مقدمة
يمكن قياس الأداء الحراري لمواد البناء الصلبة وذات الموصلية الحرارية العالية (مقاومة حرارية أقل) مثل الأخشاب وألواح الجبس والخرسانة والحجر ومنتجات البناء الأخرى باستخدام أدوات HFM و GHP (الشكل 1 و 2). هذه الطرق عبارة عن تقنيات اختبار موحدة ويرتبط تطبيقها (المواد العازلة ومواد البناء) ارتباطًا وثيقًا بالمعايير التالية على سبيل المثال
- المواصفة القياسية ISO 8301:1991: العزل الحراري - تحديد المقاومة الحرارية في الحالة المستقرة والخصائص ذات الصلة - أجهزة قياس التدفق الحراري.
- المواصفة القياسية ISO 8302:1991: العزل الحراري - تقدير المقاومة الحرارية في الحالة المستقرة والخصائص ذات الصلة - جهاز لوح تسخين محمي.
- ASTM C518: طريقة الاختبار القياسية لقياسات التدفق الحراري في الحالة المستقرة وخصائص الانتقال الحراري بواسطة جهاز مقياس التدفق الحراري.
- ASTM C177: طريقة الاختبار القياسية لقياسات التدفق الحراري في الحالة المستقرة وخصائص الانتقال الحراري بواسطة جهاز مقياس التدفق الحراري المحمي.
- DIN EN 12667/12939:2001: الأداء الحراري لمواد ومنتجات البناء - تحديد المقاومة الحرارية بواسطة جهاز قياس التدفق الحراري المحمي باللوح الساخن المحمي وطريقة مقياس التدفق الحراري - المنتجات (السميكة) ذات المقاومة الحرارية العالية والمتوسطة.
- DIN EN 13163:2001: منتجات العزل الحراري للمباني - المنتجات المصنوعة في المصنع من البوليسترين الممدد (EPS) - المواصفات.
باستخدام طريقة GHP المطلقة يمكن تحقيق دقة ± 2٪. تتطلب طريقة HFM معايرة الجهاز. اعتمادًا على المادة المرجعية، يمكن أيضًا الحصول على دقة ± 2٪.
كيفية التعامل مع العينات الصلبة ذات الأسطح الخشنة
ومع ذلك، قد تتطلب كلتا الطريقتين تحضيرًا دقيقًا للعينة وتقنيات خاصة لقياسات دقيقة لدرجة حرارة السطح. يمكن أن يكون للمواد المذكورة أعلاه (على سبيل المثال، الخرسانة) أسطح خشنة ويمكن أن يكون إعداد الأسطح الحرارية شديدة الانسيابية والمتوازية صعبًا. ونتيجة لذلك، قد توجد مقاومة حرارية كبيرة للواجهة (انخفاض درجة الحرارة) في أي فجوات هوائية بين ألواح الجهاز وأسطح العينة. إذا أصبحت هذه المقاومة الحرارية كبيرة مقارنةً بالمقاومة الحرارية للعينة، لا يمكن استخدام مستشعرات درجة الحرارة المركبة في سطح اللوحة لقياس الفرق في درجة الحرارة عبر العينة. وتتمثل إحدى التقنيات في تركيب مزدوجات حرارية إضافية ذات قطر صغير على أسطح العينة ووضع لوح واجهة متوافقة مثل مطاط السيليكون بين اللوحات وأسطح العينة كما هو موضح في الشكل 3 أدناه.
معلمات القياس
بالنسبة لهذه الدراسة، تم اختبار ثلاثة أزواج من العينات الخرسانية (305 مم في 305 مم بسمك 50 مم تقريبًا) باستخدام طريقة GHP (مزدوجة الجوانب)، ثم تم اختبار كل عينة من العينات الست باستخدام طريقة HFM. بالنسبة لكل طريقة، تم استخدام المزدوجات الحرارية المثبتة على سطح العينة وألواح واجهة مطاط السيليكون بسمك 2 مم تقريبًا. تمت معايرة جهاز HFM 436 باستخدام لوح الألياف الزجاجية NIST 1450b (مادة مرجعية قياسية®) بسُمك 25 مم. تم تحقيق قياس درجة الحرارة عن طريق توصيل المزدوجات الحرارية للعينة في قنوات الحصول على البيانات المستخدمة للمزدوجات الحرارية للوحة ثم يمكن للضبط التلقائي في البرنامج ضبط درجات حرارة اللوحة أثناء الاختبار للحصول على الفرق المحدد في درجة حرارة العينة. تم ضبط معلمات التوازن على 1% (تقريبي) و0.1% (دقيق). أُجريت الاختبارات في درجة حرارة الغرفة (متوسط درجة حرارة العينة، انظر الجدول 1). كان الفرق في درجة الحرارة بين صفيحتي GHP حوالي 26 كلفن مع اختلاف في درجة الحرارة بمقدار 12 كلفن عبر العينة. بالنسبة للوحة HFM، كان الفرق في درجة حرارة اللوحة 18 كلفن تقريبًا مع اختلاف درجة الحرارة 8 كلفن عبر العينة.
نتائج الاختبار
ترد النتائج في الجدول 1. إن الموصلية الحرارية البالغة 1.8 واط/(م.كلفن) لعينة الخرسانة ذات الكثافة العالية C أعلى بكثير مقارنةً بـ 1.2 - 1.3 واط/(م.كلفن) للعينتين A وB، كما هو متوقع. الاتفاق بين الطريقتين جيد جدًا، خاصةً بالنظر إلى المقاومة الحرارية المنخفضة للعينات والأسطح غير الكاملة. يتراوح متوسط الموصلية الحرارية المقيسة بواسطة HFM للعينات الفردية من 4.1% أقل إلى 2.4% أعلى مقارنةً بقياس GHP لكلا العينتين.
الجدول 1: قياسات التوصيل الحراري للخرسانة بواسطة GHP و HFM
العينة | السماكة (مم) | الكثافة (كجم/م3) | متوسط درجة الحرارة (°C) | التوصيل الحراري الموصلية الحرارية (وات/(م.كلفن)) | المقاومة الحرارية المقاومة الحرارية (م.كلفن/ثانية) |
|---|---|---|---|---|---|
| A1، A2 (GHP) | 52.6 | 1896 | 24.1 | 1.36 | 0.0387 |
| A1 (HFM) | 53.6 | 1897 | 23.9 | 1.38 | 0.0387 |
| A2 (HFM) | 51.6 | 1895 | 23.9 | 1.23 | 0.0421 |
| A1، A2 (متوسط، HFM) | 52.6 | 1896 | 23.9 | 1.31 | 0.0404 |
| التباين | -4.0% | ||||
| ب 1، ب 2 (GHP) | 51.1 | 1909 | 25.0 | 1.27 | 0.0402 |
| B1 (HFM) | 51.1 | 1935 | 23.9 | 1.23 | 0.0416 |
| B2 (HFM) | 51.0 | 1882 | 24.1 | 1.21 | 0.0423 |
| B1، B2 (متوسط، HFM) | 51.1 | 1909 | 24.0 | 1.22 | 0.0419 |
| التباين | -4.1% | ||||
| ج 1، ج 2 (GHP) | 51.4 | 2297 | 25.2 | 1.76 | 0.0292 |
| C1 (HFM) | 51.7 | 2298 | 23.4 | 1.92 | 0.0269 |
| C2 (HFM) | 51.1 | 2296 | 23.8 | 1.69 | 0.0303 |
| C1، C2 (متوسط، HFM) | 51.4 | 2297 | 23.6 | 1.80 | 0.0286 |
| التباين | 2.4% | ||||
الخاتمة
كلتا الطريقتين، طريقة GHP المطلقة وطريقة HFM النسبية، مؤهلتان لتحديد الموصلية الحرارية والمقاومة الحرارية لمواد البناء الصلبة وذات الموصلية الحرارية العالية (>1 وات/(م.كلفن)) - حتى مع الأسطح الخشنة. وقد تبين أنه يمكن تحقيق قياسات دقيقة لدرجة حرارة السطح باستخدام المزدوجات الحرارية الإضافية والألواح المتوافقة بين الألواح والعينة. يشير الانحراف الضئيل بين نتائج اختبار GHP و HFM بالفعل إلى قدرة الأداء العالية لكلتا الطريقتين.