تعیین ضریب انتقال حرارت بتن‌های عایق

1.هدر رفت انرژی

صرفه جویی در مصرف انرژی یکی از مسائل مهم در صنعت ساختمان است. عایق کاری حرارتی مناسب، از راهکارهای جلوگیری از اتلاف انرژی می‌باشد. امروزه استفاده از بتن‌های سبک عایق، یکی از روش‌های عایقسازی حرارتی کف ساختمان و دیوارها است. ضریب هدایت گرمایی (ضریب انتقال حرارتی)، یکی از پارامترهای مهم در انتخاب این نوع بتن‌ها برای عایق سازی است.

در این مقاله روشی آزمایشگاهی و در عین حال ساده (بر اساس فرمول تجربی فوریه در بررسی جریان حرارتی) برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت انواع بتن سبک توضیح داده شده است. همچنین این آزمایش برای نمونه بر روی دو نوع بتن سبک پرلیتی و بتن سبک پلی استایرنی با شرایط و چگالی‌های یکسان انجام شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که بتن سبک پرلیتی ضریب انتقال حرارتی کمتری نسبت به بتن سبک پلی استایرنی دارد بنابراین برای عایق کاری ساختمان بخصوص عایق کاری دیوارها مناسب‌تر است.

افزایش مصرف انرژی و رشد فزاینده آن در کنار منابع محدود آن توجه به ضرورت صرفه جویی در مصرف انرژی را تاکید می‌کند. از سوی دیگر، استفاده از منابع انرژی فسیلی باعث ایجاد پیامدهای زیست محیطی گوناگون در کوتاه مدت و درازمدت خواهد شد. به این مطلب باید، محدودیت‌های اقتصادی برای بهره برداری از منابع انرژی را نیز اضافه کرد. کمبود منابع انرژی امری است که امروزه به وضوح به چشم می‌خورد و ادامه روند فعلی مصرف انرژی این موضوع را به بحران تبدیل خواهد کرد.

این واقعیت در مجموع از واضح ترین دلایلی است که می‌توان برای ضروری بودن صرفه جویی در مصرف انرژی بیان کرد. بخش ساختمان و مسکن با مصرف بیش از 40 %انرژی، بزرگترین مصرف کننده انرژی در ایران می‌باشد. میانگین مصرف انرژی ساختمان‌ها در ایران بیش از 5/2 برابر متوسط مصرف جهانی است این در حالی است که ساختمان‌های استان تهران بیش از 40 %دی اکسید کربن استان را تولید می‌کنند. کاهش مصرف انرژی در بخش ساختمان و مسکن از نقطه نظر اقتصادی و زیست محیطی امری ضروری و تاثیر بسزایی بر کل مصرف انرژی کل کشور خواهد داشت.

2.بتن سبک

بتن‌های سبک از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند چراکه یکی از معایب مهم ساختمان‌های بتنی وزن بسیار زیاد آن‌ها می‌باشد که با میزان تخریب ساختمان در اثر زلزله نسبت مستقیم دارد. اگر بتوانیم تیغه‌های جدا کننده و پانل‌ها را از بتن سبک بسازیم علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی به دلیل مقاومت گرمایی بالای آن‌ها نسبت به بتن معمولی، وزن ساختمان و در نتیجه آن تخریب ساختمان توسط زلزله مقدار زیادی کاهش می‌یابد. از معمولترین سنگدانه‌های مورد مصرف در این نوع بتن‌های سبک می‌توان به پرلیت و پلی استایرن اشاره کرد که در تحقیق حاضر تمرکز اصلی بر روی همین بتن‌های سبک غیر سازه ای ساخته شده است.

دلیل انتخاب این دو نوع بتن سبک برای آزمایش انتقال حرارت آن است که این دو نوع بتن عایق‌های حرارتی مناسبی هستند و کاربردهای فراوانی در صنعت، خصوصا صنعت ساختمان سازی برای عایق سازی می‌توانند داشته باشند. پرلیت سبکدانه مصنوعی سنگ آتشفشان شیشه ای با ترکیب ریولیتی است که ساختاری بی شکل و غیر کریستالی دارد و نوع منبسط آن سفید رنگ است. نزدیک به 75 درصد آن اکسید سیلسیم است که در حدود 3 تا 5 درصد آب به صورت حبس شده در خود دارد و در اثر حرارت بین 900 تا 1100 درجه سانتیگراد آب حبس شده در آن به صورت بخار در می‌آید و خروج این آب حبس شده از داخل ذرات نرم شده سنگ پرلیت سبب می‌شود که حجم آن از 4 تا 20 برابر افزایش یابد.

