Bevezetés
A hőszigetelő anyagok alapvető fontosságúak a hőveszteség minimalizálásában és a műszaki rendszerek stabil hőmérsékleti viszonyainak biztosításában. Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.Hővezető képességüket gyakran helyhez kötött módszerekkel, például a Guarded Hot Plate (GHP) módszerrel jellemzik pontosan. Ezek a vizsgálatok nemcsak az anyagkutatásban, hanem az űrutazásban is fontosak, ahol a szigetelőanyagokat vákuumban, szélsőséges hőmérséklet-ingadozásokkal járó légüres térben használják. A GHP-mérések értékes adatokat szolgáltatnak többek között a termikus tervezéshez és a teljesítményértékeléshez.
A szálas szigetelőanyagok (pl. üveggyapot) effektív hővezető képessége elsősorban három hőátadási mechanizmustól függ:
- A szilárd anyagon keresztüli hőátadás
- Hőátadás a sugárzáson keresztül
- Hőátadás a gázfázison keresztül
A szigetelőanyagon belüli hőmérséklettől, sűrűségtől és gáztól függően az effektív Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség nagymértékben változhat.
Ez az alkalmazási megjegyzés a különböző légkörökre összpontosít. A szabványos üveggyapotot (NIST SRM 1450D), amelynek ismert a levegőben mért hővezető képessége, a GHP 456 Titan® készülékben vizsgáltuk. A készülék egy kemencével van felszerelve, amely lehetővé teszi a különböző tisztítógázok, valamint a csökkentett nyomáson végzett méréseket.
Kísérleti
A NIST SRM 1450D anyagot 10°C és 60°C közötti átlagos mintahőmérsékleten (Tmean) vizsgálták, 20 K hőmérsékletkülönbség (ΔT) mellett a mérőlemezek között. A méréseket különböző gázok (argon, nitrogén, hélium) mellett, különböző nyomáson (kb. 0,01 mbar-tól 1000 mbar-ig) végeztük. Minden egyes, más gázzal végzett mérés előtt a készüléket (a mintával együtt) kétszer kiürítettük, és az új gázzal átöblítettük.
Eredmények és vita
Az 1. ábra a minta Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét mutatja különböző tisztítógázokban (nitrogén, argon és hélium). A mérési eredményeket az 1. táblázat foglalja össze.
Táblázat: A szabványos üveggyapot (NIST SRM 1450D) hővezető képessége, különböző gázokban meghatározva, összehasonlítva az irodalmi adatokkal
| Hőmérséklet °C | (W/m-K) | |||
| Irodalom [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 |
Mivel az üveggyapot egy nyitott pórusú rendszer, az öblítőgáz behatol az anyagba, és így megváltoztatja annak tényleges Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét. A levegő és a nitrogén hővezető képessége majdnem azonos (lásd a 2. táblázatot). A várakozásoknak megfelelően nem mutatható ki jelentős különbség az üveggyapot referenciaértékei és a nitrogén alatti mérések között. Az argon viszont jelentősen alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, mint a nitrogén (kb. 31%-kal alacsonyabb), amint azt az üveggyapot Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének argon átöblítéssel történő mérése is mutatja. A mért értékek körülbelül 28%-kal alacsonyabbak a nitrogénnel mért értékeknél.
Az argonnal ellentétben a héliumnak lényegesen nagyobb a hővezető képessége, mint a nitrogénnek. Az üveggyapot effektív hővezető képessége héliummal történő öblítéssel körülbelül négyszer nagyobb, mint nitrogénnel vagy levegővel.
2. táblázat: Különböző gázok hővezető képessége 20°C-on [1]
A 2. ábra szemlélteti, hogy a nyomás hogyan befolyásolja a nyitott pórusú szigetelőanyagok Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét. Az üveggyapot Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét mutatja különböző hőmérsékleteken. Az S-görbe a nyomásfüggő mérésekre jellemző. Világosan mutatja, hogy a cellagáz hővezető képessége jelentősen befolyásolja az effektív hővezető képességet, és hogy egy bizonyos küszöbérték (kb. 300 mbar) alatt jelentős függés mutatkozik a nyomástól. Ez a gázmolekulák vagy atomok szabad úthosszával magyarázható.
A gázon belüli hőátadást elsősorban a részecskék száma és a közöttük lévő átlagos szabad út határozza meg. Valamivel alacsonyabb nyomáson az átlagos szabad út megnő, de a részecskék száma csökken. Így a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség állandó marad. Ez azonban nagyon alacsony nyomáson már nem érvényesül [3]. Egy bizonyos ponttól kezdve (itt kb. 300 mbar) már nincs elegendő részecske az ütközéshez, és az átlagos szabad úthossz a pórusátmérők tartományába esik. Ettől a ponttól kezdve a gázban a hőátadás kizárólag a gázrészecskék számától függ. Ha a részecskék száma az alacsonyabb nyomás miatt csökken, a gázon keresztül történő hőátadás jelentősen csökken, ahogyan a teljes anyag effektív hővezető képessége is.
Összefoglaló
Szerkezetükből adódóan a szigetelőanyagok hővezető képessége nagymértékben függ a nyomástól és a cellagáztól. A GHP 456 Titan® ideális mérőeszköz az effektív Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség meghatározására ilyen kihívást jelentő körülmények között. Intuitív szoftverének és automatikus nyomásszabályozásának köszönhetően a mérések elvégzése még mindig egyszerű.