Introducción
La línea de instrumentos NETZSCH HFM 436 dispone de una nueva opción (figura 1) que permite a los usuarios realizar ensayos de flujometría térmica en muestras sometidas a altas cargas de compresión; esta función amplía el abanico de posibilidades de los programas de I+D sobre aislamientos térmicos.
Variando la presión de la placa sobre la muestra para alcanzar diferentes niveles de compresión, los usuarios pueden generar curvas de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en función de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad, revelando información sobre la fuerza relativa de los diferentes procesos de transporte de calor en los productos de aislamiento térmico.
Esta Nota de Aplicación proporciona un análisis de los tres mecanismos dominantes de transporte de calor en un material aislante de vidrio fibroso con el fin de derivar una expresión analítica para la dependencia funcional de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en función de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad; las predicciones del modelo analítico se comparan con los datos reales de ensayo HFM generados bajo diversas cargas en el HFM 436 actualizado Lambda. Se observó una excelente concordancia en toda la gama de densidades, que abarcaba una relación de 19:1 desde la más alta a la más baja.
Transferencia de calor multimodo en materiales aislantes
En un mundo tan preocupado por la energía como el actual, se recuerda constantemente la importancia de las medidas de ahorro energético, una de las cuales es mejorar el rendimiento térmico de los edificios con un aislamiento de alta calidad. Los esfuerzos de I+D de los fabricantes encaminados a desarrollar aislamientos térmicos de mayor rendimiento se han beneficiado enormemente del desarrollo paralelo de herramientas experimentales y analíticas más potentes para evaluar sus progresos. Las nuevas capacidades de ensayo analizadas en esta nota de aplicación representan un paso más en esa dirección.
En el presente estudio, analizamos la transferencia de calor a través de una manta de fibra de vidrio, utilizada habitualmente como aislante en la construcción. Dicha manta es una maraña de largas fibras de vidrio que constituyen la matriz dentro de la cual queda atrapado el aire.
Conducción a través del aire:
A temperaturas moderadas, una parte significativa de la transferencia de calor a través del aislamiento se produce por conducción a través del aire, que es independiente de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad. Este modo de transferencia de calor se rige por la ecuación de Fourier con una conductividad del aire constante λaire.
Conducción a través de las fibras de vidrio:
La transferencia de calor a través de las fi bras de vidrio también se rige por la ecuación de Fourier, pero en este caso, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica correspondiente glass es función de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad ρ. Las vías de conducción aumentan aproximadamente en proporción a la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad como:
λvidrio = B∙ρ
siendo B una constante.
Radiación:
Para el modo de transferencia de calor radiativo, la manta de fibra de vidrio se considera a menudo como un medio absorbente, emisor, participante y ópticamente grueso con propiedades ópticas independientes de la longitud de onda. Con estas suposiciones, la transferencia de calor radiativa se deriva como:
qradiativa = -λrad dT/dx
Esta ecuación es similar a la ley de Fourier, que es la razón por la que λrad se denomina a menudo Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica radiativa. Cuanto más densa es la manta, mayor es el número de fibras de vidrio por unidad de volumen, lo que provoca una mayor dispersión y una disminución de la transferencia radiativa.
De este modo, el flujo radiativo disminuye a un ritmo inversamente proporcional a la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad:
λrad = C/ρ
siendo C una constante.
El calor total transferido a través de la manta es la suma de estos tres modos distintos. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica efectiva se obtiene entonces como:
λtotal = λair +B∙ρ + C/ρ
Esta última ecuación representa la relación entre la conductividad total y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de la manta de fibra de vidrio con tres parámetros desconocidos: λair, B y C.
HFM 436 Fiberglass Blanket Measurements con Función de carga variable
Partiendo de una manta aislante de fibra de vidrio de 240 mm de espesor, se cortó un conjunto de secciones cuadradas de 300 mm por 300 mm y se apilaron a distintas alturas. Se realizaron mediciones de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica con diferentes densidades variando el grosor mediante la presión de la placa. Para las pilas de fibra de vidrio que superaban la abertura máxima de 100 mm del HFM 436/3, se realizó una precompresión con placas rígidas antes de la instalación en el HFM. Todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente. El instrumento se calibró con un patrón de placa de fibra de vidrio NIST 1450d de 25 mm de espesor y la diferencia de temperatura de la placa fue de 20 K.
Resultados y debates
Los resultados de las mediciones se presentan en la tabla 1 y la figura 2.
Tabla 1: Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.Conductividad térmica en función de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de una muestra de fibra de vidrio sometida a varios ajustes de carga de compresión en un aparato HFM a temperatura ambiente
Espesor (mm) Presión | Presión de apilamiento HFM | DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. Densidad (kg/m³) | Conductividad (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 |
La curva azul se obtuvo ajustando los puntos de datos con el modelo de conductividad total mediante el método de mínimos cuadrados. Se puede concluir que el modelo presentado anteriormente es una formulación adecuada del proceso de flujo de calor a través de la manta de fibra de vidrio. Las curvas discontinuas representan cada modo de transferencia esperado. Los resultados muestran un amplio mínimo en la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en el rango de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de aproximadamente 50-80 Kg/m3, cerca de la densidad donde la conductividad debida a las fibras de vidrio es igual a la conductividad radiativa. Esta información podría ser utilizada por los fabricantes para optimizar el rendimiento de sus productos minimizando el contenido de fibra de vidrio y, por tanto, el coste. La densidad óptima, por ejemplo, se situaría probablemente en el lado de baja densidad del mínimo de conductividad.
Conclusión
Resulta muy cómodo realizar un estudio de este tipo con la función de carga variable. Un análisis estadístico riguroso requeriría sin duda un mayor número de puntos de datos, fácilmente alcanzables con el HFM 436 Lambda. Se puede programar fácilmente una prueba completa con varias cargas y temperaturas. Esta aplicación también se extiende a otros materiales aislantes porosos como la lana de roca (mineral) o de escoria.