Débitmètre de chaleur (HFM) avec kit d'instrumentation : Mesures sur Pyrex® - en bon accord avec l'analyse laser flash (LFA) et la littérature

Introduction

La technique du débitmètre thermique (HFM) est une méthode bien connue et acceptée pour déterminer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des matériaux isolants tels que l'EPS, la laine de roche ou les panneaux de fibre de verre. Le HFM permet également d'étudier des matériaux de construction tels que le béton, dont la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est plus élevée et la structure plus rigide. Le kit d'instrumentation permet d'étendre la plage de mesure jusqu'à 2 W/(m∙K). Cette note d'application décrit en détail le kit d'instrumentation et présente les données obtenues sur Pyrex® avec le HFM 436/3/1 (figure 1). Son efficacité est démontrée par la corrélation des données avec la technique d'analyse du flash laser (LFA, figure 2).

Kit d'instrumentation

Lorsque l'on teste des matériaux isolants avec la technique HFM, les résistances thermiques d'interface entre l'échantillon et les plaques HFM sont généralement négligeables par rapport à la résistance thermique de l'échantillon. Dans le cas d'échantillons très conducteurs et/ou rigides, cette hypothèse n'est plus valable. Même si les surfaces de l'échantillon sont très plates et planes, il reste toujours des espaces d'air small à l'interface, ce qui entraîne des différences significatives entre les températures de surface des plaques et de l'échantillon, ainsi qu'un flux de chaleur inhomogène à travers l'échantillon. Pour éviter ces inconvénients, le kit d'instrumentation est nécessaire. Il se compose de deux thermocouples externes et de deux couches d'interface (figure 3). Les couches d'interface améliorent le contact thermique entre les plaques et l'échantillon, tandis que les thermocouples externes sont en contact direct avec les surfaces de l'échantillon (figure 4) et mesurent donc les températures de surface exactes et "vraies" (figure 5).

Comparaison des données de mesure sur Pyrex® à l'aide du kit d'instrumentation HFM et de la technique LFA

Les performances du kit d'instrumentation sont démontrées avec le Pyrex®, un matériau de référence homogène, chimiquement stable et bien connu depuis les années 1960, dont la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est d'environ 1,14 W/(m∙K) à 23°C [1].

Les données rapportées ont été réalisées sur des échantillons mesurant 300 mm x 300 mm x 20 mm avec et sans kit d'instrumentation. L'étalonnage des capteurs de flux thermique a été réalisé à l'aide d'une plaque en fibre de verre certifiée NIST (1450D) sans kit d'instrumentation, conformément à la norme ASTM C 518. Trois échantillons différents de Pyrex (A, B, C) provenant du même lot ont été testés. Deux échantillons (1, 2) d'un diamètre de 12,7 mm et d'une épaisseur de 2,5 mm ont également été préparés à partir du même lot pour les tests LFA. Les mesures ont été effectuées avec le LFA467 Hyperflash.

Le tableau 1 montre les résultats à 23°C des différents tests HFM et LFA. L'écart-type de small (1,7 %) des tests HFM démontre la bonne reproductibilité de la méthode. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique moyenne de 1,15 W/(m∙K) ne s'écarte que de 0,88 % de la valeur moyenne obtenue avec la méthode LFA et la littérature. Cela prouve la précision des mesures HFM avec le kit d'instrumentation.

Tableau 1 : Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.Conductivité thermique de Pyrex® à 23°C en utilisant HFM et LFA

Sans le kit d'instrumentation, la Résistance des contactsSelon la deuxième loi de la thermodynamique, le transfert de chaleur entre deux systèmes se fait toujours dans le sens d'une température plus élevée vers une température plus basse. La quantité d'énergie thermique transférée par conduction thermique, par exemple à travers un mur d'un bâtiment, est influencée par les résistances thermiques du mur en béton et de la couche d'isolation. résistance de contact thermique élevée et les températures de surface inconnues conduisent à une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de 0,53 W/(m∙K), nettement inférieure à la valeur attendue.

La figure 6 illustre les résultats obtenus entre 10°C et 65°C avec la HFM, la LFA et les valeurs de la littérature (barres d'erreur ± 5 %). Sur l'ensemble de la plage de température, les résultats de la HFM et de la LFA sont en bon accord avec les valeurs de la littérature (écart maximal de 2,8 % - LFA et de 3,9 % - HFM).

Résumé

La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des matériaux rigides jusqu'à 2 W/(m∙K) peut être étudiée de manière fiable avec le HFM, à condition que les températures de surface soient mesurées avec précision. Ceci est possible grâce au kit d'instrumentation, qui garantit un flux de chaleur homogène et des températures de surface de l'échantillon exactes. Les données des mesures HFM avec le kit d'instrumentation sont hautement reproductibles et en bon accord avec les résultats de la technique LFA et de la littérature. En outre, la stabilité à long terme qualifie le Pyrex® comme un matériau de choix pour vérifier les performances de la HFM avec le kit d'instrumentation avant de mesurer des échantillons inconnus à forte conductivité.