Isı Yalıtımı

Isı yalıtımı nedir?

Isı yalıtımı, ısıyla temas halinde veya ışınsal etki menzili nesneler arasındaki ısı aktarımının (farklı sıcaklıktaki nesneler arasındaki termal enerjinin aktarımı) azaltılmasıdır. Isı yalıtımı, özel olarak tasarlanmış yöntemler veya prosesler ile uygun obje şekilleri ve materyallerle sağlanabilir.

Isı akışı, farklı sıcaklıktaki nesneler arasındaki temasın kaçınılmaz bir sonucudur. Isı yalıtımı, ısı iletimi azaltılan veya termal radyasyonun, düşük sıcaklıktaki gövde tarafından emilmek yerine yansıtıldığı bir yalıtım bölgesi sağlar.

Bir malzemenin yalıtım kabiliyeti, termal iletkenlik (k) ile ölçülür. Düşük termal iletkenliği yüksek izolasyon kabiliyetine (R-değeri) eşdeğerdir. Termal mühendislikte yalıtım malzemelerinin diğer önemli özellikleri ürün yoğunluğu (ρ) ve özgül ısı kapasitesi (c) 'dir.

Isı yalıtımı hakkında bilgi

Yalıtım

Yalıtım için seçilen katı malzemeler, kelvin başına watt / metre cinsinden ölçülen, düşük bir ısı iletkenliği k'ya sahiptir (W · m-1 · K-1). Yalıtım kalınlığı arttıkça ısıl direnç de artar.

Yalıtımlı silindirler için kritik bir yarıçapa ulaşılmalıdır. Kritik yarıçapa ulaşılmadan önce eklenen yalıtım, ısı transferini arttırır. Konveksiyon termal direnci, yüzey alanı ve dolayısıyla yarıçap ile ters orantılıdır. Termal ise direnç sadece yarıçapa değil, silindirik bir kabuğun (izolasyon katmanı) dış ve iç yarıçapın oranına bağlıdır. Bir silindirin dış yarıçapı izolasyon uygulanarak arttırılırsa sabit bir miktarda iletken direnç (ln (2) / (2πkL) 'ye eşittir) eklenir. Bununla birlikte, aynı zamanda, konveksiyon direnci azalır. Bu, belirli bir kritik yarıçapın altına yalıtım eklenmesinin aslında ısı transferini arttırdığını ima eder. Yalıtılmış silindirler için kritik yarıçap, denklemle belirtilmiştir.

r_ {kritik} = k \ h

Bu denklem kritik yarıçapın yalnızca ısı transfer katsayısına ve izolasyonun ısıl iletkenliğine bağlı olduğunu gösterir. Yalıtılmış silindirin yarıçapı, yalıtım için kritik yarıçaptan küçükse, herhangi bir yalıtım miktarının eklenmesi ısı transferini artıracaktır.

Yalıtım uygulamaları

Kuş ve memelilerde doğal hayvan yalıtımı

Gazlar, sıvılara ve katılara kıyasla kötü termal kondüksiyon iletim özelliklerine sahiptir ve bu nedenle sıkışabiliyorlarsa iyi bir izolasyon malzemesi oluştururlar. Bir gazın (hava gibi) etkinliğini daha da artırmak için, doğal konveksiyonla etkili bir şekilde ısı aktaramayan küçük hücrelere bölünebilir. Konveksiyon, kaldırma kuvveti ve sıcaklık farklarıyla yönlendirilen daha büyük bir gaz toplama akışını içerir ve onu sürmek için küçük yoğunluk farklarının bulunduğu küçük hücrelerde iyi çalışmaz.

Insan yapımı ısı yalıtımında gaz hücresi oluşumunu başarmak için, hava ve köpük benzeri bir yapıda cam ve polimer malzemeler kullanılabilir. Bu ilke, (camyünü), selüloz, kaya yünü, polistiren köpük (köpük), üretan köpüğü, vermikülit, perlit ve mantar gibi yapı ve boru izolasyonlarında endüstriyel olarak kullanılır. Havayı hapsetmek aynı zamanda yün, kuş tüyleri ve polar gibi yüksek derecede yalıtıcı giyim malzemelerinde de prensiptir.

Hava hapsetme özelliği aynı zamanda homotermik hayvanlar tarafından sıcak kalmak için kullanılan yalıtım ilkesidir (örneğin alt tüyler ve doğal koyun yünleri gibi yalıtıcı kıllar). Her iki durumda da birincil izolasyon malzemesi havadır ve havayı tutmak için kullanılan polimer doğal keratin proteinidir.

Binalarda yalıtım

Binalarda kabul edilebilir sıcaklıkların muhafaza edilmesi (ısıtma ve soğutma), küresel enerji tüketiminin büyük bir bölümünü kullanır. Bina izolasyonları, fiberglas (özellikle camyünü), selüloz, kaya yünü, polistiren köpük, üretan köpük, vermikülit, perlit, mantar vb. Bir süre, Asbest'de kullanıldı, ancak sağlık sorunlarına neden oldu.

İyi izole edildiğinde, bir bina:

• Enerji açısından verimli olduğundan, sahibinin parasından tasarruf sağlar.
  
