Vakumlu yalıtım malzemelerinin karakteristik özelliklerinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of the characteristics of vacuum insulation materials
Yazar: EMRAH DENİZ
Danışman: PROF. DR. AHMET KORHAN BİNARK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Isı yalıtımı = Heat insulation ; Vakum = Vacuum

Özet:
Yalıtımın, son kullanıcı için değer kazandığı yerlerde Vakumlu Yalıtım Panelleri (VYP), tercih edilebilir bir seçenek haline gelmiştir. VYP'lerde iç dolgu, nem tutucu ve bariyer zarf malzemeleri çeşitli kombinasyonlarda kullanılabilmekte ve uygulama alanlarına göre farklı özelliklerde VYP'ler üretilebilmektedir.VYP'ler, çok geniş bir kullanım alanına hitap eden ve en yüksek ısı yalıtımını vadeden yalıtım malzemeleridir. VYP'lerin ortasında destek görevi gören gözenekli bir iç malzemesi bulunur. Bu malzeme hava geçirmeyen, farklı yapılarda olabilen bir zarf içerisine alınarak içerideki hava belli oranda vakumlanmış ve böylece VYP'nin ısı iletim katsayısı düşürülmüştür. Bu birimlerin içerisindeki hava basıncı kullanılan iç malzemenin tipine bağlı olarak 0.01 mbar ile 10 mbar arasında değişim gösterir. VYP'lerde kullanılan iç dolgu malzemeleri, alışılagelmiş yalıtım malzemelerinden, açık hücreli polimerler ve mikro-gözenekli silislere kadar, çeşitlilik göstermektedir.Bu çalışmada, VYP'ler için alternatif dolgu malzemeleri araştırılmış ve çalışma üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, VYP'ler ile ilgili geniş bir literatür çalışması yapılarak bu çalışma için gerekli olan alt yapı gereksinimleri belirlenmiştir. Bu gereksinimlerin başında vakum şartları altında, ısı iletim katsayısını hassas ölçebilecek bir korumalı sıcak plaka cihazının olduğu sonucuna varılmıştır. VYP'ler konusunda hazırlanmış standardlar ve bu konuda çalışan çeşitli gruplar tarafından hazırlanmış sistemler incelenerek bir vakum korumalı ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı tasarımı ve imalatı yapılmıştır.Veri ölçüm sistemi, veri alış-veriş sistemi, vakumlama sistemi ve soğutma sistemini kapsayan, imal edilen, vakum korumalı ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı %0.3 gibi düşük bir hata oranı ile yüksek ölçüm hassasiyetine sahiptir. Deneyler sonucunda elde edilen veriler ile teorik hesaplamaların uyumu da bu hassasiyeti doğrulamıştır.Çalışmanın ikinci aşamasında ise, ilgili literatür geniş bir biçimde araştırılarak daha önce VYP'lerde dolgu malzemesi olarak kullanılmamış malzemeler incelenmiştir. Bu malzemeler arasında Kayseri bölgesi ponza oluşumları yüksek gözeneklilik (düşük yoğunluk) ve yüksek sıcaklıklara dayanıklılık gibi üstün özelliklerinden dolayı çalışma malzemesi olarak seçilmiştir. Daha sonra ponza taşının Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Marmara Üniversitesi ve Karabük Üniversitesi laboratuarlarında yer alan cihazlar kullanılarak gözeneklilik, gözenek dağılımı, yoğunluk, pH değeri ve elementer analiz gibi gerekli özellikleri incelenmiştir.Çalışmanın üçüncü ve son aşaması olan deneysel aşama öncesinde hazırlanan vakum korumalı ısı iletim katsayısı ölçüm cihazının literatürde daha önce belirtilen şartlarda cam yünü kullanılarak güvenilirliği test edilmiş ve literatürde belirtilen verilerle uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Daha sonra ön hazırlıkları tamamlanan ponza taşı sistem içerisine uygun biçimde yerleştirilerek 9 ºC ile 35 ºC sıcaklık aralığında ve 1000 mbar ile 0.075 mbar basınç seviyelerinde sahip olduğu ısı iletim katsayısı değerleri belirlenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalara ek olarak hata analizi, sayısal analiz ve elektrik benzeşim yöntemi ile geliştirilen matematik model de kullanılmıştır. Yapılan teorik çalışmaların güvenilirliği deneysel veriler ile desteklenmiş ve elde edilen veriler yorumlanarak önerilerde bulunulmuştur.Yapılan çalışmalarda, ponza taşlarının toplam gözenekliliğinin %92.8, toplam yoğunluğunun, 170.18 kg/m3 ve taşı oluşturan katının 2383.11 kg/m3 yoğunluğa sahip olduğu görülmüştür. Ponza taşı yapısı içerisindeki gözenekler, göz ile görülebilecek boyutlardan mikroskobik boyutlara kadar çeşitlilik göstermekte olup, ortalama gözenek çapı 0.8644 ?m'dir. Yapılan deneylerde ponza taşı ısı iletim katsayısının 1000 mbar basınçta, ortalama 9.6 oC sıcaklıkta 0.0983 W/mK ve 0.075 mbar basınç seviyesinde %26 azalma meydana gelerek 0.073 W/mK, ponza taşını oluşturan katı malzemenin ısı iletim katsayısının ise, 1.6914 W/mK olduğu belirlenmiştir. Deneysel ve teorik olarak elde edilen ısı iletim katsayısı verileri arasında %6 ile %12 arasında farklılık oluştuğu ve bu farklılığın ponza taşının karmaşık bir yapıya sahip oluşundan, deneysel olarak elde edilen verilerin belirlenmesi amacıyla kullanılan cihazların hata paylarından meydana geldiği düşünülmüştür.

