EPS ISI YALITIM LEVHALARININ ISIL İLETKENLİK ÖZELİĞİ ÜZERİNE ÜRETİM PARAMETRELERİNİN ETKİSİ

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye EPS ISI YALITIM LEVHALARININ ISIL İLETKENLİK ÖZELİĞİ ÜZERİNE ÜRETİM PARAMETRELERİNİN ETKİSİ THE EFFECT OF PRODUCTION PARAMETERS OF EPS INSULATION BOARDS ON THERMAL CONDUCTIVITY PROPERTY Esma Mıhlayanlar a Şükran Dilmaç b Abdurrahman Güner c a* Trakya Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fak. Mimarlık Bölümü, Edirne, Türkiye, emihlayanlar@trakya.edu.tr b Emekli Öğretim Üyesi, sukrand1@yahoo.com c Namık Kemal Üniversitesi, Çorlu Mühendislik Fak., İnş. Müh. Bölümü, Tekirdağ, Türkiye,abguner@yahoo.com Özet Piyasalarda Genleştirilmiş Polistiren Köpük (EPS) ısı yalıtım levhaları yoğunluklarıyla anılmalarına rağmen standardlarda yoğunluktan bağımsız sınıflandırılmaktadır. Ürün özelikleri üzerine yoğunluk ve üretim parametrelerinin etki derecesi tartışılan bir konu olmakla beraber özellikle Türkiye deki yayınlarda bu konu ile ilgili deneysel çalışmaya rastlanmamaktadır. Bu çalışmada EPS ısı yalıtım levhalarının üretim parametrelerinin ısıl iletkenlik üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırıldı. Öncelikle genleştirilmiş polistiren köpüğün üretim sürecindeki üretim parametreleri tespit edildi. Bu amaçla, önce üretim aşamalarında meydana gelen fiziksel olaylar tanımlandı ve ilgili özeliği etkileyecek içyapı fiziksel özelikleri belirlendi. Daha sonra, bu içyapı fiziksel özeliklerini etkileyebilecek üretim sürecindeki fiziksel olaylar ve etki dereceleri yorumlandı. Bu yorumlar çerçevesinde üretim parametrelerinin önem sırası belirlendi ve hangi büyüklüklerin öncelikle incelenmesi gerekeceği ve değerlerinin hangi aralıkta değiştirilmesinin uygun olacağı irdelendi. Daha sonra üretim parametrelerinin etkisini belirleyecek şekilde deney planı yapıldı ve numune boyutları belirlendi. Numuneler üretici birliği PÜD (Polistiren Üreticileri Derneği) tarafından deneyler için özel olarak üretildi. Yapılan deneyler ve istatistiksel değerlendirmeler Genleştirilmiş Polistiren Köpük ısı yalıtım levhalarında yoğunluğun ısıl iletkenlik üzerinde yaklaşık olarak %90 oranında etkili olduğunu, üretim parametrelerinin etkisinin ise, %10 mertebesinde kaldığını göstermektedir. Ayrıca üretim parametrelerinin değerlerinin yoğunluklara bağlı olarak değiştirilmesi gerektiği görüldüğünden üretim parametrelerinin değişmesi için sınır yoğunluklar önerilmektedir. Anahtar kelimeler: Genleştirilmiş polistiren köpük (EPS), EPS ısı yalıtım levhaları, Isıl iletkenlik, EPS'in üretim parametreleri Abstract Although Expanded Polystrene Foam (EPS) thermal insulation boards are known with their density in the markets, they are classified as being independent of density in standards. The effect of its density and production parameters on product properties is the core of discussion; however no experimental work has been found among the studies carried out in Turkey. In this study, therefore, the effect of production parameters of EPS thermal insulation boards on thermal conductivity was examined experimentally. As the initial phase, the production parameters of expanded polystyrene foam in its production process were defined. For this purpose, the physical events which occur during production processes are initially defined, and then the physical characteristics of the internal structure which affect the relevant characteristic are determined. After that, the physical events and the levels of their effects, which might affect the physical characteristics of the internal structure, were described. Based on these comments, the production parameters were listed regarding their importance and size, which need to be investigated primarily. In addition, the modification ranges of the values were determined. After all, the experiment plan was designed to determine the level of effects of production parameters. The sizes of the samples were determined. The samples were produced by Polystyrene Manufacturers Union PUD (Turkish Polystrene Manufacturers Association) The experiments and statistical evaluations reveal that the density of Expanded Polystrene foam (EPS) thermal insulation boards on the thermal conductivity approximately is about 90%; however, the effects of production process parameters are found out to be about 10%. Depending on the research