Effetto della densità sulle prestazioni termiche di un materiale isolante in fibra di vetro

Introduzione

È disponibile una nuova opzione per la linea di strumenti NETZSCH HFM 436 (figura 1) che consente agli utenti di condurre test di misurazione del flusso di calore su campioni sottoposti a elevati carichi di compressione; questa funzione amplia la gamma di possibilità per i programmi di R&S sugli isolamenti termici.

Variando la pressione della piastra sul campione per ottenere diversi livelli di compressione, gli utenti possono generare curve di Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in funzione della densità, rivelando informazioni sulla forza relativa dei diversi processi di trasporto del calore nei prodotti di isolamento termico.

Questa Nota applicativa fornisce un'analisi dei tre meccanismi dominanti di trasporto del calore in un materiale isolante in vetro fibroso, al fine di ricavare un'espressione analitica per la dipendenza funzionale della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dalla densità; le previsioni del modello analitico sono confrontate con i dati reali dei test HFM generati sotto vari carichi nell'HFM 436 aggiornato Lambda. È stato osservato un eccellente accordo sull'intero intervallo di densità, che comprende un rapporto di 19:1 dal più alto al più basso.

Trasferimento di calore multimodale nei materiali isolanti

Nell'odierno mondo attento all'energia, ci viene costantemente ricordata l'importanza delle misure di risparmio energetico, una delle quali è il miglioramento delle prestazioni termiche degli edifici con un isolamento di alta qualità. Gli sforzi di ricerca e sviluppo dei produttori finalizzati allo sviluppo di isolamenti termici più performanti hanno tratto grande beneficio dallo sviluppo parallelo di strumenti sperimentali e analitici più potenti per valutarne i progressi. Le nuove funzionalità di test discusse in questa nota applicativa rappresentano un ulteriore passo in questa direzione.

In questo studio, analizziamo il trasferimento di calore attraverso una coperta in fibra di vetro, comunemente usata come isolante per gli edifici. Tale coperta è un groviglio di lunghe fibre di vetro che costituiscono la matrice all'interno della quale è intrappolata l'aria.

Conduzione attraverso l'aria:

A temperature moderate, una parte significativa del trasferimento di calore attraverso l'isolamento avviene per conduzione attraverso l'aria, che è indipendente dalla densità. Questa modalità di trasferimento del calore è regolata dall'equazione di Fourier con una conduttività dell'aria costante _λair.

Conduzione attraverso le fibre di vetro:

Anche il trasferimento di calore attraverso le fibre di vetro è regolato dall'equazione di Fourier, ma in questo caso la corrispondente conducibilità termica glass è funzione della densità ρ. Le vie di conduzione aumentano in modo approssimativamente proporzionale alla densità come:

_λvetro = B∙ρ

con B costante.

Radiazione:

Per la modalità di trasferimento radiativo del calore, il manto di fibra di vetro viene spesso considerato come un mezzo assorbente, emittente, partecipante e otticamente spesso con proprietà ottiche indipendenti dalla lunghezza d'onda. Con questi presupposti, il trasferimento di calore radiativo è derivato come:

_qradiativo = _-λrad dT/dx

Questa equazione è simile alla legge di Fourier, ed è il motivo per cui λrad è spesso indicato come Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica radiativa. Più denso è il manto, maggiore è il numero di fibre di vetro per unità di volume, con conseguente maggiore dispersione e riduzione del trasferimento radiativo.

Il flusso radiativo decade quindi a una velocità inversamente proporzionale alla densità:

_λrad = C/ρ

con C costante.

Il calore totale trasferito attraverso il manto è la somma di queste tre modalità distinte. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva si ricava quindi come:

_λtotal = _λair +B∙ρ + C/ρ

Quest'ultima equazione rappresenta la relazione tra la conduttività totale e la densità del manto di fibra di vetro con tre parametri incogniti: _λair, B e C.

HFM 436 Misure di coperte in fibra di vetro con funzione di carico variabile

Partendo da una coperta isolante in fibra di vetro di 240 mm di spessore, sono state tagliate e impilate a varie altezze una serie di sezioni quadrate di 300 mm per 300 mm. Le misure di conducibilità termica con densità diverse sono state eseguite variando lo spessore attraverso la pressione della piastra. Per le pile di fibra di vetro che superavano l'apertura massima di 100 mm dell'HFM 436/3, è stata eseguita una precompressione con piastre rigide prima dell'installazione nell'HFM. Tutte le misure sono state effettuate a temperatura ambiente.libraLo strumento è stato utilizzato con una lastra di vetro NIST 1450d di 25 mm di spessore e la differenza di temperatura della lastra è stata di 20 K.

Risultati e discussioni

I risultati delle misurazioni sono riportati nella tabella 1 e nella figura 2.

Tabella 1: Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.Conduttività termica in funzione della densità per un campione di fibra di vetro sottoposto a varie impostazioni di carico di compressione in un apparecchio HFM a temperatura ambiente

La curva blu è stata ottenuta adattando i punti dati con il modello di conducibilità totale attraverso il metodo dei minimi quadrati. Si può concludere che il modello presentato sopra è una formulazione adeguata del processo di trasferimento del calore attraverso il manto di fibra di vetro. Le curve tratteggiate rappresentano ciascuna modalità di trasferimento prevista. I risultati mostrano un ampio minimo nella conducibilità termica nell'intervallo di densità di circa 50-80 ^Kg/m3, vicino alla densità in cui la conducibilità dovuta alle fibre di vetro eguaglia la conducibilità radiativa. Queste informazioni potrebbero essere utilizzate dai produttori per ottimizzare le prestazioni dei loro prodotti, riducendo al minimo il contenuto di fibre di vetro e quindi il costo. La densità ottimale, ad esempio, si troverebbe probabilmente sul lato a bassa densità del minimo di conducibilità.

Conclusione

È molto comodo condurre uno studio di questo tipo con la funzione di carico variabile. Un'analisi statistica rigorosa richiederebbe certamente un maggior numero di punti dati, facilmente ottenibili con l'HFM 436 Lambda. Un test completo può essere facilmente programmato con vari carichi e temperature. Questa applicazione si estende anche ad altri materiali isolanti porosi come la lana di roccia (minerale) o di scoria.