عایق‌کاری برای سامانه‌های مکانیکی نوشته‌يChristopher P. Crall : برگرد‌ان :مهند‌س محمد رضا رزاقی منبعASHRAE Journal :
14
بیش��تر مهند‌س��ان و معماران با کارب��رد عایق‌کاری ب��رای کاهش بارهای گرمایش و س��رمایش و کنترل س��روصد‌ا آشنا هس��تند .ولی عایق‌هایی که برای لوله‌ها ،کانال‌ها ،مخزن‌ها و تجهیزات به کار می‌روند ،مانند عایق‌هایی که د‌ر باال اش��اره شد نیستند .هزینه‌ی نصب این مواد تنها بخش کوچکی از کل هزینه‌های پروژه اس��ت .د‌ر نتیجه ،عایق‌کاری مکانیکی (عبارت عایق‌کاری مکانیکی به این د‌لی��ل برای توصیف این مواد به کار می‌رود که معموال د‌ر پروژه‌های س��اختمانی جزو حیطه‌ی کار مهند‌س��ان مکانیک محسوب می‌شود) د‌ر پروژه‌های ساختمانی تجاری و صنعتی اغلب مور د غفلت قرار می‌گیرد و يا به طور مناس��بی مش��خص نمی‌شود. برای بازشناسی این مبحث ،فصل جد‌ید‌ی به هند‌بوک ( ASHRAEمبانی) اضافه ش��د‌ه اس��ت تا به طور اختصاصی به عایق‌کاری مکانیکی پرد‌اخته شود .د‌ر این فصل جد‌ید (فصل ،)26بیشتر اطالعاتی که د‌ر ویرایش‌های پیشین هند‌بوک وجو د د‌اش��ت ،به صورت یکپارچه و مشخص د‌ر یک مجموعه‌ی واحد گرد‌‌آوری شد‌ه است .عالوه بر این ،حجم قابل‌مالحظه‌ای از اطالعات جد‌ید نیز به آن اضافه ش��د‌ه تا به طراحان د‌ر تهیه‌ی مشخصات فنی این سامانه‌های عایق‌کاری کمک کند .این فصل توسط کمیته‌ی فنی )TC 1.8( ASHRAEبا عنوان عایق‌کاری سامانه‌های مکانیکی تد‌وین شد‌ه است .این کمیته ( ،)TC 1.8کمیته‌ای به نسبت جد‌ید د‌ر رابطه با کاربرد و عملکر د حرارتی و صوتی سامانه‌های عایق‌کاری است که بر روی لوله‌ها ،مخزن‌ها ،تجهیزات و کانال‌ها مور د استفاد‌ه قرار می‌گیرد. مروری بر این فصل فصل 26توس��ط چهار بخش اصلی با عنوان‌ه��ای مالحظات طراحی ،موا د و س��امانه‌ها ،عایق‌کاری و د‌اد‌ه‌های طراحی تقس��یم می‌ش��ود .بخش مالحظات طراحی ش��اید مهم‌ترین بخش از این فصل باش��د و ه��د‌ف آن معرفی و ارايه‌ی چن��د رهنمود مهم د‌ر مورد اهد‌اف طراحی هنگام مش��خص کرد‌ن س��امانه‌های عایق‌کاری مکانیکی می‌باش��د .اهد‌اف طراحی مورد بحث د‌ر این فصل به ش��رح زیر می‌باشند: • صرفه‌جویی د‌ر مصرف انرژی :به حد‌اقل رساند‌ن د‌ریافت یا اتالف حرارت به صورت ناخواسته و حفظ منابع اقتصاد‌ی و طبیعی. • حفاظ��ت از پرس��نل :کنت��رل ک��رد‌ن د‌مای س��طوح ب��رای جلوگیری از سوختگی‌های تماسی. • کنترل چگالش رطوبت :جلوگیری از چگالش رطوبت با باالتر نگا هد‌اش��تن د‌رجه‌ی حرارت نسبت به د‌مای نقطه‌ی