انتخاب عایق حرارتی مناسب

عایق به ماده ای یا ترکیبی از چند ماده گفته می شود که نرخ انتقال حرارت را کاهش دهد. عایق ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند: فوم های آلی و مواد غیرآلی. فوم های آلی شامل: پلی استایرن، پلی یورتان، پلی اتیلن، فنولیک و غیره می شوند. از مواد غیرآلی می توان به پشم سنگ، پشم شیشه، فوم شیشه، سیلیکات کلسیم، پشم سرامیک، ورمیکولیت و پرلیت اشاره کرد.

از آنجایی که هدف اصلی عایقکاری، کاهش انتقال حرارت است، عایق ها باید خواص مطلوبی در کاهش نرخ انتقال حرارت به طرق هدایت، همرفت و تابش داشته باشند.

نمودار زیر مراحل انتخاب نوع عایق مناسب را نشان می دهد. 

می بایست پارامترهای تاثیرگذار در عایق کاری، قبل از انتخاب نوع عایق شناسایی شده و انتخاب عایق بر اساس آنها انجام شود (گام های 3 و 4). پارامترهای رایج و تاثیرگذار در انتخاب نوع عایق، در زیر فهرست شده اند.

 (سعی شده است پارامترها به ترتیب اهمیت فهرست شوند، ولی درجه اهمیت هریک از موارد زیر بسته به نظر طراح میتواند متغیر باشد)

1- دمای کارکرد (عایق گرم یا سرد)

2- مشخصه های فیزیکی از جمله ضریب انتقال حرارت، استحکام فشاری، چگالی و ضریب نفوذ رطوبت و بخار آب

3- حجم عایق کاری و شرایط عایق کاری در محیط باز یا سربسته و شرایط نصب

4- هزینه

5- در دسترس بودن (قابل تهیه بودن)

 6- عمر مفید کاری و قابلیت تعویض پس از عمر مفید کاری، مقاومت در مقابل تجزیه شدن، نور خورشید و غیره

 7– اشتعال پذیری و سمی بودن (در صورت اشتعال پذیری، برخی عایق ها از خود دود و بخارات سمی متصاعد میکنند.)

الف – دمای کارکرد

 محدوده دمای کاری عایق شاید مهمترین پارامتری باشد که در انتخاب نوع عایق نقش مستقیم ایفا می کند. دمای کاری معمول عایق های حرارتی (Thermal Insulation)، بین -730C الی +8200C است. عایق های مربوط به فرآیندهایی که دمای کاری آنها به زیر -730C می رسد، به عنوان عایق های سرد شناخته شده و واژه "برودتی" (Cryogenic) برای آنها استفاده می شود. همچنین عایق هایی که در فرآیندهایی که دمای آنها به بیش از +8200C می رسد استفاده می شوند، به عنوان عایق "نسوز" (Refractory) شناخته می شود. برای آشنایی بیشتر با انواع مختلف عایق ها و درجه حرارت کاری آنها، به عایق های حرارتی گرم و سرد و انواع عایق های حرارتی مراجعه فرمایید.

 در انتخاب نوع عایق، باید دقت شود که محدوده دمای کاری سطحی که قرار است عایق شود درون محدوده دمای کارکرد عایق (که در مدارک فنی سازنده یا مراجع مختلف ذکر شده است) باشد. لازم به ذکر است که دمای کاری، در تایین هزینه ها و سود عایق کاری نیز نقش مهمی ایفا می کند.

ب – مشخصه های فیزیکی

 ضریب انتقال حرارت، استحکام فشاری و ضریب نفوذ رطوبت از جمله مهم ترین مشخصه های فیزیکی تاثیرگذار در انتخاب نوع عایق محسوب می شوند. هرچه ضریب انتقال حرارت عایق کمتر باشد (و یا درمقابل، هرچه مقاومت حرارتی عایق بالاتر باشد)، عایق در مقابل انتشار حرارت مقاوم تر بوده، برای عایق کاری مناسب تر و مقدار سود عایق کاری نیز بالاتر خواهد بود.

نکته ای که در مورد ضریب انتقال حرارت باید در نظر گرفت این است که ضریب انتقال حرارت با افزایش دما، افزایش می یابد. معمولا در مدارک فنی تولیدکنندگان، ضریب انتقال حرارت در دمای محیط (+230C) ارائه می شود. برای محاسبه مقدار سرمایه برگشتی و سود عایق کاری، باید ضریب انتقال حرارت در شرایط عملی را در محاسبات وارد نمود. 

