بخشی از مقاله
عايق حرارتي خلاء با استفاده از سازه صلب شونده توسط فشار هوا
چكيده:
در اين نوآوري يك عايق حرارتي خلاء جديد معرفي مي گردد. در اين طرح، وظيفه غلبه بر نيروي ناشي از فشار هواي محيط و ايجاد فاصله بين دو جداره عايق به منظور ايجاد خلاء به عهده سازه اي انعطاف پذير و جمع شونده مي باشد. با اعمال فشار هوا به داخل اين سازه و تغيير شكل آن، دو جدارة عايق از يكديگر دور مي شوند و به اين ترتيب در مناطقي از عايق كا سازه نگهدارنده وجود ندارد، خلاء به وجود مي آيد. در حالت غيرعملياتي و قبل از فشار هوا به داخل سازه، ضخامت
عايق اندكي بيش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملياتي، با وارد شدن هوا به داخل سازه، ضخامت عايق اندكي بيش از مجموع ضخامت جداره ها است. در حالت عملياتي، با وارد شدن هوا به سازه عايق به اندازه اسمي خود مي رسد و به شكل اصلي و صلب خود درمي آيد. به منظور بررسي خصوصيات عايق، طرح پيشنهاد شده توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS مدل سازي و تحليل شده است. تحليل تنشي و انتقال حرارتي قابليت بالقوه طرح پيشنها شده را به عنوان يك عايق مطلوب نشان مي دهند.
كلمات كليدي: عايق حرارتي، خلاء، ضريب هدايت حرارتي، سازه صلب شونده.
مقدمه:
با افزايش هزينه انرژي، صرفه جويي در مصرف آن اهميت بيشتري يافته است. بخشي از اين صرفه جويي مربوط به عايق بندي ساختمانها و … به منظور جلوگيري از هدر رفتن يا به عكس جلوگيري از ورود حرارت مي باشد. بلوكهاي فايبرگلاس، پشم شيشه يا پشم سنگ، فومهاي پلاستيكي و عايقهاي سلولزي از عايقهاي متداول مي باشند. در حال حاضر خلاء به عنوان يك عايق مناسب شناخته شده است ولي كاربرد آن چندان عموميت نيافته است، چرا كه خلاء بايد درون محفظه هايي نسبتاً محكم به وجود آيد. به همين علت كاربرد خلاء هم اكنون محدود به فلاسكهاي مايعات
يا جعبه هاي مخصوص حمل اعضاي بدن انسان مي باشد. به علت خصوصيات عايقهاي خلاء استفاده از آنها عليرغم مقاومت حرارتي بالايي كه دارند در خيلي از موارد غيراقتصادي مي باشد و در واقع مهمترين عامل محدود كننده استفاده از عايقهاي خلاء، قيمت بالاي آنها مي باشد ]1 و 2[.
پانلهاي خلاء عايقهايي عالي مي باشند (شكل 1). به طور كلي مقاومت عايقهاي خلاء بين 3 تا 7 برابر عايقهاي مرسوم مانند فومهاي پلاستيكي يا فيبرهاي شيشه مي باشند ]2[. با استفاده از پنلهاي خلاء، ضخامت عايق به نحو چشمگيري كاهش مي يابد و لذا مقدار حجم دروني عايق بهينه مي گردد (مانند يخچال). همچنين در مصرف انرژي نيز صرفه جويي مي گردد. عايق خلاء يك عايق
حرارتي با فن آوري پيشرفته مي باشد كه طور قابل ملاحظه اي عايق بندي مرسوم را تحت الشعاع قرار مي دهد. عايقهاي حرارتي با فن آوري پيشرفته مي باشد كه بطور قابل ملاحظه اي عايق بندي مرسوم را تحت الشعاع قرار مي دهد. عايقهاي خلاء موارد استفاده عملي و همچنين پتانسيل استفاده در كاربردهاي مختلفي را دارند ]2[. براي مثال:
- ظرفهاي جابجايي واكسنها، اعضاي اهدا شده بدن و داروهايي كه بايد در دماي معيني نگهداري شوند.
- عايق بندي كانتينرهاي يخچال دار و سردخانه ها
- ظروف با قابليت استفاده مجدد براي جابجايي مواد غذايي فاسد شدني بين سردخانه و محل مصرف
- عايق بندي ابزارآلات الكترونيكي حساس در برابر حرارت
- عايق بندي اتومبيلها و هواپيماها
- عايق بندي منازل
بخشهاي اصلي عايق حرارتي خلاء:
به طور كلي خلاء يك مقاومت در برابر عبور حرارت است و بنابراين براي بهبود خصوصيات عايقها سعي مي شود كه در آنها شرايط خلاء يا نسبتاً خلاء ايجاد شود. مقدار مقاومت حرارتي علاوه بر مقدار و گسترده خلاء به سازه عايق مخصوصاً سازه بين دو سطح انتقال حرارت بستگي دارد، چرا كه اين بخش سازه باعث به وجود آمدن انتقال حرارت هدايتي مي گردد. عايقهاي متداول مانند پشم شيشه، سلولز يا انواع فومها با محدود كردن جريانهاي ملكولهاي هوا مقدار انتقال جابجايي را كاهس مي دهند در صورتيكه در عايقهاي خلاء مقدار مولكولهاي موجود هوا براي انتقال حرارت بسيار محدود مي باشند. يك عايق خلاء مي تواند انتقال حرارت را از هر سه طريق هدايتي،
جابجايي و تشعشعي كاهش دهد.
