Pengukur Aliran Panas (HFM) dengan Kit Instrumentasi: Pengukuran pada Pyrex® - Sesuai dengan Analisis Laser Flash (LFA) dan Literatur

Pendahuluan

Teknik Heat Flow Meter (HFM) adalah metode yang terkenal dan diterima untuk menentukan 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 bahan isolasi seperti EPS, wol batu atau papan serat kaca. Bahan bangunan seperti beton dengan 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 lebih tinggi dan struktur yang kaku juga dapat diselidiki dengan HFM. Kit Instrumentasi memperluas rentang pengukuran hingga 2 W/(m∙K). Catatan aplikasi ini menjelaskan Kit Instrumentasi secara rinci, dan menyajikan data yang diperoleh pada Pyrex® dengan HFM 436/3/1 (gambar 1). Keefektifannya ditunjukkan dengan mengkorelasikan data dengan teknik Laser Flash Analysis (LFA, gambar 2).

Kit Instrumentasi

Saat menguji bahan isolasi dengan teknik HFM, resistansi termal antarmuka antara spesimen dan pelat HFM biasanya dapat diabaikan, relatif terhadap resistansi termal spesimen. Dalam kasus sampel yang konduktif dan/atau kaku, asumsi ini tidak lagi valid. Bahkan jika permukaan spesimen sangat datar dan sejajar, selalu ada beberapa small celah udara di antarmuka, yang mengarah ke perbedaan yang signifikan antara suhu permukaan pelat dan spesimen, dan aliran panas yang tidak homogen melalui sampel. Untuk menghindari kekurangan ini, Kit Instrumentasi diperlukan. Kit ini terdiri dari dua termokopel eksternal dan dua lapisan antarmuka (gambar 3). Lapisan antarmuka meningkatkan kontak termal antara pelat dan spesimen, sedangkan termokopel eksternal bersentuhan langsung dengan permukaan spesimen (gambar 4) dan oleh karena itu mengukur suhu permukaan yang tepat dan "benar" (gambar 5).

Perbandingan Data Pengukuran pada Pyrex® Menggunakan HFM dengan Kit Instrumentasi dan Teknik LFA

Kinerja Kit Instrumentasi didemonstrasikan dengan Pyrex®, bahan referensi 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 homogen, stabil secara kimiawi, dan terkenal sejak tahun 1960-an dengan 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 sekitar 1,14 W/(m∙K) pada suhu 23°C [1].

Data yang dilaporkan dilakukan pada spesimen berukuran 300 mm x 300 mm x 20 mm dengan dan tanpa Kit Instrumentasi. Kalibrasi sensor fluks panas dicapai dengan papan serat kaca bersertifikat NIST (1450D) tanpa kit instrumentasi, sesuai dengan ASTM C 518. Tiga sampel Pyrex yang berbeda (A, B, C) dari batch yang sama diuji. Dua sampel (1, 2) dengan diameter 12,7 mm dan ketebalan 2,5 mm juga disiapkan dari batch yang sama untuk pengujian LFA. Pengukuran dilakukan dengan LFA467 Hyperflash.

Tabel 1 menunjukkan hasil pada suhu 23°C dari berbagai pengujian HFM dan LFA. Standar deviasi small (1,7%) dari pengujian HFM menunjukkan kemampuan reproduksi yang baik dari metode ini. Konduktivitas termal rata-rata 1,15 W/(m∙K) menunjukkan deviasi hanya 0,88% terhadap nilai rata-rata dari LFA dan literatur. Hal ini membuktikan keakuratan pengukuran HFM dengan Kit Instrumentasi.

Tabel 1: Konduktivitas termal Pyrex® pada suhu 23°C menggunakan HFM dan LFA

Tanpa Kit Instrumentasi, resistansi kontak termal yang tinggi dan suhu permukaan yang tidak diketahui menyebabkan 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 0,53 W/(m∙K), secara signifikan lebih rendah dari nilai yang diharapkan.

Gambar 6 menggambarkan hasil dari 10°C hingga 65°C dengan nilai HFM, LFA, dan literatur (batang kesalahan ± 5%). Pada seluruh rentang suhu, hasil HFM dan LFA memiliki kesesuaian yang baik dengan nilai literatur (deviasi maksimum 2,8% - LFA dan 3,9% - HFM).

Ringkasan

Konduktivitas termal bahan kaku hingga 2 W/(m∙K) dapat diselidiki secara andal dengan HFM, asalkan suhu permukaan diukur secara akurat. Hal ini dicapai dengan Kit Instrumentasi, yang memastikan aliran panas yang homogen dan suhu permukaan spesimen yang sebenarnya. Data pengukuran HFM dengan Kit Instrumentasi sangat dapat direproduksi dan sesuai dengan hasil dari teknik dan literatur LFA. Selain itu, stabilitas jangka panjang membuat Pyrex® memenuhi syarat sebagai bahan pilihan untuk memverifikasi kinerja HFM dengan Kit Instrumentasi sebelum mengukur sampel konduktif tinggi yang tidak diketahui.