Johdanto
Lämmöneristysmateriaalit ovat ratkaisevan tärkeitä, kun halutaan minimoida lämpöhäviöt ja varmistaa vakaat lämpötilaolosuhteet teknisissä järjestelmissä. Niiden 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 karakterisoidaan usein tarkasti paikallaan pysyvillä menetelmillä, kuten GHP-menetelmällä (Guarded Hot Plate). Näillä tutkimuksilla on merkitystä paitsi materiaalitutkimuksessa myös avaruusmatkailussa, jossa eristysmateriaaleja käytetään tyhjiössä, jossa lämpötila vaihtelee äärimmäisen voimakkaasti. GHP-mittaukset tarjoavat arvokasta tietoa muun muassa lämpösuunnittelua ja suorituskyvyn arviointia varten.
Kuituisten eristemateriaalien (esim. lasivillan) tehokas 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 riippuu pääasiassa kolmesta lämmönsiirtomekanismista:
- Lämmönsiirto kiinteän aineen läpi
- Lämmönsiirto säteilyn kautta
- Lämmönsiirto kaasufaasin kautta
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 voi vaihdella suuresti riippuen lämpötilasta, tiheydestä ja eristemateriaalin sisällä olevasta kaasusta.
Tässä sovellusohjeessa keskitytään erilaisiin ilmakehiin. Standardilasivillaa (NIST SRM 1450D), jonka 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 ilmassa tunnetaan, testattiin laitteessa GHP 456 Titan®. Laitteessa on uuni, jossa voidaan käyttää erilaisia puhdistuskaasuja sekä tehdä mittauksia alennetussa paineessa.
Kokeellinen
NIST SRM 1450D -materiaalia tutkittiin näytteen keskilämpötiloissa (Tmean), jotka vaihtelivat 10 °C:n ja 60 °C:n välillä, kun lämpötilaero (ΔT) oli 20 K mittauslevyjen välillä. Mittaukset suoritettiin eri kaasuissa (argon, typpi, helium) eri paineissa (noin 0,01 mbar - 1000 mbar). Ennen jokaista mittausta, jossa käytettiin toista kaasua, laite (näyte mukaan lukien) tyhjennettiin kahdesti ja huuhdeltiin uudella kaasulla.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 esitetään näytteen 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 eri puhdistuskaasuissa (typpi, argon ja helium). Mittaustuloksista on yhteenveto taulukossa 1.
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 standardilasivillasta (NIST SRM 1450D), määritetty eri puhdistuskaasuissa, verrattuna kirjallisuuteen
| Lämpötila °C | (W/m-K) | |||
| Kirjallisuus [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 |
Koska lasivilla on avohuokoinen järjestelmä, huuhtelukaasu tunkeutuu materiaaliin ja muuttaa siten sen tehollista lämmönjohtavuutta. Ilman ja typen 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 lähes sama (ks. taulukko 2). Odotetusti lasivillan vertailuarvojen ja typen kanssa tehtyjen mittausten välillä ei ole havaittavissa merkittävää eroa. Argonin 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 sitä vastoin huomattavasti alhaisempi kuin typen (noin 31 % alhaisempi), mikä käy ilmi lasivillan lämmönjohtavuuden mittauksesta argonhuuhtelun yhteydessä. Mitatut arvot ovat noin 28 % pienemmät kuin typen kanssa saadut arvot.
Toisin kuin argonilla, heliumin 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 huomattavasti korkeampi kuin typellä. Lasivillan efektiivinen 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 heliumin huuhtelulla on noin neljä kertaa suurempi kuin typellä tai ilmalla.
Taulukko 2: Eri kaasujen lämpöjohtavuus 20 °C:ssa [1]
Kuvassa 2 esitetään, miten paine vaikuttaa avohuokoisten eristemateriaalien lämmönjohtavuuteen. Siinä esitetään lasivillan 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 eri lämpötiloissa. S-käyrä on tyypillinen paineesta riippuvaisille mittauksille. Siitä käy selvästi ilmi, että kennokaasun 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 vaikuttaa merkittävästi teholliseen lämmönjohtavuuteen ja että tietyn kynnysarvon (noin 300 mbar) alapuolella on huomattava riippuvuus paineesta. Tämä voidaan selittää kaasumolekyylien tai -atomien vapaan kulkureitin pituudella.
Lämmönsiirto kaasun sisällä määräytyy pääasiassa hiukkasten lukumäärän ja niiden välisen keskimääräisen vapaan matkan mukaan. Hieman alhaisemmissa paineissa keskimääräinen vapaa matka kasvaa, mutta hiukkasten lukumäärä pienenee. Näin ollen 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 pysyy vakiona. Tämä ei kuitenkaan enää päde hyvin alhaisissa paineissa [3]. Tietystä pisteestä alkaen (tässä noin 300 mbar) ei ole enää riittävästi hiukkasia törmäilemään, ja keskimääräinen vapaan polun pituus putoaa huokosten halkaisijoiden alueelle. Tästä pisteestä alkaen lämmönsiirto kaasussa riippuu ainoastaan kaasuhiukkasten lukumäärästä. Jos hiukkasten lukumäärä pienenee paineen alenemisen vuoksi, lämmönsiirto kaasun kautta vähenee merkittävästi, samoin kuin koko materiaalin tehokas 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.
Yhteenveto
Rakenteensa vuoksi eristemateriaalien 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 riippuu suuresti paineesta ja solukaasusta. GHP 456 Titan® on ihanteellinen mittauslaite tehokkaan lämmönjohtavuuden määrittämiseen tällaisissa haastavissa olosuhteissa. Intuitiivisen ohjelmiston ja automaattisen paineen säädön ansiosta mittausten suorittaminen on edelleen helppoa.