عايقهاي خلاء متداول محفظه هاي خالي از هوا و آب بندي شده هستند. جنس جداره اين محفظه ها عموماً از فلزات و بطور مثال آلومينيوم است. با توجه به خالي بودن محفظه از هوا، فشار هواي اتمسفر فقط روي سطوح خارجي جداره ها اعمال مي گردد. نيروي ناشي از اعمال اين فشار تمايل به تغيير شكل محفظه و جمع آن دارد. بنابراين جدارة محفظه بايد چنان مستجكم باشد كه در اثر اين فشار دچار تغيير شكل كمي شود يا اينكه با تعبيه كرده سازه اي درون محفظه از تغيير شكل آن جلوگيري كرد. در عايقهاي خلاء متداول (شكل 2) با قرار دادن سازه اي كه عموماً از جنس فومهاي پليمري است از ايجاد تغيير شكل محفظه در اثر فشار هواي خارجي ممانعت به عمل مي آيد.
بخشهاي اصلي يك عايق حرارتي خلاء عبارتند از ]3[:
1- يك هستة (Core) به منظور حفظ شكل اصلي سازه و مقاومت در برابر عبور حرارت (شكل 3)، هسته هاي جديد از فومهاي پلي اورتان ساخته يم شوند (شكل 2). ساختمان متخلخل لين مواد امكان يم دهد كه هوا بطور مناسبي از درون پوشش نخليه گردد. اين مواد داراي مقاومتي حرارتي بالا، جرم حجمي كم و سطح تماس بالا كه امكان جابجايي گازهاي داخل را محدود مي كند، مي باشد. بعضي از اين مواد داراي خاصيت جذب تشعشعات هستند كه امكان انتقال حرارت
تشعشعي را كاهش مي دهند. پودرهاي سيليس و ژلهاي متخلخل با پايه سيليس از مواد پذيرفته شدته براي هسته مي باشند. همچنين امكان استفاده از طرحهاي ديگر در عايقهاي جديد مورد بررسي قرار گرفته است. ورقهاي شانه تخم مرغي يك نمونه از اين طرحها مي باشد. مقاومت بالاي اين ورقها در برابر نيروها
ي عمودي استفاده از اين ورقها را به عنوان سازه اصلي عايقهاي خلاء امكان پذير كرده است.
2- يك غشا يا پوشش (Envolop) كه در برگيرنده هسته بوده و به گونه اي آب بندي شده كه امكن ايجاد خلاء در داخل آن فراهم مي آيد (شكل 3). جنس پوشش از غشاهاي انعطاف پذير است كه داراي مقاومت در برابر عبور گازهاي اتمسفر مانند بخار آب، اكسيژن و نيتروژن مي باشند. طول عمر
عايق به نحو قابل ملاحظه اي به خصوصيات پوشش بستگي دارد. لايه هاي نازك فلزي مثل فويلهاي آلومينيومي يا تركيب لايه هاي سبك فلزي و غشاهاي پليمري داراي خواص مطلوب براي استفاده به عنوان پوشش مي باشند. در اين پوششها سطح براق فلز حرارت را قبل از رسيدن به داخل عايق منعكس مي كند. همچنين ورقهاي فلزي در ساخت عايقهايي نظير فلاسكهاي خلاء كاربرد دارند.
3- يك خشك كن براي جذب آب (Desiccant) و يك جاذب (Getter) براي جذب گازهاي زايد
باقيمانده يا نفوذ كرده در داخل پوشش. بعضي از هسته ها از موادي ساخته شده اند كه خود به عنوان جاذب نيز عمل مي كنند (شكل 3). خشك كن بايد بتواند در تمام طول عمر عايق داخل آن را خشك نگه دارد. اكسيد كلسيم يك خشك كن مناسب براي استفاده در عايقهاي خلاء است.
هدف تحقيق حاضر، جايگزيني قسمت هسته با استفاده از سازه هاي جديد مي باشد. در اين طرح به منظور ايجاد خلاء در فاصله بين دو جداره عايق و غلبه بر نيروي ناشي از فشار هواي اعمال شده به سطح خارجي جداره ها از يك سازه صلب شونده استفاده مي شود. با اعمال فشار هوا (بيش از فاشر هواي محيط) به داخل اين سازه، سازه از حالت انعطاف پذير به سازه يا صلب تبديل شده و قابليت مقاومت در برابر نيرويي ناشي از فشار اتمسفر را پيدا مي نمايد. در اثر تغيير شكل كل مجموعه در بعضي قسمتهاي عايق، خلاء به وجود مي آيد. طراحي خاص اين سازه باعث مي گردد كه كل عايق كه از مواد انعطاف پذير (پوششهاي غيرقابل نفوذ توسط هوا) ساخته شده است، در هنگام اعمال فشار هوا به داخل سازه به صورت انعطاف ناپذير درآيد.
طرح پيشنهادي براي سازه نگهدارنده (هسته):
طرح پيشنهادي براي سازه اصلي عايق خلاء به صورت شكل 4 مي باشد. اين شكل عايق برش خورده را در حالت عملياتي نشان مي دهد. در اين حالت روي لايه هاي 1 و 3 فشار هواي اتمسفر عمل مي كند. در فضاي بين اين لايه ها، لايه 2 و محفظه خلاء قرار دارد.
در داخل ستونهاي نگهدارنده (لايه 4) هوا با فشاري بيش از فاشر هواي اتمسفر موجود مي باشد. مقدار فشار هواي اين قسمت بستگي به نسبت مساحتهاي محفظة خلاء و ستونهاي نگهدارنده دارد. در صورتيكه نسبت مساحت سطح مقطع ستونهاي نگهدارنده به سطح مقطع كل عايق 1 به X باشد، فشار اعمالي مورد نياز به منوظر غلبه بر فشار هوا برابر با X اتمسفر مي باشد. تمامي
ستونهاي نگهدارنده بوسيله لوله هاي رابطه با هم در ارتباط مي باشند. با توجه به شكل كشاهده مي گردد كه لايه هاي 1 و 3 در لبه هاي عايق به هم متصل مي باشند. در صورت غيرعملياتي بودن (تخليه ستونهاي نگهدارنده از هواي فشار بالا) در اثر اعمال فشار هواي محيط روي لايه هاي 1 و 3، ستونهاي لايه 2 جمع شده و لايه هاي 1 و 3 به يكديگر مي چسبند.
با توجه به شكل 4 مشاهده مي گردد كه سه لايه ذكر شده اجزا اصلي سازنده عايق مي باشند. هر سه لايه همچنين و داراي مقاومت حرارتي بالا مي باشند. لايه هاي 1 و 3 مشابه يكديگر بوده و لايه 2 داراي شكل و طرح خاصي مي باشد. شكل 5 يك المان جزيي از عايق را نشان مي دهد. لايه هاي سه گانه عايق در اين شكل به طور محزا رسم شده اند. از نقطه نظر ساخت عايق، تهيه لايه 2 مهمترين مرحله كار است. با در اختيار داشتن لايه ها، مرحله بعدي اتصال آنها به صورت مناسب است. مراحل اصلي مونتاژ چنين عايقي به صورت زير مي باشد:
1- سطح بالايي لايه 1 به سطخ پاييني لايه 2 بهم چسبانده يم شوند. در اين حالت لايه 2 كاملاً انعطاف پذير است.
2- محفظه يازه (فضاي بين لايه 2 و 3) آب بندي مي شود. در اين حالت تنها راه ورود و خورج هوا به داخل محفظه، دريچه تعبيه شده براي آن مي باشد.
3- از طريق دريچه، داخل محفظهع سازه هوا وارد شده تا سازه به شكل اصلي خود درآيد (لايه 2 در شكل 5).
4- در اين حالت لايه 2 از انتهاي بالايي ستون استوانه اي در لايه 2 به لايه 3 چسبانده مي شود.
5- جاذب و خشك كن مورد نياز بين لايه 2 و 3 ريخته مي شود.
6- هواي داخل سازه به طور كامل تخليه مي گردد.
7- هواي داخل محفظه خلاء تخليه شده و لبه هاي خارجي عايق بهم متصل و آب بندي مي گردند. براي اين منظور از چسبهاي حرارت يا اعمال حرارت و فشار به منظور چسباندن سطوح در تماس دو لايه استفاده مي شود. در اين حالت محفظه خلاء عاري از هوا و كاملاً آب بندي شده مي باشد. در اين وضعيت هر سه لايه 1 و 2 و 3 در اثر اعمال فشار هواي محيط به سطوح خارجي لايه هاي 1 و 3 بهم چسبيده اند. توجه به اين نكته ضروريست كه در اين مرحله هر قدر هواي داخل محفظه خلاء بهتر تخليه شود، خصوصيات حرارتي عايق بهتر خواهد شد.
8- با ورود فشار بالا به داخل محفظه سازه (فضاي محصور بين لوله هيا رابط 1 و 2)، سازه به شكل اصلي خود درآمده و باعث مي شود كه بين لايه هاي 1 و 3 فاصله به وجود آيد. در فضاي ايجاد دشه بين لايه هاي 1 و 3 در اين حالت خلاء به وجود مي آيد.
در ساخت لايه 2 ضروريست كه به منظور جلوگيري از تمركز تنش در هنگام اعمال فشار به داخل سازه، انتهاي ستونهاي نگهدارنده به شكل عدسي باشد.
تحليل تنشي سازه:
بخش اصلي سازه نگهدارنده ستون استوانه اي مي باشد. ميزان فشار اعمالي به داخل سازه تعيين كننده نسبت مساحت منطقة خلاء به كل عايق و در نتيجه معياري از مقاومت حرارتي قابل دستيابي مي باشد. به طور مثال در مسأله مورد بررسي كه نسبت مساحت منطقه خلاء به كل مساحت هفت به هشت است (نسبت سطح مقطع ستونها به كل مساحت يك به هشت است). فشار مورد نياز هشت برابر فشار هواي محيط است. با توجه به اينكه بخش اصلي سازه در تحليل
تنشي، ستونها مي باشد، لذا مطلوب اين است كه تنش ماكزيمم كل عايق در اين لوله ها ايجاد گردد تا بتوان به حداكثر نسبت فشار به تنش ماكزيمم در كل عايق رسيد. افزايش اين نسبت به مفهوم افزايش كارآيي خصوصيات سازه اي و در نتيجه خصويات انتقال حرارتي عايق است.
به منظور تحليل تنشي طرح پيشنهاد شده تحت اثر فشار داخلي 8 اتمسفر از نرم افزار ANSYS استفاده شده است. خصوصيات مكانيكي جنس مورد تحليل مشابه با خصوصيات يك پوشش مورد استفاده در ساخت عايقهاي خلاء با عنوان MYLAR “350SBL300” مي باشد ]4[. جنس مورد نظر انعاف پذير بودهع و داراي ضريب هدايت حرارتي پايين مي باشد. همچنين به علت وجود لايه بازتاب دهنده اين پوشش داراي مقاومت بالا در برابر انتقال حرارت تشعشعي است. خصوصيات پوشش مذكور در ارتباط با تحليل تنشي عبارتند از:
ضخامت: mm35/0
مدول يانگ: Mpa510
تنش تسليم: Mpa25
يك المان جزيي از لايه دوم عايق پيشنهاد شده مطابق شكل 6 به صورت مثلثي المان بندي شده است (شكل 6).
ابعاد المان جزيي مذكور عبارتند از
قطر ستونهاي اصلي: mm5
ارتفاع ستونهاي اصلي (ضخامت عايق): mm5/12
قطر لوله هاي رابط ستونها: mm5/1
فاصله مراكز ستونها در لايه 2 (تعيين كننده نسبت مساحت منطقة خلاء به كل مساحت): mm5/12
المان مورد استفاده در تحليل سازه اي SHELL63 مي باشد؟ اين المان داراي شش درجه آزادي در هر گره است؟ مدل المان بندي شده در ناحيه هاي ياز لايه 2 كه متصل به لايه 3 مي گردند مقيد شده؟ و از نواحي داخلي ستون اصلي و لوه هاي رابط تحت فشار 8 اتمسفر قرار مي گيرد. نتايج حاصل از تحليل استاتيكي مدل ارائه شده در شكل 7 ناشن داده شده است.
كرنش ماكزيمم در حدود 02/0 درصد است. تنش ماكزيمم در حدود Mpa13 است (در نقطهع اتصال ستون به لايه شماره 3) و تنش ماكزيمم در روي استوانه در حدود M[a7 مي باشد. بنابراين با توجه به تنش تسليم جنس مورد استفاده، ضريب اطمينان اين طرح براي اعمال فاشر 8 اتمسفر برابر 2 مي باشد. به طور كلي مقدار تنش ماكزيمم با شعاع ستون اصلي و فاشر اعمال شده رابطه مستقيم و با ضخامت پوشش رابطه معكوس دارد. توجه به اين نكته ضروريست كه براي بهبود خصوصيات حرارتي عايق (افزاتيش نسبت مساحتهاي محفظه خلاء به مساحت سطح مقطع ستونها كه به مفهوم افزايش فشار داخلي سازه مي باشد) و در عين حال ثابت نگه داشتن تنش ماكزيمم، لازم است كه ابعاد هندسي طرح كاهش يابد.
تحليل انتقال حرارتي عايق:
به منظور تحليل انتقال حرارتي عايق لازم است كه راههاي انتقال حرارت در عايق مورد بررسي قرار گرفته تا بتوان مسأله را به طريق مناسبي مدل سازي كرد. راههاي اصلي انتقال حرارت بين سطوح بالايي و پاييني اين عايق و نحوه مقاومت در برابر آنها عبارتند از:
1- انتقال حرارت جابجايي توسط هواي موجود بين سطوح بالايي و پاييني. با توجه به هندسه عايق اين بخش از انتقال حرارت توسط هواي محبوس در داخل ستونهاي اصلي انجام مي شود. از آنجا كه ابعاد هندسي اين ستونها كوچك مي باشد مي توان فرض كرد كه يمزان انتقال حرارت جابجايي توسط هواي محبوس در داخل اين ستونها ناچيز است. از طرفي در مورد محفظه خلائ نيز با توجه به اينكه ميزان هواي باقيمانده در آن ناچيز مي باشد، مي توان از انتقال حرارت جابجايي توسط هواي موجود در محفظه خلاء صرفنظر كرد.
2- انتقال حرارت هدايتي بين سطوح بالايي و پاييني توسط هواي محبوس در داخل ستونهاي اصلي و همچنين توسط جداره اين ستونها انجام مي گيرد. اين انتقال حرارت هدايتي مهمترين بخش انتقال حرارت توسط عايق است. هندسه عايق ارائه شده، به واسطه پوشش و ستونها يك مسير مستقيم بين دو سطح خارجي ايجاد مي كند. پوشش MYLAR "350SBL300” پيشنهاد شده براي استفاده در عايق به عنوان جداره داراي مقاومت حرارتي هدايتي بالا است. ضريب انتقال حجرارت هدايتي اين پوشش برابر با مي باشد ]4[.
هواي محبوس در داخل ستونهاي اصلي و لوله هاي رابط با توجه به حجم كوچك اين محفظه ها، حرارت را به طريق هدايتي انتقال مي دهند. شريب انتقال حرارت هدايتي هوا برابر است با ]5[. شايان ذكر است كه تغيير فشار هوا در محدوده فشار كاري عايق (8 اتمسفر) بر مقدار ضريب انتقال حرارت هدايتي هوا تأثير قابل ملاحظه اي نمي گذارد ]5[.
3- انتقال حرارت تشعشعي بين سطوح بالايي و پاييني. با توجه به اينكه پوشش پيشنهاد شده داراي سطوح براق و ضد تشعشع مي باشد، عايق مذكور در برابر انتقال حرارت تشعشعي نيز داراي مقاومت مطلوبي است.
با توجه به اينكه راه اصلي انتقال حرارت در عايق پيشنهاد شده، هدايت از طريق جداره ستونهاي اصلي و هواي محبوس در آنها بوده و بقيه راههاي انتقال حرارت سهم اندكي در برابر اين بخش دارند لذا در تحليل انتقاد حرارتي اين مجموعه تنها انتقال حرارت هدايتي مورد بررسي قرار مي يگرد. در تحليل حرارتي انجام شده، پوششهاي بالا و پايين، لوله هاي رابط و ستونها و هواي درون آنها به
عنوان بخشهاي اصلي هدايت دهنده حرارت به شكل سه بعدي مدل سازي شده اند. با توجه به اينكه جداره ها داراي ضريب هدايت بالاتر و حجم كمتر و هواي درون سازه داراي ضريب هدايت پايين تر و حجم بيشتر است براي ساده سازي تحليل، مجموع جداره ها و هوا به عنوان يك جسم با مقدار ضريب هدايتي معهادل با ميانگين ضرايب هدايتي جداره و هوا در نظر گرفته شده است. يك جز مساحت از عايق توسط المانهاي چهاروجهي المان بندي شده است (شكل 8). المان مورد
استفاده در تحليل حرارتي SOLID87 مي باشد. اين المان سه بعدي داراي ده گره و يك درجه آزادي حرارتي در هر گره است. در سطح پاييني دماي 25 درجه و در سطح بالايي دماي 0 درجه سانتيگراد به عنوان شرايط مرزي حرارتي اعمال شده و مسءله در حالت پايدار مورد تحليل قرار گرفته است.
شار حرارتي منتقل شده بين دو سطح در جز المان از سطح عايق (شكل 8)، برابر با بدست آمده است. با دانستن اينكه سطح مقطع جزء تحليل شده و ضخامت آن mm2/13 (مجموع طول استوانه و لايه هاي 1 و 3) بوده و اختلاف حرارت دو سطح عايق 25 درجه سانتيگراد مي باشد، مقدار ضريب هدايتي عايق برابر با محاسبه مي گردد. جدول 1 مقدار ضرايب حرارتي عايقهاي متداول را به همراه ضريب هدايتي عايق ارائه شده نشان مي دهد.
توجه به اين نكته ضروريست كه ضرايب هدايت حرارتي در جدول فوق به تنهايي نمي توانند مطلوب بودن عايق را مشخص نمايند. چرا كه به عنوان مثال در مورد هوا مي توان گفت كه در موارد عملي انتقال حرارت جابجايي توسط هوا از درجه اول اهميت است. اما در مورد عايق پيشنهاد شدهع با توجه به مقدار ضريب هدايت حرارتي مي توان آنرا يك عايق مطلوب تلقي نمود چرا كه در اين عايق مهمترين عامل انتقال حرارت توسط آن، هدايت مي باشد. با توجه به مقدار ضريب هدايت حرارتي بدست آمده مشاهده مي گردد كه مقاومت عايق پيشنهاد شده 63 برابر بيشتر از پشم شيشه مي باشد.
مزاياي عايق پيشنهاد شده:
1- سبكي در مقايسه با عايقهاي خلاء موجود.
2- كمي حجم در هنگام حمل و نقل (در حالت غيرعملياتي).قابليت ساخت در اشكال مختلف دوبعدي و سه بعدي.
3- قابلين ساخت در اشكال مختلف دو بعدي و سه بعدي.
4- قابليت تعمير در صورت آسيب ديدگي.
5- عدم نياز به ماده پركننده داخلي به عنوان سازه نگهدارنده. در مقايسه با عايقهاي خلاء موجود، در عايق ارائه شده سازه نگهدارنده جزيي از سيستم مي باشد.
6- پايين بودن هزينه مواد اوليه.
7- قابليت عملياتي كردن عايق در محل مورد استفاده (در صورت موجود بودن كمپرسور مناسب).
8- عدم نياز به پمپ خلاء در هنگام ساخت در مقايسه با روش ساخت خلاء مرسوم.
9- قابليت تنظيم مقدار مقاومت حرارتي با تغيير فشار هواي درون سازه.
10- امكان تخليه هواي وارد شده به محفظه خلاء. توضيح اينكه مهمترين عامل محدود كننده عمر عايقهاي خلاء متداول نفوذ هوا به درون محفظه خلاء آنها مي باشد. در عايق خلاء ابداع شده امكان تخليه هواي وارد شده به محفظه خلاء وجود دارد و به دفعات مي توان اين عمل را تكرار كرد. براي اين منظور با بازكردن دريچه سازه هواي داخل سازه خالي مي گردد. با بازكردن دريچه محفظه خلاء هواي نفوذ كرده بهخ طور كامل تخليه شده، خشك كن و جاذب درون آن ريخته و سپس مجدداً دريچه آب بندي مي گردد. در اين حالت با اعمال فشار مورد نياز به داخل سازه، عايق به وضعيت عملياتي طراحي شده خود بازمي گردد.
مراجع:
1. www.uspto.gov
2. www.vacuminsulate.org
3. www.porexthern.com
4. www.dupontteijinfilms.com
5. Holman J.P., Heat transfer, New York. Mc Fraw-Hill, 1989.
هفت روش صرفه جويي انرژي در سيستمهاي پمپاژ
هزينه زياد انرژي و كميابي مواد سوختي، امروزه بعنوان يك واقعيت تلخ زندگي درآمده است كه بررسي كليه فرآيندهاي انرژي بر را در راستاي بهبود راندمان ملي آنها اجتناب ناپذير مي سازد. از آنجا كه هر فرآيند صنعتي كه زمينه ساز تمدن مدرن امروز بشر است، حاوي انتقال مايعات از يك
سطح فشار يا انرژي استاتيكي به سطح ديگر است، لذا پمپها به عنوان يك بخش اصلي كليه فرآيندهاي صنعتي تبديل شده اند و به اين دليل يك مصرف كننده اصلي انرژي مي باشند. بنابراين مهم است كه تا حد امكان از اتلاف انرژي احتراز كرده و در انتخاب پمپهاي خود، صرفه جويي در مصرف انرژي را در نظر بگيريم.
پمپهاي صنعتي به مرحله اي از توسعه رسيده اند كه راندمان تبديل انرژي مكانيكي به انرژي هيدروليكي در آنها كاملاً بالاست. در برخي موارد، راندمان پمپها براي هد و دبي نقطه طراحي به بيش از 90% مي رسد. لذا بررسي يك پمپ به تنهايي و به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي
طبعاً به نتيجه نخواهد رسيد، بلكه پمپ را بايد جزئي از سيستمي به حساب آورد كه در آن مشغول به كار است، لذا بايد صرفه جويي انرژي را در مجموعه جستجو كرد. اخيراً موضوع صرفه جويي انرژي در پمپها و سيستمهاي پمپاژ در قالب گسترده تري تحت عنوان صرفه جويي انرژي در سيستمهاي استفاده كننده از موتور الكتريكي مطرح گرديده است. به طور كلي در بخشهاي مختلف صنعتي و
غير صنعتي، درصد بسيار بالايي از مصرف انرژي مربوط به موتورهاي الكتريكي (بطور مثال در كشور نيوزلند حدود 60% كل مصرف برق صنعتي مربوط به موتورهاي الكتريكي است) و از ميان مصرف انرژي الكتريكي پمپها بيشترين سهم را به خود اختصاص مي دهد (در كشور نيوزلند حدود 30% مصرف برق موتورهاي الكتريكي مربوط به پمپها است).
طبق بررسيهاي انجام شده در سيستم هاي استفاده كننده از موتورهاي الكتريكي، صرفه جويي معادل 20% از كل انرژي الكتريكي مصرفي امكانپذير تشخيص داده شده است. بدين لحاظ برخي از كشورها رسيدن به اين مرحله را بعنوان هدف خود قرار داده اند.
در زير هفت روش ذخيره سازي انرژي درپمپها ذكر شده است:
1. طراحي سيستمها به نحوي صورت گيرد كه دستيابي به ظرفيت و هد مورد نظر، نياز به ملزومات كنتري داشته باشد. نبايد تصور شود كه چنين ملزوماتي ثابت و تغييرناپذير هستند. به طور مثال الزامات مربوط به هد را مي توان به وسيله موارد زير كاهش داد:
پايين تر آوردن فشار استاتيك نسبي فرآيند، به حداقل رساندن افزايش سطح از تانك مكش تا تانك تخليه، كاهش اختلاف سطح استاتيكي به وسيله استفاده از سيفون ها، پايين تر آوردن سرعتهاي نازل پاشش، پايين تر آوردن افت اصطكاكي با استفاده از لوله هاي بزرگتر و اتصالات با افت پايين و حذف شيرهاي سوپاپ.
1. پرهيز از انتخاب سيستم با ظرفيت يا هد بالاتر به منظور پوشش و جبران خطاها. عموماً در صورت نياز، افزايش ظرفيت سيستم در اينده ارزانتر خواهد بود. بطور نمونه، اضافه كردن دبي پمپاژ در صورت لزوم از نظر اقتصادي، به صرفه تر خواهد بود. اختلافات كوچك در راندمان بين پمپها، آنچنان مهم نيست كه مجبور باشيم شرايط سرويس را سازگار كنيم. در صورتيكه پمپها بر اساس الزامات هد و دبي سيستم و بصورت منطقي انتخاب شده باشند، ممكن است ميزان ذخيره سازي انرژي به 20 درصد برسد.
2. با وجود تمايل به كاهش هزينه اوليه، افزايش هزينه ناشي از انتخاب پمپ با بهترين راندمان و سايز را در درازمدت جبران كنيد. انتخاب پمپ به عواملي همچون الزامات هد و دبي، فشار ورودي يا NPSH مورد نياز، نوع سيال پمپ شونده و ساير سرويس هاي مورد نياز بستگي دارد. ماكزيمم راندمان قابل دسترسي پمپم گريز از مركز، از انتخاب سرعت چرخش پمپ كه به سرعت مخصوص آن بستگي دارد و توسط طراح صورت مي گيرد، تأثير مي پذيرد.
3. استفاده از موتورهاي دور متغير جهت هماهنگ شدن با شرايط كاري سيستم پمپاژ؛ تا از افت در خطوط لوله و شيرها جلوگيري بعمل آيد.
!توجه كنيد كه نقطه كاركرد پمپها در محدوده مجاز توصيه شده توسط سازنده پمپ باقي بماند.
4.از دو يا چند پمپ كوچك به جاي يك پمپ بزرگ استفاده شود. بطوري كه نياز به پمپي با ظرفيت بالا برطرف گردد.
5. به طور مثال مي توانيم به جاي يك پمپؤ از دو پمپ بصورت موازي طوري استفاده كنيم كه هد مورد نياز سيستم تأمين شود و مجموع دبي آنها نيز دبي مورد نياز را براي سيستم فراهم نمايد. ذخيره سازي انرژي در اين مورد از راه اندازي هر پمپ در نقطه كاري آن، كه راندمان بهينه را فراهم مي كند نتيجه مي شود. به اين منظور بايد توجه شود كه هرگز براي نياز به انرژي كم از پمپ بزرگ استفاده نشود كه مجبور به كنترل آن باشيم بنابراين استفاده از يك پمپ سرعت متغير و يك پمپ سرعت ثابت پيشنهاد مي شود.
6. استفاده از پمپها نظير توربين ها به منظور استفاده مجدد از انرژي فشاري؛ زيرا در غير اين صورت اين انرژي به هدر يم رود. بطور عملي تمام پمپ هاي گريز از مركز زماني كه به طور معكوس مورد استفاده قرار مي گيرند، بعنوان توربين عمل مي كنند.
تورين بازيافت قدرت هيدروليمي، مي تواند انرژي فشاري را زماني بازيافت كند كه براي راه اندازي ژنراتور استفاده مي شود يا به راه انداز پمپ كمپرسور كمك مي كند.
7. تعمير پمپها و تمام اجزاء سيستم به منظور جلوگيري از افت راندمان كه در اثر استهلاك بعضي اجزا و بروز شرايط جديد بوجود مي آيد.
به طور مثال ياتاقان ها بايد مرتب روانكاري شده و در موقع لزوم تعويض شوند. آب بندي محور و متعلقات مربوط به آن، بايد كاملاً حفظ و مرتباً بازرسي شوند تا از زيانهاي مكانيكي زودرس جلوگيري بعمل آيد.
بهينه سازي مصرف انرژي در الكتروموتورهاي صنعتي
كاربرد كنترل كننده هاي دور موتور در صرفه جوئي انرژي
مقدمه
بحث انرژي از دو ديگاه اقتصادي و زيست محيطي حائز اهميت است. بهينه سازي مصرف انرژي به اين معني است كه بتوان با استفاده از تجهيزات و يا مديريت بهتر همان كار را، با مصرف انرژي كمتر انجام بدهيم.
صرفه جوئي انرژي مي تواند با استفاده از تجهيزات بهتر نظير: عايق بندي مطلوب، افزايش راندمان سيستمهاي حرارتي و بازيابي تلفات حرارتي و بازيابي تلفات حرارتي بدست آيد. از طرف ديگر اعنال مديريت انرژي، بمنظور درك سيستمهاي موجود و طريقه استفاده از آنها، ميتواند در كاهش مصرف انرژي نقش مهمي داشته باشد. در سياست گذاري انرژي، سازمانها بايد رويكرد سيستمي داشته باشند. براي مثال در بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي، هدف تنها كاهش هزينه هاي انرژي يك يا دچند الكتروموتور مشخص نيست، بلكه بايد آثار اقدامات مورد نظر روي ساير سيستمها نيز بذقت مورد توجه قرار گيرد. در يك بنگاه اقتصادي صرفه جوئي انرژي ميتواند موجب برتري رقابتي بنگاه گردد.