Abstract:
Vacuum Insulation Panels (VIP) have become a favorable choice for the end users where insulation is needed. Various combinations of filling materials, getter and barrier envelope materials are used in VIPs to make VIPs with different properties for their area of application.VIPs are the insulation units promising the best heat insulation with a wide range of usage area. There is a porous filling in the mid-layer of VIPs. This material is enclosed by a gas-impermeable envelop and the air inside is vacuumed to some extent for the sake of decreasing the heat transfer rate. Air pressure in these panels ranges from 0.01 to 10 mbar depending on the type of the filling material. Fillings used in VIPs range from conventional insulation materials to open cell polymers and micro-porous silica.In this study, alternative filling materials for VIP are investigated and the study was performed in three stages. In the first phase of the study, a comprehensive literature survey was performed to determine the required testing environment for this study. It was concluded that a guarded hot plate apparatus is required which can precisely measure the thermal conductivity of a material under vacuum conditions. A vacuum guarded hot plate apparatus was designed and made after investigating the systems made by various groups.This vacuum guarded hot plate apparatus which consists of the measurement system, data acquisition system, vacuum system and cooling system, has a high precision with a very low error rate of 0.3%. The conformance between the data from the test and the theoretical calculations confirmed this precision.In the second stage of the study, the materials which haven?t been used as filling material in VIPs were investigated. Among these materials pumice stone from Kayseri district was chosen as the material to study for its high porosity (low density) and resistance to high temperature. Then the porosity, pore distribution, density, pH value and elementary analysis were investigated at the laboratories of Middle East Technical University, Marmara University and Karabuk University.Before the third and the last stage of the study which is the experimental stage, vacuum guarded hot plate apparatus was tested with glass wool which is tested and presented in the literature to test the reliability of the device and results with good conformity with the literature were achieved. Then the pumice stone was prepared and put into the system and its thermal conductivity values between 10 ºC and 35 ºC of temperature and 1000 mbar to 0.075 mbar of pressure. Besides the experimental study, error analysis and numerical analysis methods and a mathematical model developed by electric-simulation method were used. Reliability of the theoretical studies was supported by the experimental data and some suggestions were made according to the results.It was seen from the study that the total porosity of the pumice stone is 92.8 %, total density is 170.18 kg/m3 and the density of the solid mass of the pumice stone is 2383.11 kg/m3. Pores in pumice stone are very different in sizes e.g. some of them can be seen by human eye and some of them are microscopic, however the average pore diameter is 0.8644 ?m. According to the test results, the thermal conductivity of pumice stone is 0.0983 W/mK, under 1000 mbar of pressure and 9.6 oC of mean temperature, and 0.073 W/mK under 0.075 mbar of pressure with a decrease of 26%; and the thermal conductivity of the solid material of the pumice stone was determined as 1.6914 W/mK. It was seen that there are 6 to 12% differences between the experimental and theoretical values of thermal conductivity data, and these differences were attributed to the complex structure of the pumice stone and the error margin of the devices used in the experiments.