Introducción
Los materiales aislantes conocidos, como la lana mineral o las espumas poliméricas, suelen fabricarse con espesores elevados (varios centímetros) para cumplir el valor U exigido para el aislamiento térmico de los edificios. Un dispositivo de medición adecuado para determinar la conductividad térmica (λ) es el HFM 446 LambdaMedium (figura 1). Sin embargo, los materiales aislantes también se aplican en otros ámbitos con otros espesores, por ejemplo, en el aislamiento térmico y acústico de suelos. El grosor de estos materiales aislantes suele ser de unos pocos milímetros. Las siguientes mediciones muestran cómo estos materiales tan finos pueden investigarse con éxito con el HFM 446 LambdaMedium .
Valor U
El valor U refleja el flujo de calor a través de un componente en función del gradiente de temperatura entre el lado caliente y el lado frío de una unidad [W/(m2-K)]. La unidad describe la energía que fluye a través de 1 metro cuadrado debido a una diferencia de temperatura de 1 K. Este valor caracteriza las propiedades aislantes de un componente; esto significa en la práctica que cuanto menor sea el valor U, mejor será el efecto aislante. Cuanto mayor sea el valor U, peor será el efecto aislante. El edificio pierde más calor en los días fríos de invierno.
Método de medición
Se define un gradiente de temperatura entre dos placas mediante un material que debe medirse. Mediante dos sensores de flujo térmico de alta precisión situados en las placas, se mide el flujo de calor que entra y sale del material, respectivamente. Una vez que se alcanza el equilibrio del sistema y el flujo de calor es constante, puede calcularse la conductividad térmica con ayuda de la ecuación de Fourier y el conocimiento del área de medición y el espesor de la muestra (véase el esquema de la figura 2).
λ Conductividad térmica [W/(m∙K)]
d Espesor [mm]
R = d/ λ Resistencia térmica [m2∙K/W]
U = 1/R Coeficiente de transferencia térmica [W/(m2∙K)]
Condiciones de medición
Se investigó un tablero aislante de fibra natural con un grosor de 4 mm. La resistencia térmica (R = d/λ) de muestras tan finas supone un reto para la medición. Las muestras con una resistencia térmica inferior a aproximadamente 0,5 m²∙K/W no pueden medirse con el HFM como medición estándar (DIN EN 12667). La Resistencia de contactoAccording to the second law of thermodynamics, heat transfer between two systems always moves in the direction from higher to lower temperatures. The amount of thermal energy transferred by heat conduction, e.g., through a wall of a building, is influenced by the thermal resistances of the concrete wall and the insulation layer.resistencia de contacto entre las placas y la muestra ya no es despreciable y afectará al resultado. Para superar el problema de la baja resistencia térmica, se realizaron mediciones con dos enfoques diferentes:
- Apilamiento de muestras, mencionado en DIN EN 12667
- Medición de una muestra con termopar externo adicional y capas de interfaz (=kit de instrumentación), descrito en DIN EN 12664 para muestras con una resistencia térmica < 0,5m2∙K/W.
Las mediciones se realizaron a una temperatura media de la muestra de 25 °C. La diferencia de temperatura entre las placas era de 20 K. La presión sobre la muestra era de aproximadamente 2 kPa.
Apilamiento de muestras
La figura 3 muestra la conductividad térmica en función del espesor total de las muestras apiladas (de 1 a 8 capas). Los datos de las mediciones se resumen en la tabla 1.
En el rango de espesores bajos, la conductividad térmica muestra una dependencia del espesor. La Resistencia de contactoAccording to the second law of thermodynamics, heat transfer between two systems always moves in the direction from higher to lower temperatures. The amount of thermal energy transferred by heat conduction, e.g., through a wall of a building, is influenced by the thermal resistances of the concrete wall and the insulation layer.resistencia de contacto entre la muestra y las placas HFM afecta al resultado (conductividad térmica reducida).
Con un espesor superior a 20-24 mm (5-6 capas), la conductividad térmica es constante y ya no depende del espesor. Esta es la región en la que la resistencia de contacto es despreciable y las mediciones pueden considerarse fiables. La resistencia térmica de la muestra es superior a aproximadamente 0,5 (m²∙K)/W.
Cuadro 1: Resultados de las mediciones de las muestras apiladas de un tablero de fibra aislante naterial de 4 mm de espesor
Número de capas | Espesor [mm] | Conductividad térmica* [W/(m∙K)] | [(m2∙K)/W] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.04214 | 0.0958 |
| 2 | 8 | 0.04447 | 0.1812 |
| 3 | 12 | 0.04565 | 0.2582 |
| 4 | 16 | 0.04697 | 0.3387 |
| 5 | 20 | 0.04745 | 0.4214 |
| 6 | 24 | 0.04779 | 0.5021 |
| 7 | 28 | 0.04749 | 0.5906 |
| 8 | 32 | 0.04734 | 0.6757 |
* todos los resultados ± 3%
La figura 4 (resistencia térmica en función del espesor) confirma que las mediciones con muestras apiladas son fiables. La resistencia térmica aumenta linealmente al aumentar el grosor. La línea de tendencia lineal da un ajuste R² de 0,99972 y la pendiente es un indicador de la conductividad térmica (pendiente m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Este valor concuerda bien con los resultados de las mediciones de la muestra apilada con un espesor superior a ~20 mm; véase la tabla 1.
Kit de instrumentación
Para muestras de baja resistencia térmica, las mediciones con el kit de instrumentación (= termopares externos y capas de interfaz) también pueden ser una buena solución. El problema de la resistencia de contacto se resuelve mediante la medición directa de la temperatura de la superficie. Para muestras rígidas, el kit de instrumentación es una buena opción. Dado que el panel aislante de fibra natural de 4 mm de grosor no es completamente rígido, sino flexible, existe otra fuente de incertidumbre. Los termopares externos pueden penetrar en la superficie de la muestra.
Por lo tanto, el grosor (= distancia entre los termopares externos) no se conoce con precisión. Debido al bajo espesor de sólo 4 mm, incluso un bajo nivel de penetración puede causar una alta desviación en el resultado (el error relativo en el espesor causa el mismo error relativo en la conductividad térmica).
La tabla 2 muestra los resultados de una medición con el kit de instrumentación. La medición de una capa con el kit de instrumentación produce un valor que es aproximadamente un 10% superior a los resultados de las muestras apiladas. Este aumento del 10% en el valor de la conductividad térmica se debe muy probablemente a un valor de espesor incorrecto en un 10% debido a la penetración del termopar externo (200 μm en cada lado). Esto se confirma mediante la medición de 1 y 2 capas con el kit de instrumentación y el cálculo de la conductividad térmica con espesor ajustado (= espesor menos 2 x 200 μm). La conductividad térmica con espesor ajustado concuerda bien con los valores de las mediciones con muestras apiladas.
Tabla 2: Resultados de las mediciones del panel aislante de fibra natural de 4 mm de grosor con el kit de instrumentación
Número de capas | Espesor [mm] | Conductividad térmica* [W/(m-K) [W/(m-K)] | Espesor ajustado [mm] Conductividad térmica | Conductividad térmica con Espesor ajustado [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Resumen
La conductividad térmica de materiales aislantes delgados y flexibles puede medirse con el HFM 446 LambdaMedium apilando varias capas del material hasta alcanzar un espesor suficiente. La medición con termopares externos kit de instrumentación) en muestras flexibles puede dar lugar a valores de conductividad térmica falsamente inflados debido a la posible penetración de los termopares en la superficie de la muestra.