Introduction
Une nouvelle option est disponible pour la gamme d'instruments NETZSCH HFM 436 (figure 1) qui permet aux utilisateurs d'effectuer des tests de débitmètre thermique sur des échantillons soumis à des charges de compression élevées ; cette fonction élargit l'éventail des possibilités pour les programmes de recherche et de développement sur les isolants thermiques.
En faisant varier la pression de la plaque sur l'échantillon pour obtenir différents niveaux de compression, les utilisateurs peuvent générer des courbes de conductivité thermique en fonction de la densité, révélant ainsi des informations sur la force relative des différents processus de transport de la chaleur dans les produits d'isolation thermique.
Cette note d'application fournit une analyse des trois mécanismes dominants de transport de la chaleur dans un matériau isolant en verre fibreux afin de dériver une expression analytique pour la dépendance fonctionnelle de la conductivité thermique en fonction de la densité ; les prédictions du modèle analytique sont comparées aux données d'essai HFM réelles générées sous diverses charges dans la version actualisée de HFM 436 Lambda. Une excellente concordance a été observée sur toute la plage de densité, qui s'étendait sur un rapport de 19:1 de la plus élevée à la plus faible.
Transfert de chaleur multimodal dans les matériaux d'isolation
Dans le monde d'aujourd'hui, où l'on se soucie de l'énergie, l'importance des mesures d'économie d'énergie est constamment rappelée, l'une d'entre elles étant l'amélioration des performances thermiques des bâtiments grâce à une isolation de haute qualité. Les efforts de R&D des fabricants visant à développer des isolants thermiques plus performants ont grandement bénéficié du développement parallèle d'outils expérimentaux et analytiques plus puissants pour évaluer leurs progrès. Les nouvelles capacités d'essai présentées dans cette note d'application représentent un pas de plus dans cette direction.
Dans cette étude, nous analysons le transfert de chaleur à travers un matelas de fibres de verre, couramment utilisé pour l'isolation des bâtiments. Cette couverture est un enchevêtrement de longues fibres de verre qui constituent la matrice dans laquelle l'air est emprisonné.
Conduction à travers l'air :
À des températures modérées, une part importante du transfert de chaleur à travers l'isolation se produit par conduction à travers l'air, qui est indépendante de la densité. Ce mode de transfert de chaleur est régi par l'équation de Fourier avec une conductivité de l'air constante λair.
Conduction à travers les fibres de verre :
Le transfert de chaleur à travers les fibres de verre est également régi par l'équation de Fourier, mais dans ce cas, la conductivité thermique correspondante glass est fonction de la densité ρ. Les voies de conduction augmentent à peu près proportionnellement à la densité comme suit :
λglass = B∙ρ
b étant une constante.
Rayonnement :
Pour le mode de transfert de chaleur radiatif, la couverture en fibre de verre est souvent considérée comme un média absorbant, émettant, participant et optiquement épais avec des propriétés optiques indépendantes de la longueur d'onde. Avec ces hypothèses, le transfert de chaleur radiatif est dérivé comme suit :
qradiative = -λrad dT/dx
Cette équation est similaire à la loi de Fourier, ce qui explique pourquoi λrad est souvent appelé conductivité thermique radiative. Plus la couverture est dense, plus le nombre de fibres de verre par unité de volume est élevé, ce qui entraîne une plus grande diffusion et une diminution du transfert radiatif.
Le flux radiatif diminue donc à un rythme inversement proportionnel à la densité :
λrad = C/ρ
c étant une constante.
La chaleur totale transférée à travers la couverture est la somme de ces trois modes distincts. La conductivité thermique effective est alors dérivée comme suit :
λtotal = λair +B∙ρ + C/ρ
Cette dernière équation représente la relation entre la conductivité totale et la densité du matelas de fibres de verre avec trois paramètres inconnus : λair, B et C.
HFM 436 Mesure des couvertures en fibre de verre avec Charge variable
À partir d'un matelas isolant en fibre de verre de 240 mm d'épaisseur, un ensemble de sections carrées de 300 mm par 300 mm a été découpé et empilé à différentes hauteurs. Les mesures de conductivité thermique avec différentes DensitéThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densités ont été effectuées en faisant varier l'épaisseur par la pression de la plaque. Pour les piles de fibres de verre qui dépassaient l'ouverture maximale de 100 mm du HFM 436/3, une pré-compression a été effectuée avec des plaques rigides avant l'installation dans le HFM. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante. L'instrument a été étalonné avec une plaque standard en fibre de verre NIST 1450d de 25 mm d'épaisseur et la différence de température de la plaque était de 20 K.
Résultats et discussions
Les résultats des mesures sont présentés dans le tableau 1 et la figure 2.
Tableau 1 : Conductivité thermique en fonction de la densité pour un échantillon de fibre de verre soumis à différentes charges de compression dans un appareil HFM à température ambiante
Épaisseur épaisseur (mm) | Pression de la pile HFM | Densité (kg/m³) | Conductivité (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 courbe bleue a été obtenue en ajustant les points de données avec le modèle de conductivité totale par la méthode des moindres carrés. On peut conclure que le modèle présenté ci-dessus est une formulation adéquate du processus de transfert de chaleur à travers la couverture en fibre de verre. Les courbes en pointillés représentent chaque mode de transfert attendu. Les résultats montrent un large minimum de conductivité thermique dans la plage de densité d'environ 50-80 Kg/m3, près de la densité où la conductivité due aux fibres de verre est égale à la conductivité radiative. Ces informations pourraient être utilisées par les fabricants pour optimiser les performances de leurs produits en minimisant la teneur en fibres de verre et donc le coût. La densité optimale, par exemple, se situerait probablement du côté de la faible densité du minimum de conductivité.
Conclusion
Il est très pratique de mener une telle étude avec la fonction de charge variable. Une analyse statistique rigoureuse nécessiterait certainement plus de points de données, ce qui est facilement réalisable avec le HFM 436 Lambda. Un test complet peut être facilement programmé avec différentes charges et températures. Cette application s'étend également à d'autres matériaux d'isolation poreux tels que la laine de roche (minérale) ou la laine de laitier.