Úvod
Technika měření tepelného toku (HFM) je dobře známá a uznávaná metoda pro stanovení tepelné vodivosti izolačních materiálů, jako jsou EPS, minerální vlna nebo desky ze skleněných vláken. Pomocí HFM lze zkoumat také stavební materiály, jako je beton s vyšší tepelnou vodivostí a tuhou strukturou. Sada přístrojů rozšiřuje rozsah měření až na 2 W/(m∙K). Tato aplikační poznámka podrobně popisuje přístrojovou sadu a uvádí údaje získané na materiálu Pyrex® pomocí přístroje HFM 436/3/1 (obrázek 1). Jeho účinnost je demonstrována korelací dat s technikou analýzy laserového záblesku (LFA, obrázek 2).
Sada přístrojů
Při zkoušení izolačních materiálů technikou HFM jsou tepelné odpory rozhraní mezi vzorkem a deskami HFM obvykle zanedbatelné ve srovnání s tepelným odporem vzorku. V případě vysoce vodivých a/nebo tuhých vzorků tento předpoklad již neplatí. I když jsou povrchy vzorků velmi ploché a rovinné, vždy zůstávají na rozhraní určité small vzduchové mezery, což vede k výrazným rozdílům mezi povrchovými teplotami desek a vzorku a k nehomogennímu tepelnému toku vzorkem. Aby se předešlo těmto nedostatkům, je nutná sada přístrojů. Skládá se ze dvou vnějších termočlánků a ze dvou vrstev rozhraní (obrázek 3). Vrstvy rozhraní zlepšují tepelný kontakt mezi deskami a vzorkem, zatímco vnější termočlánky jsou v přímém kontaktu s povrchem vzorku (obr. 4), a proto měří přesné a "skutečné" povrchové teploty (obr. 5).
Srovnání dat z měření na Pyrexu® pomocí HFM se sadou přístrojů a technikou LFA
Výkonnost sady přístrojů je demonstrována s Pyrexem®, homogenním, chemicky stabilním a od 60. let 20. století dobře známým referenčním materiálem s tepelnou vodivostí přibližně 1,14 W/(m∙K) při 23 °C [1].
Uváděné údaje byly provedeny na vzorcích o rozměrech 300 mm x 300 mm x 20 mm s přístrojovou sadou a bez ní. Kalibrace snímačů tepelného toku byla provedena pomocí NIST certifikované desky ze skleněných vláken (1450D) bez sady přístrojů v souladu s normou ASTM C 518. Byly testovány tři různé vzorky Pyrex (A, B, C) ze stejné šarže. Pro zkoušky LFA byly ze stejné šarže připraveny také dva vzorky (1, 2) o průměru 12,7 mm a tloušťce 2,5 mm. Měření byla provedena pomocí přístroje LFA467 Hyperflash.
V tabulce 1 jsou uvedeny výsledky při 23 °C z různých testů HFM a LFA. Směrodatná odchylka small (1,7 %) testů HFM dokládá dobrou reprodukovatelnost metody. Průměrná 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 1,15 W/(m∙K) vykazuje odchylku pouze 0,88 % od průměrné hodnoty z LFA a literatury. To dokazuje přesnost měření HFM pomocí sady přístrojů.
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 materiálu Pyrex® při 23 °C s použitím HFM a LFA
Metoda | Vzorek/měření | W/(m∙K) | W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Pyrex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex bez sady přístrojů | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Bez sady přístrojů vede vysoký tepelný Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.kontaktní odpor a neznámé povrchové teploty k tepelné vodivosti 0,53 W/(m∙K), což je výrazně nižší než očekávaná hodnota.
Na obrázku 6 jsou znázorněny výsledky od 10 °C do 65 °C s HFM, LFA a literárními hodnotami (chybové úsečky ± 5 %). V celém rozsahu teplot jsou výsledky HFM a LFA v dobré shodě s literárními hodnotami (max. odchylka 2,8 % - LFA a 3,9 % - HFM).
Souhrn
Tepelnou vodivost tuhých materiálů do 2 W/(m∙K) lze spolehlivě vyšetřit pomocí HFM za předpokladu, že jsou přesně změřeny povrchové teploty. Toho lze dosáhnout pomocí sady přístrojů, která zajišťuje homogenní tepelný tok a skutečné povrchové teploty vzorku. Údaje z měření HFM pomocí sady Instrumentation Kit jsou vysoce reprodukovatelné a v dobré shodě s výsledky z techniky LFA a literatury. Dlouhodobá stabilita navíc kvalifikuje materiál Pyrex® jako vhodný materiál pro ověření výkonu HFM s přístrojovou sadou před měřením neznámých, vysoce vodivých vzorků.