس سیلیکات کلسیم، فایبرگلاس، پشم معدنی، پلی ایزوسیانورات و پلی استایرن به شکل بلوک های مستطیلی یا منحنی ساخته می شوند.
- عایق های سخت از جنس سیلیکات کلسیم، پشم معدنی و پرلیت به شکل صفحه ای ساخته می شوند.
- عایق های نیمه سخت از جنس فایبرگلاس، فوم الاستومریک، پشم معدنی و پلی یورتان به شکل پتویی ساخته می شوند.
- برای پوشش لوله ها و اتصالات با شکل های مختلف می توان از عایق های انعطاف پذیر از جنس فایبرگلاس، پشم معدنی، فیبر سرامیکی نسوز یا عایق های الاستومریک استفاده کرد.
- بطور خاص برای عایق کاری اتصالات، شیرآلات و اقلام مشابه از عایق های پیش ساخته از جنس سیلیکات کلسیم، فوم الاستومریک، فایبرگلاس یا فیبر معدنی، پشم معدنی، پرلیت، فوم فنولیک، پلی اتیلن، پلی ایزوسیانورات و پلی یورتان استفاده می شود.
نویسنده : مهندس پدرام بداقی