Въведение
Познатите изолационни материали като минерална вата или полимерна пяна обикновено се произвеждат с голяма дебелина (няколко сантиметра), за да отговарят на необходимата U-стойност за топлоизолация на сгради. Подходящо измервателно устройство за определяне на коефициента на топлопроводност (λ) е HFM 446 LambdaMedium (фигура 1). Изолационните материали обаче се прилагат и в други области с други дебелини, например при топло- и звукоизолация на подове. Дебелината на такива изолационни материали често е само няколко милиметра. Следващите измервания показват как такива тънки материали могат успешно да се изследват с HFM 446 LambdaMedium .
U-стойност
U-стойността отразява топлинния поток през даден компонент в зависимост от температурния градиент между студената и студената страна на блока [W/(m2-K)]. Единицата описва енергията, която преминава през 1 квадратен метър вследствие на температурна разлика от 1 K. Тази стойност характеризира изолационните свойства на компонента; на практика това означава, че колкото по-ниска е U-стойността, толкова по-добър е изолационният ефект. Колкото по-висока е U-стойността, толкова по-лош е изолационният ефект. Тогава сградата губи повече топлина през студените зимни дни.
Метод на измерване
Температурният градиент се определя между две плочи от измервания материал. С помощта на два високоточни сензора за топлинен поток в плочите се измерва топлинният поток съответно в материала и извън него. След като се достигне равновесие на системата и топлинният поток е постоянен, топлопроводността може да се изчисли с помощта на уравнението на Фурие и като се знае областта на измерване и дебелината на образеца (вж. схематичната фигура 2).
λ Топлопроводност [W/(m∙K)]
d Дебелина [mm]
R = d/ λ Топлинно съпротивление [m2∙K/W]
U = 1/R Коефициент на топлопреминаване [W/(m2∙K)]
Условия за измерване
Изследвана е изолационна плоча от естествени влакна с дебелина 4 mm. Топлинното съпротивление (R = d/λ) на такива тънки образци представлява предизвикателство за измерване. Образци с термично съпротивление, по-ниско от приблизително 0,5 m²∙K/W, не могат да бъдат измервани с HFM като стандартно измерване (DIN EN 12667). Съпротивлението на контакта между пластините и пробата вече не е пренебрежимо и влияе на резултата. За да се преодолее проблемът с ниското термично съпротивление, бяха извършени измервания с два различни подхода:
- Подреждане на образци, както е посочено в DIN EN 12667
- Измерване на един образец с допълнителна външна термодвойка и интерфейсни слоеве (=комплект за инструменти), описано в DIN EN 12664 за образци с термично съпротивление < 0,5m2∙K/W.
Измерванията са извършени при средна температура на образеца 25 °C. Температурната разлика между плочите беше 20 K. Налягането върху образеца беше приблизително 2 kPa.
Подреждане на образци
На фигура 3 е показана топлопроводимостта в зависимост от общата дебелина на подредените образци (от 1 до 8 слоя). Данните от измерванията са обобщени в таблица 1.
В диапазона на малките дебелини топлопроводимостта показва зависимост от дебелината. Съпротивлението на контакта между образеца и HFM плочите влияе върху резултата (намалена топлопроводимост).
При дебелина, по-голяма от 20 до 24 mm (5 до 6 слоя), топлопроводимостта е постоянна и вече не зависи от дебелината. Това е областта, в която контактното съпротивление е пренебрежимо малко и измерванията могат да се считат за надеждни. Топлинното съпротивление на образеца е по-високо от приблизително 0,5 (m²∙K)/W.
Таблица 1: Резултати от измерванията на подредените образци от изолационна плоча с дебелина 4 mm
Брой слоеве | Дебелина [mm] | Топлопроводимост* [W/(m∙K)] | Топлинно съпротивление [(m2∙K)/W] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.04214 | 0.0958 |
| 2 | 8 | 0.04447 | 0.1812 |
| 3 | 12 | 0.04565 | 0.2582 |
| 4 | 16 | 0.04697 | 0.3387 |
| 5 | 20 | 0.04745 | 0.4214 |
| 6 | 24 | 0.04779 | 0.5021 |
| 7 | 28 | 0.04749 | 0.5906 |
| 8 | 32 | 0.04734 | 0.6757 |
* всички резултати ± 3%
Фигура 4 (термично съпротивление по дебелина) потвърждава, че измерванията с подредени образци са надеждни. Топлинното съпротивление нараства линейно с увеличаване на дебелината. Линейната линия на тенденцията дава съответствие R² от 0,99972, а наклонът е показател за топлопроводимостта (наклон m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Тази стойност е в добро съответствие с резултатите от измерванията на подредения образец с дебелина, по-голяма от ~20 mm; вж. таблица 1.
Комплект инструменти
За образци с ниско термично съпротивление измерванията с комплекта инструменти (= външни термодвойки и интерфейсни слоеве) също могат да бъдат добро решение. Проблемът с контактното съпротивление се решава чрез директно измерване на температурата на повърхността. За твърдите образци комплектът за измерване е добър избор. Тъй като изолационната плоча от естествени влакна с дебелина 4 mm не е напълно твърда, а все още е гъвкава, съществува друг източник на несигурност. Външните термодвойки могат да проникнат в повърхността на образеца.
Следователно дебелината (= разстоянието между външните термодвойки) не е точно известна. Поради малката дебелина от само 4 mm, дори слабото ниво на проникване може да доведе до голямо отклонение в резултата (относителната грешка в дебелината води до същата относителна грешка в топлопроводимостта).
В таблица 2 са показани резултатите от измерване с комплекта уреди. Измерването на един слой с комплекта инструменти дава стойност, която е приблизително с 10 % по-висока от резултатите от подредените образци. Това 10 % увеличение на стойността на коефициента на топлопроводност най-вероятно се дължи на неправилната с 10 % стойност на дебелината поради проникването на външната термодвойка (200 μm от всяка страна). Това се потвърждава от измерването на 1 и 2 слоя с комплекта инструменти и изчисляването на коефициента на топлопроводност с коригирана дебелина (= дебелина минус 2 x 200 μm). Топлопроводимостта с коригирана дебелина е в добро съответствие със стойностите от измерванията с подредени образци.
Таблица 2: Резултати от измерванията на изолационната плоча с дебелина 4 mm от естествени влакна с комплект уреди
Брой слоеве | Дебелина [mm] | Топлопроводимост* [W/(m-K)] | Коригирана дебелина [mm] | Топлинна проводимост с Коригирана дебелина [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Резюме
Топлопроводимостта на тънки и гъвкави изолационни материали може да бъде измерена с HFM 446 LambdaMedium , като се натрупат няколко слоя от материала с достатъчна дебелина. Измерването с външни термодвойки комплект инструменти) върху гъвкави образци може да доведе до фалшиво завишени стойности на топлопроводимостта поради възможното проникване на термодвойките в повърхността на образеца.