Εισαγωγή
Τα θερμομονωτικά υλικά είναι ζωτικής σημασίας για την ελαχιστοποίηση της απώλειας θερμότητας και την εξασφάλιση σταθερών συνθηκών θερμοκρασίας σε τεχνικά συστήματα. Η θερμική τους αγωγιμότητα χαρακτηρίζεται συχνά με ακρίβεια χρησιμοποιώντας σταθερές μεθόδους, όπως η μέθοδος Guarded Hot Plate (GHP). Οι έρευνες αυτές έχουν σημασία όχι μόνο στην έρευνα υλικών, αλλά και στα διαστημικά ταξίδια, όπου τα μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται σε κενό με ακραίες διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις GHP παρέχουν, μεταξύ άλλων, πολύτιμα δεδομένα για τον θερμικό σχεδιασμό και την αξιολόγηση των επιδόσεων.
Η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα των ινωδών μονωτικών υλικών (π.χ. υαλοβάμβακα) εξαρτάται κυρίως από τρεις μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας:
- Μεταφορά θερμότητας μέσω του στερεού
- Μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας
- Μεταφορά θερμότητας μέσω της αέριας φάσης
Ανάλογα με τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και το αέριο εντός του μονωτικού υλικού, η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα μπορεί να διαφέρει σημαντικά.
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής επικεντρώνεται σε διαφορετικές ατμόσφαιρες. Τυποποιημένος υαλοβάμβακας (NIST SRM 1450D), ο οποίος έχει γνωστή θερμική αγωγιμότητα στον αέρα, δοκιμάστηκε στο GHP 456 Titan®. Η συσκευή είναι εξοπλισμένη με φούρνο που επιτρέπει διάφορα αέρια καθαρισμού, καθώς και μετρήσεις υπό μειωμένη πίεση.
Πειραματικό
Το υλικό NIST SRM 1450D εξετάστηκε σε μέσες θερμοκρασίες δείγματος (Tmean) μεταξύ 10°C και 60°C με διαφορά θερμοκρασίας (ΔT) 20 K στις πλάκες μέτρησης. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν υπό διαφορετικά αέρια (αργό, άζωτο, ήλιο) σε διαφορετικές πιέσεις (περίπου 0,01 mbar έως 1000 mbar). Πριν από κάθε μέτρηση με άλλο αέριο, η συσκευή (συμπεριλαμβανομένου του δείγματος) εκκενώθηκε δύο φορές και καθαρίστηκε με το νέο αέριο.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος σε διάφορα αέρια καθαρισμού (άζωτο, αργό και ήλιο). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Θερμική αγωγιμότητα πρότυπου υαλοβάμβακα (NIST SRM 1450D), προσδιορισμένη σε διάφορα αέρια καθαρισμού σε σύγκριση με τη βιβλιογραφία
| Θερμοκρασία °C | Θερμική αγωγιμότητα (W/m-K) | |||
| Βιβλιογραφία [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 |
Δεδομένου ότι ο υαλοβάμβακας είναι ένα σύστημα ανοικτών πόρων, το αέριο καθαρισμού διεισδύει στο υλικό και έτσι αλλάζει την αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητά του. Η θερμική αγωγιμότητα του αέρα και του αζώτου είναι σχεδόν ταυτόσημη (βλέπε πίνακα 2). Όπως αναμενόταν, δεν ανιχνεύεται σημαντική διαφορά μεταξύ των τιμών αναφοράς για τον υαλοβάμβακα και των μετρήσεων υπό άζωτο. Το αργό, από την άλλη πλευρά, έχει σημαντικά χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το άζωτο (περίπου 31% χαμηλότερη), όπως αντικατοπτρίζεται στη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας του υαλοβάμβακα με καθαρισμό με αργό. Οι μετρούμενες τιμές είναι περίπου 28% χαμηλότερες από εκείνες που λαμβάνονται με άζωτο.
Σε αντίθεση με το αργό, το ήλιο έχει σημαντικά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το άζωτο. Η πραγματική θερμική αγωγιμότητα του υαλοβάμβακα με καθαρισμό με ήλιο είναι περίπου τέσσερις φορές υψηλότερη από ό,τι με άζωτο ή αέρα.
Πίνακας 2: Θερμική αγωγιμότητα διαφόρων αερίων στους 20°C [1]
| Αέριο | Θερμική αγωγιμότητα / (W/m-K) |
|---|---|
| Ήλιο | 0.150 |
| Αργό | 0.017 |
| Αέρας | 0.026 |
| Άζωτο | 0.026 |
Το Σχήμα 2 απεικονίζει τον τρόπο με τον οποίο η πίεση επηρεάζει τη θερμική αγωγιμότητα των μονωτικών υλικών ανοικτών πόρων. Δείχνει τη θερμική αγωγιμότητα του υαλοβάμβακα σε διάφορες θερμοκρασίες. Η καμπύλη S είναι χαρακτηριστική των μετρήσεων που εξαρτώνται από την πίεση. Δείχνει σαφώς ότι η θερμική αγωγιμότητα του αερίου του κελιού επηρεάζει σημαντικά την αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα και ότι υπάρχει σημαντική εξάρτηση από την πίεση κάτω από ένα ορισμένο όριο (περίπου 300 mbar). Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το μήκος της ελεύθερης διαδρομής των μορίων ή των ατόμων του αερίου.
Η μεταφορά θερμότητας μέσα σε ένα αέριο καθορίζεται κυρίως από τον αριθμό των σωματιδίων και τη μέση ελεύθερη διαδρομή μεταξύ τους. Σε ελαφρώς χαμηλότερες πιέσεις, η μέση ελεύθερη διαδρομή αυξάνεται, αλλά ο αριθμός των σωματιδίων μειώνεται. Έτσι, η θερμική αγωγιμότητα παραμένει σταθερή. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει πλέον σε πολύ χαμηλές πιέσεις [3]. Από ένα ορισμένο σημείο και μετά (εδώ, περίπου 300 mbar), δεν υπάρχουν επαρκή σωματίδια για να συγκρουστούν και το μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής πέφτει εντός του εύρους των διαμέτρων των πόρων. Από αυτό το σημείο και μετά, η μεταφορά θερμότητας στο αέριο εξαρτάται αποκλειστικά από τον αριθμό των σωματιδίων του αερίου. Εάν ο αριθμός των σωματιδίων μειωθεί λόγω χαμηλότερης πίεσης, η μεταφορά θερμότητας μέσω του αερίου μειώνεται σημαντικά, όπως και η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα ολόκληρου του υλικού.
Περίληψη
Λόγω της δομής τους, η θερμική αγωγιμότητα των μονωτικών υλικών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την πίεση και το αέριο του κελιού. Το GHP 456 Titan® είναι η ιδανική συσκευή μέτρησης για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας σε τέτοιες δύσκολες συνθήκες. Χάρη στο διαισθητικό λογισμικό και τον αυτόματο έλεγχο της πίεσης, η εκτέλεση των μετρήσεων παραμένει εύκολη.