Въведение
Топлоизолационните материали са от решаващо значение за минимизиране на топлинните загуби и осигуряване на стабилни температурни условия в техническите системи. Тяхната топлопроводимост често се характеризира с прецизност с помощта на стационарни методи, като например метода на охраняваната гореща плоча (GHP). Тези изследвания са от значение не само за изследванията на материалите, но и при пътувания в космоса, където изолационните материали се използват във вакуум с екстремни температурни колебания. Измерванията на GHP предоставят ценни данни за топлинно проектиране и оценка на експлоатационните характеристики, наред с други неща.
Ефективната топлопроводимост на влакнести изолационни материали (напр. стъклена вата) зависи основно от три механизма на топлообмен:
- Пренос на топлина през твърдото вещество
- Топлообмен чрез излъчване
- Предаване на топлина през газовата фаза
В зависимост от температурата, плътността и газа в изолационния материал ефективната топлопроводимост може да варира значително.
Настоящата бележка за приложение се фокусира върху различните атмосфери. Стандартна стъклена вата (NIST SRM 1450D), която има известна топлопроводимост във въздух, е тествана в GHP 456 Titan®. Устройството е оборудвано с пещ, която позволява различни прочистващи газове, както и измервания при понижено налягане.
Експериментален
Материалът NIST SRM 1450D е изследван при средни температури на пробата (Tmean) между 10°C и 60°C с температурна разлика (ΔT) от 20 K в измервателните плочи. Измерванията бяха извършени при различни газове (аргон, азот, хелий) и при различни налягания (приблизително от 0,01 mbar до 1000 mbar). Преди всяко измерване с друг газ устройството (включително пробата) се евакуира два пъти и се прочиства с новия газ.
Резултати и обсъждане
На фигура 1 е показана топлопроводимостта на образеца в различни очистващи газове (азот, аргон и хелий). Резултатите от измерванията са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Топлопроводимост на стандартна стъклена вата (NIST SRM 1450D), определена в различни продухващи газове в сравнение с литературата
| Температура °C | Топлинна проводимост (W/m-K) | |||
| Литература [2] | N2 | Ar | He | |
| 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 |
Тъй като стъклената вата е система с отворени пори, прочистващият газ прониква в материала и по този начин променя ефективната му топлопроводимост. Топлопроводимостта на въздуха и азота е почти идентична (вж. таблица 2). Както се очакваше, не може да се открие значителна разлика между референтните стойности за стъклена вата и измерванията при азот. От друга страна, аргонът има значително по-ниска топлопроводимост от азота (приблизително с 31 % по-ниска), както е отразено в измерването на топлопроводимостта на стъклена вата с продухване с аргон. Измерените стойности са приблизително с 28 % по-ниски от тези, получени при азот.
За разлика от аргона, хелият има значително по-висока топлопроводимост от азота. Ефективната топлопроводимост на стъклената вата с прочистване с хелий е приблизително четири пъти по-висока, отколкото при азот или въздух.
Таблица 2: Топлопроводимост на различни газове при 20°C [1]
| Газ | Топлинна проводимост / (W/m-K) |
|---|---|
| Хелий | 0.150 |
| Аргон | 0.017 |
| Въздух | 0.026 |
| Азот | 0.026 |
На фигура 2 е показано как налягането влияе върху топлопроводимостта на изолационните материали с отворени пори. Тя показва топлопроводимостта на стъклена вата при различни температури. S-образната крива е типична за измерванията, зависещи от налягането. Тя ясно показва, че топлопроводимостта на клетъчния газ оказва значително влияние върху ефективната топлопроводимост и че има съществена зависимост от налягането под определен праг (приблизително 300 mbar). Това може да се обясни с дължината на свободния път на молекулите или атомите на газа.
Преносът на топлина в един газ се определя главно от броя на частиците и средния свободен път между тях. При малко по-ниски налягания средният свободен път се увеличава, но броят на частиците намалява. По този начин коефициентът на топлопроводност остава постоянен. Това обаче вече не важи при много ниски налягания [3]. От определен момент нататък (тук приблизително 300 mbar) няма достатъчно частици, които да се сблъскват, и средната дължина на свободния път попада в диапазона на диаметрите на порите. От този момент нататък топлообменът в газа зависи единствено от броя на газовите частици. Ако броят на частиците намалее поради по-ниското налягане, топлообменът през газа намалява значително, както и ефективната топлопроводимост на целия материал.
Резюме
Поради структурата си топлопроводимостта на изолационните материали зависи в голяма степен от налягането и клетъчния газ. GHP 456 Titan® е идеалното измервателно устройство за определяне на ефективната топлопроводимост при такива трудни условия. Благодарение на интуитивния му софтуер и автоматичния контрол на налягането, измерванията все още се извършват лесно.