Vliv hustoty na tepelné vlastnosti izolačního materiálu ze skleněných vláken

Úvod

Pro řadu přístrojů NETZSCH HFM 436 (obr. 1) je k dispozici nová volitelná funkce, která uživatelům umožňuje provádět zkoušky měřiče tepelného toku na vzorcích vystavených vysokému tlakovému zatížení; tato funkce rozšiřuje možnosti programů výzkumu a vývoje tepelných izolací.

Změnou tlaku desky na vzorek pro dosažení různých úrovní stlačení mohou uživatelé generovat křivky tepelné vodivosti v závislosti na hustotě, což odhalí informace o relativní síle různých procesů přenosu tepla v tepelněizolačních výrobcích.

Tato aplikační poznámka poskytuje analýzu tří dominantních mechanismů přenosu tepla ve vláknitém skelném izolačním materiálu s cílem odvodit analytický výraz pro funkční závislost tepelné vodivosti na hustotě; předpovědi analytického modelu jsou porovnány se skutečnými údaji ze zkoušek HFM, které byly vytvořeny při různých zatíženích v aktualizovaném modelu HFM 436 Lambda. Výborná shoda byla pozorována v celém rozsahu hustoty, který zahrnoval poměr 19:1 od nejvyšší po nejnižší.

Vícerežimový přenos tepla v izolačních materiálech

V dnešním energeticky uvědomělém světě se neustále připomíná důležitost energeticky úsporných opatření, z nichž klíčovým je zvýšení tepelných vlastností budov pomocí kvalitní izolace. Úsilí výrobců v oblasti výzkumu a vývoje zaměřené na vývoj tepelných izolací s vyššími vlastnostmi velmi prospělo souběžnému vývoji výkonnějších experimentálních a analytických nástrojů pro hodnocení jejich pokroku. Nové možnosti testování, o nichž pojednává tato aplikační poznámka, představují další krok tímto směrem.

V této aktuální studii analyzujeme přestup tepla skrz deku ze skleněných vláken, která se běžně používá jako stavební izolace. Taková deka je spletí dlouhých skleněných vláken, která tvoří matrici, v níž je zachycen vzduch.

Vedení vzduchem:

Při mírných teplotách dochází ke značné části přenosu tepla přes izolaci vedením vzduchem, které nezávisí na hustotě. Tento způsob přenosu tepla se řídí Fourierovou rovnicí s konstantní vodivostí vzduchu _λair.

Vedení skleněnými vlákny:

Přenos tepla skleněnými vlákny se rovněž řídí Fourierovou rovnicí, ale v tomto případě je příslušná 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 glass funkcí hustoty ρ. Vodivé dráhy se zvyšují zhruba úměrně hustotě jako:

_λsklo = B∙ρ

přičemž B je konstanta.

Záření:

Pro sálavý způsob přenosu tepla se pokrývka ze skleněných vláken často považuje za pohlcující, vyzařující, zúčastněné a opticky husté prostředí s optickými vlastnostmi nezávislými na vlnové délce. Za těchto předpokladů je sálavý přenos tepla odvozen jako:

_qradiative = _-λrad dT/dx

Tato rovnice je podobná Fourierovu zákonu, což je důvod, proč se λrad často označuje jako sálavá 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. Čím hustší je přikrývka, tím větší je počet skleněných vláken na jednotku objemu, což vede k většímu rozptylu a snížení sálavého přenosu.

Zářivý tok tak klesá rychlostí, která je nepřímo úměrná hustotě:

_λrad = C/ρ

přičemž C je konstanta.

Celkové teplo přenášené přikrývkou je součtem těchto tří různých režimů. 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 je pak odvozena jako:

_λcelkem = _λvzduch +B∙ρ + C/ρ

Tato poslední rovnice představuje vztah mezi celkovou tepelnou vodivostí a hustotou deky ze skleněných vláken se třemi neznámými parametry: _λair, B a C.

HFM 436 Měření deky ze skelných vláken s funkcí proměnlivého zatížení

Nejprve byla použita izolační přikrývka ze skelných vláken o tloušťce 240 mm a poté byla nařezána sada čtvercových dílů o rozměrech 300 × 300 mm, které byly naskládány do různých výšek. Měření tepelné vodivosti s různou hustotou se provádělo změnou tloušťky pomocí přítlaku desek. U stohů ze skleněných vláken, které přesahovaly maximální otvor 100 mm zařízení HFM 436/3, bylo před instalací do zařízení HFM provedeno předběžné stlačení pomocí pevných desek. Všechna měření byla prováděna při pokojové teplotě. Přístroj byl kalibrován pomocí standardu desky ze skleněných vláken NIST 1450d o tloušťce 25 mm a rozdíl teplot desek byl 20 K.

Výsledky a diskuse

Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 1 a na obrázku 2.

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 v závislosti na hustotě pro vzorek ze skleněných vláken vystavený různým tlakovým zatížením v přístroji HFM při pokojové teplotě

Modrá křivka byla získána fitováním datových bodů pomocí modelu celkové vodivosti metodou nejmenších čtverců. Lze konstatovat, že výše uvedený model je adekvátní formulací procesu průchodu tepla skrz deku ze skleněných vláken. Čárkované křivky představují jednotlivé očekávané způsoby přenosu. Výsledky ukazují široké minimum tepelné vodivosti v rozsahu hustot přibližně 50-80 ^Kg/m3, tedy v blízkosti hustoty, kdy se vodivost způsobená skleněnými vlákny rovná sálavé vodivosti. Tyto informace by mohli výrobci využít k optimalizaci vlastností svých výrobků minimalizací obsahu skleněných vláken, a tedy i nákladů. Optimální HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota by například pravděpodobně ležela na straně nízké hustoty minima vodivosti.

Závěr

Provedení takové studie je velmi výhodné díky funkci proměnného zatížení. Přísná statistická analýza by jistě vyžadovala více datových bodů, což je snadno dosažitelné s HFM 436 Lambda. Jeden kompletní test lze snadno naprogramovat s různými zátěžemi a teplotami. Tato aplikace se vztahuje i na další porézní izolační materiály, jako je kamenná (minerální) nebo strusková vlna.