بتن ساخته شده از پرلیت، 20 برابر بتن‌های معمولی عایق حرارتی است. همچنین عایق بسیار خوبی در مقابل آتش می‌باشد و بتن ساخته شده از پلی استایرن، به دلیل عایق بودن حرارتی قابل قبول و نسبتا بالا و همچنین مقاومت حرارتی زیاد، کاربردهای فراوانی مانند ساخت دیوارهای نازک عایق، بلوک‌های باربر و…را دارا می‌باشد. انبساط این محصول در اثر وجود مقداری گاز پنتان است که به صورت حل نشده هنگام تولید در داخل آن محبوس می‌شود و این گاز در اثر حرارت ناشی از بخار آب از داخل دانه‌های پلی استایرن انبساطی خارج وباعث انبساط آن می‌گردد.

3.ضریب انتقال حرارت

ضریب انتقال حرارت بیان کننده‌ی نرخ انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال اطراف به روش همرفت می‌باشد. همرفت یکی از روش‌های انتقال گرما است که نه تنها در داخل یک سیال بلکه بین دو جسم که یکی از آن‌ها سیال باشد نیز اتفاق می‌افتد. حرکت سیال می‌تواند طبیعی و یا با اعمال نیروی خارجی باشد.

هر چند در بسیاری از موارد، برآوردهای اولیه برای تعیین تخمینی ضریب انتقال گرمایی وجود دارد، اما برای یک طراحی دقیق و صحیح، همواره محاسبه‌ی ضریب انتقال گرمایی با درصد خطای کمتر ضروری است. همچنین یک نوع ماده از کارخانه‌های مختلف ممکن است عملکردهای متفاوتی داشته باشد. از طرف دیگر به کمک ضریب انتقال حرارت تنها می‌توان توزیع درجه حرارت یک بعدی را در مبدل حرارتی محاسبه نمود چراکه تاکنون تحقیقات قابل توجه‌ای در تعیین توزیع درجه حرارت دو بعدی در مبدل حرارتی صفحه‌های به روش حل دقیق انجام نشده است .

تعیین ضریب هدایت حرارتی جامدات به این نحو است که اختلاف دما به عنوان یک نیروی محرکه سبب انتقال گرما می‌شود. هرگاه در یک محیط یا میان دو محیط اختلاف دما وجود داشته باشد و دمای محیط‌ها یکسان نباشد، انتقال گرما رخ می‌دهد. در محیط ساکنی که شیب دما وجود داشته باشد، برای انتقال گرمایی که در محیط روی میدهد از واژه‌ی رسانش و برای انتقال گرمای بین سطح و سیالی متحرک، که دمای آن‌ها با هم متفاوت است، از واژه‌ی جابجایی استفاده می‌شود. نوع سوم انتقال گرما تشعشع گرمایی است.

در روش جابجایی، حرکت مولکول‌ها و ارتعاشات مولکول‌ها سبب انتقال گرما نیز می‌شود و انتقال گرما در پدیده‌ی جابجایی حاصل ترکیب دو نوع انتقال گرمای رسانش و گرمای ناشی از این حرکت دست جمعی مولکول‌ها است. در پدیدهی جابجایی باید سیال دارای حرکت باشد و از طرفی دمای سطح و سیال با یکدیگر تفاوت داشته باشند، اگر سیال دارای حرکت نباشد مکانیسم انتقال حرارت بیشتر توسط رسانش صورت می‌گیرد هرچند که جابجایی طبیعی نیز باید مورد توجه قرار گیرد و اگر دماها برابر باشند به علت نبودن گرادیان دمایی هیچ گونه انتقال حرارتی انجام نمی‌گیرد.

جابجایی را می‌توان بنا به نحوه انجام فرایند به دو دسته‌ی اجباری و یا آزاد تقسیم کرد. اگر جابجایی توسط وسایل مکانیکی مانند فن|هیتر|، پمپ و یا توربین انجام شود جابجایی را اجباری و اگر اختلاف چگالی سبب این جابجایی شود آن را آزاد می‌نامند. در برخی مواقع ممکن است ترکیبی از هر دو فرایند را با هم داشته باشیم و از هردو استفاده کنیم یعنی نرخ انتقال توسط جابجایی آزاد کم بوده و برای افزایش نرخ انتقال حرارت از جابجایی اجباری استفاده شود.

