Kriyojenik İzolasyonun Sırları

Kriyojenik Ortamın Zorlukları ve İzolasyonun Önemi

Kriyojenik ortamlar, kelime anlamıyla “çok soğuk üretme” prensibine dayanır ve genellikle –150°C altı sıcaklıklar için bu terim kullanılır. LNG, sıvılaştırılmış oksijen (LOX), sıvı azot (LIN), sıvı hidrojen (LH2) ve amonyak gibi ultra düşük sıcaklıklarda depolanan akışkanların bulunduğu tank ve boru hatları, çevre ortamı ile aralarındaki büyük sıcaklık farkı nedeniyle sürekli bir ısı akışına maruz kalır. Termal izolasyonun temel amacı bu ısı akısını azaltmak olsa da kriyojenik uygulamalarda asıl mücadele yalnızca ısı kaybı ile sınırlı değildir. Bu ortamlar, malzemeler ve sistem bütünlüğü üzerinde benzersiz riskler oluşturur.

Kriyojenik izolasyonun başarısını belirleyen iki kritik unsur vardır: buhar difüzyonu ve yoğuşma riski ile termal büzülme kaynaklı mekanik stresler. Bu iki unsur kontrol altına alınmadığı sürece, en iyi izolasyon malzemesi bile kısa sürede ısı köprüleri, buzlanma, mekanik çatlaklar ve CUI (Korozyon Altı İzolasyon) gibi ciddi arızalara yol açabilir.

 
1. Buhar Difüzyonu ve Yoğuşma: Kriyojenik İzolasyonun En Büyük Tehdidi

Kriyojenik hatlarda dış ortam nemi, sıcak–soğuk farkı nedeniyle izolasyon yüzeyine doğru güçlü bir difüzyon eğilimi gösterir. Bu nem izolasyon malzemesine nüfuz ederek soğuk yüzeylere ulaştığında bir anda donar ve buz haline gelir. Bu olay, literatürde detaylı şekilde incelenmiş olup buzul oluşumu malzemenin k-değerini (ısı iletkenlik katsayısı) keskin biçimde artırarak izolasyon performansını neredeyse tamamen yok eder.

Aynı zamanda buzlanmanın oluşturduğu hacim artışı, malzeme içinde mikro çatlaklar yaratır. Bu, daha fazla nem çekilmesine, buzlanmanın büyümesine ve izolasyonun tamamen çökmesine yol açar.

ASME tarafından yayınlanan Cryogenic Insulation Materials: Properties and Challenges başlıklı çalışmada ([A.1]), kriyojenik ortamlarda buhar difüzyonunun “izolasyonun sessiz düşmanı” olduğu belirtilmektedir. Bu nedenle kriyojenik izolasyonda ısı yalıtımından daha kritik bile kabul edilen bir unsur vardır:

👉 Kusursuz bir buhar bariyeri (vapour barrier).

Eğer buhar bariyeri tek bir noktadan dahi delinmişse, kriyojenik sistem kısa sürede buzlanır ve izolasyon tamamen işlevsiz hale gelir.

 
2. Termal Büzülme ve Malzeme Çatlakları

Ultra düşük sıcaklıkların bir diğer etkisi malzeme büzülmesidir. Her malzeme, sıcaklık değişimine farklı tepki verir. Metal yüzey ile izolasyon malzemesinin büzülme katsayısı aynı değildir. Bu durum:

İzolasyon yüzeyinde çatlaklar,
PIR/PUR bloklar arasında boşluklar,
Derz açılmaları,
Sızdırmazlık kaybı,
Isı köprüleri
gibi problemlere yol açar.

Bu nedenle kriyojenik izolasyon tasarımında, kullanılan malzemenin termal hareket kapasitesi, basma dayanımı ve boyutsal stabilitesi göz önüne alınmalıdır.

 
3. Kriyojenik İzolasyonda Malzeme Seçimi (Standartlara Göre)

Kriyojenik ortamlarda kullanılan izolasyon malzemeleri yalnızca düşük k-değerine göre seçilmez. Aynı zamanda:

Buhar geçirimsiz olmalı,
Kapalı hücre yapısı bulunmalı,
Yüksek basma dayanımına sahip olmalı,
Yangına dayanıklı / kendi kendine sönme özellikli olmalı,
Termal büzülmeye dirençli olmalıdır.
Aşağıda kriyojenik projelerde en sık kullanılan malzemeler ve uluslararası standart referansları yer almaktadır.

 
Cellular Glass (Foamglas)

Foamglas, kapalı hücreli yapısı sayesinde su ve nem geçirimsizdir. Bu özelliği onu kriyojenik izolasyonun en güvenilir malzemelerinden biri yapar. Yüksek basma dayanımı sayesinde özellikle tank altı izolasyonunda kullanılır. Kimyasal olarak inert olması, CUI riskini tamamen ortadan kaldırır.

Atıf: ASTM C552, EN 14366
Kullanım: Tank altı, LNG ve LOX/LIN hatları.

