مقدمة
تعتبر مواد العزل الحراري ضرورية لتقليل فقدان الحرارة وضمان ظروف درجة حرارة مستقرة في الأنظمة التقنية. وغالبًا ما يتم توصيف توصيلها الحراري بدقة باستخدام طرق ثابتة، مثل طريقة اللوح الساخن المحروس (GHP). هذه التحقيقات ذات صلة ليس فقط في أبحاث المواد، ولكن أيضًا في السفر إلى الفضاء، حيث يتم استخدام المواد العازلة في الفراغ مع التقلبات الشديدة في درجات الحرارة. توفر قياسات GHP بيانات قيمة للتصميم الحراري وتقييم الأداء، من بين أمور أخرى.
تعتمد الموصلية الحرارية الفعالة للمواد العازلة الليفية (مثل الصوف الزجاجي) بشكل أساسي على ثلاث آليات لنقل الحرارة:
- انتقال الحرارة من خلال المادة الصلبة
- انتقال الحرارة من خلال الإشعاع
- انتقال الحرارة من خلال المرحلة الغازية
واعتمادًا على درجة الحرارة والكثافة والغاز داخل مادة العزل، يمكن أن تختلف الموصلية الحرارية الفعالة بشكل كبير.
تركز هذه المذكرة التطبيقية على الأجواء المختلفة. وقد تم اختبار الصوف الزجاجي القياسي (NIST SRM 1450D)، الذي يتميز بتوصيل حراري معروف في الهواء، في GHP 456 Titan®. الجهاز مزود بفرن يسمح باستخدام غازات تطهير مختلفة، وكذلك للقياسات تحت ضغط منخفض.
تجريبي
تم فحص مادة NIST SRM 1450D عند متوسط درجات حرارة العينة (Tmean) بين 10 درجات مئوية و60 درجة مئوية مع فرق في درجة الحرارة (ΔT) يبلغ 20 كلفن عبر ألواح القياس. أُجريت القياسات تحت غازات مختلفة (الأرجون والنيتروجين والهيليوم) عند ضغوط مختلفة (من 0.01 ملي بار إلى 1000 ملي بار تقريبًا). قبل كل قياس باستخدام غاز آخر، تم تفريغ الجهاز (بما في ذلك العينة) مرتين وتطهيره بالغاز الجديد.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 1 الموصلية الحرارية للعينة في غازات التطهير المختلفة (النيتروجين والأرجون والهيليوم). وترد نتائج القياس ملخصة في الجدول 1.
الجدول 1: الموصلية الحرارية للصوف الزجاجي القياسي (NIST SRM 1450D)، المحددة في غازات التطهير المختلفة مقارنةً بالغازات المستخدمة في الأدبيات
| درجة الحرارة درجة مئوية | الموصلية الحرارية (وات/م-ك) | |||
| الأدبيات [2] | N2 | أر | هيدروجين | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
نظرًا لأن الصوف الزجاجي هو نظام مفتوح المسامات، فإن غاز التطهير يخترق المادة وبالتالي يغير توصيلها الحراري الفعال. الموصلية الحرارية للهواء والنيتروجين متطابقة تقريبًا (انظر الجدول 2). كما هو متوقع، لا يوجد فرق كبير يمكن اكتشافه بين القيم المرجعية للصوف الزجاجي والقياسات تحت النيتروجين. من ناحية أخرى، يتميز الأرجون بموصلية حرارية أقل بكثير من النيتروجين (أقل بنسبة 31% تقريبًا)، كما يتضح من قياس الموصلية الحرارية للصوف الزجاجي مع تطهير الأرجون. القيم المقاسة أقل بنسبة 28% تقريبًا من تلك التي تم الحصول عليها مع النيتروجين.
على عكس الأرجون، يتمتع الهيليوم بتوصيل حراري أعلى بكثير من النيتروجين. تبلغ الموصلية الحرارية الفعالة للصوف الزجاجي مع تنقية الهيليوم أربعة أضعاف تقريبًا عن النيتروجين أو الهواء.
الجدول 2: التوصيل الحراري للغازات المختلفة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية [1]
| الغاز | الموصلية الحرارية / (وات/م كلفن) |
|---|---|
| الهيليوم | 0.150 |
| الأرجون | 0.017 |
| هواء | 0.026 |
| نيتروجين | 0.026 |
يوضح الشكل 2 كيفية تأثير الضغط على التوصيل الحراري للمواد العازلة ذات المسام المفتوحة. وهو يوضح الموصلية الحرارية للصوف الزجاجي عند درجات حرارة مختلفة. ويُعد المنحنى على شكل حرف S نموذجيًا للقياسات المعتمدة على الضغط. ويبين بوضوح أن التوصيلية الحرارية لغاز الخلية تؤثر بشكل كبير على التوصيلية الحرارية الفعالة، وأن هناك اعتمادًا كبيرًا على الضغط تحت عتبة معينة (حوالي 300 ملي بار). ويمكن تفسير ذلك بطول المسار الحر لجزيئات الغاز أو ذراته.
يتم تحديد انتقال الحرارة داخل الغاز بشكل أساسي من خلال عدد الجسيمات ومتوسط المسار الحر بينها. عند الضغوط المنخفضة قليلاً، يزداد متوسط المسار الحر المتوسط، لكن عدد الجسيمات يتناقص. وبالتالي، تظل الموصلية الحرارية ثابتة. ومع ذلك، لا ينطبق هذا الأمر عند الضغوط المنخفضة جدًا [3]. من نقطة معينة فصاعدًا (هنا، 300 ملي بار تقريبًا)، لا توجد جسيمات كافية للتصادم، ويقع متوسط طول المسار الحر ضمن نطاق أقطار المسام. بدءًا من هذه النقطة، يعتمد انتقال الحرارة في الغاز على عدد جسيمات الغاز فقط. إذا انخفض عدد الجسيمات بسبب انخفاض الضغط، ينخفض انتقال الحرارة عبر الغاز بشكل كبير، وكذلك الموصلية الحرارية الفعالة للمادة بأكملها.
الملخص
بسبب تركيبها، تعتمد الموصلية الحرارية للمواد العازلة بشكل كبير على الضغط وغاز الخلية. GHP 456 Titan® هو جهاز القياس المثالي لتحديد الموصلية الحرارية الفعالة في ظل هذه الظروف الصعبة. وبفضل برنامجه البديهي والتحكم التلقائي في الضغط، لا يزال من السهل إجراء القياسات.