Introduzione
I pannelli isolanti sottovuoto (VIP) sono materiali isolanti ad alte prestazioni utilizzati in diverse applicazioni. Si caratterizzano per le loro proprietà di eccellente isolamento anche con uno spessore minimo del materiale, che li rende una soluzione ideale per le aree con spazio limitato. NETZSCH offre l'HFM 706 LambdaLarge (vedi figura 1), un sistema di misura per determinare 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 dei materiali VIP.
Questa nota applicativa illustra la struttura e l'applicazione dei materiali VIP, le sfide legate alla misurazione e i risultati ottenuti con l'HFM 706 LambdaLarge su campioni di riferimento e VIP.
Struttura e modalità di funzionamento dell'isolamento sottovuotoPannelli
Un VIP è costituito da diversi componenti chiave che insieme garantiscono le sue eccezionali proprietà isolanti. Le eccellenti prestazioni isolanti dei VIP si basano sulla combinazione del vuoto e dello specifico materiale del nucleo. Il materiale d'anima costituisce la struttura portante del VIP e di solito è costituito da materiali porosi e resistenti alla pressione, come la silice fumé, le fibre di vetro o la schiuma PU. Questo materiale riduce la conduzione del calore all'interno del pannello. Il materiale del nucleo è sigillato in un involucro ermetico sotto vuoto. La rimozione delle molecole d'aria elimina virtualmente il trasferimento di calore per convezione.
Una pellicola barriera multistrato, tipicamente composta da strati metallici e polimerici, assicura la tenuta del vuoto. Questo film protegge il vuoto e impedisce all'aria o all'umidità di entrare. Il film barriera riflette anche i raggi infrarossi, limitando così il trasferimento di calore per irraggiamento. Ulteriori strati protettivi di plastica o alluminio rendono i VIP resistenti ai danni meccanici. Grazie a queste proprietà, i VIP offrono un'efficienza di isolamento fino a dieci volte superiore rispetto ai materiali isolanti convenzionali dello stesso spessore.
Applicazione dei VIP
I VIP sono utilizzati in numerosi settori in cui è richiesto un isolamento altamente efficiente in spazi ristretti. Vengono utilizzati in pareti, tetti e pavimenti, in particolare nelle case passive o nei progetti di ristrutturazione, per ottenere elevati valori di isolamento senza la necessità di materiali spessi.
Nei frigoriferi e nei congelatori, i VIP contribuiscono a ridurre il consumo energetico e ad aumentare la capacità di stoccaggio. Vengono utilizzati per isolare i contenitori e gli imballaggi che trasportano merci sensibili alla temperatura, come farmaci e alimenti. Grazie alla loro elevata efficienza e al peso ridotto, i VIP sono utilizzati anche nella tecnologia aerospaziale.
I VIP sono utilizzati nei veicoli elettrici per migliorare la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica delle batterie e la climatizzazione degli interni.
Misura della conducibilità termica dei materiali VIP
La conducibilità termica (valore λ) di un materiale è un fattore decisivo per valutare le sue prestazioni termiche. Tuttavia, a causa della struttura e del principio di funzionamento unici dei VIP, i metodi di misurazione tradizionali spesso non sono direttamente applicabili. Pertanto, la tecnologia dei misuratori di flusso di calore (HFM) è diventata il metodo consolidato per misurare 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 dei VIP.
Sfide nella misurazione
Con il passare del tempo, il film barriera può permettere il passaggio di gas, che indebolisce il vuoto e aumenta 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. Pertanto, è necessario effettuare misurazioni a lungo termine. Tuttavia, i risultati delle misure di conducibilità termica potrebbero non essere riproducibili.
Le proprietà termiche dei bordi di un VIP possono differire da quelle della superficie principale, influenzando l'accuratezza della misurazione. Anche la minima irregolarità del materiale del nucleo o del film barriera può falsare la misura.
A causa delle loro speciali proprietà isolanti, i VIP si trovano nella fascia bassa al di fuori del limite di rilevamento di molti sistemi di misura. Questo pone requisiti particolari alla sensibilità e alla stabilità del sistema.
I campioni VIP di solito non possono essere tagliati per essere inseriti nel dispositivo di misura. Pertanto, è necessario poter effettuare le misure sul campione originale.
HFM 706 LambdaLarge
La nuova elettronica e il nuovo firmware, già introdotti nella linea Eco-Line, offrono vantaggi significativi in termini di velocità e precisione di misura dei materiali VIP. Al modello HFM 706 LambdaLarge è stato aggiunto anche uno sportello posteriore incernierato. I test sono stati eseguiti su campioni di riferimento e VIP.