findings, it can be suggested that the values of production parameters need to be modified regarding different densities. In addition, limit densities are proposed for the production parameters Keywords: Expanded Polystrene foam (EPS), EPS thermal insulation boards, thermal conductivity, production parameters of EPS 1. Giriş EPS ısı yalıtım levhaları, hem ucuz olması hem de özelliklerinin geniş bir aralıkta istenilen düzeyde ayarlanabilmesi sebebiyle binalarda geniş kullanım alanına sahiptir. EPS ısı yalıtım levhaları bloktan kesilerek veya tek tek levhalar kalıp içinde şekillendirilerek üretilebilen IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 malzemelerdir. Ancak günümüzde ısı yalıtım levhaları üretimi esas olarak bloktan kesilerek elde edilmektedir. Bloktan kesilerek üretim; ön şişirme, olgunlaşma ve kalıplamadan oluşan üç temel aşamada gerçekleşmektedir [1]. EPS ürün standardı olarak 17 Nisan 2002 tarihli TSE Teknik kurulunda EN ün tercümesi olan TS EN Isı Yalıtım Mamulleri-Binalar İçin-Fabrikasyon Olarak İmal Edilen -Genleştirilmiş Polistiren Köpük - Özellikler kabul edilmiştir [2]. Fabrika kalite kontrol mekanizması gerektiren ve ürünün değerlerine uygunluğunun sorumluluğunu üreticiye bırakan bu standarda uygunluk için, üreticilerin üretim teknolojilerini, araştırma sonuçlarından ve güncel bilgilerden faydalanarak kontrol etmeleri gerekmektedir. Aynı zamanda, ürününü mümkün olan en düşük maliyetle ve en yüksek nitelik ile üretebilmek her zaman önemlidir. Bunun sağlanabilmesi için, ürün özeliklerini etkileyen mekanizmaların kapsamlı bir şekilde tanımlanmış olması gerekir. Yakın zamana kadar EPS ısı yalıtım levhalarının ürün özelikleri üzerinde yoğunluğun etkisinin baskın olduğu bilinmekte idi. Günümüzde ise, yoğunluğun etkisinin dışında, üretim parametreleri üzerinde değişiklikler yaparak EPS ısı yalıtım levhalarının ürün özeliklerinin değiştirilebileceği belirtilmektedir. Bu çalışmada yoğunluğun ve üretim parametrelerinin etki derecelerinin mertebeleri değerlendirildi. Ayrıca deney sonuçlarını etkileyebilmesi açısından numune boyutlarının ve deney şartlarının etkisini de görebilmek amacıyla, farklı kalınlık ve alana sahip numuneler üzerinde de deneyler yapıldı. Bu amaçla ilgili derneğe başvuruldu ve Tablo 1 de verilen değerlerle bu araştırma için özel ürünler hazırlamaları talep edildi. Bu talep kabul edildi ve bu numuneler üzerinde deneysel çalışmalar yapıldı [3]. Farklı seriler harflerle kodlandırıldı (Tablo 1). Tablo 1 Farklı üretim şartları oluşturmak amacıyla, üretim parametrelerinde yapılan değişiklikler Parametreler A Serisi B Serisi C Serisi Ön şişirme aşamasında Buhar sıcaklığı Giriş sıcaklığı Çıkış sıcaklığı 125 C 80 C 100 C 100 C 180 C 160 C Ön şişirme aşamasında buhar basıncı bar 0.3 bar bar Ön şişirme aşamasında hammaddenin tank içinde kalma süresi 3 dakika 5 dakika 1 dakika Ön şişirme tankından çıkan taneciklerinin kurutulması için üflenen hava sıcaklığı 20 C 40 C 60 C 2. Deneysel Çalışma 2.1. Isıl iletkenlik Bu çalışmada ısıl iletkenlik ile ilgili deneyler TURKAK tarafından akredite edilmiş laboratuarda EN ve ISO 8301 de belirlenen şartlara ve hata sınırına uygun olarak yapan NETZSCH Marka HFM 436/3/1 model heat flow meter (ısı akışı ölçer) ile gerçekleştirildi ve [2, 4]. Isıl iletkenlik deneyinde kullanılan numunelerin özelikleri Tablo 2 de verilmektedir. Köpük malzemelerde yaklaşık 40 kg/m 3 yoğunluğa kadar, yoğunluk ile ısıl iletkenlik arasında ters orantı vardır. Yoğunluk arttıkça ısıl iletkenlik azalmaktadır. Düşük yoğunluklardaki köpük malzemelerin yapıları gereği hâkim ısı iletim mekanizması radyasyonla ısı iletimi olduğu için, bu sonuç beklenen bir durumdur [5]. TS EN e göre anma kalınlığına göre edilecek ısı iletkenliği hesaplanmasında kalınlık etkisi dönüşüm faktörü kullanılarak deney numunelerinde kalınlık düzeltmesi istenmektedir [2]. Tüm seriler için anma yoğunlukları ve TS EN e göre kalınlık düzeltmesi yapılmış ısı iletkenlik değerleri toplu olarak Şekil 1 de gösterilmektedir. Şekil 1 de kalınlık düzeltmesi yapılmış ısıl iletkenliklerinin yoğunlukla doğrusal olmayan bir azalma gösterdiği görülmektedir. Standard da Beyan edilen ısıl iletkenlik W/mK ne eşit veya daha az olan 50 mm veya daha ince levhalar için kalınlık etkisi ihmal edilir denilmekle beraber bu çalışmada tüm numuneler için kalınlık düzeltmesi uygulandı [3].