4.انتقال حرارت در دیواره ی مسطح جامدات

هدایت حرارتی به طور نسبی به اندازه و محل قرارگیری منفذها، ترکیب شیمیایی اجزای جامد تشکیل دهنده، بافت آن‌ها و درجه حرارت آن‌ها بستگی دارد. در تحلیل رسانش در یک بعد معروفترین و کاربردیترین رابطه، قانون فوریه است. اختلاف درجه حرارت باعث انتقال حرارت می‌شود که مقدار آن را با رابطه فوریه بدست می‌آوریم. نمونه‌ی ساده‌ای از مسائل انتقال حرارت، انتقال حرارت یک بعدی حالت ماندگار |پایدار| از میان یک دیواره مسطح می‌باشد که در آن شیب دما و جریان حرارت با زمان تغییر نمی‌کند و سطح مقطعی که حرارت از میان آن جریان می‌یابد، یکسان می‌باشد و در نتیجه به صورت زیر در می‌آید. از علامت منفی که به معنی اتلاف انرژی است صرف نظر کرده و کران‌های انتگرال با توجه به |شکل شماره1 |تعیین می‌شود.

دما در صفحه سمت چپ |0=x |مقدار یکنواخت T1 و دما در صفحه سمت راست |L=x |مقدار یکنواخت T2 را دارا می‌باشد. اگر K مستقل از دما T باشد، بعد از انتگرال گیری از رابطه بالا میتوانیم نرخ جابجایی گرمایی از میان یک دیواره از رابطه 2 می آید.

<pدر این معادله اختلاف دمای ∆ میان دوطرف دیواره، پتانسیل محرکی است که جریان حرارت را سبب می‌‌‌‌‌‌گردد. کمیت L/AKنیز معادل با مقاومت گرمایی Rk است که دیواره در مقابل جریان گرمایی از خود نشان می‌دهد و هر جسمی که مقاومت گرمایی بیشتری از خود نشان دهد، عایق حرارتی بهتری است.

ازرابطهی |3 |به راحتی می‌توان ضریب انتقال حرارت K را به دست آورد. مقاومت گرمایی که دیواره در مقابل جریان گرمایی از خود نشان می‌دهد نیز با استفاده از رابطه‌ی |4 |بدست می‌آید.

5.شرح آزمایش و ساختمان دستگاه

در تحقیق حاضر یک دستگاه ساده جهت تعیین ضریب انتقال حرارت نمونه‌های بتنی طراحی گردید. که در این بخش مشخصات دستگاه طراحی شده توصیف می‌گردد.

در تحلیل رسانش یک بعدی فرض بر این است که گرما فقط در یک جهت و در جهت فقط یک محور منتقل می‌گردد و از انتقال گرما در سایر راستاها صرف نظر می‌شود. همچنین این آزمایش بر اساس انتقال گرما به روش جابجایی انجام شده که جابجایی اجباری |به وسیله هیتر| انجام گرفته است برای شبیه سازی منبع گرمایی می‌بایست یک مقدار مشخص انرژی به جسم داده شود که این مقدار را با هیتر تامین می‌کنیم. با توجه به فرمول | I.V=Q | و با استفاده از دستگاه وات متر، مقدار ولتاژ و جریان متناظر آن را می‌توان یافت و با ضرب این دو در هم مقدار گرما را یافت.

در این آزمایش از یک هیتر صنعتی |که توان آن قابل تنظیم بود| با توان اسمی 60 وات استفاده شد و با یافتن ولتاژ و جریان آن به توان اسمی 6/30 وات رسیدیم. همچنین میتوان برای تامین منبع گرمایی از آب جوش استفاده کرد و با استفاده از فرمول سرمایش نیوتون| | ∆|hA=q | مقدار گرمای منتقل شده به دیواره |q |را حساب کرد. ∆ در این فرمول اختلاف دمای آب جوش و دیواره ی بتنی است و h ضریب ثابت جابجایی نام دارد.

اما چون دیواره‌های بتنی مخصوصا بتن پرلیتی قابلیت جذب آب دارند، و با جذب آب خود خطایی در یافتن شار گرمایی بوجود می‌آورند پس هیتر گزینه مناسب‌تری برای تامین گرمای سیستم است.

