Gözenekli yapılarda yapı ve işletme parametrelerinin ısı iletim katsayısına etkisinin incelenmesi

Abstract

Değişik alanlarda enerji kullanımı sürekli artmakta ve enerji giderleri yükselmektedir. Bu açıdan, enerjinin etkin ve verimli kullanımı gerekmektedir. Karşılaşılan birçok ısıl sistemde, enerjinin etkin ve verimli kullanımında ısı yalıtımı önemli rol oynamaktadır. Yalıtımın geniş bir uygulama alanı bulunmakta ve bu uygulamalarda yalıtım amacıyla kullanılan maddelerin en önemli kısmını gözenekli yalıtım maddeleri oluşturmaktadır. Yalıtım maddelerinin önemli özelliklerinden biri, efektif ısıl iletkenlik olup bunun düşük değerlerde olması istenir. Bunun için, efektif ısı iletimine etki eden parametrelerin bilinmesi ve istenen değeri sağlayacak şekilde malzeme tasarımı gerekir. Aynı zamanda, büyük ekonomik değeri olduğundan bu alan üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmanın ilk aşamasında, gözenekli yalıtım malzemelerin efektif ısıl iletkenliğinin modellenmesi ve ölçümü detaylı olarak araştırıldı. Bu amaçla, önce literatürdeki kuramsal ve deneysel çalışmalar detaylı olarak incelendi. Bu kuramsal çalışmalarda elde edilen bağıntılar, literatürde tespit edilen ve farklı uygulamaları kapsayan bazı deneysel sonuçlar dikkate alınarak analiz edildi. Bu bağıntılar, kabul edilebilirliği, uygulanabilirlik aralığı, kullanım kolaylığı ile değişik parametrelerin etkileri açısından değerlendirildi. Belirli yapılarda ve belirli gözeneklilik aralığında, belirli bir hata toleransı ile kullanılabilecek modelleri seçmenin daha uygun olacağı sonucuna varıldı. Özellikle gözenekliliği yüksek yalıtım malzemelerinin efektif ısıl iletkenliğine etki eden taşınım, difüzyon ve ışınım etkilerini dikkate alan bir matematik model geliştirildi. Bu model, literatürden elde edilen ve bu çalışmada ölçülen deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Bu çalışmanın ikinci aşamasında, gözenekli yalıtım malzemelerinde taşınım, difüzyon ve ışınımın efektif ısıl iletkenliğe etkisi deneysel olarak incelendi. Deneyler, biri standart test cihazında ve diğeri ise yalıtım uygulaması yapılan deney düzeneğinde gerçekleştirildi. Bu amaçla, cam yünü, EPS ve dokumasız kumaş türü malzemelerle emisivitesi düşük ve iletken alüminyum ve bakır malzemeler kullanılarak farklı yapı ve işletme şartlarında çalışıldı. Deneysel sonuçlardan, alüminyum ve bakır ile desteklenmiş gözenekli yalıtım malzemelerinde 20-30 oC ortalama sıcaklığının üzerinde efektif ısıl iletkenlik daha hızlı artarken daha düşük sıcaklıklarda hızlı azalma gözlendi. Yapıya bağlı olarak, 5 oC ve altı sıcaklıklarda alüminyum ve bakır ile desteklenmemiş gözenekli yalıtım malzemelerine göre efektif ısıl iletkenliklerde üçte bir oranına kadar azalma gözlenmiştir. Bu sonuçlardan, ışınımın önemli bir mekanizma olduğu ve standart davranışın dışında etkiler oluşturabildiği görülmüştür. Deneysel çalışmanın yalıtım uygulamalı test düzeneğinde, alüminyum destekli ve desteksiz iki su tenekesinin aynı şartlarda ısınma ve soğuma davranışı incelendi. Farklı işletme şartlarında yapılan deneylerden elde edilen sonuçların standart deney tesisatından elde edilen sonuçlarla paralellik gösterdiği belirlendi. Sonuçta, uygulamada bilinmeyen ancak 20 oC sıcaklıkları altında çalışılan sistemlerde yalıtım malzemesinin efektif ısıl iletkenliği önemli ölçüde düşüren bir teknik geliştirilmiştir. Bu sonuç, akademik açıdan önemli bir çalışma alanı ortaya çıkarırken endüstriyel olarak da faydalı ürün ortaya çıkarmıştır.

The use of energy in the different fields is increasing continually and the expenses of energy are also increasing. From this point of view, the efficient and effective use of energy is necessary. The heat insulation plays important role on the efficient and effective use of energy in many thermal systems encountered. Insulation has a wide range of application field and a porous insulation material constitutes the most important part of materials used with the aim of insulation in these applications. The effective thermal conductivity is one of the important properties of insulation materials and it is desired to be at low values. For this purpose, the parameters affecting the effective thermal conductivity should be known and materials should be designed to provide for the required value. Also, intensive studies on this field are carried out due to major economic value. In the first chapter of this study, the modeling and measurement of the effective thermal conductivity of porous insulation materials has been examinad in detail. For this purpose, the theoretical and experimental studies in the literature have been firstly reviewed. The relations obtained from these theoretical studies have been analyzed by considering some experimental results including different applications which were determined in literature. These relations have been evaluated in terms of acceptability, applicability range, simplicity of usage and the effects of different parameters. It is concluded that choosing of models which can be used with a certain error tolerance in specific structures and specific porosity intervals would be more suitable. The mathematical model considering the effects of convection, diffusion and radiation affecting the effective thermal conductivity of especially high porous insulation materials has been developed. This model is compared with the experimental results obtained from literature and those are measured in this study. In the second chapter of this study, the effect of convection, diffusion and radiation in porous insulation materials on the effective thermal conductivity has been experimentally investigated. The experiments have been performed on the standard test apparatus and the other experiment mechanism in which an insulation application is done. For this purpose, it has been studied in different structure and operating conditions by using low emissivity and conductive aluminum and copper materials with glass wool, EPS and nonwoven fabric type materials. From experimental results, it is observed that a rapid decrease on porous insulation materials reinforced with aluminum and copper is observed on the low temperatures. However, the effective thermal conductivity is rapidly increased over the average temperature of 20-30 oC. As related to the structure, a decrease of one to three in the effective thermal conductivities is observed at 5 oC and below temperatures as to porous insulation materials unreinforced with aluminum and copper. From these results, it is seen that the radiation is a important mechanism and it can form the effects except for standard behavior. On test mechanism of experimental study with insulation application, the heating and cooling behavior of two water tinplates has been investigated on the same conditions. It is determined that the results obtained from experiments performed on the different operating conditions show parallelism by the results obtained from a standard experiment apparatus. Consequently, in systems working under the temperatures of 20 oC which is unknown in practice, a technique is developed which is significantly decreasing the effective thermal conductivity of porous material. While this result reveals an important study field from academic view, it also invents a useful industrial product.