مقدمة
يتوفر خيار جديد لمجموعة أدوات NETZSCH HFM 436 (الشكل 1) يتيح للمستخدمين إجراء اختبارات مقياس التدفق الحراري على العينات المعرضة لأحمال انضغاطية عالية؛ وتوسع هذه الميزة نطاق إمكانيات برامج البحث والتطوير على العزل الحراري.
من خلال تغيير ضغط اللوحة على العينة لتحقيق مستويات مختلفة من الضغط، يمكن للمستخدمين توليد منحنيات للتوصيل الحراري كدالة للكثافة، مما يكشف عن معلومات حول القوة النسبية لعمليات نقل الحرارة المختلفة في منتجات العزل الحراري.
توفر هذه المذكرة التطبيقية تحليلاً لآليات نقل الحرارة الثلاث السائدة في مادة عازلة زجاجية ليفية من أجل اشتقاق تعبير تحليلي للاعتماد الوظيفي للتوصيل الحراري على الكثافة؛ تتم مقارنة تنبؤات النموذج التحليليلي مع بيانات اختبار HFM الفعلية التي تم إنشاؤها تحت أحمال مختلفة في HFM 436 Lambda المحدث. ولوحظ اتفاق ممتاز على نطاق الكثافة بالكامل، والذي امتد بنسبة 19:1 من الأعلى إلى الأدنى.
نقل الحرارة متعدد الأنماط داخل المواد العازلة
في عالم اليوم الذي يتسم بالوعي في مجال الطاقة، هناك تذكير دائم بأهمية تدابير ترشيد الطاقة - ومن أهمها تعزيز الأداء الحراري للمباني باستخدام عوازل عالية الجودة. وقد استفادت جهود البحث والتطوير التي يبذلها المصنعون بهدف تطوير عوازل حرارية عالية الأداء استفادة كبيرة من التطوير الموازي لأدوات تجريبية وتحليلية أكثر قوة لتقييم التقدم المحرز. تمثل قدرات الاختبار الجديدة التي نوقشت في هذه المذكرة التطبيقية خطوة أخرى في هذا الاتجاه.
في هذه الدراسة الحالية، نقوم بتحليل انتقال الحرارة من خلال بطانية من الألياف الزجاجية التي تستخدم عادةً كعازل للمباني. هذه البطانية هي عبارة عن مجموعة متشابكة من الألياف الزجاجية الطويلة التي تشكل المصفوفة التي يتم حبس الهواء بداخلها.
التوصيل عبر الهواء:
في درجات الحرارة المعتدلة، يحدث جزء كبير من انتقال الحرارة عبر العازل عن طريق التوصيل عبر الهواء، وهو مستقل عن الكثافة. ويخضع وضع انتقال الحرارة هذا لمعادلة فورييه مع موصلية هواء ثابتة λair.
التوصيل عبر الألياف الزجاجية:
يخضع انتقال الحرارة عبر الألياف الزجاجية أيضًا لمعادلة فورييه، ولكن في هذه الحالة، تكون الموصلية الحرارية المقابلة glass دالة للكثافة ρ. تزداد المسارات الموصلة بالتناسب تقريبًا مع الكثافة على النحو التالي
λglass = B ∙ρρ
مع كون B ثابتًا.
الإشعاع:
بالنسبة لنمط نقل الحرارة الإشعاعي، غالبًا ما يُعتبر غطاء الألياف الزجاجية وسطًا ممتصًا وباعثًا ومشاركًا وسميكًا بصريًا مع خصائص بصرية مستقلة عن الطول الموجي. بهذه الافتراضات، يُشتق انتقال الحرارة الإشعاعي على النحو التالي
qradiative = -λrad dT/dx
تشبه هذه المعادلة قانون فورييه، وهذا هو السبب في أن λrad غالبًا ما يشار إليها باسم التوصيل الحراري الإشعاعي. وكلما كانت البطانية أكثر كثافة، كلما زاد عدد الألياف الزجاجية لكل وحدة حجم، مما يؤدي إلى مزيد من التشتت وخفض النقل الإشعاعي.
وبالتالي يتحلل التدفق الإشعاعي بمعدل يتناسب عكسيًا مع الكثافة:
λrad = C/ρ
مع كون C ثابتًا.
