دليل رمل الردم الحراري للكابلات والمقاومة الحرارية النوعية

يعتمد التشغيل الآمن والفعال لكابلات الكهرباء الأرضية على مدى جودة توصيل مادة الردم المحيطة بها للحرارة. تسخن الكابلات أثناء نقل التيار؛ وإذا لم تُبعَد هذه الحرارة بسرعة يسخن الكابل زيادة، فتنخفض سعته (الأمبية) بل ويقصر عمره. هنا يدخل رمل الردم الحراري وخاصيته الأهم — المقاومة الحرارية النوعية — في الصورة. في هذا المقال نشرح ما المقاومة الحرارية النوعية، ولماذا رمل السيليكا/الكوارتز مناسب لهذه المهمة، وعامل الرطوبة الحاسم.

ما المقاومة الحرارية النوعية؟

المقاومة الحرارية النوعية (thermal resistivity) هي مقياس مقاومة المادة لتدفق الحرارة، ويُعبَّر عنها بوحدة K·m/W (أو °C·m/W). كلما انخفضت القيمة، وصّلت المادة الحرارة بشكل أفضل — أي أبعدت الحرارة عن الكابل بسرعة أكبر. لذلك تُطلب في ردم الكابلات مقاومة حرارية نوعية منخفضة.

المقاومة الحرارية النوعية هي مقلوب الموصلية الحرارية (λ بوحدة W/m·K). فمثلاً مقاومة قدرها 0.5 K·m/W تقابل موصلية قدرها 2.0 W/m·K. وللمرجعية، المقاومة الحرارية النوعية للماء الساكن نحو 1.65 K·m/W وللهواء نحو 40 K·m/W؛ وهذا الفرق الكبير يفسر لماذا مسألة الرطوبة التي سنراها بعد قليل بهذه الأهمية.

لماذا رمل السيليكا/الكوارتز مناسب؟

يتمتع معدن الكوارتز بموصلية حرارية عالية بين المواد الطبيعية؛ فهو يوصّل الحرارة أفضل بكثير من الفلدسبار أو الطين. لذلك فإن رمل السيليكا والكوارتز عالي المحتوى من SiO₂ مادة مناسبة فيزيائياً للردم الحراري للكابلات. كما أن الرمل جيد التدرج (ذا توزيع حبيبي واسع) عند دمكه تتراص حبيباته بإحكام أكبر فتقل الفراغات ويزداد توصيل الحرارة.

لكن هنا تفصيلاً حاسماً: الأداء الحراري للرمل يظهر في حالته الرطبة والمدموكة، لا في حالته الجافة أو المفككة.

العامل الحاسم: الرطوبة والدمك

أداء الرمل الجاف مضلِّل. فالفراغات بين حبيبات الرمل الجاف مملوءة بالهواء، والمقاومة الحرارية النوعية للهواء عالية جداً. لذلك لا يوصّل الرمل الجاف الحرارة جيداً وترتفع مقاومته الحرارية. أما عندما يترطب الرمل فيملأ الماء الفراغات بين الحبيبات مكوّناً جسوراً حرارية فتنخفض المقاومة بشكل كبير. والدمك يقوّي التأثير نفسه بتقليل الفراغات؛ إذ تنخفض المقاومة كلما زاد دمك الرمل.

وهنا خطر مهم يسمى «الجفاف الحراري» (thermal dry-out): فعندما يسخن الكابل قد يُبعد رطوبة الرمل المحيط به. وكلما جف الرمل ارتفعت مقاومته، ما يؤدي إلى مزيد من التسخين ومزيد من الجفاف؛ وإن لم يُضبط قد تنشأ حلقة مفرغة تسمى «الانفلات الحراري» (thermal runaway). لذلك تُقيِّم المشاريع الجادة مقاومة الردم في الحالتين الجافة والرطبة مع كثافة مرجعية معاً.

كيف يُختبَر؟

للتعهد بأن رملاً ما يحقق قيمة معينة من المقاومة الحرارية (مثلاً 0.5 K·m/W) يلزم القياس. والطريقة القياسية هي اختبار المسبار الإبري الحراري (thermal needle probe) وفق IEEE 442 وASTM D5334. يُجرى هذا الاختبار عند رطوبة وكثافة مضبوطتين، وغالباً ما يُستخرج «منحنى الجفاف الحراري» (علاقة الرطوبة بالمقاومة). أي لكي يقال إن رملاً «يحقق 0.5» يجب تحديد ظروف الرطوبة والدمك التي حُصل عندها على هذه القيمة.

عندما تلزم الضمانة في الحالة الجافة: الردم المثبَّت

في المشاريع الحرجة التي يجب فيها ضمان القيمة في الحالة الجافة أيضاً بمعزل عن الرطوبة، يُطرح الردم الحراري المثبَّت (المرتبط بالإسمنت). هذا الحل المعروف بالردم الحراري السائل (FTB) خليط قابل للصب مثل الخرسانة يتكون من ركام ورمل وقليل من الإسمنت وماء وملدّن. يستقر في مكانه دون حاجة إلى دمك ويوفر مقاومة حرارية نوعية منخفضة ومستقرة. والمادة الأساس في هذا الردم هي أيضاً رمل السيليكا/الكوارتز.

يمكنكم الاطلاع على الخصائص العامة لرمل السيليكا والكوارتز في مقالينا رمل السيليكا ورمل الكوارتز.

الخلاصة

باختصار، الهدف من رمل الردم الحراري هو إبعاد الحرارة عن الكابل بسرعة، ومقياس ذلك مقاومة حرارية نوعية منخفضة. رمل السيليكا/الكوارتز عالي المحتوى من SiO₂ وجيد التدرج مادة مناسبة لهذه المهمة؛ لكن المقاومة المستهدفة لا يمكن التعهد بها إلا في ظروف الرطوبة والدمك الصحيحة ومع القياس. لتحديد حل الردم الحراري المناسب لمشروعكم يرجى التواصل معنا.