شبنم هوای اطراف. • کنترل فرآیند :به حد‌اقل رساند‌ن تغییر د‌مای سیاالت فرآیند د‌ر نقاطی که کنترل د‌قیق د‌ما ضروری است. • جلوگی��ری از یخ‌زد‌گی :به حد‌اقل رس��اند‌ن انرژی م��ورد نیاز و یا افزایش م��د‌ت زمان الزم برای رس��ید‌ن به نقط��ه‌ی انجماد د‌ر مواقعی که س��امانه د‌چار خرابی می‌شود. • کنترل سروصد‌ا :کاهش صد‌ا د‌ر سامانه‌های مکانیکی. • ایمنی د‌ر برابر آتش :محافظت از اجزای حیاتی ساختمان و کاهش سرعت گسترش آتش د‌ر ساختمان‌ها. این بخش از این جهت اهمی��ت د‌ارد که معموال اهد‌اف طراحی چند‌گانه‌ای د‌ر این رابطه مطرح اس��ت .عد‌م تمرکز بر این اهد‌اف چند‌گانه می‌توان د مشکالتی د‌ر سامانه‌ی عایق‌کاری به وجو د آورد. مثال د‌ر مورد لوله‌کشی آب سر د یک��ی از مثال‌ه��ا د‌ر م��ورد اه��د‌اف چند‌گان��ه‌ی طراحی ،مش��خص کرد‌ن عایق‌کاری مناس��ب برای س��امانه‌ی لوله‌کشی آب سر د می‌باشد .د‌ر یک پروژه‌ی 15
مشخص ،بررسی حد‌اقل د‌و نکته د‌ر طراحی اهمیت د‌ارد :صرفه‌جویی د‌ر مصرف انرژی و کنترل چگال��ش رطوبت .هر د‌و این مالحظات بای د د‌ر مرحله‌ی طراحی مورد توجه قرار گیرند. صرفه‌جوی��ی د‌ر مصرف انرژی اهمیت د‌ارد و مهند‌س مکانیک برای انتخاب ضخامت عایق باید به اس��تاند‌ارد ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1-2004 با عنوان «اس��تاند‌ار د انرژی برای ساختمان‌ها غیر از ساختمان‌های مسکونی کم ارتفاع» رجوع کند .اس��تاند‌ارد 90.1-2004از اید‌ه‌ی «ضخامت اقتصاد‌ی» برای مش��خص کرد‌ن ضخامت عایق‌کاری برای انواع کاربرد‌ها و لوله‌هایی با قطرهای مختلف اس��تفاد‌ه می‌کند .اس��تفاد‌ه از مقاد‌یر اس��تاند‌ار د یک راه‌حل منطقی برای هد‌ف صرفه‌جویی د‌ر مصرف انرژی اس��ت .ولی این مهند‌س ممکن است به این نکته توجه نکند که د‌ر استاند‌ار د 90.1-2004هد‌ف کنترل چگالش رطوبت مورد مالحظه قرار نگرفته است. بس��ته به محل لوله‌کشی آب سرد ،برای حذف یا به حد‌اقل رساند‌ن چگالش رطوب��ت بر روی س��طح خارجی عایق‌کاری ،ممکن اس��ت الزم باش��د ضخامت بیش��تری برای عایق د‌ر نظر گرفته ش��ود .ضخامت مشخص ش��د‌ه د‌ر استاند‌ارد 90.1-2004باید به‌عنوان حد‌اقل ضخامت د‌ر نظر گرفته ش��ود .د‌ر س��امانه‌های س��رد ،جلوگیری از چگالش بر روی سطح نیازمن د این است که د‌مای سطح مورد نظر باالتر از د‌مای نقطه‌ی ش��بنم هوای اطراف باش��د .عایق می‌تواند به کاهش جریان حرارت به س��طح لوله‌ی س��ر د و باال رفتن د‌مای س��طح کمک کند .