فایل مارکت

تحقیق عايق حرارتي خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا

چكيده:

در اين نوآوري يك عايق حرارتي خلاء جديد معرفي مي گردد. در اين طرح، وظيفه غلبه بر نيروي ناشي از فشار هواي محيط و ايجاد فاصله بين دو جداره عايق به منظور ايجاد خلاء به عهده سازه اي انعطاف پذير و جمع شونده مي باشد. با اعمال فشار هوا به داخل اين سازه و تغيير شكل آن، دو جدارة عايق از يكديگر دور مي شوند و به اين ترتيب در مناطقي از عايق كا سازه نگهدارنده وجود ندارد، خلاء به وجود مي آيد. در حالت غيرعملياتي و قبل از فشار هوا به داخل سازه، ضخامت عايق اندكي بيش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملياتي، با وارد شدن هوا به داخل سازه، ضخامت عايق اندكي بيش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملياتي، با وارد شدن هوا به سازه عايق به اندازه اسمي خود مي رسد و به شكل اصلي و صلب خود درمي آيد. به منظور بررسي خصوصيات عايق، طرح پيشنهاد شده توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS مدل سازي و تحليل شده است. تحليل تنشي و انتقال حرارتي قابليت بالقوه طرح پيشنها شده را به عنوان يك عايق مطلوب نشان مي دهند.

كلمات كليدي: عايق حرارتي، خلاء، ضريب هدايت حرارتي، سازه صلب شونده.

مقدمه:

با افزايش هزينه انرژي، صرفه جويي در مصرف آن اهميت بيشتري يافته است. بخشي از اين صرفه جويي مربوط به عايق بندي ساختمانها و … به منظور جلوگيري از هدر رفتن يا به عكس جلوگيري از ورود حرارت مي باشد. بلوكهاي فايبرگلاس، پشم شيشه يا پشم سنگ، فومهاي پلاستيكي و عايقهاي سلولزي از عايقهاي متداول مي باشند. در حال حاضر خلاء به عنوان يك عايق مناسب شناخته شده است ولي كاربرد آن چندان عموميت نيافته است، چرا كه خلاء بايد درون محفظه هايي نسبتاً محكم به وجود آيد. به همين علت كاربرد خلاء هم اكنون محدود به فلاسكهاي مايعات يا جعبه هاي مخصوص حمل اعضاي بدن انسان مي باشد. به علت خصوصيات عايقهاي خلاء استفاده از آنها عليرغم مقاومت حرارتي بالايي كه دارند در خيلي از موارد غيراقتصادي مي باشد و در واقع مهمترين عامل محدود كننده استفاده از عايقهاي خلاء، قيمت بالاي آنها مي باشد ]1 و 2[.

پانلهاي خلاء عايقهايي عالي مي باشند (شكل 1). به طور كلي مقاومت عايقهاي خلاء بين 3 تا 7 برابر عايقهاي مرسوم مانند فومهاي پلاستيكي يا فيبرهاي شيشه مي باشند ]2[. با استفاده از پنلهاي خلاء، ضخامت عايق به نحو چشمگيري كاهش مي يابد و لذا مقدار حجم دروني عايق بهينه مي گردد (مانند يخچال). همچنين در مصرف انرژي نيز صرفه جويي مي گردد. عايق خلاء يك عايق حرارتي با فن آوري پيشرفته مي باشد كه طور قابل ملاحظه اي عايق بندي مرسوم را تحت الشعاع قرار مي دهد. عايقهاي حرارتي با فن آوري پيشرفته مي باشد كه بطور قابل ملاحظه اي عايق بندي مرسوم را تحت الشعاع قرار مي دهد. عايقهاي خلاء موارد استفاده عملي و همچنين پتانسيل استفاده در كاربردهاي مختلفي را دارند ]2[. براي مثال:

• ظرفهاي جابجايي واكسنها، اعضاي اهدا شده بدن و داروهايي كه بايد در دماي معيني نگهداري شوند.
• عايق بندي كانتينرهاي يخچال دار و سردخانه ها
• ظروف با قابليت استفاده مجدد براي جابجايي مواد غذايي فاسد شدني بين سردخانه و محل مصرف
• عايق بندي ابزارآلات الكترونيكي حساس در برابر حرارت
• عايق بندي اتومبيلها و هواپيماها
• عايق بندي منازل

بخشهاي اصلي عايق حرارتي خلاء:

به طور كلي خلاء يك مقاومت در برابر عبور حرارت است و بنابراين براي بهبود خصوصيات عايقها سعي مي شود كه در آنها شرايط خلاء يا نسبتاً خلاء ايجاد شود. مقدار مقاومت حرارتي علاوه بر مقدار و گسترده خلاء به سازه عايق مخصوصاً سازه بين دو سطح انتقال حرارت بستگي دارد، چرا كه اين بخش سازه باعث به وجود آمدن انتقال حرارت هدايتي مي گردد. عايقهاي متداول مانند پشم شيشه، سلولز يا انواع فومها با محدود كردن جريانهاي ملكولهاي هوا مقدار انتقال جابجايي را كاهس مي دهند در صورتيكه در عايقهاي خلاء مقدار مولكولهاي موجود هوا براي انتقال حرارت بسيار محدود مي باشند. يك عايق خلاء مي تواند انتقال حرارت را از هر سه طريق هدايتي، جابجايي و تشعشعي كاهش دهد.

