Varmestrømningsmåler (HFM) med instrumenteringssæt: Målinger på Pyrex® - i god overensstemmelse med laserblitzanalysen (LFA) og litteraturen

Introduktion

Heat Flow Meter-teknikken (HFM) er en velkendt og accepteret metode til at bestemme varmeledningsevnen i isoleringsmaterialer som EPS, stenuld eller glasfiberplader. Også byggematerialer som beton med 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 og stiv struktur kan undersøges med HFM. Instrumentation Kit udvider måleområdet op til 2 W/(m∙K). Denne applikationsnote beskriver instrumenteringssættet i detaljer og præsenterer data, der er opnået på Pyrex® med HFM 436/3/1 (figur 1). Dens effektivitet demonstreres ved at korrelere dataene med Laser Flash Analysis-teknikken (LFA, figur 2).

Instrumenteringssæt

Når man tester isolerende materialer med HFM-teknikken, er den termiske grænseflademodstand mellem prøven og HFM-pladerne normalt ubetydelig i forhold til prøvens termiske modstand. I tilfælde af prøver med høj ledningsevne og/eller stivhed er denne antagelse ikke længere gyldig. Selv hvis prøvens overflader er meget flade og planparallelle, er der altid nogle small lufthuller ved grænsefladen, hvilket fører til betydelige forskelle mellem pladernes og prøvens overfladetemperaturer og en inhomogen varmestrøm gennem prøven. For at undgå disse mangler er det nødvendigt med et instrumenteringssæt. Det består af to eksterne termoelementer og to grænsefladelag (figur 3). Interfacelagene forbedrer den termiske kontakt mellem pladerne og prøven, mens de eksterne termoelementer er i direkte kontakt med prøvens overflader (figur 4) og derfor måler de nøjagtige og "sande" overfladetemperaturer (figur 5).

Sammenligning af måledata på Pyrex® ved hjælp af HFM med instrumenteringssæt og LFA-teknik

Instrumentation Kit's ydeevne er demonstreret med Pyrex®, et homogent, kemisk stabilt og velkendt referencemateriale for 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 siden 1960'erne med en 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 på ca. 1,14 W/(m∙K) ved 23 °C [1].

De rapporterede data blev udført på prøver, der målte 300 mm x 300 mm x 20 mm med og uden instrumenteringssæt. Kalibreringen af varmefluxsensorerne blev opnået med en NIST-certificeret glasfiberplade (1450D) uden instrumenteringssæt i overensstemmelse med ASTM C 518. Tre forskellige Pyrex-prøver (A, B, C) fra samme batch blev testet. To prøver (1, 2) med en diameter på 12,7 mm og en tykkelse på 2,5 mm blev også fremstillet fra samme batch til LFA-testene. Målingerne blev udført med LFA467 Hyperflash.

Tabel 1 viser resultaterne ved 23 °C fra forskellige HFM- og LFA-tests. Standardafvigelsen på small (1,7 %) for HFM-testene viser metodens gode reproducerbarhed. Den gennemsnitlige 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 på 1,15 W/(m∙K) viser en afvigelse på kun 0,88 % i forhold til den gennemsnitlige værdi fra LFA og litteraturen. Dette beviser nøjagtigheden af HFM-målingerne med Instrumentation Kit.

Tabel 1: Varmeledningsevne for Pyrex® ved 23 °C ved hjælp af HFM og LFA

Uden Instrumentation Kit fører den høje termiske KontaktmodstandIfølge termodynamikkens anden lov bevæger varmeoverførsel mellem to systemer sig altid i retning fra højere til lavere temperaturer. Mængden af termisk energi, der overføres ved varmeledning, f.eks. gennem en væg i en bygning, påvirkes af betonvæggens og isoleringslagets termiske modstand.kontaktmodstand og de ukendte overfladetemperaturer til en varmeledningsevne på 0,53 W/(m∙K), hvilket er betydeligt lavere end den forventede værdi.

Figur 6 viser resultater fra 10 °C til 65 °C med HFM, LFA og litteraturværdier (fejlbjælker ± 5 %). Over hele temperaturområdet er HFM- og LFA-resultaterne i god overensstemmelse med litteraturværdierne (maks. afvigelse 2,8 % - LFA og 3,9 % - HFM).

Sammenfatning

Varmeledningsevnen for stive materialer op til 2 W/(m∙K) kan undersøges pålideligt med HFM, forudsat at overfladetemperaturerne måles nøjagtigt. Dette opnås med Instrumentation Kit, som sikrer en homogen varmestrøm og sande overfladetemperaturer på prøven. Dataene fra HFM-målingerne med Instrumentation Kit er meget reproducerbare og i god overensstemmelse med resultaterne fra LFA-teknikken og litteraturen. Desuden kvalificerer den langsigtede stabilitet Pyrex® som det foretrukne materiale til verificering af HFM's ydeevne med Instrumentation Kit, før der måles på ukendte, højledende prøver.