• Alan boyunca daha eşit sıcaklık sağlar. Dış duvarlar, tavanlar ve pencerelerden iç duvarlara hem yatay olarak hem de dikey olarak (ayak bileği yüksekliği ve kafa yüksekliği arasında) daha düşük sıcaklık geçişi vardır ve böylece dış hava sıcaklıkları aşırı derecede soğuk veya sıcak olduğunda daha rahat bir yaşama ortamı oluşturur. 
  
• Minimum tekrarlı masrafa sahiptir. Isıtma ve soğutma ekipmanlarının aksine yalıtım kalıcıdır ve bakım, gözetim veya ayarlama gerektirmez. 
  
• Bir binanın karbon ayak izini düşürür. 
  

Birçok ısı yalıtımı biçimi hem dışardan hem de binanın içindeki diğer odalardan gelen gürültüyü ve titreşimi azaltarak daha rahat bir ortam oluşturur.

Yaz aylarında gelen termal radyasyonu ve kışın kayıpları azaltmak için hava şartlandırma uygulamalarında pencere yalıtım filmi uygulanabilir.

Endüstride, nesnelerin veya işlem sıvılarının sıcaklığını yükseltmek, azaltmak veya korumak için enerji harcanmalıdır. Bunlar yalıtılmamışsa, bu, bir prosesteki enerji gereksinimlerini ve dolayısıyla maliyet ve çevresel etkiyi arttırır.

Mekanik sistemler

Isıtma ve soğutma sistemleri, binalarda boru ya da kanal yardımıyla ısıyı dağıtmaktadır. Bu boruları boru izolasyonu ile izole etmek, boş odaların enerji tüketimini azaltır ve soğutulmuş boru sisteminde yoğuşmanın önüne geçer.

Boru izolasyonu, kabul edilebilir bir süre için hatlardaki donma etkisini de geciktireceği için su tedarik boru hatlarında da kullanılır.

Soğutma'da yalıtım

Bir buzdolabı, bir ısı pompası ve bir termal yalıtımlı bölmeden oluşur.

Uzay aracı yalıtımı

Fırlatma ve tekrar giriş, uzay aracı üzerinde mekanik gerilmeler oluşumuna sebep olur, bu nedenle bir izolatörün gücü kritik önem taşır (uzay mekiği Columbia'daki yalıtkan döşemelerin başarısızlığında görüldüğü gibi, mekik gövdesinin aşırı ısınmasına ve yeniden giriş sırasında parçalanmasına neden olurken, gemideki astronotlar da hayatlarını kaybetmiştir). Atmosfere yeniden giriş, havanın yüksek hızda sıkıştırılmasından dolayı çok yüksek sıcaklıklar üretir. Yalıtkanlar, termal transfer geciktirici özelliklerinin ötesinde zorlu fiziksel özellikleri de karşılamalıdır. Uzay aracında kullanılan izolasyon örnekleri; güçlendirilmiş karbon-karbon kompozit burun konisi ve Uzay Mekiği'nin silika fiber döşemeleridir. 

Araba yalıtımı

İçten yanmalı motorlar, yanma döngüsü boyunca çok fazla ısı üretirler. Bu, sensörler, piller ve marş motorları gibi ısıya duyarlı çeşitli bileşenlere eriştiğinde olumsuz bir etkiye neden olabilir. Sonuç olarak, bu bileşenlere egzozdan gelen sıcaklığın önlenmesi için ısı yalıtımı gereklidir.

Yüksek performanslı otomobiller genellikle motor performansını artırmak için bir yöntem olarak ısı yalıtımı kullanır.

Performansı etkileyen faktörler

İzolasyon performansı birçok faktörden etkilenir; bunların en önemlileri şunları içerir:

• Termal iletkenlik ("k" veya "λ" değeri)
  
• Yüzey emissivitesi ("ε" değeri) 
  
• İzolasyon kalınlığı 
  
• Yoğunluk 
  
• Özgül ısı kapasitesi 
  
• Isı köprüsü 

Malzemenin zamanla yaşlanması ve çevre koşullarının değişimiyle performansın da değişebileceği dikkate alınmalıdır.

İhtiyaçları hesaplama

Endüstri standartları çoğu zaman çelişen birçok hedefi karşılayan (insanlar, üretim maliyeti, yerel iklim, geleneksel bina uygulamaları ve değişen konfor standartlarına ödeyecekleri para gibi.) uzun yıllardır geliştirilen kurallardır. Hem ısı transferi hem de katman analizi, büyük endüstriyel uygulamalarda yapılabilir, ancak ev ortamlarında (cihazlar ve bina izolasyonu) havanın sızdırmazlığı hava kaçağı nedeniyle (zorla veya doğal konveksiyon) ısı transferini azaltmanın anahtarıdır. Hava sızdırmazlığı sağlandıktan sonra, başparmak kurallarına dayalı olarak yalıtım tabakasının kalınlığını seçmek genellikle yeterlidir. Azalan verimler, izolasyon katının art arda iki katına çıkmasıyla elde edilir. Bazı sistemlerde, bir iyileştirmenin gerçekleştirilmesi için minimum bir izolasyon kalınlığının gerekli olduğu gösterilebilir.