عايقهاي خلاء متداول محفظه هاي خالي از هوا و آب بندي شده هستند. جنس جداره اين محفظه ها عموماً از فلزات و بطور مثال آلومينيوم است. با توجه به خالي بودن محفظه از هوا، فشار هواي اتمسفر فقط روي سطوح خارجي جداره ها اعمال مي گردد. نيروي ناشي از اعمال اين فشار تمايل به تغيير شكل محفظه و جمع آن دارد. بنابراين جدارة محفظه بايد چنان مستجكم باشد كه در اثر اين فشار دچار تغيير شكل كمي شود يا اينكه با تعبيه كرده سازه اي درون محفظه از تغيير شكل آن جلوگيري كرد. در عايقهاي خلاء متداول (شكل 2) با قرار دادن سازه اي كه عموماً از جنس فومهاي پليمري است از ايجاد تغيير شكل محفظه در اثر فشار هواي خارجي ممانعت به عمل مي آيد.

بخشهاي اصلي يك عايق حرارتي خلاء عبارتند از ]3[:

• يك هستة (Core) به منظور حفظ شكل اصلي سازه و مقاومت در برابر عبور حرارت (شكل 3)، هسته هاي جديد از فومهاي پلي اورتان ساخته يم شوند (شكل 2). ساختمان متخلخل لين مواد امكان يم دهد كه هوا بطور مناسبي از درون پوشش نخليه گردد. اين مواد داراي مقاومتي حرارتي بالا، جرم حجمي كم و سطح تماس بالا كه امكان جابجايي گازهاي داخل را محدود مي كند، مي باشد. بعضي از اين مواد داراي خاصيت جذب تشعشعات هستند كه امكان انتقال حرارت تشعشعي را كاهش مي دهند. پودرهاي سيليس و ژلهاي متخلخل با پايه سيليس از مواد پذيرفته شدته براي هسته مي باشند. همچنين امكان استفاده از طرحهاي ديگر در عايقهاي جديد مورد بررسي قرار گرفته است. ورقهاي شانه تخم مرغي يك نمونه از اين طرحها مي باشد. مقاومت بالاي اين ورقها در برابر نيروهاي عمودي استفاده از اين ورقها را به عنوان سازه اصلي عايقهاي خلاء امكان پذير كرده است.
• يك غشا يا پوشش (Envolop) كه در برگيرنده هسته بوده و به گونه اي آب بندي شده كه امكن ايجاد خلاء در داخل آن فراهم مي آيد (شكل 3). جنس پوشش از غشاهاي انعطاف پذير است كه داراي مقاومت در برابر عبور گازهاي اتمسفر مانند بخار آب، اكسيژن و نيتروژن مي باشند. طول عمر عايق به نحو قابل ملاحظه اي به خصوصيات پوشش بستگي دارد. لايه هاي نازك فلزي مثل فويلهاي آلومينيومي يا تركيب لايه هاي سبك فلزي و غشاهاي پليمري داراي خواص مطلوب براي استفاده به عنوان پوشش مي باشند. در اين پوششها سطح براق فلز حرارت را قبل از رسيدن به داخل عايق منعكس مي كند. همچنين ورقهاي فلزي در ساخت عايقهايي نظير فلاسكهاي خلاء كاربرد دارند.
• يك خشك كن براي جذب آب (Desiccant) و يك جاذب (Getter) براي جذب گازهاي زايد باقيمانده يا نفوذ كرده در داخل پوشش. بعضي از هسته ها از موادي ساخته شده اند كه خود به عنوان جاذب نيز عمل مي كنند (شكل 3). خشك كن بايد بتواند در تمام طول عمر عايق داخل آن را خشك نگه دارد. اكسيد كلسيم يك خشك كن مناسب براي استفاده در عايقهاي خلاء است.

