Yalıtım malzemelerinin mikroyapılarının ısı geçişine etkisi

Yalıtım malzemeleri sıcaklığı farklı iki ortam arasında ısı geçişini azaltmak, enerjinin daha verimli kullanılabilmesini sağlayabilemek için kullanılan malzemelerdir. Lif esaslı yalıtım malzemeleri endüstriyel ve evsel olarak kullanılan yalıtım malzemelerinin en yaygınıdır. Bu malzemelerin kullanım alanları sıradan bina yalıtımlarından, yüksek sıcaklıklarda kullanılan uzay araçlarına kadar değişkenlik gösterebilmektedir. Lif esaslı yalıtım malzemelerinde ısı geçişi iletim ve ışınım yoluyla olmaktadır. Havanın ısıl iletkenliği ve liflerin ışınım saçma ve yayma özellikleri üzerlerine gelen ışının dalga boyu ile, dolayısıyla sıcaklık ile değiştiğinden lif esaslı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlikleri sıcaklığa bağlıdır. Lif esaslı yalıtım malzemeleri, liflerin malzeme içerisindeki havanın hareketini engelleyebilecek seviyede sürtünme yaratmasından dolayı taşınım ile ısı geçişini göz ardı edebilebilecek kadar engelleyebilmektedir. Genelde yalıtım malzemerinin ısı geçişi hesapları malzeme yığın olarak kabul edilerek bulunmuş ampirik formüllerle yapılır. Ama bu şekilde yapılan hesaplamalarla, malzemenin ısı yalıtımınının nasıl arttırılabileceği konusunda çıkarımların yapabilmesi mümkün değildir. Bu tez çalışmasında, lif esaslı yalıtım malzemelerinin morfolojik özelliklerinin, malzemenin ısı geçirgenliğine etkileri araştırılmıştır. Malzemenin ışınım ve iletim yolu ile ısı geçişleri ayrı ayrı incelenmiş ve yalıtım malzmesinin ısıl geçirgenliğini gösteren efektif ısıl iletim katsayısı elde edilmiştir. İletim terimi, gaz ve katı iletimi etkilerinin ampirik bir formül yardımıyla birlikte düşünülmesiyle elde edilirken, ışınım terimi ise istatiksel bir yöntem olan Monte Carlo Işın İzleme (MCIİ) yöntemi ile elde edilmiştir. MCIİ yöntemi ile ısı geçişinde önemli rol oynayan görme faktörleri karmaşık geometrilerde dahi kolaylıkla hesaplanabilmektedir. Yöntemde ısı kaynağı olarak kabul edilen plakanın, olasılık dağılım fonksiyonlarına göre belirlenen koordinatından, yine olasılık dağılım fonksiyonlarına göre belirlenen yönde bir ışın gönderilir ve bu ışının izlediği yol takip edilir ve bu işlem bir çok kez tekrarlanır. İşlem sonucunda ısı kuyusu kabul edilen yere ulaşan ışın sayısının, ısı kaynağı kabul edilen yerden gönderilen ışın sayısına oranı, ısı kaynağının ısı kuyusunu görme faktörünü verir. Eğer ısı kaynağı ile ısı kuyusu arasına poroz bir ortam yani lif esaslı yalıtım malzemesi konursa işlem biraz daha karmaşıklaşır. Isı kaynağından yayılan ışın ortam içerisindeki lifler tarafından saçınır, yutulur ve tekrar yayılır ve bu süreç ışın ısı kuyusuna ulaşana ya da tekrar ısı kaynağına ulaşana kadar devam ettirilir. Bu işlem sonucunda ısı kuyusuna ulaşan ışın sayısının, ısı kaynağından gönderilen ışın sayısına oranı malzemenin ısıl geçirgenliğini verir. Malzemenin geçirgenliği demek aslında arasına konulduğu ısı kaynağının, ısı kuyusunu görme faktörü demektir. MCIİ yöntemi sayesinde lif esaslı yalıtım malzemesinin ısıl geçirgenliğinin malzemenin katı hacim oranına (malzemedeki lif hacminin, malzemenin hacmine oranı), liflerin çapına ve liflerin yutma katsayısına bağlı olarak değişimleri bulunabilmekte ve bu sayede optimum yalıtım malzemesi tasarımı için fikirler elde edilebilmektedir. Yapılan sayısal çalışmaların deneysel olarak da kanıtlanabilmesi için Sıcak Klavuz Levhalı (Guarded Hot Plate) deney düzeneği tasarımı yapılmış ve denenen yalıtım malzemelerinin morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (Scanning Electron Microscope) ile elde edilerek geliştirilen koda girilmiştir. Teorik ve deneysel çalışmalar karşılaştırıldığında MCIİ yönteminin lif esaslı yalıtım malzemelerininin ısıl analizinde kullanımının gerçekçi sonuçlar verdiği görülmüştür.