GHP jako klíčová technologie: Přesná charakterizace tepelné vodivosti izolačních materiálů v atmosféře inertního plynu a vakua

Úvod

Tepelně izolační materiály mají zásadní význam pro minimalizaci tepelných ztrát a zajištění stabilních teplotních podmínek v technických systémech. Jejich Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost se často přesně charakterizuje pomocí stacionárních metod, jako je například metoda horké desky (Guarded Hot Plate - GHP). Tato zkoumání mají význam nejen ve výzkumu materiálů, ale také při cestách do vesmíru, kde se izolační materiály používají ve vakuu s extrémními výkyvy teplot. Měření pomocí GHP poskytují cenné údaje mimo jiné pro tepelný návrh a hodnocení výkonu.

Účinná Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost vláknitých izolačních materiálů (např. skelné vlny) závisí především na třech mechanismech přenosu tepla:

• Přenosu tepla přes pevnou látku
• Přestupu tepla sáláním
• Přenosu tepla plynnou fází

V závislosti na teplotě, hustotě a plynu uvnitř izolačního materiálu se může efektivní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost značně lišit.

Tato aplikační poznámka se zaměřuje na různé atmosféry. Standardní skelná vata (NIST SRM 1450D), která má známou tepelnou vodivost na vzduchu, byla testována na GHP 456 Titan^®. Přístroj je vybaven pecí, která umožňuje použití různých čisticích plynů a také měření za sníženého tlaku.

Experimentální

Materiál NIST SRM 1450D byl zkoumán při středních teplotách vzorku (_Tmean) mezi 10 °C a 60 °C s teplotním rozdílem (ΔT) 20 K napříč měřicími deskami. Měření byla prováděna v různých plynech (argon, dusík, helium) při různých tlacích (přibližně 0,01 mbar až 1000 mbar). Před každým měřením s použitím jiného plynu bylo zařízení (včetně vzorku) dvakrát evakuováno a pročištěno novým plynem.

Výsledky a diskuse

Obrázek 1 ukazuje tepelnou vodivost vzorku v různých čisticích plynech (dusík, argon a helium). Výsledky měření jsou shrnuty v tabulce 1.

Tabulka 1: Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost standardní skelné vaty (NIST SRM 1450D) stanovená v různých čisticích plynech ve srovnání s literaturou

Protože skelná vata je systém s otevřenými póry, proplachovací plyn proniká do materiálu a mění tak jeho efektivní tepelnou vodivost. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost vzduchu a dusíku je téměř shodná (viz tabulka 2). Podle očekávání není mezi referenčními hodnotami pro skelnou vlnu a měřeními pod dusíkem zjistitelný žádný významný rozdíl. Argon má naopak výrazně nižší tepelnou vodivost než dusík (přibližně o 31 % nižší), což se projevilo při měření tepelné vodivosti skelné vlny s proplachem argonem. Naměřené hodnoty jsou přibližně o 28 % nižší než hodnoty získané při použití dusíku.

Na rozdíl od argonu má helium výrazně vyšší tepelnou vodivost než dusík. Efektivní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost skelné vlny s proplachem héliem je přibližně čtyřikrát vyšší než u dusíku nebo vzduchu.

Tabulka 2: Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost různých plynů při 20 °C [1]

Obrázek 2 znázorňuje, jak tlak ovlivňuje tepelnou vodivost izolačních materiálů s otevřenými póry. Ukazuje tepelnou vodivost skelné vlny při různých teplotách. Křivka S je typická pro měření v závislosti na tlaku. Jasně ukazuje, že Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost komůrkového plynu významně ovlivňuje efektivní tepelnou vodivost a že pod určitou prahovou hodnotou (přibližně 300 mbar) existuje podstatná závislost na tlaku. To lze vysvětlit délkou volné dráhy molekul nebo atomů plynu.

Přenos tepla v plynu je dán především počtem částic a střední volnou dráhou mezi nimi. Při mírně nižších tlacích se střední volná dráha zvyšuje, ale počet částic se snižuje. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost tak zůstává konstantní. To však již neplatí při velmi nízkých tlacích [3]. Od určitého bodu (zde přibližně 300 mbar) již není dostatek částic, které by se mohly srážet, a střední délka volné dráhy se dostává do rozmezí průměrů pórů. Od tohoto okamžiku závisí přenos tepla v plynu pouze na počtu částic plynu. Pokud se počet částic v důsledku nižšího tlaku sníží, přestup tepla plynem výrazně klesá, stejně jako efektivní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost celého materiálu.

Souhrn

Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost izolačních materiálů je vzhledem k jejich struktuře silně závislá na tlaku a komůrkovém plynu. GHP 456 Titan^® je ideálním měřicím přístrojem pro stanovení efektivní tepelné vodivosti v takto náročných podmínkách. Díky intuitivnímu softwaru a automatické regulaci tlaku je měření stále snadné.