دانلودمقاله عایق حرارتی خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا

اختصاصی از اینو دیدی دانلودمقاله عایق حرارتی خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

چکیده:
در این نوآوری یک عایق حرارتی خلاء جدید معرفی می گردد. در این طرح، وظیفه غلبه بر نیروی ناشی از فشار هوای محیط و ایجاد فاصله بین دو جداره عایق به منظور ایجاد خلاء به عهده سازه ای انعطاف پذیر و جمع شونده می باشد. با اعمال فشار هوا به داخل این سازه و تغییر شکل آن، دو جدارة عایق از یکدیگر دور می شوند و به این ترتیب در مناطقی از عایق کا سازه نگهدارنده وجود ندارد، خلاء به وجود می آید. در حالت غیرعملیاتی و قبل از فشار هوا به داخل سازه، ضخامت عایق اندکی بیش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملیاتی، با وارد شدن هوا به داخل سازه، ضخامت عایق اندکی بیش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملیاتی، با وارد شدن هوا به سازه عایق به اندازه اسمی خود می رسد و به شکل اصلی و صلب خود درمی آید. به منظور بررسی خصوصیات عایق، طرح پیشنهاد شده توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS مدل سازی و تحلیل شده است. تحلیل تنشی و انتقال حرارتی قابلیت بالقوه طرح پیشنها شده را به عنوان یک عایق مطلوب نشان می دهند.

کلمات کلیدی: عایق حرارتی، خلاء، ضریب هدایت حرارتی، سازه صلب شونده.

مقدمه:
با افزایش هزینه انرژی، صرفه جویی در مصرف آن اهمیت بیشتری یافته است. بخشی از این صرفه جویی مربوط به عایق بندی ساختمانها و … به منظور جلوگیری از هدر رفتن یا به عکس جلوگیری از ورود حرارت می باشد. بلوکهای فایبرگلاس، پشم شیشه یا پشم سنگ، فومهای پلاستیکی و عایقهای سلولزی از عایقهای متداول می باشند. در حال حاضر خلاء به عنوان یک عایق مناسب شناخته شده است ولی کاربرد آن چندان عمومیت نیافته است، چرا که خلاء باید درون محفظه هایی نسبتاً محکم به وجود آید. به همین علت کاربرد خلاء هم اکنون محدود به فلاسکهای مایعات یا جعبه های مخصوص حمل اعضای بدن انسان می باشد. به علت خصوصیات عایقهای خلاء استفاده از آنها علیرغم مقاومت حرارتی بالایی که دارند در خیلی از موارد غیراقتصادی می باشد و در واقع مهمترین عامل محدود کننده استفاده از عایقهای خلاء، قیمت بالای آنها می باشد ]1 و 2[.
پانلهای خلاء عایقهایی عالی می باشند (شکل 1). به طور کلی مقاومت عایقهای خلاء بین 3 تا 7 برابر عایقهای مرسوم مانند فومهای پلاستیکی یا فیبرهای شیشه می باشند ]2[. با استفاده از پنلهای خلاء، ضخامت عایق به نحو چشمگیری کاهش می یابد و لذا مقدار حجم درونی عایق بهینه می گردد (مانند یخچال). همچنین در مصرف انرژی نیز صرفه جویی می گردد. عایق خلاء یک عایق حرارتی با فن آوری پیشرفته می باشد که طور قابل ملاحظه ای عایق بندی مرسوم را تحت الشعاع قرار می دهد. عایقهای حرارتی با فن آوری پیشرفته می باشد که بطور قابل ملاحظه ای عایق بندی مرسوم را تحت الشعاع قرار می دهد. عایقهای خلاء موارد استفاده عملی و همچنین پتانسیل استفاده در کاربردهای مختلفی را دارند ]2[. برای مثال:
- ظرفهای جابجایی واکسنها، اعضای اهدا شده بدن و داروهایی که باید در دمای معینی نگهداری شوند.