3 Tablo 2 Isıl iletkenlik deneyinde kullanılan numune özelikleri Üretim Yoğunluk Alan Kalınlık Sayı Üretim Yoğunluk Alan Kalınlık Sayı kodu kg/m 3 mm 2 mm adet kodu kg/m 3 mm 2 mm adet B A C D B Tüm serilere ait ısıl iletkenliklerin karşılaştırılabilmesi için sonuçlarına göre belirlenen değerleri ile kalınlık düzeltmesi yapıldıktan sonra belirlenen değerlerinin en küçük, en büyük, ortalama değerleri ile standard sapmaları Tablo 3 de görülmektedir. D serisi, piyasadan alınmış numunelerdir. Çalışmada ürün özeliklerinin üzerinde yoğunluğun ve üretim parametrelerinin etkilerinin sayısal bir değerlendirilmesinin yapılması amacıyla; tüm veriler kullanılarak yoğunlukla ısı iletkenliğinin değişimi için en küçük kareler yöntemi ile doğrular geçirildi [3]. Bu doğruların denklemlerinden faydalanarak belirli yoğunluklar için incelenen özelik değerleri tüm seriler için ve her seri için ayrı ayrı hesaplandıktan sonra; her seri için hesaplanan değerin tüm seri için hesaplanan değerden sapma miktarları belirlendi (Tablo 4) [3]. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

4 Tüm seriler Kalınlık düz. yapıl. ısı iletkenliği, W/mK A serisi B serisi C serisi D serisi 0,046 0,045 0,044 0,043 0,042 0,041 0,040 0,039 0,038 0,037 0,036 0,035 0,034 0,033 0,032 0, Anma yoğunluğu, kg/m 3 Şekil 1. Tüm serilerin kalınlık düzeltmesi yapılmış ısıl iletkenliklerinin anma yoğunluğu ile değişimi (numune sayısı=276) Tablo 3 Isıl iletkenlik ile ilgili değerlerinin karşılaştırılması Anma yoğunluğu Tüm serilerde ısıl iletkenlik ( W/mK) en küçük en büyük ortalama standard sapma kalınlık kalınlık kalınlık kal.dü düz. düz. düz. Seri (kg/m 3 ) Numune sayısı A B C D

5 Tablo 4 Kalınlık düzeltilmesi yapılmış ısıl iletkenlik sonuçlarında yoğunluk ve üretim parametrelerinin etkilerinin değerlendirilmesi ( mm alanlı numunelerde) [3] Anma yoğunluğu (kg/m 3 ) Denklemlere göre hesaplanan ısı iletkenliği değerleri (W/(mK)) ve farklı serilerin sonuçlarının tüm seri sonuçlarından sapması (W/(mK), %) İlet.. W/(m K) Tüm seriler A serisi B serisi D serisi Sapma İlet.. W/(m K) % W/(m K) Sapma W/(m K) % İlet. W(m K) Sapma W/(m K) % İlet.. W/(m K) Sapma W/(m K) % ve 30 kg/m 3 yoğunluklarda hesaplanan ısı iletkenliği farkları (W/(mK)) ve her seriye ait farkların tüm seri sonuçları için hesaplanan farktan sapması (%) Fark Sapma Ortalama ve Standard sapma değerleri (W/(m K)) ve her seriye ait değerlerin tüm seri sonuçları için hesaplanan değerden sapması (%) Ortalama Sapma Standard sapma Sapma Kalınlık düzeltilmesi yapılmış ısı iletkenliği sonuçlarında serilerin tüm verilere ait değerlerden sapmaları %0.0 ile %11.0 arasında değişmektedir. A ve D serisinde sapma 15 kg/m 3 de sıfırlanırken 25 ve 30 kg/m 3 yoğunluklarda en yüksek değerine erişmektedir. B serisinde ise sapmalar tüm yoğunluklarda yüksektir ve 25 kg/m 3 yoğunlukta %11 ile en yüksek değerine ulaşmaktadır. Ortalama değerlerdeki sapmalar küçüktür. A serisinde sıfırlanırken en büyük değer %5.4 ile D serisinde görülmektedir. Buna karşılık standard sapma değerlerinde ve 15 ile 40 kg/m 3 yoğunluklar arasındaki farklarda görülen sapmalar oldukça büyük olabilmektedir. Isıl iletkenlik açısından hangi serinin üretim parametrelerinin daha uygun sonuçlar verdiği Tablo 5 de görülmektedir. Kalınlık düzeltmesi yapılmış ısıl iletkenlik değerleri açısından A serisinde 20, 25, 30 kg/m 3 yoğunluklarda, B serisinde 15, 16, 17, 26 kg/m 3 yoğunluklarda ve D serisinde 26 kg/m 3 yoğunlukta iyileştirilmesi gereken değerler görülmektedir. Tablo 5 Kalınlık düzeltmesi yapılmış ısıl iletkenlik değerlerine anma yoğunluğunun ve üretim parametrelerin etkilerinin değerlendirilmesi [3] SERİLER Numune Alanı A B C D mm 2 Yoğunluk kg/m Kalınlık düz. Yap.ısıl iletkenlik En büyük Ortalama En küçük

6 Tablo 6 Farklı serilerdeki standard sapmaların yoğunlukla değişimi Ürün Özeliği KALINLIK DÜZ. YAP. BEYAN ISI İLETKENLİK SERİLER Alan (en boy), mm 2 A B C D 25 yoğunluk 16 yoğunluk 26 yoğunluk * Standard sapmaların en büyük olduğu yoğunluktan en küçük olduğu yoğunluğa sıralanmıştır. Isıl iletkenlik standard sapmalarının değerlendirmelerini yapabilmek için Tablo 6 hazırlandı. Bu tabloda standard sapmalar büyükten küçüğe ve standard sapmalardaki en yüksek en düşük değerler arasındaki farklara göre sıralandı. Ürün özeliklerine göre ısı iletkenliğinde en yüksek standard sapmalar A serisinde 25 kg/m 3 yoğunluk, B serisinde 16 kg/m 3 yoğunluk, D serisinde 26 kg/m 3 yoğunluk değerlerinde görülmektedir. 3. Sonuçlar Genleştirilmiş polistiren köpük (EPS) ısı yalıtım levhalarının ürün özeliği üzerinde hâkim olan değişken yoğunluktur. Ancak bu çalışma kapsamında incelenen üretim parametrelerinin de incelenen ısıl iletkenlik özelliği üzerinde %10 u aşmamakla birlikte etkisi söz konusudur. Genleştirilmiş Polistiren Köpük (EPS) ısı yalıtım levhalarının kalınlık düzeltmesi yapılmış ısıl iletkenliği üzerinde üretim parametrelerinin etkisinin %10 mertebesinde olduğu söylenebilir. Bu çalışmanın sonuçlarından, üretim parametrelerinin değiştirilmesi ile çok sıra dışı değerler elde edilmesi mümkün görülmemektedir. Bununla birlikte, ürün özeliklerindeki dağılımın azaltılması ve küçük oranlarda da olsa, üretim parametrelerinin değiştirilerek daha iyi sonuçlar elde edilmesi, hem üreticinin ve hem de tüketicinin yararınadır ve üzerinde çalışılmaya değerdir. Kaynaklar [1] Dilmaç, Ş., Genleştirilmiş Polistiren El Kitabı, Polistiren Üreticileri Derneği, İstanbul, [2] TS EN 13163, Isı Yalıtım Mamulleri - Binalar İçin - Fabrikasyon Olarak İmal Edilen - Genleştirilmiş Polistiren Köpük - Özellikler, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, [3] Mıhlayanlar, E., Genleştirilmiş Polistiren Köpük (EPS) Yalıtım levhalarının Ürün Özelliklerini Etkileyen Üretim Parametrelerinin İrdelenmesi, Trakya Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Edirne, [4] ISO 8301, Thermal insulation - determination of steady state thermal resistance and related properties - heat flow meter apparatus, ISO- International Organization of Standization, Geneva, [5] Skochdopole, R.E., Thermal conductivity of foamed plastics, Foamed Organics,1961. Diğer yandan, üretim parametrelerinin değerleri yoğunluklarla değişmelidir. Her yoğunlukta aynı parametrelerle üretim doğru değildir kg/m 3 yoğunluklar üretim parametrelerinin değişmesi için eşik yoğunlukları oluşturmaktadır. Numune boyutlarının ürün özelikleri üzerinde anlamlı (sistematik) etkisi yoktur. Ama deney sonuçları açısından önemlidir. Teşekkür Çalışmanın deneysel aşamalarında numunelerin hazırlanması ve deneylerin gerçekleştirilmesi konularında Polistiren Üreticileri Derneği ne (PÜD) ve laboratuar çalışanlarına yapmış oldukları yardımlardan dolayı teşekkür ederiz. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye