Εισαγωγή
Μια νέα επιλογή είναι διαθέσιμη για τη σειρά οργάνων NETZSCH HFM 436 (εικόνα 1), η οποία επιτρέπει στους χρήστες να διεξάγουν δοκιμές μετρητών ροής θερμότητας σε δείγματα που υπόκεινται σε υψηλά θλιπτικά φορτία.
Μεταβάλλοντας την πίεση της πλάκας στο δείγμα για την επίτευξη διαφορετικών επιπέδων συμπίεσης, οι χρήστες μπορούν να δημιουργήσουν καμπύλες θερμικής αγωγιμότητας ως συνάρτηση της πυκνότητας, αποκαλύπτοντας πληροφορίες σχετικά με τη σχετική ισχύ των διαφόρων διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας στα προϊόντα θερμομόνωσης.
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής παρέχει μια ανάλυση των τριών κυρίαρχων μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας σε ένα ινώδες γυάλινο μονωτικό υλικό, προκειμένου να εξαχθεί μια αναλυτική έκφραση για τη λειτουργική εξάρτηση της θερμικής αγωγιμότητας από την πυκνότητα- οι προβλέψεις του αναλυτικού μοντέλου συγκρίνονται με τα πραγματικά δεδομένα δοκιμών HFM που παράγονται υπό διάφορα φορτία στο ενημερωμένο HFM 436 Lambda. Παρατηρήθηκε άριστη συμφωνία σε όλο το εύρος της πυκνότητας, η οποία εκτείνεται σε μια αναλογία 19:1 από την υψηλότερη έως τη χαμηλότερη.
Μεταφορά θερμότητας πολλαπλών τρόπων μέσα σε μονωτικά υλικά
Στον σημερινό κόσμο που έχει συνείδηση της ενέργειας, υπενθυμίζεται συνεχώς η σημασία των μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας - ένα από τα οποία είναι η βελτίωση της θερμικής απόδοσης των κτιρίων με μόνωση υψηλής ποιότητας. Οι προσπάθειες Ε&Α των κατασκευαστών με στόχο την ανάπτυξη θερμομονωτικών υλικών υψηλότερης απόδοσης έχουν επωφεληθεί σημαντικά από την παράλληλη ανάπτυξη ισχυρότερων πειραματικών και αναλυτικών εργαλείων για την αξιολόγηση της προόδου τους. Οι νέες δυνατότητες δοκιμών που εξετάζονται στο παρόν σημείωμα εφαρμογής αποτελούν ένα ακόμη βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.
Στην παρούσα μελέτη, αναλύουμε τη μεταφορά θερμότητας μέσω μιας κουβέρτας από ίνες γυαλιού, που χρησιμοποιείται συνήθως ως μόνωση κτιρίων. Η εν λόγω κουβέρτα είναι ένα κουβάρι από μακριές ίνες γυαλιού που αποτελούν τη μήτρα εντός της οποίας εγκλωβίζεται αέρας.
Αγωγή μέσω του αέρα:
Σε μέτριες θερμοκρασίες, ένα σημαντικό μέρος της μεταφοράς θερμότητας διαμέσου της μόνωσης πραγματοποιείται με αγωγή μέσω του αέρα, η οποία είναι ανεξάρτητη από την πυκνότητα. Αυτός ο τρόπος μεταφοράς θερμότητας διέπεται από την εξίσωση Fourier με σταθερή αγωγιμότητα αέρα λair.
Αγωγή μέσω των υαλοϊνών:
Η μεταφορά θερμότητας μέσω των γυάλινων ινών διέπεται επίσης από την εξίσωση Fourier, αλλά στην περίπτωση αυτή, η αντίστοιχη θερμική αγωγιμότητα glass είναι συνάρτηση της πυκνότητας ρ. Οι αγωγιμότητες αυξάνονται περίπου αναλογικά με την πυκνότητα ως εξής:
λglass = B∙ρ
με το Β να είναι μια σταθερά.
Ακτινοβολία:
Για τον τρόπο μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία, η κουβέρτα από υαλονήματα θεωρείται συχνά ως απορροφητικό, εκπεμπόμενο, συμμετέχον και οπτικά πυκνό μέσο με οπτικές ιδιότητες ανεξάρτητες από το μήκος κύματος. Με αυτές τις παραδοχές, η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία προκύπτει ως εξής:
qradiative = -λrad dT/dx
Η εξίσωση αυτή είναι παρόμοια με το νόμο Fourier, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το λrad αναφέρεται συχνά ως ακτινοβολούμενη θερμική αγωγιμότητα. Όσο πυκνότερη είναι η κουβέρτα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των υαλοϊνών ανά μονάδα όγκου, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη σκέδαση και μείωση της μεταφοράς ακτινοβολίας.
