Johdanto
NETZSCH HFM 436 -laitesarjaan (kuva 1) on saatavana uusi vaihtoehto, jonka avulla käyttäjät voivat tehdä lämpövirtausmittarin testejä näytteille, joihin kohdistuu suuria puristuskuormituksia; tämä ominaisuus laajentaa lämpöeristeitä koskevien T&K-ohjelmien mahdollisuuksia.
Vaihtelemalla näytteeseen kohdistuvaa levyn painetta eri puristustasojen saavuttamiseksi käyttäjät voivat luoda lämmönjohtavuuskäyriä tiheyden funktiona, mikä paljastaa tietoa eri lämmönsiirtoprosessien suhteellisesta voimakkuudesta lämmöneristystuotteissa.
Tässä sovellusohjeessa analysoidaan kolmea hallitsevaa lämmönsiirtomekanismia kuitumaisessa lasieristysmateriaalissa, jotta voidaan johtaa analyyttinen lauseke lämmönjohtavuuden funktionaaliselle riippuvuudelle tiheydestä; analyyttisen mallin ennusteita verrataan todellisiin HFM-testitietoihin, jotka on tuotettu eri kuormituksilla päivitetyssä HFM 436 Lambda. Erinomainen yhdenmukaisuus havaittiin koko tiheysalueella, joka ulottui 19:1:n suhteeseen suurimmasta pienimpään.
Monimuotoinen lämmönsiirto eristemateriaaleissa
Nykypäivän energiatietoisessa maailmassa muistutetaan jatkuvasti energiansäästötoimenpiteiden tärkeydestä, ja yksi niistä on rakennusten lämpötehokkuuden parantaminen laadukkaalla eristyksellä. Valmistajien tutkimus- ja kehitystoiminta, jonka tavoitteena on kehittää entistä tehokkaampia lämmöneristeitä, on hyötynyt suuresti siitä, että samanaikaisesti on kehitetty entistä tehokkaampia kokeellisia ja analyyttisiä välineitä niiden edistymisen arvioimiseksi. Tässä sovellusmuistiossa käsiteltävät uudet testausmahdollisuudet ovat jälleen yksi askel tähän suuntaan.
Tässä tutkimuksessa analysoimme lämmönsiirtoa lasikuituhuovan läpi, jota käytetään yleisesti rakennusten eristeenä. Tällainen huopa koostuu pitkistä lasikuiduista, jotka muodostavat matriisin, jonka sisään ilma on suljettu.
Johtuminen ilman läpi:
Lämmönsiirrosta eristeen läpi tapahtuu kohtalaisissa lämpötiloissa merkittävä osa ilman kautta tapahtuvalla johtumisella, joka on riippumaton tiheydestä. Tätä lämmönsiirtotapaa säätelee Fourierin yhtälö, kun ilman johtokyky λair on vakio.
Johtuminen lasikuitujen läpi:
Lämmönsiirto lasikuitujen läpi tapahtuu myös Fourierin yhtälön mukaisesti, mutta tässä tapauksessa vastaava LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus glass on tiheyden ρ funktio:
λlasi = B∙ρ
jossa B on vakio.
Säteily:
Säteilylämmönsiirtotapaa varten lasikuitupeitettä pidetään usein absorboivana, emittoivana, osallistuvana ja optisesti paksuna väliaineena, jolla on aallonpituudesta riippumattomat optiset ominaisuudet. Näillä oletuksilla säteilylämmönsiirto saadaan seuraavasti:
qradiatiivinen = -λrad dT/dx
Tämä yhtälö on samanlainen kuin Fourierin laki, minkä vuoksi λradia kutsutaan usein säteilylämmönjohtavuudeksi. Mitä tiheämpi peitto on, sitä suurempi on lasikuitujen määrä tilavuusyksikköä kohti, mikä johtaa suurempaan sirontaan ja pienentää säteilylämmönsiirtoa.
Säteilyvirta pienenee siten nopeudella, joka on kääntäen verrannollinen tiheyteen:
λrad = C/ρ
c:n ollessa vakio.
Huovan läpi siirtyvä kokonaislämpö on näiden kolmen eri moodin summa. Tehollinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus saadaan näin ollen seuraavasti:
λtotal = λair +B∙ρ + C/ρ
Tämä viimeinen yhtälö kuvaa kokonaisjohtavuuden ja lasikuituhuovan tiheyden välistä suhdetta kolmen tuntemattoman parametrin avulla: λair, B ja C.
HFM 436 Lasikuituhuovan mittaukset Muuttuva kuormitusominaisuus
Aluksi 240 mm paksusta lasikuitueristyspeitteestä leikattiin 300 mm x 300 mm:n kokoisia neliönmuotoisia osia, jotka pinottiin eri korkeuksille. Lämmönjohtavuusmittaukset eri tiheydellä suoritettiin vaihtelemalla paksuutta levyn paineen avulla. Niiden lasikuitupinojen osalta, jotka ylittivät HFM 436/3 -laitteen 100 mm:n enimmäisaukon, suoritettiin esipuristus jäykillä levyillä ennen asennusta HFM-laitteeseen. Kaikki mittaukset tehtiin huoneenlämmössä. Laite kalibroitiin 25 mm:n paksuisella NIST 1450d -lasikuitulevystandardilla, ja levyjen lämpötilaero oli 20 K.
Tulokset ja keskustelut
Mittaustulokset esitetään taulukossa 1 ja kuvassa 2.
Taulukko 1: LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus suhteessa tiheyteen lasikuitunäytteelle, joka on altistettu erilaisille puristuskuormitusasetuksille HFM-laitteessa huoneenlämmössä
Paksuus (mm) | HFM-pinoamispaine | TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. Tiheys (kg/m³) | Johtavuus (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 |
Sininen käyrä saatiin sovittamalla datapisteet kokonaisjohtavuusmallin avulla pienimmän neliösumman menetelmällä. Voidaan päätellä, että edellä esitetty malli on riittävä kuvaus lasikuitupeitteen läpi tapahtuvasta lämpövirtausprosessista. Katkoviivoitetut käyrät edustavat kutakin odotettua siirtotapaa. Tulokset osoittavat, että LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on suurimmillaan noin 50-80 kg/m3 tiheysalueella, lähellä tiheyttä, jossa lasikuitujen aiheuttama johtavuus on yhtä suuri kuin säteilyjohtavuus. Valmistajat voisivat käyttää tätä tietoa optimoidakseen tuotteidensa suorituskyvyn minimoimalla lasikuitupitoisuuden ja siten kustannukset. Optimaalinen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys esimerkiksi sijaitsisi luultavasti johtavuuden vähimmäistason alhaisen tiheyden puolella.
Päätelmä
Tällaisen tutkimuksen tekeminen on erittäin kätevää muuttuvan kuorman ominaisuuden avulla. Tarkka tilastollinen analyysi vaatisi varmasti enemmän datapisteitä, mikä on helposti saavutettavissa HFM 436 Lambda-laitteella. Yksi täydellinen testi voidaan helposti ohjelmoida eri kuormituksilla ja lämpötiloilla. Tämä sovellus soveltuu myös muihin huokoisiin eristemateriaaleihin, kuten kivi- (mineraali-) tai kuonavillaan.