 اهداف جلسه: آشنایی با عایق حرارتی
وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: در قسمت آزمایش ذکرشده‌اند.
1-1- مقدمه:
یکی از مهم‌ترین مسائلی که در ساخت یک آب‌گرم‌کن با آن مواجه می‌شویم انتقال گرما است در جلسات پیش به دنبال این بودیم تا راهی پیدا کنیم این انتقال بهتر انجام شود ولی گاهی باید از این انتقال جلوگیری کرد. گردآور محل انتقال انرژی گرمایی خورشید به آب است ولی نیاز داریم که با استفاده از عایق‌های حرارتی از هدر رفتن این انرژی جلوگیری کنیم. همچنین کاربرد دیگر عایق‌ها در آب‌گرم‌کن در قسمت مخزن و لوله‌ها است.
1-2- اتلاف انرژی:
خانه‌ها به این دلیل حرارت را از دست می‌دهند که گرم‌تر از محیط خارج هستند. غالباً حرارت به سه طریق تلف می‌شود:
1-2-1- نشت حرارت از دیوارها، کف و سقف از طریق هدایت:
تلفات هدایتی حرارت از طریق دیوارها و سقف معمولاً حدود نیمی از کل تلفات حرارتی یک‌خانه عایق‌کاری نشده را تشکیل می‌دهد؛ اما اگر از پوشش پشم‌شیشه یا مواد پلاستیکی برای عایق‌کاری دیوارها استفاده شود و سقف را نیز با پوشش ضخیم پشم‌شیشه عایق کنیم، می‌توان به‌سادگی تلفات هدایتی را به نصف رساند. در جدول زیر ضریب هدایت حرارتی مواد مختلف با هم مقایسه شده است. هر چه میزان ضریب هدایت حرارتی کمتر باشد ماده توانایی کمتری در انتقال حرارت به روش هدایت دارد و می‌تواند عایق مناسب‌تری باشد.جدول 7-1 مقایسه ضریب هدایت حرارتی مواد در دمای اتاق
1-2-2- نشت حرارت از طریق پنجره‌ها به طریقه تابش و همرفت:
مهم‌ترین اتلاف حرارتی دیگر از طریق پنجره‌ها صورت می‌گیرد. گرچه به‌طورمعمول پنجره‌ها مساحت جانبی کمی نسبت به‌کل مساحت یک‌خانه را تشکیل می‌دهند، اما اتلاف حرارتی از طریق پنجره‌ها ممکن است به‌ اندازه اتلاف حرارتی از طریق یک دیوار عایق شده باشد. اگر یک‌دهم مساحت دیوار عایق‌کاری شده خانه‌ از شیشه تشکیل شده باشد، حرارتی که از طریق پنجره‌ها به هدر می‌رود می‌تواند معادل حرارت تلف‌شده از طریق عمل هدایت باشد، هرچند که مساحت دیوار ده برابر بزرگ‌تر است.
اتلاف حرارتی پنجره‌ها به طریق هدایت (انتقال)، همرفت، تابش صورت می‌گیرد. حرارت اتاق گرم از راه فرایندهای همرفت و تابش به سطحی از شیشه می‌رسد که در داخل اتاق است. هرچند می‌توانیم از ورای شیشه همه‌چیز را ببینیم، اما از دید جریان تابشی حرارت مانند آن است که شیشه اصلاً شفاف نیست زیرا شیشه از تابش حرارت به‌طور مستقیم به محیط خارج جلوگیری می‌کند. هنگامی‌که حرارت به سطح داخلی شیشه می‌رسد، از درون شیشه عبور می‌کند. شیشه‌هادی مناسبی است، بنابراین حرارت به‌سادگی از درون شیشه به سطح خارجی آن می‌رسد. پس‌ازآن، حرارت توسط فرایندهای همرفت و تابش به محیط خارج انتقال می‌یابد. چون در محیط خارج غالباً هوا جریان خفیفی دارد. حرارت به‌سادگی از پنجره به محیط داده می‌شود.
اثر کلی تمام این تلفات حرارتی این است که پنجره عایق چندان خوبی نیست. می‌توان تلف حرارتی از طریق پنجره را با استفاده از دولایه شیشه، مانند پنجره‌های دوجداره یا پنجره‌های مخصوص توفان، کاهش داد. پنجره دوجداره، یک‌فاصله خالی بین دولایه شیشه‌ای خود دارد، لذا حرارت با دشواری بیشتری از آن عبور می‌کند. در اینجا نیز همچون شیشه یک جداره، حرارت از طریق همرفت و تابش به سطح داخلی پنجره می‌رسد. سپس توسط فرایند هدایت از جدار شیشه‌ی اول، توسط هدایت و تابش از فاصله‌ی خالی و از طریق هدایت از جدار شیشه‌ی بیرونی عبور می‌کند. سرانجام با فرایندهای همرفت و تابش به محیط خارج جریان می‌یابد. پنجره‌های دوجداره تقریباً به‌اندازه‌ی نصف پنجره‌ی یک جداره حرارت را هدر می‌دهند. این مطلب بیشتر از این واقعیت ناشی می‌شود که فاصله خالی مانند یک عایق خوب عمل می‌کند.
1-2-3- نشت حرارت از شکاف پنجره‌ها از راه فرایند انتقال
سومین اتلاف حرارتی مهم یک‌خانه از راه فرایند نفوذ صورت می‌گیرد، یعنی هوای گرم از شکاف‌های موجود در دیوارها، درها و پنجره‌ها به خارج نشت می‌کند و جای آن را هوای سرد بیرون وارد می‌شود. بسیاری از خانه‌ها را طبق اصول مهندسی ساختمان بنا نکرده‌اند و ازاین‌رو، مقدار نفوذ هوا به آن خیلی زیاد است. بهر حال، بستن منافذ کار آسانی است. می‌توان با آب‌بندی درها و درزبندی پنجره‌ها تلفات ناشی از نفوذ حرارت را تقلیل داد.
با صرفه‌جویی در مصرف انرژی نه‌تنها در هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌شود، بلکه نیاز به سوخت‌های فسیلی مثل نفت، بنزین، زغال‌سنگ و گازهای طبیعی نیز کاهش می‌یابد. سوختن کمتر سوخت‌های فسیلی به معنی انتشار دی‌اکسید کربن کمتر بوده که درنهایت منجر به کاهش گرمایش جهانی می‌شود.
بهینه‌سازی مصرف انرژی، امروزه یكی از موضوعاتی است كه كشورها برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و كاهش هزینه‌های مالی آن را در اولویت كارهای خود قرار داده‌اند. در ایران نیز ظرف چند سال گذشته به این مقوله بیشتر از گذشته توجه شده است. مهندسی ساختمان یكی از عوامل تأثیرگذار در مصرف انرژی است و وسایل گرمایشی و سرمایشی در ساختمان‌ها هم كه عامل مصرف یا تأمین‌کننده انرژی هستند، در این میان بسیار مهم تلقی می‌شوند. در شکل‌های زیر راه‌های اتلاف انرژی و جلوگیری از آن را می‌بینید. با اجرای راهکارهای زیر می‌توانیم مصرف سالانه خود را مقدار زیادی کاهش دهید.
                                          شکل 7-1 روش‌های اتلاف حرارت از ساختمان و راهکارهای مقابله با آن
1-3- عایق حرارتی چیست؟ اهمیت عایق حرارتی در ساختمان چیست؟
عایق حرارتی مواد و یا ترکیبی از مواد است که مانع از انتقال حرارت می‌شود. عایق حرارتی به بیانی دیگر عبارت‌اند از موادی که از نرخ انتقال حرارت بین سیستم‌های فیزیکی مختلف می‌کاهند و از اتلاف انرژی گرمایی یک سیستم تا حد امکان جلوگیری می‌کنند. گرما همواره از سیستم‌هایی که دمای بالاتری دارند به سیستم‌هایی با دمای کمتر جریان می‌یابد. عایق‌های حرارتی این جریان را به‌شدت کاهش می‌دهند. برای ثابت نگه‌داشتن درجه حرارت داخل ساختمان در فصول سرد به گرمایش و در فصول گرم به سرمایش نیاز است. عایق حرارتی به‌صورت چشمگیری به حفظ ذخایر تجدیدناپذیر انرژی کمک می‌کند. در ادامه مزایای عایق‌کاری ذکرشده است.
1-3-1- مزایای عایق حرارتی
*صرفه‌جویی در مصرف انرژی
*جلوگیری از میعان و یا تبرید بر روی سطوح سرد
*کاهش خطرات و آسیب به تجهیزات و مقابله با آتش‌سوزی، خوردگی و ضربه
*کنترل دمای فرآیند
*کنترل دمای سطح برای حفاظت و ایمنی
*کاهش مصرف منابع انرژی
*کاهش آلودگی محیط‌زیست
*کاهش هزینه‌های انرژی
                                                      شکل 7-2 عایق‌کاری مخزن آب‌گرم‌کن با فوم پلی اورتان

1-3-2- انتخاب عایق‌های حرارتی
برای انتخاب عایق حرارتی باید پارامتر مختلفی ازجمله محدوده دمای عملکرد عایق را در نظر گرفت؛ زیرا در این محدوده دمایی عایق بهترین عملکرد خود را خواهد داشت و خارج از آن امکان دارد کارایی خود را از دست بدهد و یا باعث تغییر شکلش شود. مثلاً عایق‌های سلولی پلی اولفینی در دمای بالای محدوده عملکرد خود تغییر شکل می‌دهند پس در ابتدا باید برای انتخاب به محدوده دمایی موردنیاز و عملکردی عایق دقت شود. عایق‌ها ازلحاظ دمایی به سه دسته تقسیم می‌شوند:
*عایق‌های گرم
*عایق‌های سرد
*عایق‌های دما متوسط
عایق‌های گرم بیشتر برای نواحی یا تجهیزاتی به‌کاربرده می‌شود که دمای کاری آن‌ها از دمای اتاق بیشتر باشد. از این عایق‌ها برای ساختمان‌ها، دیوارها، سقف‌ها، موتورخانه‌ها، سیستم‌های گرمایشی و دودکش‌ها بکار می‌روند. محدوده دمایی این عایق‌ها از ۲۵ درجه سانتی‌گراد تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌باشد.
عایق‌های سرد بیشتر برای عایق‌کاری خطوط سیستم‌های تهویه و کانال‌های انتقال گاز یا مایعات استفاده می‌شود. این نوع عایق‌های حرارتی معمولاً ضریب نفوذ آب و بخار بسیار پایینی دارند. درنتیجه از چگالش بخار جلوگیری می‌کند. این خاصیت عایق‌های سرد برای عایق‌کاری سردخانه‌ها، یخچال‌ها و خنک‌کننده‌ها آن را تبدیل به عایقی ایده‌آل کرده است. محدوده کاری این عایق‌ها بین منفی 100 تا مثبت 100 درجه سانتی‌گراد است.
                                     شکل 7-3 عایق‌کاری لوله‌های شبکه آبگرم برای آب‌گرم‌کن خورشیدی
1-4- روابط مربوط به انتقال حرارت از راه رسانایی
انرژی گرمایی همیشه مایل است از ناحیه گرم به سمت ناحیه سرد منتقل گردد. سرعت انتقال حرارت از یک جسم به جنس مواد اطراف آن وابسته می‌باشد. مقدار انتقال حرارت رسانایی از رابطه زیر به دست می‌آید:
در رابطه فوق Q مقدار حرارت منتقل‌شده، K ضریب رسانایی ماده منتقل‌کننده حرارت، T∆ اختلاف دمای طرف گرم با طرف سرد L∆ نیز ضخامت جسم منتقل‌کننده حرارت می‌باشد.
                                                            شکل 7-4 انتقال حرارت از دمای بیشتر به دمای کمتر
برای رسیدن به درک بهتر از عایق و موادی که به‌عنوان عایق به کار می‌روند، آزمایش‌های زیر را انجام دهید:
• آزمایش:
آزمایش 1
وسایل موردنیاز:
• ماسه
•2 عدد شیشه مربای 1 لیتری
• یک پیمانه 250ml
•آب
• 2 عدد دماسنج
• یک قوطی (ارتفاع و عرض آن باید حداقل 5 سانتیمتر از شیشه‌ها بزرگ‌تر باشد)
 
                                                                            شکل 7-5 وسایل مورد نیاز
روند کار
در این بخش می‌خواهیم وسایل را جهت انجام آزمایش آماده نموده و انجام دهیم. بدین منظور ابتدا کف جعبه تهیه‌شده را تا حدود 5/2 سانتی‌متر ماسه بریزید. حال یکی از شیشه‌ها را درون این جعبه قرار دهید و درون جعبه در اطراف این شیشه تا حد امکان ماسه پر نمایید. دقت کنید که ارتفاع ماسه در درون جعبه از ارتفاع شیشه بیش‌تر نشود تا ماسه‌ها به درون شیشه نریزند. شیشه دیگر را در مجاور جعبه و بافاصله از آن قرار دهید:
                                                                                      شکل 7-6 نحوه آزمایش
حال درون هر دو شیشه را با استفاده از پیمانه تهیه‌شده، با 500 میلی‌لیتر آب داغ پر نمایید.
