Въведение
За линията от инструменти NETZSCH HFM 436 (фигура 1) е налична нова опция, която позволява на потребителите да провеждат изпитвания с топломер върху проби, подложени на високи натискови натоварвания; тази функция разширява обхвата на възможностите за програми за научноизследователска и развойна дейност в областта на топлоизолациите.
Чрез промяна на натиска на плочата върху образеца за постигане на различни нива на компресия потребителите могат да генерират криви на коефициента на топлопроводност като функция на плътността, разкривайки информация за относителната сила на различните процеси на пренос на топлина в топлоизолационните продукти.
В настоящата приложна бележка е направен анализ на трите доминиращи механизма за пренос на топлина в изолационен материал от стъклени влакна, за да се получи аналитичен израз за функционалната зависимост на топлопроводимостта от плътността; прогнозите на аналитичния модел са сравнени с действителните данни от изпитванията на HFM, генерирани при различни натоварвания в актуализирания HFM 436 Lambda. Наблюдава се отлично съответствие в целия диапазон на плътност, който обхваща съотношение 19:1 от най-високата до най-ниската.
Многорежимен пренос на топлина в изолационни материали
В днешния свят, в който се следи за енергията, постоянно се напомня за значението на мерките за пестене на енергия - една от основните от които е да се подобрят топлинните характеристики на сградите с висококачествена изолация. Усилията на производителите в областта на научноизследователската и развойната дейност, насочени към разработване на топлоизолации с по-високи показатели, са много полезни от паралелното разработване на по-мощни експериментални и аналитични инструменти за оценка на техния напредък. Новите възможности за изпитване, разгледани в настоящата приложна бележка, представляват още една стъпка в тази посока.
В настоящото изследване анализираме преноса на топлина през одеяло от стъклени влакна, което обикновено се използва като изолация на сгради. Такова одеяло представлява плетеница от дълги стъклени влакна, които представляват матрица, в която е уловен въздух.
Проводимост през въздуха:
При умерени температури значителна част от преноса на топлина през изолацията се осъществява чрез проводимост на въздуха, която не зависи от плътността. Този начин на топлопренасяне се управлява от уравнението на Фурие при постоянна проводимост на въздуха λair.
Проводимост през стъклени влакна:
Преносът на топлина през стъклените влакна също се управлява от уравнението на Фурие, но в този случай съответната топлопроводимост glass е функция на плътността ρ. Пътищата на проводимост се увеличават приблизително пропорционално на плътността, както
λстъкло = B∙ρ
като B е константа.
Излъчване:
За радиационния режим на пренос на топлина покритието от стъклени влакна често се разглежда като поглъщаща, излъчваща, участваща и оптически плътна среда с независими от дължината на вълната оптични свойства. При тези предположения радиационният топлообмен се получава по следния начин:
qradiative = -λrad dT/dx
Това уравнение е подобно на закона на Фурие, поради което λrad често се нарича радиационна топлопроводност. Колкото по-плътно е одеялото, толкова по-голям е броят на стъклените влакна на единица обем, което води до по-голямо разсейване и понижаване на радиационния пренос.
По този начин лъчистият поток намалява със скорост, която е обратно пропорционална на плътността:
λrad = C/ρ
като С е константа.
Общата топлина, пренасяна през одеялото, е сумата от тези три различни режима. Ефективната топлопроводимост се получава по следния начин:
λобщо = λвъздух +B∙ρ + C/ρ
Последното уравнение представлява връзката между общата проводимост и плътността на одеялото от стъклени влакна с три неизвестни параметъра: λair, B и C.
HFM 436 Измерване на одеяла от фибростъкло с функция за променливо натоварване
Като се започне с изолационно одеяло от стъклени влакна с дебелина 240 mm, се изрязват и подреждат на различни височини квадратни секции с размери 300 mm на 300 mm. Бяха извършени измервания на топлопроводимостта с различна плътност чрез промяна на дебелината посредством натиска на плочата. За стековете от фибростъкло, които надхвърлят максималния отвор от 100 mm на HFM 436/3, е извършено предварително притискане с твърди плочи преди инсталирането им в HFM. Всички измервания са проведени при стайна температура. Уредът беше калибриран със стандарт за стъклопластови плоскости NIST 1450d с дебелина 25 mm, а температурната разлика на плочите беше 20 K.
Резултати и обсъждания
Резултатите от измерванията са представени в таблица 1 и фигура 2.
Таблица 1: Топлопроводимост в зависимост от плътността за проба от стъклени влакна, подложена на различни настройки на натисково натоварване в апарат HFM при стайна температура
Дебелина (mm) | Налягане в HFM | Плътност (kg/m³) | Проводимост (W/m*K) | |
|---|---|---|---|---|
(PSI) | (kPa) | |||
| 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 |
Синята крива е получена чрез напасване на точките с данни с модела на общата проводимост по метода на най-малките квадрати. Може да се заключи, че представеният по-горе модел е адекватна формулировка на процеса на преминаване на топлина през покритието от стъклени влакна. Прекъснатите криви представят всеки очакван режим на пренос. Резултатите показват широк минимум на топлопроводимостта в диапазона на плътността от приблизително 50-80 Kg/m3, близо до плътността, при която проводимостта, дължаща се на стъклените влакна, е равна на радиационната проводимост. Тази информация би могла да се използва от производителите за оптимизиране на характеристиките на техните продукти чрез минимизиране на съдържанието на стъклени влакна и съответно на разходите. Оптималната плътност например вероятно ще се намира откъм страната на ниската плътност на минимума на проводимостта.
Заключение
Много е удобно да се проведе такова изследване с функцията за променливо натоварване. Строгият статистически анализ със сигурност би изисквал повече точки с данни, които са лесно постижими с HFM 436 Lambda. Едно цялостно изпитване може лесно да се програмира с различни натоварвания и температури. Това приложение се разпростира и върху други порести изолационни материали като каменна (минерална) или шлакова вата.