ثمانية عوامل رئيسية تؤثر على الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية

تُعدّ الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية مؤشرًا أساسيًا لتقييم أدائها العازل. فكلما انخفضت الموصلية الحرارية، زادت قدرة المادة على عزل الحرارة، وازداد تأثيرها في توفير الطاقة. ونظرًا لأن ألواح الألياف الخزفية ذات بنية مسامية تتكون من هيكل ليفي صلب ومسام هوائية عديدة، فإن آليات انتقال الحرارة فيها تشمل التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري. ولذلك، تُسمى القيمة المقاسة عادةً "الموصلية الحرارية الظاهرية".

في الأفران الصناعية، وأفران التحلل الحراري، وأفران المعالجة الحرارية، وأنظمة دعم الأفران، لا تُعدّ الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية قيمة ثابتة، بل تتأثر بشكل شامل بالعوامل الرئيسية الثمانية التالية:

1. درجة حرارة التشغيل - يسود انتقال الحرارة بالإشعاع عند درجات الحرارة العالية

تزداد الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية مع ارتفاع درجة الحرارة، وهو ما يتحدد بتغير آلية انتقال الحرارة الداخلية للمادة.

في نطاق درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة (أقل من 600 درجة مئوية)، ينتقل الحرارة بشكل أساسي عبر التوصيل الحراري في الحالة الصلبة والتوصيل الحراري عبر غازات المسام.

عندما ترتفع درجة الحرارة فوق 800 درجة مئوية، يزداد انتقال الحرارة الإشعاعي بين جدران المسام بسرعة.

وفوق 1000 درجة مئوية، يصبح انتقال الحرارة الإشعاعي هو العامل المهيمن.

لذلك، في ظل ظروف درجات الحرارة العالية، حتى لو ظلت كثافة لوح الألياف الخزفية ثابتة، فإن موصليته الحرارية ستزداد بشكل ملحوظ. وهذا سبب رئيسي لضرورة زيادة سُمك طبقة العزل في تصميم الأفران ذات درجات الحرارة العالية.

2. المسامية وبنية المسام - المصدر الأساسي لأداء العزل

تتجاوز مسامية ألواح الألياف الخزفية عادةً 80%. تبلغ الموصلية الحرارية للهواء عند درجة حرارة الغرفة حوالي 0.025 واط/(متر·كلفن)، وهي أقل بكثير من موصلية ألياف الألومينا الصلبة. لذا، يُعدّ وجود كمية كبيرة من الهواء المحصور المصدر الرئيسي لانخفاض الموصلية الحرارية للمادة.

مع ذلك، فإن بنية المسام لا تقل أهمية:

حجم مسام أكبر ← انتقال حراري أفضل بالحمل ← زيادة في الموصلية الحرارية

نسبة عالية من المسام المتصلة ← زيادة في قنوات تدفق الحرارة ← انخفاض في العزل

بنية مسام مغلقة ← تقييد الحمل الحراري ← أداء عزل مثالي

لذا، لا تعتمد ألواح الألياف الخزفية عالية الأداء على المسامية العالية فحسب، بل أيضًا على بنية توزيع مسام دقيقة مصممة بدقة.

3. كثافة لوح الألياف الخزفية - يوجد "نطاق كثافة مثالي"

العلاقة بين كثافة لوح الألياف الخزفية والموصلية الحرارية غير خطية؛ فالأخف ليس دائمًا الأفضل.

القواعد العامة هي كالتالي:

المنطقة منخفضة الكثافة: زيادة الكثافة ← زيادة نقاط تلامس الألياف ← كبح انتقال الغاز بالحمل الحراري ← انخفاض الموصلية الحرارية

المنطقة ذات الكثافة المثلى: تحقيق أدنى موصلية حرارية

المنطقة عالية الكثافة: زيادة مسار التوصيل الحراري الصلب ← زيادة الموصلية الحرارية

علاوة على ذلك، تختلف الكثافة المثلى لألواح الألياف الخزفية باختلاف درجات الحرارة:

التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة (≤ 600 درجة مئوية): الكثافة المنخفضة أفضل

التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية (≥ 1000 درجة مئوية): زيادة الكثافة بشكل مناسب تساعد على كبح انتقال الحرارة بالإشعاع

لذلك، عند تصميم أنظمة تبطين الأفران، يجب مطابقة كثافة ألواح الألياف الخزفية مع درجة حرارة التشغيل، بدلاً من التركيز فقط على تقليل الوزن.