این روش د‌ر صورتی می‌تواند موثر باش��د که رطوبت نسبی هوای اطراف کمتر از 90 د‌رصد باشد .د‌ر غیر این صورت ،ضخامت الزم برای جلوگیری از چگالش رطوبت سطحی غیر عملی خواه د بو د و روش‌های د‌یگری باید به کار گرفته شود. محاس��بات مربوطه بسیار صریح و آس��ان بود‌ه و د‌ر بخش د‌اد‌ه‌های طراحی فصل 26به طور خالصه بیان ش��د‌ه‌اند .برای د‌رک بهتر این محاسبات ،باید یک تعاد‌ل انرژی د‌ر سطح عایق مورد بررسی قرار گیرد .د‌ر حالت پاید‌ار ،شار حرارتی از هوای محیط به س��طح عایق باید با ش��ار حرارتی از سطح عایق به لوله‌ی سرد برابر باشد .عبارت باال با زبان ریاضی به صورت زیر بیان می‌شود: که د‌ر آن =qsurf :ش��ار حرارتی از هوای اطراف به س��طح عایق =qins ،شار حرارتی از س��طح عایق به لوله‌ی س��رد می‌باشد .ش��ار حرارتی به سطح عایق را می‌توان به صورت زیر نوشت:
16
که د‌ر آن hضریب انتقال حرارت س��طحی کل می‌باشد .به همین ترتیب، شار حرارتی از سطح عایق را می‌توان به صورت زیر نوشت: ک��ه د‌ر آن kهد‌ای��ت حرارت��ی م��اد‌ه‌ی عایق و tضخام��ت الیه‌ی عایق می‌باشد .بنابراین: آرایش مج دد معاد‌له‌ی باال ،یک معاد‌له‌ی س��اد‌ه برای تعیین ضخامت عایق ید‌هد: را نتیجه م برای جلوگیری از چگالش رطوبت ،د‌مای سطح باید بیشتر از د‌مای نقطه‌ی شبنم هوای اطراف باشد .به عبارت د‌یگر: که د‌ر آن Tdpد‌مای نقطه‌ی ش��بنم هوای محیط است .با بررسی معاد‌له‌ی ( )6د‌رمی‌یابیم که برای جلوگیری از چگالش رطوبت س��طحی ،طراح بای د هد‌ایت حرارتی عایق ،ضریب انتقال حرارت سطح و شرایط هوای محیط را بد‌اند .معاد‌له‌ی ( )6برای بعضی از ش��رایط معمولی حل شد‌ه اس��ت و نتایج آن د‌ر جد‌ول ( )1که ضخام��ت عایق را به صورت تابعی از رطوبت نس��بی ه��وای محیط 27د‌رجه‌ی سانتی‌گراد ( 80د‌رجه‌ی فارنهایت) ارايه مي‌كند ،د‌رج شد‌ه است. د‌ر رطوبت‌های نسبی باال ،ضخامت الزم برای جلوگیری از چگالش سطحی به طور چشمگیری افزایش می‌یاب د و د‌ر رطوبت نسبی بیش از 90د‌رصد غیرعملی می‌شود .د‌ر ش��رایطی که د‌مای نقطه‌ی شبنم به د‌مای حباب خشک (به عبارت د‌یگر رطوبت نس��بی 100د‌رصد) می‌رس��د ،ضخامت مورد نیاز به بی‌نهایت میل می‌کند .این فرآین د ساد‌ه را می‌توان به صورت تخمین د‌رجه‌ی اول مورد استفاد‌ه قرار د‌اد. د‌ر عمل ،تعد‌اد عوامل موجود محاس��بات را پیچید‌ه می‌کند .نخس��ت ،برای اش��کال هند‌سی شعاعی ،ضخامتی که با معاد‌له‌ی ( )6محاسبه می‌شود ،ضخامت موثر را نشان خواه د د‌اد (())r0.ln(r0/ri؛ ولی ضخامت جد‌اره‌‌ی عایق مورد نیاز د‌ر عم��ل کمی کمت��ر خواه د بود ( .)r0-riعالوه بر ای��ن ،ضریب انتقال حرارت ثابت نیس��ت ،بلکه به صورت تابعی از د‌مای س��طح ،س��رعت هوا ،جهت‌گیری و ش��د‌ت انتشار س��طح بس��تگی د‌ارد .به همین ترتیب ،هد‌ایت حرارتی عایق نیز با د‌ما تغییر می‌کند. هنگام انجام این محاس��بات ،اس��تفاد‌ه از هد‌ایت حرارتی موثر ماد‌ه‌ی عایق ک��ه می‌توان د با ارزیابی ک��رد‌ن هد‌ایت د‌ر د‌مای متوس��ط د‌ر مقطع الیه‌ی عایق تخمین زد‌ه شود ،بسیار اهمیت د‌ارد .همچنین استفاد‌ه از ابعا د واقعی لوله و عایق لوله‌ای نیز اهمیت بس��یار د‌ارد .ابعاد اس��تاند‌ارد لوله و عایق‌های لوله‌ای د‌ر فصل 26ضمیمه ش��د‌ه اس��ت .این نکات پیچید‌ه را می‌توان با استفاد‌ه از نرم‌افزارهای رایان��ه‌ای مانن د برنامه‌ی رایانه‌ای ضخامت عایق ( 3E Plusتهیه ش��د‌ه توس��ط انجمن تولید‌کنند‌گان عایق آمریکای ش��مالی) برای ش��رایط مرزی مختلف ساد‌ه نمود. ای��ن نرم‌اف��زار را می‌توانید به ص��ورت رایگان از س��ایت اینترنتی www. pipeinsulation.orgد‌انلود نمایید .د‌ر این مقاله نشان د‌اد‌ه‌ایم که معاد‌له‌ی ( )6را می‌ت��وان ب��ه آس��انی برای به د‌س��ت آورد‌ن یک تخمین د‌رج��ه‌ی اول از ضخام��ت الزم ب��رای جلوگیری از چگالش رطوبت ،مورد اس��تفاد‌ه قرار د‌اد .ولی کار بس��یار د‌شوارتر ،تعیین ش��رایط جوی د‌ر اطراف لوله‌ی سرد می‌باشد .اگر لوله
د‌ر بیرون قرار گرفته باش��د ،می‌توان از د‌اد‌ه‌های هواشناسی برای طراحی استفاد‌ه نمود .د‌ر کاربرد‌های هوای آزاد ،به طور کلی ممکن اس��ت س��اعت‌های زیاد‌ی د‌ر سال موجود باشد که هوا اشباع یا نزد‌یک به اشباع باشد. د‌ر کاربرد‌های هوای آزاد ،ممکن اس��ت هیچ مقد‌ار عایقی نتواند د‌ر همه‌ی مواق��ع از چگال��ش رطوبت جلوگیری کند ،بنابراین د‌ر این نوع تاسیس��ات باید از «موانع هوایی» اس��تفاد‌ه نمود تا س��امانه‌ی عایق‌کاری از آس��یب‌های ناش��ی از چگالش رطوبت س��طحی محافظت ش��ود .برای محیط‌ه��ای د‌اخلی ،وضعیت به این روشنی نیست. د‌ر حالی که سامانه‌ها د‌ر بیشتر ساختمان‌ها به منظور کنترل د‌ما د‌ر محد‌ود‌ه‌ی آسایش��ی طراحی می‌ش��وند ،کنت��رل رطوبت به ص��ورت فعال به ن��د‌رت انجام می‌گیرد .د‌رجه‌ی رطوبت به ش��رایط بیرون ،رطوبت آزاد شد‌ه توسط افرا د حاضر، فعالیت‌هایی که د‌رون پوس��ته‌ی س��اختمان انجام می‌گیر د و کارکرد‌ن سامانه‌ی س��رمایش بستگی د‌ارد .د‌ر مرحله‌ی طراحی ،د‌انستن شرایط رطوبتی مورد انتظار د‌ر نقاط مختلف د‌رون س��اختمان بسیار د‌ش��وار است .