Η ροή ακτινοβολίας μειώνεται έτσι με ρυθμό που είναι αντιστρόφως ανάλογος της πυκνότητας:
λrad = C/ρ
με C μια σταθερά.
Η συνολική θερμότητα που μεταφέρεται μέσω της κουβέρτας είναι το άθροισμα αυτών των τριών διαφορετικών τρόπων. Η πραγματική θερμική αγωγιμότητα προκύπτει ως εξής:
λσύνολο = λαέρας +B∙ρ + C/ρ
Αυτή η τελευταία εξίσωση αντιπροσωπεύει τη σχέση μεταξύ της συνολικής αγωγιμότητας και της πυκνότητας της κουβέρτας υαλοϊνών με τρεις άγνωστες παραμέτρους: λair, B και C.
HFM 436 Μετρήσεις κουβέρτας υαλοβάμβακα με δυνατότητα μεταβλητού φορτίου
Ξεκινώντας με μια μονωτική κουβέρτα από υαλοβάμβακα πάχους 240 mm, ένα σύνολο τετραγωνικών τμημάτων 300 mm επί 300 mm κόπηκε και στοιβάχτηκε σε διάφορα ύψη. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας με διαφορετική πυκνότητα μεταβάλλοντας το πάχος μέσω της πίεσης της πλάκας. Για στοίβες από υαλοβάμβακα που υπερέβαιναν το μέγιστο άνοιγμα 100 mm του HFM 436/3, πραγματοποιήθηκε προ-συμπίεση με άκαμπτες πλάκες πριν από την εγκατάσταση στο HFM. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. Το όργανο ήταν calibrated με ένα πρότυπο πλάκας υαλοβάμβακα πάχους 25 mm NIST 1450d και η διαφορά θερμοκρασίας πλάκας ήταν 20 K.
Αποτελέσματα και συζητήσεις
Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζονται στον πίνακα 1 και στο σχήμα 2.
Πίνακας 1: Θερμική αγωγιμότητα συναρτήσει της πυκνότητας για ένα δείγμα υαλοϊνών που υποβάλλεται σε διάφορες ρυθμίσεις φορτίου συμπίεσης σε συσκευή HFM σε θερμοκρασία δωματίου
Πάχος (mm) | Πίεση στοίβας HFM | Πυκνότητα (kg/m³) | Αγωγιμότητα (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 |
Η μπλε καμπύλη προέκυψε από την προσαρμογή των σημείων δεδομένων με το μοντέλο ολικής αγωγιμότητας μέσω της μεθόδου ελαχίστων τετραγώνων. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το μοντέλο που παρουσιάστηκε παραπάνω είναι μια επαρκής διατύπωση της διαδικασίας ροής θερμότητας μέσω της κουβέρτας από ίνες γυαλιού. Οι διακεκομμένες καμπύλες αντιπροσωπεύουν κάθε αναμενόμενο τρόπο μεταφοράς. Τα αποτελέσματα δείχνουν ένα ευρύ ελάχιστο στη θερμική αγωγιμότητα στην περιοχή πυκνότητας περίπου 50-80 Kg/m3, κοντά στην πυκνότητα όπου η αγωγιμότητα λόγω των υαλοϊνών ισούται με την αγωγιμότητα ακτινοβολίας. Οι πληροφορίες αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τους κατασκευαστές για τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων των προϊόντων τους, ελαχιστοποιώντας την περιεκτικότητα σε ίνες γυαλιού και συνεπώς το κόστος. Η βέλτιστη πυκνότητα, για παράδειγμα, θα βρισκόταν πιθανώς στην πλευρά της χαμηλής πυκνότητας του ελάχιστου της αγωγιμότητας.
Συμπέρασμα
Είναι πολύ βολικό να διεξάγεται μια τέτοια μελέτη με τη δυνατότητα μεταβλητού φορτίου. Μια αυστηρή στατιστική ανάλυση θα απαιτούσε σίγουρα περισσότερα σημεία δεδομένων, κάτι που είναι εύκολα εφικτό με το HFM 436 Lambda. Μια πλήρης δοκιμή μπορεί εύκολα να προγραμματιστεί με διάφορα φορτία και θερμοκρασίες. Η εφαρμογή αυτή επεκτείνεται και σε άλλα πορώδη μονωτικά υλικά όπως ο πετροβάμβακας (ορυκτό) ή ο μαλλί σκωρίας.