4. محتوى كرات الخبث - يؤثر على تجانس البنية ومسار انتقال الحرارة

كرات الخبث هي مواد حبيبية غير ليفية بالكامل أثناء إنتاج الألياف. يؤدي ارتفاع نسبة حبيبات الخبث إلى ثلاثة تأثيرات:

انخفاض كمية الألياف الفعالة

اضطراب البنية المسامية المنتظمة

زيادة قنوات التوصيل الحراري الموضعية

ينتج عن ذلك زيادة في الموصلية الحرارية، ويزداد هذا التأثير وضوحًا عند درجات الحرارة المرتفعة. في الوقت نفسه، تقلل حبيبات الخبث من مرونة المادة ومقاومتها للصدمات الحرارية؛ لذا، عادةً ما تُضبط نسبة حبيبات الخبث في ألواح الألياف الخزفية عالية الجودة بدقة.

5. قطر الألياف - البنية المجهرية تحدد المقاومة الحرارية

عند نفس كثافة ألواح الألياف الخزفية:

ألياف أدق ← مسام أصغر ← تثبيط الحمل الحراري

زيادة الطول الكلي للألياف ← مسار توصيل حراري أكثر تعرجًا ← انخفاض الموصلية الحرارية

يُضبط قطر الألياف الأمثل عادةً ضمن نطاق 2-4 ميكرومتر. الألياف السميكة جدًا تزيد الموصلية الحرارية؛ بينما قد تؤدي الألياف الرقيقة جدًا إلى زيادة الانكماش عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، يجب مراعاة كل من الاستقرار الحراري وأداء العزل.

٦. محتوى الرطوبة والرطوبة النسبية - الجسور الحرارية الخفية المحتملة

يتمتع الماء بموصلية حرارية أعلى بكثير من الهواء:

الماء ≈ ٠٫٥٢٢ واط/(م·ك)

الجليد ≈ ٢٫٣٢ واط/(م·ك)

الهواء ≈ ٠٫٠٢٥ واط/(م·ك)

إذا أصبحت ألواح الألياف الخزفية رطبة، يحل الماء محل الهواء الموجود في المسام، مما يزيد بشكل ملحوظ من الموصلية الحرارية، وهو أمر بالغ الأهمية خاصةً في مشاريع العزل الحراري في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك، إلى جانب التحكم في كثافة ألواح الألياف الخزفية، يُعد التصميم المقاوم للرطوبة ضروريًا أيضًا.

٧. بيئة التشغيل - اختلافات كبيرة في الموصلية الحرارية للغازات

قد لا تنطبق بيانات الموصلية الحرارية التي تم اختبارها في الهواء تمامًا على الأفران ذات الأجواء المحددة.

على سبيل المثال:

يتمتع الهيدروجين بموصلية حرارية أعلى من الهواء.

ينعدم انتقال الحرارة بالغازات تقريبًا في بيئة مفرغة من الهواء.

تؤثر الأجواء التي تحتوي على أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وغيرها بشكل متوسط.

كلما انخفض الوزن الجزيئي للغاز، زادت موصليته الحرارية. لذلك، في أفران الاحتواء أو أفران التحلل الحراري، يجب تعديل بيانات الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية وفقًا للجو المحيط.

٨. محاذاة الألياف - يؤثر التصميم الهيكلي على مسار تدفق الحرارة

ألواح الألياف الخزفية مواد غير متجانسة الخواص.

تدفق الحرارة عموديًا على اتجاه الألياف ← موصلية حرارية أقل

تدفق الحرارة موازيًا لاتجاه الألياف ← موصلية حرارية أعلى. تتميز الهياكل الطبقية عمومًا بأداء عزل أفضل من الهياكل المكدسة. عند نفس كثافة ألواح الألياف الخزفية، قد تكون الموصلية الحرارية للهيكل المكدس أعلى بنسبة ٢٠٪ إلى ٣٠٪.

تحليل شامل

لا تُعدّ الموصلية الحرارية لألواح الألياف الخزفية ثابتًا فيزيائيًا واحدًا، بل هي نتاج تأثيرات مترابطة لعوامل متعددة، تشمل درجة الحرارة، وكثافة ألواح الألياف الخزفية، والمسامية، ومحتوى حبيبات الخبث، وقطر الألياف، والرطوبة، والظروف الجوية، والاتجاه الهيكلي.

في التصميم الهندسي، ينبغي التركيز على ما يلي:

اختيار كثافة ألواح الألياف الخزفية بشكل مدروس

التحكم في محتوى حبيبات الخبث وقطر الألياف

تعديل نوع المادة وفقًا لدرجة الحرارة

تحديد طريقة التركيب بما يتناسب مع هيكل الفرن

لا يمكن تحقيق الكفاءة العالية، وتوفير الطاقة، والتشغيل المستقر طويل الأمد إلا عند توافق خصائص المادة مع ظروف التشغيل.