 
Poliüretan Köpük (PUR / PIR)

PUR köpük maliyet açısından avantajlıdır; ancak kriyojenik ortamlarda PIR, daha yüksek yangın direnci ve boyutsal kararlılığı nedeniyle tercih edilir. Çok düşük k-değeri sayesinde boru hatlarında üstündür.

Atıf: ASTM C591, EN 14308
Kullanım: Boru ve ekipman hatları, tank gövdesi.

 
Aerogel / Cryogel Battaniyeleri

Aerogel, dünyadaki en düşük k-değerlerinden birine sahip olduğundan ince kesitlerde bile yüksek performans sağlar. Vana ceketlerinde, flanşlarda ve karmaşık geometriye sahip ekipmanlarda büyük avantaj sağlar.

Atıf: ASTM C1728
Kullanım: Vana, flanş, ekipman detayları.

 
MLI (Multi-Layer Insulation – Çok Katmanlı İzolasyon)

Genellikle endüstriyel alanda nadir kullanılsa da bazı özel kriyojenik tanklarda uygulanabilir. NASA’nın Cryogenic Insulation Systems standardında ([A.2]) belirtildiği üzere uzay uygulamalarında yaygındır.

Atıf: NASA SP-8086
Kullanım: Uzay uygulamaları, laboratuvar tankları.

 
4. Kusursuz Buhar Bariyeri Uygulaması: Kriyojenik İzolasyonun Kalbi

Buhar bariyeri, kriyojenik izolasyon uygulamasında en kritik unsurdur. Aşağıdaki prensipler, tüm uluslararası standartlarda tekrar eden temel kurallardır.

 
Yüzey Hazırlığı
Metal yüzey kesinlikle:

Kuru,
Temiz,
Tozsuz,
Yağ ve kirden arındırılmış olmalıdır.
Islak yüzeye yapılan buhar bariyeri uygulaması hemen bozulur.

 
İlk Buhar Bariyeri Uygulaması
İzolasyon malzemesi yerleştirilmeden önce tank veya boru yüzeyine buhar bariyeri uygulanır. Kullanılan bariyer ürünleri:

Alüminyum folyo laminatlar,
Buhar bariyeri boyaları,
Bitümlü kaplamalar,
Mastikler
olabilir.

Buradaki kritik nokta kesintisiz bir film oluşturmak ve hiçbir yerde açıklık bırakmamaktır.

 
Kapalı Hücreli Malzeme Kullanımı
Nem emilimi düşük malzemeler seçilmelidir. Cellular Glass ve PIR bu açıdan en güvenilir malzemelerdir.

 
Derz ve Ek Yerleri Sızdırmazlığı
Her bir blok, segment veya panel arasındaki açıklıklar özel dolgu macunları ile kapatılmalıdır. Bu adım atlanırsa sistem buzlanarak tamamen işlevsiz hâle gelir.

Bu hatalar doğrudan CUI oluşumuna neden olur.

 
Dış Kaplama ve İkinci Bariyer
Kriyojenik sistemlerde genellikle:

Birinci buhar bariyeri içte,
İkinci buhar bariyeri dışta
uygulanır.

Bu yöntem, EIGA’nın 134/18 dokümanında ([A.3]) kriyojenik tesisler için önerilen standart uygulamadır. Dış kaplama için alüminyum veya paslanmaz çelik sac kullanılır.

Tüm derzler silikon veya özel mastikler ile kapatılarak tamamen su geçirmez bir kabuk oluşturulur.

 
5. Kriyojenik Sistemlerde Enerji Verimliliği ve Uluslararası Standartlar

Kriyojenik sistemlerde enerji verimliliği, yalnızca izolasyon kalınlığıyla değil, buhar bariyerinin başarısıyla birlikte değerlendirilmelidir. ASTM C168 standardında ([A.4]) kriyojenik ortamlarda doğru malzeme seçiminin enerji tasarrufunu doğrudan belirlediği vurgulanır.

EIGA, DOE ve ISO standartlarına göre kriyojenik izolasyon tasarımında aşağıdaki kriterlere uyulmalıdır:

Kapalı hücreli malzeme zorunludur.
En az iki seviyeli buhar bariyeri önerilir.
Derz açıklığı sıfır olmalıdır.
Korozyona karşı sürekli kontrol gereklidir.
Termal büzülme hesapları yapılmalıdır.
Isı köprüleri minimize edilmelidir.
Tüm bu teknik gerekliliklerin amacı, sistemin verimli çalışmasını sağlamak ve uzun ömürlü bir izolasyon yapısı oluşturmaktır.

 
6. Uluslararası Atıflar 
Aşağıdaki kaynaklar bu metindeki teknik bilgilerin dayanaklarını oluşturur:

[A.1] Cryogenic Insulation Materials: Properties and Challenges, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, ASME.
[A.2] NASA SP-8086, Cryogenic Insulation Systems.
[A.3] EIGA Doc 134/18, Insulation for Cryogenic Equipment.
[A.4] ASTM C168, Standard Terminology Relating to Thermal Insulation.