والحرارة الكلية المنقولة عبر البطانية هي مجموع هذه الأنماط الثلاثة المختلفة. ثم تُشتق الموصلية الحرارية الفعالة على النحو التالي:
λtotal = λair + Bρ + C/ρ
تمثل هذه المعادلة الأخيرة العلاقة بين التوصيلية الكلية وكثافة بطانية الألياف الزجاجية مع ثلاثة معاملات مجهولة: λair وB وC.
HFM 436 قياسات البطانية المصنوعة من الألياف الزجاجية مع خاصية التحميل المتغير
بدءًا من بطانية عازلة من الألياف الزجاجية بسماكة 240 مم، تم قطع مجموعة من المقاطع المربعة بسماكة 300 مم في 300 مم وتجميعها على ارتفاعات مختلفة. تم إجراء قياسات التوصيل الحراري بكثافة مختلفة عن طريق تغيير السماكة من خلال ضغط اللوحة. بالنسبة لأكوام الألياف الزجاجية التي تجاوزت الفتحة القصوى 100 مم في جهاز HFM 436/3، تم إجراء ضغط مسبق باستخدام ألواح صلبة قبل التثبيت في جهاز HFM. أُجريت جميع القياسات في درجة حرارة الغرفة. تمت معايرة الجهاز بمعيار لوح من الألياف الزجاجية بسُمك 25 مم من معيار NIST 1450d بسُمك 25 مم، وكان الفرق في درجة حرارة اللوح 20 كلفن.
النتائج والمناقشات
ترد نتائج القياسات في الجدول 1 والشكل 2.
الجدول 1: الموصلية الحرارية مقابل الكثافة لعينة من الألياف الزجاجية الخاضعة لإعدادات حمل ضاغطة مختلفة في جهاز HFM في درجة حرارة الغرفة
السُمك (مم) | ضغط مكدس HFM | الكثافة (كجم/م³) | الموصلية (واط/م*ك) | |
|---|---|---|---|---|
(رطل لكل بوصة مربعة) | (كيلو باسكال) | |||
| 100.0 | 0.00 | 0.03 | 8.6 | 0.0472 |
| 75.3 | 0.00 | 0.03 | 11.4 | 0.0418 |
| 50.1 | 0.00 | 0.03 | 12.6 | 0.0394 |
| 50.3 | 0.03 | 0.19 | 17.1 | 0.0369 |
| 50.4 | 0.05 | 0.35 | 30.2 | 0.0333 |
| 24.7 | 0.10 | 0.68 | 34.8 | 0.0325 |
| 17.3 | 0.22 | 1.51 | 49.6 | 0.0318 |
| 49.1 | 0.12 | 0.85 | 52.6 | 0.0317 |
| 50.0 | 0.67 | 4.63 | 87.1 | 0.0317 |
| 50.1 | 1.58 | 10.9 | 125 | 0.0325 |
| 38.2 | 3.09 | 21.3 | 164 | 0.0330 |
تم الحصول على المنحنى الأزرق عن طريق تركيب نقاط البيانات مع نموذج التوصيل الكلي من خلال طريقة المربعات الصغرى. يمكن استنتاج أن النموذج المعروض أعلاه هو صياغة ملائمة لعملية تدفق الحرارة من خلال بطانية الألياف الزجاجية. تمثل المنحنيات المتقطعة كل وضع نقل متوقع. تُظهر النتائج حدًا أدنى واسعًا في التوصيل الحراري في نطاق كثافة 50-80 كجم/م3 تقريبًا، بالقرب من الكثافة التي تتساوى فيها الموصلية الناتجة عن الألياف الزجاجية مع الموصلية الإشعاعية. يمكن استخدام هذه المعلومات من قبل الشركات المصنعة لتحسين أداء منتجاتها من خلال تقليل محتوى الألياف الزجاجية وبالتالي التكلفة. فالكثافة المثلى، على سبيل المثال، قد تقع على الأرجح على الجانب المنخفض الكثافة من الحد الأدنى للتوصيل الإشعاعي.
الخاتمة
من المريح جدًا إجراء مثل هذه الدراسة باستخدام ميزة الحمل المتغير. سيتطلب التحليل الإحصائي الدقيق بالتأكيد المزيد من نقاط البيانات، وهو ما يمكن تحقيقه بسهولة باستخدام HFM 436 Lambda. يمكن برمجة اختبار واحد كامل بسهولة مع أحمال ودرجات حرارة مختلفة. ويمتد هذا التطبيق أيضًا إلى مواد العزل المسامية الأخرى مثل الصوف الصخري (المعدني) أو الصوف الخبثي.