- عایق بندی کانتینرهای یخچال دار و سردخانه ها
- ظروف با قابلیت استفاده مجدد برای جابجایی مواد غذایی فاسد شدنی بین سردخانه و محل مصرف
- عایق بندی ابزارآلات الکترونیکی حساس در برابر حرارت
- عایق بندی اتومبیلها و هواپیماها
- عایق بندی منازل
بخشهای اصلی عایق حرارتی خلاء:
به طور کلی خلاء یک مقاومت در برابر عبور حرارت است و بنابراین برای بهبود خصوصیات عایقها سعی می شود که در آنها شرایط خلاء یا نسبتاً خلاء ایجاد شود. مقدار مقاومت حرارتی علاوه بر مقدار و گسترده خلاء به سازه عایق مخصوصاً سازه بین دو سطح انتقال حرارت بستگی دارد، چرا که این بخش سازه باعث به وجود آمدن انتقال حرارت هدایتی می گردد. عایقهای متداول مانند پشم شیشه، سلولز یا انواع فومها با محدود کردن جریانهای ملکولهای هوا مقدار انتقال جابجایی را کاهس می دهند در صورتیکه در عایقهای خلاء مقدار مولکولهای موجود هوا برای انتقال حرارت بسیار محدود می باشند. یک عایق خلاء می تواند انتقال حرارت را از هر سه طریق هدایتی، جابجایی و تشعشعی کاهش دهد.
عایقهای خلاء متداول محفظه های خالی از هوا و آب بندی شده هستند. جنس جداره این محفظه ها عموماً از فلزات و بطور مثال آلومینیوم است. با توجه به خالی بودن محفظه از هوا، فشار هوای اتمسفر فقط روی سطوح خارجی جداره ها اعمال می گردد. نیروی ناشی از اعمال این فشار تمایل به تغییر شکل محفظه و جمع آن دارد. بنابراین جدارة محفظه باید چنان مستجکم باشد که در اثر این فشار دچار تغییر شکل کمی شود یا اینکه با تعبیه کرده سازه ای درون محفظه از تغییر شکل آن جلوگیری کرد. در عایقهای خلاء متداول (شکل 2) با قرار دادن سازه ای که عموماً از جنس فومهای پلیمری است از ایجاد تغییر شکل محفظه در اثر فشار هوای خارجی ممانعت به عمل می آید.
بخشهای اصلی یک عایق حرارتی خلاء عبارتند از ]3[:
1- یک هستة (Core) به منظور حفظ شکل اصلی سازه و مقاومت در برابر عبور حرارت (شکل 3)، هسته های جدید از فومهای پلی اورتان ساخته یم شوند (شکل 2). ساختمان متخلخل لین مواد امکان یم دهد که هوا بطور مناسبی از درون پوشش نخلیه گردد. این مواد دارای مقاومتی حرارتی بالا، جرم حجمی کم و سطح تماس بالا که امکان جابجایی گازهای داخل را محدود می کند، می باشد. بعضی از این مواد دارای خاصیت جذب تشعشعات هستند که امکان انتقال حرارت تشعشعی را کاهش می دهند. پودرهای سیلیس و ژلهای متخلخل با پایه سیلیس از مواد پذیرفته شدته برای هسته می باشند. همچنین امکان استفاده از طرحهای دیگر در عایقهای جدید مورد بررسی قرار گرفته است. ورقهای شانه تخم مرغی یک نمونه از این طرحها می باشد. مقاومت بالای این ورقها در برابر نیروهای عمودی استفاده از این ورقها را به عنوان سازه اصلی عایقهای خلاء امکان پذیر کرده است.