هدف تحقيق حاضر، جايگزيني قسمت هسته با استفاده از سازه هاي جديد مي باشد. در اين طرح به منظور ايجاد خلاء در فاصله بين دو جداره عايق و غلبه بر نيروي ناشي از فشار هواي اعمال شده به سطح خارجي جداره ها از يك سازه صلب شونده استفاده مي شود. با اعمال فشار هوا (بيش از فاشر هواي محيط) به داخل اين سازه، سازه از حالت انعطاف پذير به سازه يا صلب تبديل شده و قابليت مقاومت در برابر نيرويي ناشي از فشار اتمسفر را پيدا مي نمايد. در اثر تغيير شكل كل مجموعه در بعضي قسمتهاي عايق، خلاء به وجود مي آيد. طراحي خاص اين سازه باعث مي گردد كه كل عايق كه از مواد انعطاف پذير (پوششهاي غيرقابل نفوذ توسط هوا) ساخته شده است، در هنگام اعمال فشار هوا به داخل سازه به صورت انعطاف ناپذير درآيد.

طرح پيشنهادي براي سازه نگهدارنده (هسته):

طرح پيشنهادي براي سازه اصلي عايق خلاء به صورت شكل 4 مي باشد. اين شكل عايق برش خورده را در حالت عملياتي نشان مي دهد. در اين حالت روي لايه هاي 1 و 3 فشار هواي اتمسفر عمل مي كند. در فضاي بين اين لايه ها، لايه 2 و محفظه خلاء قرار دارد.

در داخل ستونهاي نگهدارنده (لايه 4) هوا با فشاري بيش از فاشر هواي اتمسفر موجود مي باشد. مقدار فشار هواي اين قسمت بستگي به نسبت مساحتهاي محفظة خلاء و ستونهاي نگهدارنده دارد. در صورتيكه نسبت مساحت سطح مقطع ستونهاي نگهدارنده به  سطح مقطع كل عايق 1 به X  باشد، فشار اعمالي مورد نياز به منوظر غلبه بر فشار هوا برابر با X اتمسفر مي باشد. تمامي ستونهاي نگهدارنده بوسيله لوله هاي رابطه با هم در ارتباط مي باشند. با توجه به شكل كشاهده مي گردد كه لايه هاي 1 و 3 در لبه هاي عايق به هم متصل مي باشند. در صورت غيرعملياتي بودن (تخليه ستونهاي نگهدارنده از هواي فشار بالا) در اثر اعمال فشار هواي محيط روي لايه هاي 1 و 3، ستونهاي لايه 2 جمع شده و لايه هاي 1 و 3 به يكديگر مي چسبند.

با توجه به شكل 4 مشاهده مي گردد كه سه لايه ذكر شده اجزا اصلي سازنده عايق مي باشند. هر سه لايه همچنين و داراي مقاومت حرارتي بالا مي باشند. لايه هاي 1 و 3 مشابه يكديگر بوده و لايه 2 داراي شكل و طرح خاصي مي باشد. شكل 5 يك المان جزيي از عايق را نشان مي دهد. لايه هاي سه گانه عايق در اين شكل به طور محزا رسم شده اند. از نقطه نظر ساخت عايق، تهيه لايه 2 مهمترين مرحله كار است. با در اختيار داشتن لايه ها، مرحله بعدي اتصال آنها به صورت مناسب است. مراحل اصلي مونتاژ چنين عايقي به صورت زير مي باشد:

• سطح بالايي لايه 1 به سطخ پاييني لايه 2 بهم چسبانده يم شوند. در اين حالت لايه 2 كاملاً انعطاف پذير است.
• محفظه يازه (فضاي بين لايه 2 و 3) آب بندي مي شود. در اين حالت تنها راه ورود و خورج هوا به داخل محفظه، دريچه تعبيه شده براي آن مي باشد.
• از طريق دريچه، داخل محفظهع سازه هوا وارد شده تا سازه به شكل اصلي خود درآيد (لايه 2 در شكل 5).
• در اين حالت لايه 2 از انتهاي بالايي ستون استوانه اي در لايه 2 به لايه 3 چسبانده مي شود.
• جاذب و خشك كن مورد نياز بين لايه 2 و 3 ريخته مي شود.
• هواي داخل سازه به طور كامل تخليه مي گردد.
• هواي داخل محفظه خلاء تخليه شده و لبه هاي خارجي عايق بهم متصل و آب بندي مي گردند. براي اين منظور از چسبهاي حرارت يا اعمال حرارت و فشار به منظور چسباندن سطوح در تماس دو لايه استفاده مي شود. در اين حالت محفظه خلاء عاري از هوا و كاملاً آب بندي شده مي باشد. در اين وضعيت هر سه لايه 1 و 2 و 3 در اثر اعمال فشار هواي محيط به سطوح خارجي لايه هاي 1 و 3 بهم چسبيده اند. توجه به اين نكته ضروريست كه در اين مرحله هر قدر هواي داخل محفظه خلاء بهتر تخليه شود، خصوصيات حرارتي عايق بهتر خواهد شد.

تحقیق عايق حرارتي خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا