مکانیک، مهندسی ۵۲۹ بازدید

در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس با عایق‌های حرارتی و عایق‌های لوله آشنا شدیم. در این آموزش، با جزئیات بیشتری عایق حرارتی لوله و انواع آن را معرفی خواهیم کرد. عایق حرارتی لوله مواد یا ترکیبی از مواد پیچیده شده حول لوله هستند که سرعت جریان یافتن انرژی گرمایی را کاهش می‌دهند. عایق حرارتی لوله تلفات انرژی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و در نتیجه هزینه انرژی را کم می‌کند. لوله‌کشی باید بر اساس کلاس عایق، دمای عملیاتی و ضخامت عایق مندرج در نقشه خطوط لوله و ابزار دقیق (P&ID) عایق‌بندی شود.

وظایف عایق لوله چیست؟

یک عایق لوله سه وظیفه اصلی دارد:

  • کاهش قابل توجه انتقال حرارت انرژی گرمایی به سطح سیستم لوله‌کشی و از آن (حفظ حرارت). بنابراین، عایق حرارتی لوله موجب صرفه‌جویی در انرژی می‌شود.
  • جلوگیری از تشکیل و جمع شدن رطوبت در سطح سیستم لوله‌کشی در اثر انجماد در سطوح سرد (عایق سرما).
  • جلوگیری از تماس بالقوه آسیب‌رسان پرسنل با سطح سیستم لوله‌کشی در معرض تماس (محافظت اشخاص).

با این حال، عایق لوله مزایای مختلف دیگری نیز دارد، که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • عایق لوله کنترل دمای فرایند را تسهیل می‌کند.
  • از جریان بخار و انجماد آب در سطوح سرد جلوگیری می‌کند.
  • راندمان عملیاتی سیستم‌های گرمایش/سرمایش، قدرت و فرایند را افزایش می‌دهد.
  • آسیب‌های عمده در لوله‌ها در هنگام آتش‌سوزی یا حوادث دیگر را کاهش می‌دهد.
  • تا حد زیادی از انتشار آلاینده‌ها به جو زمین جلوگیری می‌کند.
  • مقاومت در برابر آتش، ضد حریق بودن و عایق صوتی (برای جذب لرزش) که بر اساس مشخصات پروژه/الزامات ITB انجام می‌شود.

انواع عایق لوله

عایق لوله‌ها را می‌توان بر اساس پارامترهای مختلفی طبقه‌بندی کرد که در ادامه آن‌‌ها را معرفی می‌کنیم.

بر اساس عملکرد عایق لوله، انواع زیر را داریم:

  • عایق گرما
  • عایق سرما
  • عایق حفاظت شخصی
  • عایق صوتی

بر اساس انواع مواد عایق نیز عایق‌های زیر را داریم:

  • عایق الیاف‌دار یا رشته‌ای
  • عایق سلولی
  • عایق گرانولی

انواع عایق لوله بر اساس عملکرد عایق

عایق گرما: عایق گرما روی سطوح داغ سیستم لوله‌کشی استفاده می‌شود تا از هدررفت گرمای جریان سیال انرژی جلوگیری کند. بنابراین، هدف اصلی عایق لوله‌های گرم، حفظ حرارت است. پشم سنگ، پشم شیشه، سیلیکات کلسیم و غیره معمولاً به عنوان مواد عایق گرما استفاده می‌شود.

عایق سرما: عایق سرما عایق مورد استفاده در سطوح سرد سیستم لوله‌کشی برای جلوگیری از افزایش گرما از جانب خارج است. فوم پلی اورتان، فوم پرلیت منبسط شده، فوم پلی استایرن منبسط شده و غیره از مواد عایق سرد مورد استفاده برای عایق سرما هستند.

عایق حفاظت شخصی: عایق حفاظت شخصی برای جلوگیری از آسیب حرارتی اشخاص استفاده می‌شود. تمام سطوح لوله‌کشی در معرض بیش از 65 درجه سانتیگراد با عایق حفاظت شخصی پیاده‌سازی می‌شوند. مناطقی که توسط پرسنل ساخت و ساز یا عملیاتی قابل دسترس نیستند را می‌توان در معرض دید قرار داد. حفاظ فلزی مش باز (شکل 1)، پشم سنگ و غیره به عنوان مواد عایق محافظت شخصی استفاده می‌شود.

عایق محافظت شخصی
شکل 1: عایق حفاظت فردی در کارخانه بهره‌برداری

معیار حفاظت شخصی این است که سطوح در معرض دید در 600 میلی‌متر افقی یا 2100 میلی‌متر عمودی از یک دسترسی معمولی، پیاده‌رو یا محل کار قرار دارند باید عایق شوند.

عایق صوتی: عایق صوتی برای تمام لوله‌هایی که به عنوان منبع صوتی بالقوه در نظر گرفته می‌شوند ارائه می‌شود. هدف اصلی کاهش نویز (ارتعاش) تا حد قابل قبول است. حداقل ضخامت برای عایق صوتی معمولاً 75 میلی‌متر است. فوم آکوستیک، فایبرگلاس، فوم‌های پلی استر/پلی اورتان، پشم سنگ، وینیل انبوه و غیره به عنوان مواد عایق صوتی استفاده می‌شوند.

انواع عایق لوله بر اساس انواع مواد عایق

عایق الیافی: عایق الیافی از الیاف و رشته‌هایی با قطر کوچک تشکیل شده است که هوا را به خوبی تقسیم می‌کند. الیاف ممکن است عمود یا موازی با سطح عایق شده باشند و می‌توانند به هم چسبیده باشند یا نباشند. الیاف رایج مورد استفاده در عایق لوله‌ها عبارتند از سیلیس، پشم سرباره، پشم سنگ و آلومینا سیلیس. در این میان، الیاف شیشه و پشم سنگ دو عایق لوله پرکاربرد از این نوع هستند. الیاف آن‌ها معمولاً برای یکپارچگی ساختاری با چسب‌های آلی پیوند می‌خورند.

عایق سلولی: مواد عایق لوله سلولی شامل سلول‌های کوچک مجزا جدا شده از یکدیگر است. مواد سلولی معمولی که به عنوان عایق لوله استفاده می‌شود، شیشه یا پلاستیک‌های فوم‌دار مانند شیشه سلولی، فوم فنولیک یا لاستیک نیتریل است.

عایق گرانولی: گره‌های کوچکِ دارای حفره‌ها یا فضاهای توخالی، عایق دانه‌ای یا گرانولی را تشکیل می‌دهند. از آنجا که گاز می‌تواند بین فضاهای منفرد منتقل شود، آن را یک ماده عایقی سلولی واقعی در نظر نمی‌گیریم. این نوع عایق به عنوان مواد خمیری یا ترکیب با چسب و الیاف تولید می‌شود. گاهی اوقات این مواد تحت یک واکنش شیمیایی برای تشکیل عایق سفت و سخت قرار می‌گیرند. سیلیکات کلسیم و ورمیکولیت نمونه‌هایی از این نوع عایق‌ها هستند.

شکل‌های عایق لوله

عایق ها به اشکال مختلف برای کاربردها و عملکردهای خاص تولید می‌شوند. نصب عایق لوله بر اساس ترکیبی از شکل لوله و نوع عایق تعیین می‌شود. پرکاربردترین اشکال عایق عبارتند از:

  • تخته‌های صلب، ورق‌ها، بلوک‌ها و اشکال پیش‌ساخته: عایق‌های سلولی، گرانولی و فیبری به این شکل‌ها تولید می‌شوند.
  • ورق‌های منعطف و اشکال پیش‌ساخته: عایق‌های سلولی و فیبری به این شکل‌ها تولید می‌شوند.
  • پوشش‌های انعطاف‌پذیر: عایق‌های فیبری در پوشش‌ها یا پتوهای انعطاف‌پذیر تولید می‌شوند.
  • سیمانی (عایق و روکش): از عایق‌های الیافی و گرانولی و سیمان تولید می‌شوند.
  • فومی: فوم برای پر کردن نواحی نامنظم و فضاهای خالی استفاده می‌شود. اسپری برای سطوح صاف به کار می‌رود.
عایق لوله پشم سنگ 
شکل 2: عایق لوله پشم سنگ

استانداردهای عایق لوله چه هستند؟

کدها و استانداردهای زیر دستورالعمل‌های عایق‌کاری لوله‌های صنعتی را ارئه می‌کنند:‌

  • ASTM C533 و ASTM C547 و ASTM C552 و ASTM C591 و ASTM C592 و ASTM C610 و ASTM C612 و ASTM C795 و ASTM C892 و ASTM C165 و ASTM C240 و ASTM C165 و ASTM C240 و ASTM C552 و ASTM C240 و ASTM C592 و ASTM C302 و ASTM C592
  • BS 1902 Part 6 و BS 4370 Part 2 و BS 5608
  • IS 11239 و IS 12436 و IS 9428 و IS 8183 و IS 4671 و IS 3690
  • ISO 15665