2- یک غشا یا پوشش (Envolop) که در برگیرنده هسته بوده و به گونه ای آب بندی شده که امکن ایجاد خلاء در داخل آن فراهم می آید (شکل 3). جنس پوشش از غشاهای انعطاف پذیر است که دارای مقاومت در برابر عبور گازهای اتمسفر مانند بخار آب، اکسیژن و نیتروژن می باشند. طول عمر عایق به نحو قابل ملاحظه ای به خصوصیات پوشش بستگی دارد. لایه های نازک فلزی مثل فویلهای آلومینیومی یا ترکیب لایه های سبک فلزی و غشاهای پلیمری دارای خواص مطلوب برای استفاده به عنوان پوشش می باشند. در این پوششها سطح براق فلز حرارت را قبل از رسیدن به داخل عایق منعکس می کند. همچنین ورقهای فلزی در ساخت عایقهایی نظیر فلاسکهای خلاء کاربرد دارند.
3- یک خشک کن برای جذب آب (Desiccant) و یک جاذب (Getter) برای جذب گازهای زاید باقیمانده یا نفوذ کرده در داخل پوشش. بعضی از هسته ها از موادی ساخته شده اند که خود به عنوان جاذب نیز عمل می کنند (شکل 3). خشک کن باید بتواند در تمام طول عمر عایق داخل آن را خشک نگه دارد. اکسید کلسیم یک خشک کن مناسب برای استفاده در عایقهای خلاء است.
هدف تحقیق حاضر، جایگزینی قسمت هسته با استفاده از سازه های جدید می باشد. در این طرح به منظور ایجاد خلاء در فاصله بین دو جداره عایق و غلبه بر نیروی ناشی از فشار هوای اعمال شده به سطح خارجی جداره ها از یک سازه صلب شونده استفاده می شود. با اعمال فشار هوا (بیش از فاشر هوای محیط) به داخل این سازه، سازه از حالت انعطاف پذیر به سازه یا صلب تبدیل شده و قابلیت مقاومت در برابر نیرویی ناشی از فشار اتمسفر را پیدا می نماید. در اثر تغییر شکل کل مجموعه در بعضی قسمتهای عایق، خلاء به وجود می آید. طراحی خاص این سازه باعث می گردد که کل عایق که از مواد انعطاف پذیر (پوششهای غیرقابل نفوذ توسط هوا) ساخته شده است، در هنگام اعمال فشار هوا به داخل سازه به صورت انعطاف ناپذیر درآید.
طرح پیشنهادی برای سازه نگهدارنده (هسته):
طرح پیشنهادی برای سازه اصلی عایق خلاء به صورت شکل 4 می باشد. این شکل عایق برش خورده را در حالت عملیاتی نشان می دهد. در این حالت روی لایه های 1 و 3 فشار هوای اتمسفر عمل می کند. در فضای بین این لایه ها، لایه 2 و محفظه خلاء قرار دارد.
در داخل ستونهای نگهدارنده (لایه 4) هوا با فشاری بیش از فاشر هوای اتمسفر موجود می باشد. مقدار فشار هوای این قسمت بستگی به نسبت مساحتهای محفظة خلاء و ستونهای نگهدارنده دارد. در صورتیکه نسبت مساحت سطح مقطع ستونهای نگهدارنده به سطح مقطع کل عایق 1 به X باشد، فشار اعمالی مورد نیاز به منوظر غلبه بر فشار هوا برابر با X اتمسفر می باشد. تمامی ستونهای نگهدارنده بوسیله لوله های رابطه با هم در ارتباط می باشند. با توجه به شکل کشاهده می گردد که لایه های 1 و 3 در لبه های عایق به هم متصل می باشند. در صورت غیرعملیاتی بودن (تخلیه ستونهای نگهدارنده از هوای فشار بالا) در اثر اعمال فشار هوای محیط روی لایه های 1 و 3، ستونهای لایه 2 جمع شده و لایه های 1 و 3 به یکدیگر می چسبند.
با توجه به شکل 4 مشاهده می گردد که سه لایه ذکر شده اجزا اصلی سازنده عایق می باشند. هر سه لایه همچنین و دارای مقاومت حرارتی بالا می باشند. لایه های 1 و 3 مشابه یکدیگر بوده و لایه 2 دارای شکل و طرح خاصی می باشد. شکل 5 یک المان جزیی از عایق را نشان می دهد. لایه های سه گانه عایق در این شکل به طور محزا رسم شده اند. از نقطه نظر ساخت عایق، تهیه لایه 2 مهمترین مرحله کار است. با در اختیار داشتن لایه ها، مرحله بعدی اتصال آنها به صورت مناسب است. مراحل اصلی مونتاژ چنین عایقی به صورت زیر می باشد:
1- سطح بالایی لایه 1 به سطخ پایینی لایه 2 بهم چسبانده یم شوند. در این حالت لایه 2 کاملاً انعطاف پذیر است.
2- محفظه یازه (فضای بین لایه 2 و 3) آب بندی می شود. در این حالت تنها راه ورود و خورج هوا به داخل محفظه، دریچه تعبیه شده برای آن می باشد.
3- از طریق دریچه، داخل محفظهع سازه هوا وارد شده تا سازه به شکل اصلی خود درآید (لایه 2 در شکل 5).
4- در این حالت لایه 2 از انتهای بالایی ستون استوانه ای در لایه 2 به لایه 3 چسبانده می شود.
5- جاذب و خشک کن مورد نیاز بین لایه 2 و 3 ریخته می شود.
6- هوای داخل سازه به طور کامل تخلیه می گردد.
7- هوای داخل محفظه خلاء تخلیه شده و لبه های خارجی عایق بهم متصل و آب بندی می گردند. برای این منظور از چسبهای حرارت یا اعمال حرارت و فشار به منظور چسباندن سطوح در تماس دو لایه استفاده می شود. در این حالت محفظه خلاء عاری از هوا و کاملاً آب بندی شده می باشد. در این وضعیت هر سه لایه 1 و 2 و 3 در اثر اعمال فشار هوای محیط به سطوح خارجی لایه های 1 و 3 بهم چسبیده اند. توجه به این نکته ضروریست که در این مرحله هر قدر هوای داخل محفظه خلاء بهتر تخلیه شود، خصوصیات حرارتی عایق بهتر خواهد شد.
8- با ورود فشار بالا به داخل محفظه سازه (فضای محصور بین لوله هیا رابط 1 و 2)، سازه به شکل اصلی خود درآمده و باعث می شود که بین لایه های 1 و 3 فاصله به وجود آید. در فضای ایجاد دشه بین لایه های 1 و 3 در این حالت خلاء به وجود می آید.
در ساخت لایه 2 ضروریست که به منظور جلوگیری از تمرکز تنش در هنگام اعمال فشار به داخل سازه، انتهای ستونهای نگهدارنده به شکل عدسی باشد.

تحلیل تنشی سازه:
بخش اصلی سازه نگهدارنده ستون استوانه ای می باشد. میزان فشار اعمالی به داخل سازه تعیین کننده نسبت مساحت منطقة خلاء به کل عایق و در نتیجه معیاری از مقاومت حرارتی قابل دستیابی می باشد. به طور مثال در مسأله مورد بررسی که نسبت مساحت منطقه خلاء به کل مساحت هفت به هشت است (نسبت سطح مقطع ستونها به کل مساحت یک به هشت است). فشار مورد نیاز هشت برابر فشار هوای محیط است. با توجه به اینکه بخش اصلی سازه در تحلیل تنشی، ستونها می باشد، لذا مطلوب این است که تنش ماکزیمم کل عایق در این لوله ها ایجاد گردد تا بتوان به حداکثر نسبت فشار به تنش ماکزیمم در کل عایق رسید. افزایش این نسبت به مفهوم افزایش کارآیی خصوصیات سازه ای و در نتیجه خصویات انتقال حرارتی عایق است.
