خرید و دانلود نسخه کامل تحقیق عایق حرارتی خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا

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

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 جداره 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 جداره 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[:

• یک هسته (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.
• 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.
• 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 محفظه 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:

• سطح بالایی لایه 1 به سطخ پایینی لایه 2 بهم چسبانده یم شوند. در این حالت لایه 2 کاملاً انعطاف پذیر است.
• 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.
• از طریق دریچه، داخل محفظهع سازه هوا وارد شده تا سازه به شکل اصلی خود درآید (لایه 2 در شکل 5).
• در این حالت لایه 2 از انتهای بالایی ستون استوانه ای در لایه 2 به لایه 3 چسبانده می شود.
• جاذب و خشک کن مورد نیاز بین لایه 2 و 3 ریخته می شود.
• هوای داخل سازه به طور کامل تخلیه می گردد.
• 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.

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