عایق حرارتی لوله چیست؟

عایق حرارتی لوله برای صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی و حفظ دمای سیال فرایند در سطح مورد نیاز استفاده می‌شود. در صورتی که عایق حرارتی لوله به نحوی مناسب انتخاب و مورد استفاده قرار گیرد که بدون خرابی و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری باشد، به صرفه‌جویی فوق‌العاده در هزینه‌های انرژی، افزایش سطح ایمنی افراد و روان‌تر شدن کنترل فرایند خواهد انجامید. از سوی دیگر، عایق‌بندی نادرست یا ضعیف یا خراب شدن عایق حرارتی موجود می‌تواند عامل اتلاف انرژی زیادی باشد. بنابراین بیشتر اوقات، عایق حرارتی به عنوان «ابزار اصلی بهبود دسترسی به انرژی» تعریف می‌شود. مواد عایق حرارتی نیز برای دستیابی به هدایت حرارتی کم و اینرسی حرارتی کم مهم است.

هدف اصلی عایق حرارتی کند کردن جریان گرما برای موارد زیر است:

  • از یک سطح گرم به یک محیط سرد
  • از یک محیط گرم به یک سطح سرد

تصویر زیر عایق حرورتی لوله را نشان می‌دهد که در مکان‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.

عایق حرارتی لوله
شکل ۳

اتلاف گرمای سطح گرم بدون عایق حرارتی

دو جدول زیر یک مثال معمولی اتلاف گرمای سطح لوله را در شرایطی نشان می‌دهند که عایق نشده است.

اختلاف دمای بین محیط و سطح (C°) اتلاف گرما (kcal/(h.m2))
25 340
40 600
100 1910
150 3225
225 5330

در جدول بالا، سطح فلزی، دمای محیط ۳۰ درج سانتی‌گراد و سرعت باد ۳ متر بر ثانیه است.

اتلاف گرمای سطح گرم بدون عایق حرارتی

مقادیر تلفات حرارتی معمولاً با ضریب تصحیح برای کاربردهای خاص اصلاح می‌شوند.

دلایل استفاده از عایق حرارتی لوله

از دلایل اقتصادی استفاده از عایق حرارتی لوله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • مصرف سوخت را کاهش می دهد و از این رو هزینه عملیاتی کلی را کاهش می دهد و از مزایای اقتصادی روز به روز بهره می برد.
  • کاهش ظرفیت مورد نیاز برای سیستم‌های گرمایش/سرمایش (دیگ بخار، واحد تبرید و غیره)
  • صرفه‌جویی در هزینه‌های سرمایه‌ای

با وجود اینکه شرط اساسی برای استفاده از عایق حرارتی لوله اقتصادی است، اما تنها ملاک نیست. در واقع، این الزامات فرایند است که استفاده از عایق حرارتی را کنترل می‌کند.

از دلایل فرایندی استفاده از عایق حرارتی لوله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • درجه حرارت کاهش سیال در سیستم گرمایش را کاهش می‌دهد.
  • افزایش دمای سیال در سیستم تبرید را کم می‌کند.
  • سرعت جوشیدن را در یک سیستم ذخیره‌سازی مایع فرار کاهش می‌دهد.
  • به حفظ تعادل حرارتی در سیستم واکنش کمک می‌کند.
  • در سیستم گرمایشی، دمای سطوح در معرض کارگران را برای محافظت در برابر خطر سوختگی کاهش می‌دهد.
  • از ساختمان، تجهیزات و لوله‌کشی در برابر آتش محافظت می‌کند.
  • ظرفیت مورد نیاز برای سیستم‌های گرمایش/سرمایش (دیگ بخار، واحد تبرید و غیره) را کاهش می‌دهد.

ضخامت اقتصادی عایق حرارتی لوله

ضخامت عایق حرارتی که هزینه کل آن (هزینه مواد عایق + هزینه انرژی) حداقل است، ضخامت اقتصادی نامیده می‌شود. به شکل زیر دقت کنید که هزینه کل یک ساختمان معمولی را نشان می‌دهد. منحنی‌های مشابهی برای تعیین ضخامت اقتصادی عایق حرارتی ترسیم شده است.

تعیین ضخامت اقتصادی عایق حرارتی لوله
شکل ۴: تعیین ضخامت اقتصادی عایق حرارتی لوله

عایق حرارتی باید در مقابل انتقال حرارت از روش‌های تابش، همرفت و هدایت مقاومت کند.