در اغلب بخشهاي صنعتي، انرژي الكتريكي مهمترين منبع انرژي بشمار مي رود. از آنجا كه موتورهاي الكتريكي، مصرف كننده اصلي انرژي الكتريكي در كارخانجات صنعتي هستند، لذا بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي كه موضوع مقاله است از اهميت ويژه اي برخوردار خواهد بود. براي درك اهميت بهينه سازي مصرف انرژي به اين مورد اشاره مي كنيم كه اگر راندمان موتورهاي الكتريكي القائي موجود در اروپا تنها به ميزان %1 افزايش يابد، هزينه مصرف انرژي الكتريكي به ميزان 6/1 ميليارد دلار در سال كاهش خواهد يافت.
آمار منتشر شده از سوي وزارت نيرو نشان مي دهد در سال 1373، 5/38% از كل انرژي الكتريكي مصرف شده در ايران توسط موتورهاي الكتريكي بوده است ]1Fج. البته اين ميزان در كشورهاي صنعتي تا 65% مي رسد و شاخص خوبي براي نشان دادن سطح صنعتي شدن يك كشور مي باشد ]10[. اهداف بهينه سازي مصرف انرژي را ميتوان بصورت زير بيان نمود:
• استفاده منطقي از انرژي.
• حفظ منابع انرژي.
• اصلاح ميزان مصرف انرژي در بخشهاي مصرف كننده انرژي.
• كاهش گازهاي گلخانه اي و آلودگي هوا.
• اصلاح وضعيت موجود .
• كسب برتري رقابتي در بنگاههاي اقتصادي.
ميتوان اقدامات مختلفي براي صرفه جوئي انرژي الكتريكي در الكتروموتورهاي صنعتي بعمل آورد. در حالت كلي اين تقدامات به دو دسته تقسيم ميشود:
1- اقدامات مربوط به طراحي موتور.
2- اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها.
اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها را نيز ميتوان به دو دسته تقسيم نمود:
1- اقدامات روي موتور، نظير تهويه، روغنكاري، و بارگذاري.
2- استفاده از درايو يا كنترل دور موتور.
در اين مقالهؤ نخست روشهاي بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي را مورد بحث قرار مي دهيم سپس كاربرد درايوها در كنترل موتورهاي الكتريكي و تاثيري كه مي توانند در صرفه جوئي مصرف انرژي بگذارند مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
1- مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي
در سالهاي اخير بهينه سازي مصرف انرژي در صنايع به دلايل اقتصادي و زيست محيطي اهميت بيشتري يافته و اقدامات عملي گسترده اي در اين زمينه صورت گرفته است. علي رغم اينكه يكي از بزرگترين مصرف كنندگان انرژي الكتريكي در بخش صنعت موتورهاي الكتريكي هستند، ليكن در زمينه افزايش مبدلهاي الكتريكي به مكانميزمي مستقر در صنايع، ادقامات عملي چنداني بعمل نيامده است. بديهي است افزايش بازدهي محرك هاي صنعتي نه تنها از نظر اقتصادي مورد توجه
استفاده كنندگان مي باشد بلكه در برنامه ريزي انرژي در سطح ملي نيز حائز اهميت است.
مطالعات انجام شده در صنايع ايران حكايت از وضعيت نابسامان انتخاب و بهره برداري از موتورهاي الكتريكي دارد ]1F[. بر اساس تحقيقات اغلب موتورها بزرگتر از ميزان نياز انتخاب شده و در شرايط بدي نگهداشته ميشوند. استفاده از موتورهاي با راندكمان بالا در ايران رايج نبوده و گزارش مؤثري از استفاده از درايو جهت صرفه جوئي انرژي در دست نيست. در بسياري از كگاربردهاي صنعتي
موتورها بازدهي بسيارز پايين تر از مقدار حداكثر دارند. بعنوان مثال در يكي از كارخانجات صنعتي كشورمان در يك مورد، متوسط توان مصرفي در يك موتور القائي سه فاز صنعتي تنها 28% توان نامي اندازه گيري شده است ]1[F. بديهي است پايين بودن توان خروجي تا اين حد، تاثيرات منفي قابل توجهي بر بازدهي و ضريب توان موتور خواهد داشت. از سوي ديگر دولت نيز نتوانسته در ترويج فرهنگ استفاده بهينه از انرژي الكتريكي به توفيق چندان دست يابد. بعنوان مثال وزارت تيرو و
سازمانهاي وابسته به آن كه مشخصا در زمينه بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي در سطح كلان عمل مي كند، هنوز در ارتباط با كاهش مصرف داخلي نيروگاهها ادقام موثري بعمل نياورده است. در حاليكه پتانسيل صرفه جوئي انرژي الكتريكي زيايد در نيروگاهها وجود دارد.
2- موانع در سياست گذاري انرژي
موانعي كه در سر راه بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي در ايران وجود دارد را ميتوان بصورت زير دسته بندي نمود:
- سياست دولت در پرداخت سوبسيد به صنايع.
- عدم آگاهي مديران صنايع از روشهاي صرفه جوئي انرژي الكتريكي.
- ضعف دانش فني مهندسين مرتبط با بهينه سازي مصرف انرژي.
- نگراني از ضريب اطمينان درايو و آثار منفي آن روي شبكه و موتور.
- نداشتن يك رويكرد سيستمي در استفاده از موتورهاي با راندمان بالا.
3- انتخاب موتور مناسب
موتورهاي القائي سه فاز و تك فاز كاربردهاي فراوالن دارند. مشخصه هاي بار مكانميكي ناشي از كاربرد و مورد مصرف مي باشد. بديهي است موتور در صورتي مي تواند بار مكانيكي متصل به آن را تامين كند كه مشخصه عملكردي موتور بر مشخصه بار مكانيكي باشد.
3-1- تطابق موتور و بار
همانطور كه در بالا اشاره شد موتور و بار داراي مشخصه هاي خاص خود مي باشند. منظور از تطابق بين موتور و بار، انطباق بين مشخصه هاي موتور و مشخصه هاي بار متصل به محور موتور ميباشد.
مشكل اصلي صنايع اين كشور اين است كه در اغلب موارد تطابق مطلوبي بين مشخصه هاي بار و موتور وجود ندارد. توان اغلب موتورها بيش از بار متصل به محورشان است و اين در حالي است كه قيمت تمام شده موتور متناسب با توان آن مي باشد. لذا بديهي است انتخاب موتور با توان بيش از نباز بار، علاوه بر افزايش هزينه اوليه موتور، موجب افزايش ساير هزينه ها از قبيل كابل كشي و نصب و راه اندازي و تعمير مي شود.
از طرف ديگر در صورتيكه موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد، موتور در حالت بار كامل و يا نزديك به بار كامل كار مكرده و لذا بازدهي آن پائين تر از مقدار حداكثر آن خواهد بود. و اين امر اشكالات جدي در بهينه سازي مصرف انرژي ايجاد مي كند.
در موتورهاي القائي سه فاز، در صورت كاهش ميزان بازدهي موتور. به ويژه به ميزان كمتر از 80% بار كاكل، شاهد كاهش قابل توجه در بازدهي موتور خواهيم بود. متأسفانه در اكثر موارد به اين نكته توجه نشده و تنها تأثير نامطلوب انتخاب موتور بزرگتر از حد لازم بر هزينه اوليه مورد توجه قرار مي گيرد. در صورتيكه محاسبات انجام شده حاكي از آن است كه تاثير انتخاب نامناسب موتور بر هزينه هيا متغير (هزينه اتلاف انرژي اضافي) قابل توجه و بمراتب بيش از افزايش هزينه ثابت اوليه مي باشد.
يك مثال اين موضوع را روشن خواهد كرد:
مثال: فرض مي كنيم براي انجام يك كار مكانيكي، موتور سه فاز با توان خروجي 110 كيلو وات مناسب باشد و بجاي آن موتور با توان 132 كيلووات انتخاب شد. اطلاعات زير را مورد توجه قرار مي دهيم:
- بازدهي موتور در بار كامل = 2/94%
- بازدهي موتور در 3/83% بار كامل = 25/92%
- طول عمر مفيد موتور = 15 سال
- ضريب كاركرد = 8/0
با انجام اندكي محاسبه مي توان نتيجه گرفت كه مصرف انرژي در طول 15 سال بمقدار 600/927 كيلووات ساعت افزايش پيدا خواهد كرد. مطلب فوق بيانگر اين واقعيت است كه انتخاب موتور مناسب به لحاظ اقتصادي فراوان دارد و لذا تطابق بين بار و موتور از اهميت ويژه اي برخوردار است. انتخاب موتور بزرگتر از حداقل مورد نياز به دلايل زير غيراقتصادي مي باشد:
1- با افزايش توان موتور قيمت آن يعني هزينه اوليه افزايش مي يابد.
2- با افزايش توان موتور هزنيه نگهداري و تعميرات آن افزايش مي يابد.
3- با افزايش توان موتور بدليل پايين آمدن ضريب بار، بازدهي موتور كاهش يافته و بدين ترتيب انرژي تلف شده افزايش مي يابد.
3-2- موتورهاي با راندمان بالا (Energy Efficient Motors)
گرچه قيمت موتورهاي با راندمان بالا بيشتر از موتورهاي استاندارد است، ولي در اغلب كاربردها استفاده از آنها كاملاً اقتصادي است. مخصوصا در كاربردهائي كه:
- مدت زمان روشن بودن موتور بيش از خاموش بودن آن باشد.
- مدت زمان روشن بودن موتور بيش از 2000 ساعت در سال باشد.
- گشتاور بار نسبتا ثابت بوده و موتور بدرستي به بار تطبيق شده باشد.
استفاده از موتورهاي بار با راندمان بالا توصيه ميشود. بارهائي چون ميكسرها، نقاله ها و فيدرها از اين نوع هستند. اهميت موضوع وقتي آشكار ميشود كه توجه كنيم هزينه انرژي مصرفي يك الكتروموتور در طول عمر مفيد آن 10 تا 20 برابر قيمت موتور است ]16[. موتورهاي با راندمان بالا علاوه بر صفه جوئي انرژي معمولا مزيتهاي ديگري نيز دارند. براي مثال آنها جريان هاي بيشتري را در هنگام راه اندازي تحمل ميكنند و نويز كمتري توليد ميكنند. هرچند كه موتورهاي با راندمان بالا تنها 2 تا 3 درصد راندمان را بهبود مي بخشند، اما اگر در انتخاب و بارگيري آنها بجاي يك موتور كل سيستم درنظر گرفته شود، اثربخشي كار بالا خواهد رفت.
با رويكرد سيستمي به موضوع و در نظر گرفتن عوامل ديگر نظير هزنيه هاي تعمير و نگهداشت و بهره برداري ميتوان به كارائي اين موتورها بيشتر پي برد. ميزان صرفه جوئي انرژي در صورت استفاده از موتور بال راندمان بالا، به جاي موتورهاي استاندارد از رابطه زير قابل ملاحظه است:
در رابطه فوق hp توان موتور بر حسب اسب بخار، l ضريب بار (درصد از بار كامل تقسيم بر 100)، hr ساعات كار در طول سال، c متوسط قيمت انرژي (قيمت هر كيلووات ساعت انرژي)، std راندمان موتور استاندار (%) و ee راندمان موتور استاندارد (%)و ee راندمان موتور با راندمان بالا (%) است.