برای سنجش دمای سطح دو طرف دیواره‌های بتنی، از دماسنج قلمی دیجیتال استفاده کردیم. ساز و کار این دما سنج به این گونه است که با استفاده از سنسوری که در انتهای آن است دما را می‌سنجد و جهت تعیین دما، سنسور دماسنج‌ها به مرکز سطح دوطرف دیواره‌ی بتنی متصل شد تا تنها دمای سطح را بدون در نظر گرفتن دمای محیط نشان دهد. برای جلوگیری از انتقال حرارت تابشی، سیستم را با پشم شیشه مطابق شکل |3 |عایق کردیم که مانع از برخورد هوا به آن شود. همچنین برای جلوگیری از اتلاف انرژی بین دیواره‌ی بتنی و شیشه‌ها و کاهش خطای آزمایش نیز از پشم شیشه استفاده شد چراکه پشم شیشه برای دمایی کمتر از 300 درجه سانتیگراد عایق حرارتی بسیار خوبی است.

این آزمایش برای مقایسه ضریب هدایت گرمایی دیواره‌های بتنی مختلف نیز بکار می‌رود. روند آزمایش به این صورت است که ابتدا دیواره‌ی بتنی بین دو محفظه شیشه ای |عایق شده توسط پشم شیشه| قرار می‌گیرد| شکل 2 |و با عایق کاری کامل توسط پشم شیشه از اتلاف حرارتی بین دیواره و محفظه ها جلوگیری می‌شود. |یک طرف محفظه به اندازه دهانه هیتر برای ورود آن باز می‌باشد و طرف دیگر آن بسته وعایق شده است که در شکل |3 |سمت راست انتهای بسته ی آن قابل مشاهده است|.

سپس از طرف باز محفظه، هیتر را داخل می‌کنیم و با توان مشخصی که قبلا اندازه گرفتیم، آن را روشن می‌کنیم.|به دلیل اینکه فاصله دهانه هیتر با دیواره بتنی کم است و دیگر دیواره‌های محفظه تماما عایق شده، اتلاف آن ناچیز است|. سنسور دماسنج‌ها را به مرکز سطح دوطرف دیواره متصل می‌کنیم تا دما را در هر لحظه بدست آوریم. همچنین میله دماسنج را تا نوک آن با پشم شیشه عایق میکنیم تا تنها دمای سطح بتن را بدون در نظر گرفتن دمای محیط مشخص کند و خطای آن به حداقل برسد. پس از گذشت زمان مشخصی |حدودا 30 دقیقه| که دمای یک طرف دیواره به حد قابل قبولی بالا رفت و انتقال حرارت آغاز شد،

شروع به قرائت دماسنج‌ها و بدست آوردن اختلاف آن‌ها می‌کنیم. در زمان های مشخص، ∆‌های یکسانی بدست می‌آید که با داشتن بقیه پارامتر‌ها همچون توان هیتر، مساحت دیواره و ضخامت می‌توان ضریب انتقال حرارت از یک دیواره ی بتنی نمونه را بدست آورد. لازم به ذکر است که ضریب بدست آمده از این آزمایش برای دیواره بتنی است که نسبت مساحت دیواره به ضخامت آن برابر 5/0 می باشد.

1.5.مصالح مورد استفاده در ساخت نمونه‌ها

• سیمان پرتلند تیپ I از کارخانه اصفهان با وزن مخصوص 15/3
• ماسه آهکی mm 5-0 با وزن مخصوص 65/2 و با دانه بندی در محدوده استاندارد مطابق 5 C33 ASTM
• مادهی هوازا و فوق روان کننده از شرکت Fosroc با وزن مخصوص 0/1
• پلی استایرن منبسط شده mm 5-0 با وزن مخصوص 03/0 و جذب آب 14
• پرلیت منبسط شده mm 5 -1 با وزن مخصوص 4/0 و جذب آب 47.%

2.5.طرحهای اختلاط

در این تحقیق برای نمونه 3 طرح اختلاط برای بتن پرلیتی با چگالی‌های 800 و 880 و 1000 کیلوگرم بر متر مکعب و 1 طرح اختلاط بتن پلی استایرنی با چگالی 800 کیلو گرم بر متر مکعب ساخته شد. مشخصات طرح‌های اختلاط در جدول |1 |ارائه شده است.