به منظور تحلیل تنشی طرح پیشنهاد شده تحت اثر فشار داخلی 8 اتمسفر از نرم افزار ANSYS استفاده شده است. خصوصیات مکانیکی جنس مورد تحلیل مشابه با خصوصیات یک پوشش مورد استفاده در ساخت عایقهای خلاء با عنوان MYLAR “350SBL300” می باشد ]4[. جنس مورد نظر انعاف پذیر بودهع و دارای ضریب هدایت حرارتی پایین می باشد. همچنین به علت وجود لایه بازتاب دهنده این پوشش دارای مقاومت بالا در برابر انتقال حرارت تشعشعی است. خصوصیات پوشش مذکور در ارتباط با تحلیل تنشی عبارتند از:
ضخامت: mm35/0
مدول یانگ: Mpa510
تنش تسلیم: Mpa25
یک المان جزیی از لایه دوم عایق پیشنهاد شده مطابق شکل 6 به صورت مثلثی المان بندی شده است (شکل 6).
ابعاد المان جزیی مذکور عبارتند از
قطر ستونهای اصلی: mm5
ارتفاع ستونهای اصلی (ضخامت عایق): mm5/12
قطر لوله های رابط ستونها: mm5/1
فاصله مراکز ستونها در لایه 2 (تعیین کننده نسبت مساحت منطقة خلاء به کل مساحت): mm5/12
المان مورد استفاده در تحلیل سازه ای SHELL63 می باشد؟ این المان دارای شش درجه آزادی در هر گره است؟ مدل المان بندی شده در ناحیه های یاز لایه 2 که متصل به لایه 3 می گردند مقید شده؟ و از نواحی داخلی ستون اصلی و لوه های رابط تحت فشار 8 اتمسفر قرار می گیرد. نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی مدل ارائه شده در شکل 7 ناشن داده شده است.
کرنش ماکزیمم در حدود 02/0 درصد است. تنش ماکزیمم در حدود Mpa13 است (در نقطهع اتصال ستون به لایه شماره 3) و تنش ماکزیمم در روی استوانه در حدود M[a7 می باشد. بنابراین با توجه به تنش تسلیم جنس مورد استفاده، ضریب اطمینان این طرح برای اعمال فاشر 8 اتمسفر برابر 2 می باشد. به طور کلی مقدار تنش ماکزیمم با شعاع ستون اصلی و فاشر اعمال شده رابطه مستقیم و با ضخامت پوشش رابطه معکوس دارد. توجه به این نکته ضروریست که برای بهبود خصوصیات حرارتی عایق (افزاتیش نسبت مساحتهای محفظه خلاء به مساحت سطح مقطع ستونها که به مفهوم افزایش فشار داخلی سازه می باشد) و در عین حال ثابت نگه داشتن تنش ماکزیمم، لازم است که ابعاد هندسی طرح کاهش یابد.

تحلیل انتقال حرارتی عایق:
به منظور تحلیل انتقال حرارتی عایق لازم است که راههای انتقال حرارت در عایق مورد بررسی قرار گرفته تا بتوان مسأله را به طریق مناسبی مدل سازی کرد. راههای اصلی انتقال حرارت بین سطوح بالایی و پایینی این عایق و نحوه مقاومت در برابر آنها عبارتند از:
1- انتقال حرارت جابجایی توسط هوای موجود بین سطوح بالایی و پایینی. با توجه به هندسه عایق این بخش از انتقال حرارت توسط هوای محبوس در داخل ستونهای اصلی انجام می شود. از آنجا که ابعاد هندسی این ستونها کوچک می باشد می توان فرض کرد که یمزان انتقال حرارت جابجایی توسط هوای محبوس در داخل این ستونها ناچیز است. از طرفی در مورد محفظه خلائ نیز با توجه به اینکه میزان هوای باقیمانده در آن ناچیز می باشد، می توان از انتقال حرارت جابجایی توسط هوای موجود در محفظه خلاء صرفنظر کرد.
2- انتقال حرارت هدایتی بین سطوح بالایی و پایینی توسط هوای محبوس در داخل ستونهای اصلی و همچنین توسط جداره این ستونها انجام می گیرد. این انتقال حرارت هدایتی مهمترین بخش انتقال حرارت توسط عایق است. هندسه عایق ارائه شده، به واسطه پوشش و ستونها یک مسیر مستقیم بین دو سطح خارجی ایجاد می کند. پوشش MYLAR "350SBL300” پیشنهاد شده برای استفاده در عایق به عنوان جداره دارای مقاومت حرارتی هدایتی بالا است. ضریب انتقال حجرارت هدایتی این پوشش برابر با می باشد ]4[.
