Pendahuluan
Bahan insulasi termal sangat penting untuk meminimalkan kehilangan panas dan memastikan kondisi suhu yang stabil dalam sistem teknis. Konduktivitas termalnya sering dikarakterisasi dengan presisi menggunakan metode stasioner, seperti metode Guarded Hot Plate (GHP). Investigasi ini relevan tidak hanya dalam penelitian material, tetapi juga dalam perjalanan ruang angkasa, di mana bahan insulasi digunakan dalam ruang hampa udara dengan fluktuasi suhu yang ekstrem. Pengukuran GHP memberikan data yang berharga untuk desain termal dan evaluasi kinerja, di antaranya.
Konduktivitas termal yang efektif dari bahan insulasi berserat (misalnya, wol kaca) bergantung pada tiga mekanisme perpindahan panas:
- Perpindahan panas melalui benda padat
- Perpindahan panas melalui radiasi
- Perpindahan panas melalui fase gas
Tergantung pada suhu, densitas, dan gas di dalam bahan insulasi, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang efektif dapat sangat bervariasi.
Catatan aplikasi ini berfokus pada atmosfer yang berbeda. Wol kaca standar (NIST SRM 1450D), yang memiliki Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang diketahui di udara, telah diuji di GHP 456 Titan®. Perangkat ini dilengkapi dengan tungku yang memungkinkan berbagai gas pembersih, serta untuk pengukuran di bawah tekanan rendah.
Eksperimental
Material NIST SRM 1450D diperiksa pada suhu sampel rata-rata (Tmean) antara 10°C dan 60°C dengan perbedaan suhu (ΔT) 20 K di seluruh pelat pengukuran. Pengukuran dilakukan di bawah gas yang berbeda (argon, nitrogen, helium) pada tekanan yang berbeda (sekitar 0,01 mbar hingga 1000 mbar). Sebelum setiap pengukuran menggunakan gas lain, perangkat (termasuk sampel) dievakuasi dua kali dan dibersihkan dengan gas baru.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal sampel dalam gas pembersih yang berbeda (nitrogen, argon dan helium). Hasil pengukuran dirangkum dalam tabel 1.
Tabel 1: Konduktivitas termal wol kaca standar (NIST SRM 1450D), ditentukan dalam gas pembersih yang berbeda dibandingkan dengan literatur
| Suhu °C | (W/m-K) | |||
| Literatur [2] | N2 | Ar | Dia | |
| 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 |
Karena glass wool adalah sistem berpori terbuka, gas pembersih menembus material dan dengan demikian mengubah Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal efektifnya. Konduktivitas termal udara dan nitrogen hampir sama (lihat tabel 2). Seperti yang diharapkan, tidak ada perbedaan signifikan yang dapat dideteksi antara nilai referensi untuk wol kaca dan pengukuran di bawah nitrogen. Argon, di sisi lain, memiliki Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang jauh lebih rendah daripada nitrogen (sekitar 31% lebih rendah), seperti yang tercermin dalam pengukuran konduktivitas termal wol kaca dengan pembersihan argon. Nilai yang terukur kira-kira 28% lebih rendah daripada yang diperoleh dengan nitrogen.
Tidak seperti argon, helium memiliki konduktivitas termal yang jauh lebih tinggi daripada nitrogen. Konduktivitas termal efektif wol kaca dengan pembersihan helium kira-kira empat kali lebih tinggi dibandingkan dengan nitrogen atau udara.
Tabel 2: Konduktivitas termal dari berbagai gas pada suhu 20°C [1]
Gambar 2 mengilustrasikan bagaimana tekanan mempengaruhi konduktivitas termal bahan insulasi pori terbuka. Gambar ini menunjukkan konduktivitas termal wol kaca pada suhu yang berbeda. Kurva-S adalah tipikal pengukuran yang bergantung pada tekanan. Ini jelas menunjukkan bahwa konduktivitas termal gas sel secara signifikan mempengaruhi konduktivitas termal yang efektif, dan bahwa ada ketergantungan substansial pada tekanan di bawah ambang batas tertentu (sekitar 300 mbar). Hal ini dapat dijelaskan oleh panjang jalur bebas molekul atau atom gas.
Perpindahan panas di dalam gas terutama ditentukan oleh jumlah partikel dan jalur bebas rata-rata di antara partikel-partikel tersebut. Pada tekanan yang sedikit lebih rendah, jalur bebas rata-rata meningkat, tetapi jumlah partikel menurun. Dengan demikian, konduktivitas termal tetap konstan. Namun, hal ini tidak lagi berlaku pada tekanan yang sangat rendah [3]. Dari titik tertentu dan seterusnya (di sini, sekitar 300 mbar), tidak ada partikel yang cukup untuk bertabrakan, dan panjang jalur bebas rata-rata berada dalam kisaran diameter pori. Mulai dari titik ini, perpindahan panas dalam gas hanya bergantung pada jumlah partikel gas. Jika jumlah partikel berkurang karena tekanan yang lebih rendah, perpindahan panas melalui gas berkurang secara signifikan, seperti halnya konduktivitas termal efektif dari seluruh material.
Ringkasan
Karena strukturnya, konduktivitas termal bahan insulasi sangat bergantung pada tekanan dan gas sel. GHP 456 Titan® adalah alat pengukur yang ideal untuk menentukan konduktivitas termal yang efektif dalam kondisi yang menantang seperti itu. Berkat perangkat lunaknya yang intuitif dan kontrol tekanan otomatis, pengukuran tetap mudah dilakukan.