6.تحلیل داده ها

در تحقیق حاضر از دستگاه ساده‌ی طراحی شده برای تعیین ضریب انتقال حرارت 4 طرح اختلاط فوق استفاده شده است. برای تعیین ضریب انتقال حرارت نمونه‌های بتنی به ابعاد mm 20 × 100 × 100 ساخته شد و در داخل محفظه‌ی مورد نظر قرار گرفت و ضریب انتقال حرارت هر 4 طرح اختلاط اندازه‌گیری شد. در جدول |2 |و|3 |نتایج بدست امده از اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت هر 4 طرح اختلاط ارائه شده است. با دقت در نتایج بدست امده می‌توان نتایج زیر را استنتاج نمود.

1.6.مقایسه ضریب انتقال حرارت بتن پرلیتی و پلی استایرنی

دو دیواره با ابعاد وشرایط یکسان شامل مساحت سطح 01/0 متر مربع و ضخامت 02/0 متر و چگالی 800 کیلوگرم بر متر مکعب ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفتند و نتایج آن در جدول |2 |قابل مشاهده است.

<>

2.6.مقایسه ضریب انتقال حرارت بتن پرلیتی در چگالی های مختلف

این آزمایش بر روی سه چگالی 800 و 880 و 1000 کیلوگرم بر متر مکعب انجام گردید و هدف از این آزمایش بررسی رابطه بین چگالی و مقاومت گرمایی و ضریب انتقال حرارت در یک نوع بتن بود. هر سه نمونه دیواره بتنی در شرایط یکسان و ابعاد یکسان با مساحت سطح 01/0 متر مربع و ضخامت 02/0 متر ساخته شدند و مورد آزمایش قرار گرفتند. در جدول |3 |مقادیر ضریب انتقال حرارت و مقاومت گرمایی نمونه‌ها قابل مشاهده است همچنین نمودار‌های مقاومت گرمایی و ضریب انتقال حرارت بر حسب چگالی رسم گردید.

7.نتیجه گیری

تعیین ضریب انتقال حرارت برای بتن‌هایی که قرار است به عنوان عایق از آن‌ها استفاده شود، امری ضروری است. روش‌های ساده تری مانند روش ذکر شده نسبت به دستگاه‌های ضریب انتقال حرارت جامدات که در دسترس همگان نیز نیستند، برای به دست آوردن آن وجود دارد.

همچنین با توجه به نتایج به دست آمده از آزمایش‌های انجام شده توسط این دستگاه و مقایسه آن‌ها با ضرایب انتقال حرارت مصالح اعلام شده در جدول پیوست 7 مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان و سایر نتایج بدست آمده از مقالات دیگر می‌توان دریافت که سازوکار دستگاه درست و با رعایت دقت و عایق سازی هرچه بهتر آن و به حداقل رساندن خطاهای احتمالی، نتایج مطلوبی را در اختیار می‌گذارد.

سوالات متداول

ضرورت تعیین ضریب انتقال حرارت بتن‌های عایق؟

مبحث بسیار مهم هدر رفت انرژی و جلوگیری از آن با توجه به مصرف بی رویه انرژی و هدر رفت سرمایه نیاز است تا با تعیین ضریب انتقال حرارت و شناخت این نوع عایق‌ها طراحی مناسبی پیش بینی شود.

مفهوم ضریب انتقال حرارت چیست؟

ضریب انتقال حرارت بیان کننده ی نرخ انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال اطراف به روش همرفت می‌باشد.

دلیل استفاده از بتن‌های سبک بعنوان بتن‌های عایق چیست؟

بتن سبک بدلیل ویژگی‌هایی که مواد سازنده آن دارد علاوه بر سبکی، خاصیت مقاومت در برابر حرارت را دربر دارند بطوریکه بتن سبک ساخته شده از پرلیت، 20 برابر بتن‌های معمولی عایق حرارتی است. همچنین عایق بسیار خوبی در مقابل آتش می‌باشد و بتن ساخته شده از پلی استایرن، به دلیل عایق بودن حرارتی قابل قبول و نسبتا بالا و همچنین مقاومت حرارتی زیاد، کاربردهای فراوانی مانند ساخت دیوارهای نازک عایق، بلوک‌های باربر و…را دارا می‌باشد.