انوع عایق حرارتی لوله

انواع عایق‌های حرارتی لوله عبارتند از:

  1. عایق جرمی: بر اساس قرار دادن جرمی از مواد با ظرفیت داخلی برای کند کردن جریان گرما است.
  2. عایق انعکاسی: بر اساس ارائه یک سری از سطح بازتابنده با فضای میانی تخلیه شده است.
  3. عایق ریز متخلخل: بر اساس ترکیبی از فناوری‌های جرمی و انعکاسی است.

عوامل مؤثر بر انتخاب عایق حرارتی لوله

پارامترهای فیزیکی مهم مواد عایق حرارتی را می‌توان به خواص حرارتی، خواص شیمیایی و عوامل اقتصادی تقسیم کرد. پارامترهای حرارتی اساسی که مواد عایق حرارتی باید داشته باشند عبارتند از: مقاومت حرارتی، رسانایی گرمایی، انتشار حرارتی و مقاومت در برابر شوک حرارتی. همچنین، خواص شیمیایی عمده مواد عایق سازگاری با سطح فلزی، سازگاری با رسانه‌های محیطی و تخریب ناشی از کنش شیمیایی هستند.

نکاتی که در انتخاب مواد عایق حرارتی باید به خاطر بسپارید، عبارتنند از: قلیاییت (pH) یا اسیدیته، واکنش / انفعال شیمیایی، ضریب انبساط / انقباض، مقاومت فشاری و بار شکست، مقاومت سایشی، قابلیت احتراق و رسانایی حرارتی.

رسانایی حرارتی یک ماده اتلاف گرما را در واحد سطح در واحد ضخامت عایق در واحد اختلاف دما نشان می‌دهد و واحد اندازه‌گیری آن W-m2/m°C یا W-m/°C است. با افزایش دما، هدایت حرارتی مواد افزایش می‌یابد. به همین دلیل است که هدایت حرارتی برای مواد عایق حرارتی همیشه در دمای متوسط (میانگین دمای رویه گرم و سرد) مشخص می‌شود. شکل زیر یک منحنی را نشان می‌دهد که رابطه بین هدایت حرارتی و چگالی مواد عایق حرارتی را نشان می‌دهد.

رسانایی حرارتی
شکل ۵: رابطه بین هدایت حرارتی و چگالی

مواد عایق گرمای پرکاربرد پشم معدنی، الیاف سرامیکی و کلسیم سیلیکات هستند. همچنین، مواد عایق سرمای پرکاربرد عبارتند از: فوم پلی استایرن انبساطی (EPS)، فوم پلی استایرن فشرده (XPS)، فوم پلی اورتان (PUF)، فوم پلی ایزوسیانورات (PIR)، فوم شیشه‌ای، فوم فنولیک و ترموکل.

در بین مواد ذکر شده در بالا، پلی اورتان و پلی ایزوسیانورات بیشترین اهمیت را به خود اختصاص داده‌اند، زیرا این مواد برتری‌های نسبی‌ زیادی نسبت به سایرین دارند. هر دوی این مواد را می‌توان به‌ عنوان شکل‌های پیش‌ساخته یا در محل با ریختن یا اسپری نصب کرد.

قسمت بیرونی عایق حرارتی لوله معمولاً با روکش برای محافظت آب‌وهوایی و کاهنده بخار، پوشش‌های داخلی و نازک‌کاری ارائه می‌شود. همه این‌ها تنها یک عملکرد اساسی دارند و آن محافظت از مواد عایق در برابر قرار گرفتن در معرض موارد خارجی است.

عایق حرارتی لوله باید تا حد مورد انتظار عمل کند و عملکرد آن با گذشت زمان کاهش نیابد. این امر نیاز به داده‌های کامل در مورد رفتار مواد در شرایط مختلف دارد. به ویژه، باید بدانیم که چه چیزی باعث می‌شود یک ماده خواص خود را از دست بدهد.

محاسبه ضخامت عایق حرارتی لوله

ابتدایی‌ترین مدل لوله‌کشی با عایق حرارتی در شکل زیر نشان داده شده است. که در آن $$R_1$$ نشان‌دهنده شعاع بیرونی لوله است و $$r_2$$ شعاع لوله شامل عایق را نشان می‌دهد.

سطح مقطع لوله
شکل ۶: سطح مقطع لوله همراه با عایق

اولین گام در محاسبه ضخامت عایق حرارتی محاسبه هددرفت گرمای لوله است. اتلاف گرمای یک سطح به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$ \large H = h \times A \times (T_h-T_a) $$

در فرمول بالا، $$ h $$ ضریب انتقال حرارت (W/m2-K)، $$H$$ تلفات گرما (وات)، $$T_a$$ میانگین دمای محیط و $$T_ h $$ دمای سطح گرم (برای لوله‌کشی سیال گرم) یا دمای سطح سرد (برای لوله‌کشی سیال سرد) با واحد کلوین است.

برای لوله‌های افقی، ضریب انتقال حرارت را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

$$ \large h =10 \times [A + 0.005 (T_h – Ta)] $$

و برای لوله‌های عمودی، این ضریب با فرمول زیر به دست می‌آید:

$$ \large h = 10 \times [B + 0.009 ( T_h – T_a)] $$

در این فرمول‌ها، $$A$$ و $$B$$ ضرایبی هستند که می‌توان آن‌ها را از جدول زیر به دست آورد.

جدول ضرایب عایق حرارتی لوله

ضریب $$k$$ هدایت حرارتی عایق در دمای میانگین $$T_m$$ با واحد W/m-°C است. این دما به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$ \large T_m = \frac { T_h + T_s }{2}$$

که در آن، $$T_s$$ دمای واقعی/مطلوب سطح عایق است.

با در نظر گرفتن $$t_k$$ به عنوان ضخامت عایق برحسب میلی‌متر و $$r_1$$ به عنوان شعاع خارجی واقعی لوله برحسب میلی‌متر، داریم:

$$ r _ 2 = ( r _ 1 + t _ k ) $$

تلفات جریان گرما از سطح لوله و محیط را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$$ \large H= \frac {(T_h-T_a)}{(R_l+R_a)}=\frac {(T_s-T_a)} {R_s} $$

$$ R_ s=1/h $$ مقاومت حرارتی سطح و $$ R_ l=t_k/k $$ مقاومت حرارتی عایق است. از معادله بالا و برای مقدار مطلوب $$T_s$$، می‌توان مقدار $$ R_ l $$ را به دست آورد.

از $$ R_ l $$ و مقدار معلوم هدایت حرارتی $$ k $$ می‌توان به ضخامت عایق دست یافت. ضخامت معادل عایق حرارتی لوله به صورت زیر خواهد بود:

$$ \large E_{tk} = (r_1+t_k) \ln {[(r_1+t_k)/r_1]} $$

معرفی فیلم آموزش شبیه‌ سازی مبدل‌ های حرارتی

فیلم شبیه سازی مبدل حرارتی

یکی از مهمترین مهارت‌های نرم افزاری در زمینه طراحی مبدل‌های حرارتی نظیر مبدل حرارتی پوسته و لوله، استفاده از نرم افزارهای تخصصی تحلیل عملکرد این تجهیزات است. نرم افزار HTRI، از ابزارهای کامپیوتری شناخته شده در این زمینه محسوب می‌شود. فرادرس، یک فیلم آموزشی کاربردی را در زمینه شروع کار با این نرم افزار تهیه کرده است.

درس‌های این فرادرس، به ترتیب به معرفی نحوه کارکرد مبدل‌های حرارتی (پوسته و لوله و دو لوله‌ای)، وارد کردن اطلاعات فرایندی و هندسی به نرم‌افزار و تحلیل نتایج به دست آمده و انجام اصلاحات می‌پردازند. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

  • برای مشاهده فیلم آموزش مقدماتی نرم ‌افزار HTRI برای شبیه‌‌سازی مبدل‌ های حرارتی + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش مبدل های حرارتی در تجهیزات فرایندی

فیلم آموزش مبدل های حرارتی

در زمینه آشنایی با اصول مبدل های حرارتی، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را به مدت 6 ساعت و در قالب 18 بخش تهیه کرده است. این آموزش می‌تواند مرجع مناسبی برای دانشجویان و فارغ‌التحصیلان رشته‌های مهندسی شیمی و مکانیک باشد.

بخش‌های مختلف این فرادرس، به معرفی دسته‌بندی بر اساس معیارهای مختلف، اجزا، کاربردها، نحوه راه‌اندازای، عیوب، طراحی و محاسبات انواع مبدل های حرارتی از جمله مبدل های حرارتی پوسته و لوله می‌پردازد. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۲ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

سید سراج حمیدی دانش‌آموخته مهندسی برق است و به ریاضیات و زبان و ادبیات فارسی علاقه دارد. او آموزش‌های مهندسی برق، ریاضیات و ادبیات مجله فرادرس را می‌نویسد.