ضریب انتقال حرارت فوم پلی اتیلن: بررسی علمی و فنی
مقدمه
فوم پلی اتیلن (PE Foam) یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع عایق کاری است که به دلیل ساختار سلولی بسته خود، ویژگی های حرارتی منحصربه فردی دارد. یکی از مهم ترین پارامترهای فنی که در تعیین عملکرد حرارتی این فوم اهمیت دارد، ضریب انتقال حرارت (Thermal Conductivity) یا λ (لامبدا) است. این ضریب نشان دهنده میزان انتقال گرما از طریق ماده بوده و هرچه مقدار آن کمتر باشد، ماده عایق بهتری محسوب می شود.
تعریف ضریب انتقال حرارت (Thermal Conductivity)
ضریب انتقال حرارت (λ) میزان توانایی یک ماده در هدایت حرارت را بیان می کند. این کمیت در معادله ی انتقال حرارت به صورت زیر تعریف می شود:
که در آن:
- چگالی شار حرارتی (Heat Flux Density) است (W/m²).
- ضریب انتقال حرارت (W/m.K).
- گرادیان دما در راستای انتقال گرما (K/m).
عدد λ نشان می دهد که چه مقدار گرما در واحد زمان، از طریق یک متر مربع سطح و به ضخامت یک متر، تحت اختلاف دمای ۱ درجه کلوین، عبور می کند.
مقدار ضریب انتقال حرارت فوم پلی اتیلن
فوم پلی اتیلن دارای یک ساختار سلولی بسته (Closed-Cell) است که موجب کاهش هدایت حرارتی از طریق ماده می شود. مقدار ضریب انتقال حرارت این فوم معمولاً بین 0.030 تا 0.040 وات بر متر-کلوین (W/m.K) در دمای اتاق (حدود ۲۵ درجه سانتی گراد) قرار دارد.
مقایسه با سایر عایق های حرارتی
در جدول زیر مقدار λ فوم پلی اتیلن با سایر عایق های متداول مقایسه شده است:
| ماده | ضریب انتقال حرارت (W/m.K) |
|---|---|
| فوم پلی اتیلن | 0.030 – 0.040 |
| پلی استایرن منبسط (EPS) | 0.030 – 0.038 |
| پلی یورتان (PU) | 0.020 – 0.025 |
| پشم سنگ | 0.035 – 0.045 |
| پشم شیشه | 0.030 – 0.044 |
با توجه به این جدول، فوم پلی اتیلن در مقایسه با عایق هایی مانند پلی یورتان، ضریب هدایت حرارتی بالاتری دارد، اما نسبت به پشم سنگ و پشم شیشه عملکرد بهتری ارائه می دهد.
عوامل مؤثر بر ضریب انتقال حرارت فوم پلی اتیلن
دانسیته فوم (Density)
افزایش دانسیته فوم پلی اتیلن (که معمولاً بین 25 تا 200 کیلوگرم بر متر مکعب متغیر است)، به دلیل کاهش اندازه سلول ها و کاهش فضای خالی داخل فوم، می تواند مقدار λ را کاهش داده و عملکرد عایقی را بهبود بخشد.
ضخامت فوم
افزایش ضخامت فوم باعث کاهش انتقال حرارت کلی (Overall Heat Transfer) می شود، اما بر مقدار λ تأثیر مستقیمی ندارد. ضخامت بیشتر موجب افزایش مقاومت حرارتی (R-value) شده و کارایی عایق را بهبود می بخشد.
دما و شرایط محیطی
مقدار ضریب هدایت حرارتی فوم پلی اتیلن با افزایش دما افزایش می یابد. به عنوان مثال، در دماهای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد، مقدار λ ممکن است به حدود 0.040 W/m.K برسد.
رطوبت
رطوبت و نفوذ آب در ساختار فوم، میزان انتقال حرارت را افزایش می دهد، زیرا آب دارای ضریب هدایت حرارتی بالاتری نسبت به هواست (حدود 0.6 W/m.K در برابر 0.026 W/m.K). بنابراین، در محیط های مرطوب، استفاده از فوم پلی اتیلن با پوشش ضدآب (مانند روکش آلومینیومی یا PVC) توصیه می شود.
مقاومت حرارتی (R-Value) فوم پلی اتیلن
مقاومت حرارتی (R) یکی دیگر از شاخص های عملکرد عایق است که از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
که در آن:
- ضخامت فوم (m).
- ضریب انتقال حرارت (W/m.K).
به عنوان مثال، برای یک فوم پلی اتیلن با ضخامت 10 میلی متر (0.01 m) و ضریب انتقال حرارت 0.035 W/m.K:
این مقدار نشان می دهد که هرچه ضخامت فوم افزایش یابد، مقدار R بیشتر شده و عملکرد عایق بهبود می یابد.
کاربردهای فوم پلی اتیلن در عایق کاری حرارتی
فوم پلی اتیلن به دلیل ضریب انتقال حرارت پایین، وزن سبک، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر رطوبت، در عایق کاری حرارتی در بخش های مختلفی از صنعت و ساختمان استفاده می شود:
- عایق کاری لوله ها (جهت جلوگیری از هدررفت انرژی در سیستم های گرمایش و سرمایش).
- عایق کاری کف و دیوارها در ساختمان ها.
- عایق حرارتی در صنایع خودروسازی (به ویژه در داشبورد و سقف خودروها).
- عایق تجهیزات صنعتی (مانند مخازن و کانال های انتقال هوا).
- بسته بندی های حساس به دما (مانند بسته بندی های دارویی و غذایی).
جمع بندی و نتیجه گیری
فوم پلی اتیلن به عنوان یک عایق حرارتی با ضریب انتقال حرارت بین 0.030 تا 0.040 W/m.K عملکرد مطلوبی در کاهش انتقال حرارت دارد. این مقدار تحت تأثیر عواملی مانند دانسیته، ضخامت، دما و میزان رطوبت تغییر می کند. در مقایسه با سایر عایق ها، فوم پلی اتیلن از نظر هزینه، مقاومت به رطوبت و انعطاف پذیری مزایای خوبی دارد، اما در برخی موارد، گزینه هایی مانند پلی یورتان دارای عایق کاری بهتری هستند.
در نتیجه، استفاده از فوم پلی اتیلن برای کاربردهای عمومی عایق کاری حرارتی، به ویژه در صنایع ساختمانی، تأسیسات و خودروسازی، به دلیل ویژگی های فیزیکی و حرارتی مناسب، توصیه می شود.
منابع علمی
برای نگارش این مقاله از منابع علمی و استانداردهای فنی مرتبط مانند ASHRAE Handbook، ASTM C518، و ISO 12667 استفاده شده است.