 استحکام فشاری عبارت است مقدار فشاری (تنش) که عایق می تواند تا رسیدن به نقطه تسلیم، تحمل کند. استحکام فشاری از آنجا که تابعی از درجه حرارت است، در انتخاب نوع عایق تاثیرگذار خواهد بود، چرا که با افزایش دما، استحکام فشاری بسیاری از مواد کاهش می یابد. معمولا تغییرات دمایی، تاثیرات چشم گیری بر استحکام فشاری می گذارند. از این رو، در انتخاب نوع عایق، باید دقت شود که عایق تحت بار نباشد و اگر در شرایط کاری، تحت بار است، می بایست استحکام فشاری آن در محدوده دمای کاری، بیش از بارگذاری باشد.

-ضریب نفوذ رطوبت و بخار آب (که با واحد perm اندازگیری می شود)، از دیگر پارامترهای مهمی است که در انتخاب نوع عایق، تاثیر مستقیم دارد. نفوذ رطوبت به درون عایق، ظریب انتقال حرارت آن را افزایش می دهد و در موارد شدیدتر، عایق خاصیت عایق بودن خود را کاملا از دست می دهد. همچنین، رطوبت زیاد و دمای بسیار پایین، باعث بروز پدیده چگالش (برفک زدن –Condensation) می شود. بنابراین، در صورتی که دمای فرآیند پایین است یا محیط رطوبت نسبی بالایی دارد و یا اگر قرار است عایق در محیط باز نصب شود، باید دقت شود که عایق در مقابل رطوبت مقاوم باشد و در صورت امکان، پوشش های رطوبتی نیز به فهرست اقلام عایق کاری اضافه شود.

چگالی از جمله عوامل دیگری است که می تواند در انتخاب عایق تاثیرگذار باشد. البته بسیاری از عایق ها، چگالی ثابتی دارند و انتخاب نوع عایق تابع مستقیمی از چالی ماده عایق نیست. اما، چگالی برخی مواد عایق، مانند پشم سنگ، متغیر است و تولیدکنندگان این نوع عایق ها، چگالی های مختلفی را در بازار عرضه می کنند. از آنجا که چگالی، تاثیر مستقیمی بر دیگر پارامترها، از جمله ضریب انتقال حرارت، ضریب نفوذ رطوبت و استحکام فشاری دارد، می تواند در انتخاب نوع عایق تاثیر گذار باشد. معمولا مواد با چگالی بالاتر، ضریب انتقال حرارت کمتر، ضریب نفوذ رطوبت و استحکام بیشتری دارند و ضریب انتقال حرارت نیز، با افزایش دما کمتر تغییر می کند. در نمودار زیر، تغییرات ضریب انتقال حرارت پشم سنگ در دو چگالی مختلف در دماهای مختلف نشان داده شده است. 

پ – حجم عایق کاری، شرایط عایق کاری و نصب

 حجم عایق کاری و شرایط نصب، می توانند در انتخاب نوع عایق تاثیر مستقیم بگذارند. بسیاری از انواع عایق ها برای عایق کاری سطح ها و حجم های بسیار زیاد مناسب نیستند و یا هزینه عایق کاری بسیار گزاف خواهد شد. همچنین برخی شرایط نصب ایجاب می کند، انواع خاصی از عایق ها مورد استفاده قرار گیرند. مثلا عایق کاری شکل­ های نامنظم و پیچیده و یا فضای بین دو دیواره که راهی به خارج ندارد و یا دسترسی به آن مشکل است، تنها با استفاده از عایق های تزریقی در محل، قابل انجام است.

 ت- هزینه و در دسترس بودن

 هزینه از مهمترین پارامترهایی است که در انتخاب عایق نقش دارد. البته لازم به ذکر است که سرمایه عایق کاری معمولا کمتر از یکسال بر می گردد، لیکن سرمایه اولیه می تواند برای طراح محدودیت ایجاد کند. در محاسبه هزینه عایق کاری، باید هزینه خود ماده عایق، عایق کاری (نیروی انسانی و متریال مورد نیاز نصب) و همچنین هزنیه های نگهداری پس از نصب، لحاظ شوند. در دسترس بودن نیز از دیگر عوامل تاثیرگذار بر انتخاب عایق است. چه بسا ممکن است عایق انتخاب شده اصلا در بازار فعلی موجود نبوده و یا مدت زمانی که تامین کننده می تواند آن را فراهم کند، مقید در محدوده زمانی مناسب نیست.

ث – عمر مفید کاری

 عمر مفید کاری می تواند در انتخاب نوع عایق موثر باشد، اگرچه عمر مفید انواع مختلف عایق ها تقریبا در یک محدوده است. مقاومت در مقابل ماوراء بنفش (در صورتی که عایق کاری در محیط باز انجام شده باشد)، رطوبت، تجزیه شدن، آلودگی های قارچی و میکروبی، گرد و خاک، سایش و غیره، از عوامل مهم در تعیین عمر مفید کاری عایق محسوب می شوند. لازم به ذکر است که عمر زیاد عایق، خاصیت عایق بودن آن را می کاهد. در نمودار زیر، تغییرات ضریب انتقال حرارت پشم سنگ را در دو ضخامت مختلف در مقابل سال های سپری شده، نشان می دهد. 

ج – اشتعال پذیری و سمی بودن

 برخی شرایط طراحی ایجاب می کند که عایق در مقابل خطراتی چون آتش سوزی، دارای حداقل مقاومت بوده و استاندارد باشند. به خصوص در صورتی که عایق برای مکان های مسکونی و عمومی، چون بیمارستان ها، کتاب خانه ها، مساجد و غیره استفاده می شوند، حتما باید استانداردهای مقاومت در مقابل آتش سوزی و عدم انتشار گازهای سمی را دارا باشند.

ضخامت مناسب عایق

 اینکه عایق چه ضخامتی داشته باشد که هم بتواند از پس عایق کاری برآمده و هم هزینه اضافه دربر نداشته باشد، برای طراح از اهمیت ویژه ای برخوردار است. محاسبه ضخامت مناسب عایق با توجه به روابط انتقال حرارت و شرایط مرزی و محیطی، به راحتی قابل انجام است. برای جزئیات بیشتر به محاسبه ضخامت عایق مراجعه فرمایید.

معمولا عایق ها در ضخامت های استاندارد در بازار عرضه می شوند و تولیدکنندگان ضخامت های خاصی را تولید میکنند که معمولا از نیم اینچ (13mm) شروع شده و با فرجه های نیم اینچی، تا سقف 6 اینچ (150mm) نیز میرسد. تولیدکنندگان عموما کاتالوگی در اختیار خریدار قرار می دهند و بوسیله آن ضخامت مناسب عایق را، متناسب با دما و شرایط کارکردی، رطوبت و به خصوص قطر لوله ها در عایق کاری لوله ها، به مشتری توصیه می کنند. ضخامت هایی که معمولا توسط سازندگان توصیه می شود، از استانداردها و مقررات ساخت و ساز (کشوری یا بین المللی) تبعیت میکنند و درنتیجه قابل اعتماد هستند.

گاهی خریدار خود به محاسبه ضخامت ایده آل عایق می پردازد و ممکن است ضخامتی بدست آورد که در فهرست ضخامت های استاندارد نیست. در این حالت می توان ضخامت استاندارد بالاتر را در نظر گرفت و یا سفارش خاصی به تولیدکنندگان داد که هزینه بیشتری در پی خواهد داشت.

بعضی عایق ها، معمولا چگالی ثابت و استانداردی دارند مانند عایق های پلیمری و الاستومری. برخی دیگر عایق ها میتوانند چگالی های مختلفی داشته باشند مانند عایق های پشم سنگ و پشم سرباره. این موضوع مربوط به روش تولید این نوع عایق ها می شود. باید توجه شود که چگالی تاثیر مستقیمی بر ضریب مقاومت حرارتی ضریب مقاومت حرارتی (R-Value) می گذارد به طوری که هرچه چگالی بیشتر شود، ضریب مقاومت حرارتی افزایش یافته و طبیعتا از ضخامت موردنیاز کاسته می شود. در صورتی که نوع عایق، دارای چگالی متنوع باشد، این مسئله باید در انتخاب ضخامت عایق مناسب مدنظر قرار گیرد. در اینگونه موارد، تولیدکنندگان پشم سنگ و پشم سرباره، معمولا در کاتالوگ خود، علاوه بر ضخامت، چگالی را نیز ذکر می کنند.