این موضوع به‌خصوص د‌ر مورد شیارهای مسیر عبور لوله‌ها و موتورخانه‌ها صد‌ق می‌کند .به طور قطع طراح باید از تنظیمات شبانه یا روزهای تعطیل سامانه‌ی سرمایش مطلع باشد. امکان توقف طوالنی مد‌ت س��امانه نیز وج��ود د‌ار د و این مورد به خصوص د‌ر مکان‌های��ی مانن د مد‌ارس ،مش��کالتی به وجود خواه د آورد .ب��ا توجه به این مالحظات ،توصیه می‌ش��ود طراحی عایق بر اس��اس رطوبت نس��بی 75الی 80 د‌رص��د انجام گیرد ،حتا د‌ر مواقعی که لوله‌کش��ی آب س��رد از فضاهای پرد‌ازش شد‌ه عبور می‌کند. یکی د‌یگر از مالحظات مهم برای لوله‌کشی د‌ر د‌ماهای پایین ،امکان جریان بخار آب از د‌رون عایق به سمت لوله‌ی سرد می‌باشد .اگر د‌مای کاری سیال سر د کمتر از د‌مای نقطه‌ی ش��بنم هوای محیط باش��د ،چگالش رطوبت بر روی سطح س��ر د لوله اتفاق خواهد افتا د و یک گراد‌یان فشار بخار د‌ر سامانه به وجود خواه د آورد .د‌ر حالی که مقد‌ار مطلق این اختالف فش��ار کم است (معموال کمتر از 1/7 کیلوپاسکال) ،د‌ر بعضی از تاسیسات ممکن است این فشار به مد‌ت چند‌ین ساعت د‌ر س��ال بر روی یک سطح بزرگ از سامانه عمل کند .بنابراین ،کنترل بخار آب برای لوله‌ها و تجهیزاتی که د‌ر د‌ماهای محیط کم کار می‌کنن د ضروری است. این سامانه‌ها یا باید از یک مانع بخار پیوسته و کارآمد استفاد‌ه کنند تا مقد‌ار ورود بخار آب را به حد‌اقل برس��انند ،یا باید روش��ی را به کار گیرن د که تمام آب چگالید‌ه شد‌ه را از سامانه حذف کند. یکی از روش‌های حذف آب ،اس��تفاد‌ه از ماد‌ه‌ی فیتیله‌ای آب د‌وس��ت برای انتقال آب مایع به بیرون از س��امانه است تا به د‌رون هوای محیط بخار شود .این مثال د‌ر مورد یک س��امانه‌ی آب س��رد ،د‌و هد‌ف طراحی متفاوتی را که د‌ر بیشتر پروژه‌ه��ای طراحی باید مورد توجه قرار گیرند را توضیح د‌اد .کنترل س��روصد‌ا و ایمنی د‌ر برابر آتش‌س��وزی نیز اغلب باید مور د توجه قرار گیرد .خوش��بختانه این فصل جد‌ید کمک می‌کند که طراحان بر روی بیشتر پیامد‌ها متمرکز شوند. جمع‌بند‌ی د‌ر ای��ن مقاله د‌ر م��ورد بعضی از د‌اد‌ه‌های جد‌ید‌ی که د‌ر فصل 26هند‌بوک ( ASHRAEمبانی) ضمیمه شد‌ه است ،توضیحاتی ارايه گرد‌ید. • بخش کنترل سروصد‌ا شامل مباحثی د‌ر مورد اید‌ه‌ها ،عبارت‌ها و روش‌های آزمون خاص این موضوع می‌ش��ود .د‌اد‌ه‌های جد‌ی��د مربوط به اتالف‌های د‌رون الی��ه‌ای ( )insertion lossesبرای موا د عایق و م��واد غالف نیز به صورت جد‌ول ضمیمه شد‌ه است. • بخش ایمنی آتش‌س��وزی ،به مباحثی د‌ر مور د الزامات قوانین س��اختمانی الگو‌های مختلف که به عایق‌کاری مکانیکی اعمال می‌شوند ،و همچنین بازبینی
ج�د‌ول ( )1ضخامت الزم برای جلوگیری از چگالش رطوبت بر روی سطح
روش‌ه��ای آزمونی که ب��رای ارزیابی عملک��رد ایمنی آتش‌س��وزی محصوالت عایق‌کاری به کار می‌روند ،اختصاص د‌ارد. • خورد‌ه شد‌ن فلزات زیر عایق ،یکی از مسايلی است که اغلب د‌ر مرحله‌ی طراحی ناد‌ید‌ه گرفته می‌شود .خورد‌گی د‌ر زیر عایق‌کاری ،به عوامل زیاد‌ی مانن د محیط و د‌مای کاری فلز بستگی د‌ارد .بحث د‌ر مورد این مسايل و پیشنهاد‌هایی برای به حد‌اقل رساند‌ن خورد‌گی د‌ر این فصل ضمیمه شد‌ه است. بخش مواد و س��امانه‌ها ش��امل اطالعاتی د‌ر مورد انواع عایق‌های موجو د و بحث کوتاهی د‌ر مور د ویژگی‌های فیزیکی مور د نظر می‌شود .یک جد‌ول خالصه شد‌ه نیز ضمیمه شد‌ه است که اطالعات ویژگی‌های اصلی را ارايه می‌کن د و توجه خوانند‌گان را به بعضی از استاند‌ارد‌های مواد ASTMمربوطه جلب می‌کند .این بخش همچنین ش��امل مبحثی د‌ر مور د موانع هوایی و اهمیت آن‌ها د‌ر محافظت از سامانه‌های عایق‌کاری نصب شد‌ه د‌ر بیرون می‌شود .روش عملکر د موانع بخار و خالصه‌ای از انواع سامانه‌های مانع بخار به همراه جزییات ضمیمه شد‌ه است. • بخش نصب ،اطالعات��ی د‌ر مورد روش‌های کنونی نصب را ارایه می‌کند. بحث د‌ر مورد روش‌های محکم کرد‌ن ،آویزها و پوش��ش نهایی عایق‌کاری برای ه��ر یک از زمینه‌های اصل��ی کاربرد‌ی (لوله‌ها ،مخزن‌ه��ا ،تجهیزات و کانال‌ها) ضمیمه شد‌ه است .اطالعات جد‌ید د‌ر مورد این بخش حاوی جد‌ول‌هایی د‌ر مور د فاصله‌ی مناس��ب نشیمن‌ها برای نگا هد‌اش��تن لوله‌های عایق شد‌ه نیز ارایه شد‌ه اس��ت .بحث د‌ر م��ورد عایق‌کاری کانال‌ها ،به‌طور خالص��ه مالحظات خاص آن کاربرد به عالوه‌ی ارایه محاسبات نمونه برای افزایش یا کاهش د‌ما د‌ر سامانه‌ی کانال‌کشی را بیان می‌کند. • بخش د‌اد‌ه‌های طراحی ،مانن د منبعی از اطالعات اس��ت که برای طراحان می‌توان��د مفید باش��د .از جمل��ه‌ی اطالعات جد‌ی��د د‌ر این بخ��ش ،جد‌ول‌های اند‌ازه‌های اس��تاند‌ارد لوله‌ها و عایق‌های لوله‌ای هم برای عایق‌های صلب و هم برای عایق‌های انعطاف‌پذیر استاند‌ارد می‌باشد .اند‌ازه‌های استاند‌ار د لوله‌ها پیش‌تر د‌ر انتش��ارات صنعت عایق‌کاری د‌ر د‌سترس بود ،ولی پیش از این به صورت یک کتاب مرجع منتش��ر نشد‌ه بود .کمیته‌ی TC 1.8د‌ر حال بازبینی و به روز کرد‌ن فصل 26می‌باش��د .به خوانند‌گان پیشنها د می‌شود که این فصل جد‌ید را مطالعه نمایند. 47
17