هوای محبوس در داخل ستونهای اصلی و لوله های رابط با توجه به حجم کوچک این محفظه ها، حرارت را به طریق هدایتی انتقال می دهند. شریب انتقال حرارت هدایتی هوا برابر است با ]5[. شایان ذکر است که تغییر فشار هوا در محدوده فشار کاری عایق (8 اتمسفر) بر مقدار ضریب انتقال حرارت هدایتی هوا تأثیر قابل ملاحظه ای نمی گذارد ]5[.
3- انتقال حرارت تشعشعی بین سطوح بالایی و پایینی. با توجه به اینکه پوشش پیشنهاد شده دارای سطوح براق و ضد تشعشع می باشد، عایق مذکور در برابر انتقال حرارت تشعشعی نیز دارای مقاومت مطلوبی است.
با توجه به اینکه راه اصلی انتقال حرارت در عایق پیشنهاد شده، هدایت از طریق جداره ستونهای اصلی و هوای محبوس در آنها بوده و بقیه راههای انتقال حرارت سهم اندکی در برابر این بخش دارند لذا در تحلیل انتقاد حرارتی این مجموعه تنها انتقال حرارت هدایتی مورد بررسی قرار می یگرد. در تحلیل حرارتی انجام شده، پوششهای بالا و پایین، لوله های رابط و ستونها و هوای درون آنها به عنوان بخشهای اصلی هدایت دهنده حرارت به شکل سه بعدی مدل سازی شده اند. با توجه به اینکه جداره ها دارای ضریب هدایت بالاتر و حجم کمتر و هوای درون سازه دارای ضریب هدایت پایین تر و حجم بیشتر است برای ساده سازی تحلیل، مجموع جداره ها و هوا به عنوان یک جسم با مقدار ضریب هدایتی معهادل با میانگین ضرایب هدایتی جداره و هوا در نظر گرفته شده است. یک جز مساحت از عایق توسط المانهای چهاروجهی المان بندی شده است (شکل 8). المان مورد استفاده در تحلیل حرارتی SOLID87 می باشد. این المان سه بعدی دارای ده گره و یک درجه آزادی حرارتی در هر گره است. در سطح پایینی دمای 25 درجه و در سطح بالایی دمای 0 درجه سانتیگراد به عنوان شرایط مرزی حرارتی اعمال شده و مسءله در حالت پایدار مورد تحلیل قرار گرفته است.
شار حرارتی منتقل شده بین دو سطح در جز المان از سطح عایق (شکل 8)، برابر با بدست آمده است. با دانستن اینکه سطح مقطع جزء تحلیل شده و ضخامت آن mm2/13 (مجموع طول استوانه و لایه های 1 و 3) بوده و اختلاف حرارت دو سطح عایق 25 درجه سانتیگراد می باشد، مقدار ضریب هدایتی عایق برابر با محاسبه می گردد. جدول 1 مقدار ضرایب حرارتی عایقهای متداول را به همراه ضریب هدایتی عایق ارائه شده نشان می دهد.
توجه به این نکته ضروریست که ضرایب هدایت حرارتی در جدول فوق به تنهایی نمی توانند مطلوب بودن عایق را مشخص نمایند. چرا که به عنوان مثال در مورد هوا می توان گفت که در موارد عملی انتقال حرارت جابجایی توسط هوا از درجه اول اهمیت است. اما در مورد عایق پیشنهاد شدهع با توجه به مقدار ضریب هدایت حرارتی می توان آنرا یک عایق مطلوب تلقی نمود چرا که در این عایق مهمترین عامل انتقال حرارت توسط آن، هدایت می باشد. با توجه به مقدار ضریب هدایت حرارتی بدست آمده مشاهده می گردد که مقاومت عایق پیشنهاد شده 63 برابر بیشتر از پشم شیشه می باشد.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله   39 صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید