Introduktion
En ny mulighed er tilgængelig for NETZSCH HFM 436-serien af instrumenter (figur 1), der giver brugerne mulighed for at udføre varmestrømningsmålingstest på prøver, der udsættes for høje trykbelastninger; denne funktion udvider udvalget af muligheder for F&U-programmer om varmeisolering.
Ved at variere pladetrykket på prøven for at opnå forskellige komprimeringsniveauer kan brugerne generere kurver over Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne som en funktion af densitet, hvilket afslører oplysninger om den relative styrke af forskellige varmetransportprocesser i varmeisoleringsprodukter.
Denne Application Note indeholder en analyse af de tre dominerende varmetransportmekanismer i et fibrøst glasisoleringsmateriale for at udlede et analytisk udtryk for den funktionelle afhængighed af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne af densitet; forudsigelser af den analytiske model sammenlignes med faktiske HFM-testdata genereret under forskellige belastninger i den opdaterede HFM 436 Lambda. Der blev observeret fremragende overensstemmelse over hele densitetsområdet, som strakte sig over et forhold på 19:1 fra højeste til laveste.
Multi-mode varmeoverførsel i isoleringsmaterialer
I dagens energibevidste verden er der konstante påmindelser om vigtigheden af energibesparende foranstaltninger - en af de vigtigste er at forbedre bygningers termiske ydeevne med isolering af høj kvalitet. Producenternes F&U-indsats med henblik på at udvikle termisk isolering med højere ydeevne har haft stor gavn af den parallelle udvikling af mere effektive eksperimentelle og analytiske værktøjer til vurdering af deres fremskridt. De nye testmuligheder, der diskuteres i dette notat, er endnu et skridt i den retning.
I denne undersøgelse analyserer vi varmeoverførslen gennem et glasfibertæppe, der ofte bruges som bygningsisolering. Et sådant tæppe er et virvar af lange glasfibre, der udgør den matrix, hvori luften er indesluttet.
Ledning gennem luft:
Ved moderate temperaturer sker en betydelig del af varmeoverførslen på tværs af isoleringen ved ledning gennem luft, som er uafhængig af densiteten. Denne form for varmeoverførsel styres af Fourier-ligningen med en konstant luftledningsevne λair.
Ledning gennem glasfibrene:
Varmeoverførslen gennem glasfibrene styres også af Fourier-ligningen, men i dette tilfælde er den tilsvarende Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne glass en funktion af densiteten ρ. Ledningsvejene stiger nogenlunde proportionalt med densiteten som:
λglas = B∙ρ
hvor B er en konstant.
Udstråling:
Ved strålingsvarmeoverførsel betragtes glasfibertæppet ofte som et absorberende, emitterende, deltagende og optisk tykt medie med bølgelængdeuafhængige optiske egenskaber. Med disse antagelser udledes den radiative varmeoverførsel som:
qradiativ = -λrad dT/dx
Denne ligning svarer til Fourier-loven, hvilket er grunden til, at λrad ofte omtales som den radiative Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne. Jo tættere tæppet er, jo større er antallet af glasfibre pr. volumenenhed, hvilket resulterer i mere spredning og en sænkning af strålingsoverførslen.
Strålingsfluxen falder derved med en hastighed, der er omvendt proportional med tætheden:
λrad = C/ρ
hvor C er en konstant.
Den samlede varme, der overføres gennem tæppet, er summen af disse tre forskellige tilstande. Den effektive Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne udledes derefter som:
λtotal = λluft +B∙ρ + C/ρ
Denne sidste ligning repræsenterer forholdet mellem den samlede ledningsevne og glasfibertæppets TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed med tre ukendte parametre: λair, B og C.
HFM 436 Glasfibertæppemålinger med Variabel belastningsfunktion
Med udgangspunkt i et 240 mm tykt glasfiberisoleringstæppe blev et sæt kvadratiske sektioner på 300 mm x 300 mm skåret ud og stablet i forskellige højder. Målinger af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne med forskellig TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed blev udført ved at variere tykkelsen gennem pladetrykket. For glasfiberstakke, der overskred den maksimale åbning på 100 mm i HFM 436/3, blev der udført forkomprimering med stive plader inden installation i HFM'en. Alle målinger blev udført ved stuetemperatur. Instrumentet blev kalibreret med en 25 mm tyk NIST 1450d glasfiberplade-standard, og pladetemperaturforskellen var 20 K.
Resultater og diskussioner
Resultaterne af målingerne fremgår af tabel 1 og figur 2.
Tabel 1: Varmeledningsevne versus densitet for en glasfiberprøve, der udsættes for forskellige trykbelastninger i et HFM-apparat ved stuetemperatur
Tykkelse (mm) | HFM-stak tryk | Densitet (kg/m³) | Ledningsevne (W/m*K) | |
|---|---|---|---|---|
(PSI) | (kPa) | |||
| 100.0 | 0.00 | 0.03 | 8.6 | 0.0472 |
| 75.3 | 0.00 | 0.03 | 11.4 | 0.0418 |
| 50.1 | 0.00 | 0.03 | 12.6 | 0.0394 |
| 50.3 | 0.03 | 0.19 | 17.1 | 0.0369 |
| 50.4 | 0.05 | 0.35 | 30.2 | 0.0333 |
| 24.7 | 0.10 | 0.68 | 34.8 | 0.0325 |
| 17.3 | 0.22 | 1.51 | 49.6 | 0.0318 |
| 49.1 | 0.12 | 0.85 | 52.6 | 0.0317 |
| 50.0 | 0.67 | 4.63 | 87.1 | 0.0317 |
| 50.1 | 1.58 | 10.9 | 125 | 0.0325 |
| 38.2 | 3.09 | 21.3 | 164 | 0.0330 |
Den blå kurve blev opnået ved at tilpasse datapunkterne med modellen for total ledningsevne ved hjælp af mindste kvadraters metode. Det kan konkluderes, at den model, der er præsenteret ovenfor, er en passende formulering af varmefluxprocessen gennem glasfibertæppet. De stiplede kurver repræsenterer hver forventet overførselstilstand. Resultaterne viser et bredt minimum i Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i densitetsområdet på ca. 50-80 kg/m3, nær den densitet, hvor ledningsevnen på grund af glasfibrene er lig med den strålende ledningsevne. Denne information kan bruges af producenterne til at optimere deres produkters ydeevne ved at minimere glasfiberindholdet og dermed omkostningerne. Den optimale massefylde vil f.eks. sandsynligvis ligge på den lave side af ledningsevnens minimum.
Konklusion
Det er meget praktisk at gennemføre en sådan undersøgelse med den variable belastningsfunktion. En grundig statistisk analyse ville helt sikkert kræve flere datapunkter, hvilket er let at opnå med HFM 436 Lambda. En komplet test kan nemt programmeres med forskellige belastninger og temperaturer. Denne anvendelse strækker sig også til andre porøse isoleringsmaterialer som sten- (mineral-) eller slaggeuld.