حال ترمومترها را به‌صورت ایستاده در شیشه‌ها قرار دهید و برای مدت یک دقیقه صبر نمایید تا با آب درون شیشه‌ها هم‌دما شوند. حال دمای نشان داده‌شده توسط هریک از دماسنج‌ها را بخوانید و بر روی کاغذ یادداشت نمایید.
حال دماسنج‌ها را خارج کرده و درب شیشه‌ها را بر روی آن‌ها ببندید و بر روی شیشه درون جعبه را با 5/2 سانتی‌متر ماسه بپوشانید و درب جعبه را نیز ببندید.
حال به ظروف و آب درون آن‌ها اجازه دهید برای مدت 10 دقیقه در همین حالت باقی بمانند. سپس درب شیشه‌ها را بازکنید و دماسنج‌ها را مجدداً درون آن‌ها قرار دهید.
1 دقیقه صبر کنید تا دماسنج‌ها با آب درون شیشه‌ها هم‌دما شوند و سپس مجدداً دمای نشان داده‌شده توسط هر دماسنج را یادداشت نمایید. این عمل را 5 بار تکرار نمایید و جدول زیر را با استفاده از نتایج به‌دست‌آمده تکمیل نمایید:
مشاهده می‌کنید که ظرفی که درون ماسه قرارگرفته بود، دیرتر گرمای خود را از دست می‌دهد.
آزمایش 2:
آزمایش قبل را با به کار بردن عدس به‌جای ماسه امتحان کنید تا تأثیر موادی که به‌عنوان عایق استفاده می‌کنیم را مشاهده نمایید. جدول زیر را با نتایج جدید تکمیل نمایید.
آزمایش 3:
وارد لینک زیر شوید و پس از انجام بازی عایق کاری ظرف آزمایش با سه ماده مختلف جدول نتایج را کامل نمایید:

                                                                http://www.sciencekids.co.nz/gamesactivities/keepingwarm.html
در این آزمایش سه عایق مختلف پلی استیرن، مقوا و فویل فلزی با هم مقایسه شده‌اند. شما باید در هر مرحله فقط یک عایق را دور ظرف قرار داده و در زمانهای خواسته شده تغییر دما را یادداشت نمایید. در پایان می توانید با مقایسه کاهش دما، عایق ها را با هم مقایسه نمایید.
 • تکلیف:
به‌عنوان تکلیف، نتایج به‌دست‌آمده از هر 3 آزمایش و تفسیر آن را برای ما ارسال نمایید.
به نظر شما برای عایق‌بندی شیشه‌های منزل کدام مورد مناسب‌تر است؟
 استفاده از پشم‌شیشه
استفاده از شیشه 2 جداره که در فضای خالی آن هوا وجود دارد.
استفاده از شیشه 2 جداره که فضای خالیِ آن خلأ است.
همیشه افزایش ضخامت لایه عایق دور لوله‌ها منجر به کاهش اتلاف حرارت نمی‌شود. به نظر شما علت چیست؟
  • منابع مطالعه:
·دیوید هان، مترجم: داوود طغرایی، انتقال حرارت هدایتی، انتشارات پویش اندیشه
·آدریان بیژن، مترجم: داوود طغرایی، انتقال حرارت جابجایی، انتشارات پویش اندیشه

تنظیم کننده: محبوبه همتمطالب مرتبط:  ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول 
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
یکی از مهم‌ترین مسائلی که در ساخت یک آب‌گرم‌کن با آن مواجه می‌شویم انتقال گرما است .