Introduktion
Varmeisoleringsmaterialer er afgørende for at minimere varmetab og sikre stabile temperaturforhold i tekniske systemer. Deres 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 karakteriseres ofte med præcision ved hjælp af stationære metoder, såsom GHP-metoden (Guarded Hot Plate). Disse undersøgelser er ikke kun relevante inden for materialeforskning, men også inden for rumfart, hvor isoleringsmaterialer bruges i et vakuum med ekstreme temperatursvingninger. GHP-målinger giver blandt andet værdifulde data til termisk design og evaluering af ydeevne.
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 for fibrøse isoleringsmaterialer (f.eks. glasuld) afhænger hovedsageligt af tre varmeoverførselsmekanismer:
- Varmeoverførsel gennem det faste stof
- Varmeoverførsel gennem stråling
- Varmeoverførsel gennem gasfasen
Afhængigt af temperaturen, densiteten og gassen i isoleringsmaterialet kan 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 variere meget.
Denne applikationsnote fokuserer på forskellige atmosfærer. Standard glasuld (NIST SRM 1450D), som har en kendt 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 luft, blev testet i GHP 456 Titan®. Apparatet er udstyret med en ovn, der giver mulighed for forskellige rensningsgasser samt for målinger under reduceret tryk.
Eksperimentel
NIST SRM 1450D-materialet blev undersøgt ved gennemsnitlige prøvetemperaturer (Tmean) mellem 10 °C og 60 °C med en temperaturforskel (ΔT) på 20 K på tværs af målepladerne. Målingerne blev udført under forskellige gasser (argon, nitrogen, helium) ved forskellige tryk (ca. 0,01 mbar til 1000 mbar). Før hver måling med en anden gas blev enheden (inklusive prøven) evakueret to gange og renset med den nye gas.
Resultater og diskussion
Figur 1 viser prøvens 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 forskellige spulegasser (nitrogen, argon og helium). Måleresultaterne er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Varmeledningsevne for standardglasuld (NIST SRM 1450D), bestemt i forskellige rensegasser i sammenligning med litteraturen
| Temperatur °C | (W/m-K) | |||
| Litteratur [2] | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
Da glasuld er et system med åbne porer, trænger rensegassen ind i materialet og ændrer dermed dets 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. Varmeledningsevnen for luft og nitrogen er næsten identisk (se tabel 2). Som forventet kan der ikke påvises nogen signifikant forskel mellem referenceværdierne for glasuld og målingerne under nitrogen. Argon har på den anden side en betydeligt lavere 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 end nitrogen (ca. 31 % lavere), hvilket afspejles i målingen af varmeledningsevnen for glasuld med argonrensning. De målte værdier er ca. 28 % lavere end dem, der blev opnået med nitrogen.
I modsætning til argon har helium en betydeligt højere 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 end nitrogen. 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 for glasuld med heliumrensning er cirka fire gange højere end med nitrogen eller luft.
Tabel 2: Varmeledningsevne for forskellige gasser ved 20 °C [1]
Figur 2 illustrerer, hvordan tryk påvirker varmeledningsevnen i isoleringsmaterialer med åbne porer. Den viser varmeledningsevnen for glasuld ved forskellige temperaturer. S-kurven er typisk for trykafhængige målinger. Den viser tydeligt, at cellegassens 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 har stor indflydelse på den effektive varmeledningsevne, og at der er en betydelig afhængighed af trykket under en vis tærskel (ca. 300 mbar). Dette kan forklares med gasmolekylernes eller atomernes frie vejlængde.
Varmeoverførslen i en gas bestemmes hovedsageligt af antallet af partikler og den gennemsnitlige frie vej mellem dem. Ved lidt lavere tryk øges den gennemsnitlige frie vej, men antallet af partikler falder. Dermed forbliver varmeledningsevnen konstant. Dette gælder dog ikke længere ved meget lave tryk [3]. Fra et vist punkt (her ca. 300 mbar) er der ikke nok partikler til at kollidere, og den gennemsnitlige frie vejlængde falder inden for porediameteren. Fra dette punkt afhænger varmeoverførslen i gassen udelukkende af antallet af gaspartikler. Hvis antallet af partikler falder på grund af lavere tryk, falder varmeoverførslen via gassen betydeligt, og det samme gør hele materialets effektive varmeledningsevne.
Sammenfatning
På grund af deres struktur afhænger isoleringsmaterialers varmeledningsevne i høj grad af tryk og cellegas. GHP 456 Titan® er den ideelle måleenhed til bestemmelse af effektiv varmeledningsevne under sådanne udfordrende forhold. Takket være den intuitive software og den automatiske trykstyring er det stadig nemt at udføre målinger.