Con la parte posteriore aperta, è ora possibile studiare non solo l'invecchiamento, ma anche gli effetti delle perdite ai bordi e delle disomogeneità nei campioni non squadrati, soprattutto con i campioni VIP. A tal fine, lo sportello anteriore e/o posteriore può essere lasciato aperto durante la misurazione. Misure comparative su campioni di riferimento hanno dimostrato che non ci sono errori di misura aggiuntivi dovuti alle porte aperte nell'intervallo intorno alla temperatura ambiente.
Le figure 2 e 3 mostrano le deviazioni dai valori di letteratura per le misurazioni sul campione di riferimento NIST SRM 1450d con la porta anteriore chiusa o aperta (misurazione di riferimento con la porta chiusa in ogni caso). In entrambi i casi, la deviazione massima dal valore di letteratura è inferiore all'1% tra 10°C e 60°C.
Anche quando le porte anteriori e posteriori sono aperte, la deviazione è inferiore all'1% (vedi figura 3).
L'influenza delle porte aperte sull'incertezza di misura è stata testata anche utilizzando campioni "lunghi" di EPS di vario spessore con una lunghezza di 1200 mm e una larghezza di 600 mm. Trattandosi di campioni di riferimento omogenei, il valore misurato dovrebbe essere indipendente dalla posizione di misurazione lungo l'asse longitudinale del campione.
La Figura 4 mostra le deviazioni dal valore di riferimento tra 10°C e 30°C per i campioni di EPS con uno spessore di 40 mm. Le deviazioni sono inferiori al 2%, con valori leggermente superiori osservati nella zona anteriore del campione. Inoltre, la figura 4 mostra le deviazioni per l'EPS con uno spessore di 30 mm in tre diverse posizioni a 10°C. Anche in questo caso, si notano deviazioni leggermente più elevate nella zona anteriore del campione. Anche in questo caso, si notano deviazioni leggermente superiori nelle posizioni di misurazione anteriori e posteriori rispetto al centro del campione, con una deviazione di circa 0,5%. Per le posizioni anteriore e posteriore è stata determinata una deviazione di circa 0,8%.
Anche le misure sui VIP sono semplici con l'HFM 706 LambdaLarge . Segnali di misura stabili, tecnologia del sensore sensibile e segnali a basso rumore sono i prerequisiti per ottenere un'elevata accuratezza e ripetibilità delle misure. La Figura 5 mostra i risultati di misura di un campione VIP extra-lungo.
Quando la temperatura media del campione VIP aumenta da 10°C a 40°C, la sua 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 aumenta di circa il 12%, da 0,00457 W/(m-K) a 0,00514 W/(m- K). Di conseguenza, l'effetto isolante del VIP si deteriora fino al 12% se la temperatura esterna della facciata di un edificio passa da meno di 10°C a più di 30°C, ad esempio. Questa informazione è importante per i produttori e gli utenti di VIP ed è significativa per lo sviluppo del prodotto e il controllo di qualità.
La Figura 5 dimostra inoltre l'eccellente ripetibilità delle misure e l'alta risoluzione dei risultati. Sono state effettuate tre misure individuali a ciascuna temperatura e la deviazione massima tra i singoli valori è stata inferiore all'1%. I valori differiscono solo nella quinta cifra decimale (0,00471, 0,00472 e
0.00474 W/(m-K) a 20°C) e l'andamento esponenziale previsto 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 con la temperatura è chiaramente visibile. Ciò dimostra l'alta risoluzione dell'HFM 706 LambdaLarge e l'eccellente ripetibilità delle misure VIP. Anche le minime variazioni all'interno del VIP, come quelle dovute a cambiamenti strutturali causati dall'invecchiamento o alla perdita di vuoto attraverso microfratture nel film barriera, possono essere rilevate in modo rapido e affidabile in qualsiasi momento.
Sintesi
I pannelli isolanti sottovuoto sono una tecnologia all'avanguardia per le applicazioni che richiedono un'elevata efficienza di isolamento. Nonostante i problemi di costo e di durata, i VIP offrono vantaggi significativi in termini di efficienza energetica e risparmio di spazio. Con il progredire della tecnologia e l'aumento della domanda, si prevede che i VIP svolgeranno un ruolo sempre più importante in vari settori industriali. NETZSCH offre l'HFM 706 LambdaLarge , un sistema affidabile per la misurazione 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 dei materiali VIP. Misure efficaci nella tecnologia e nel design dello strumento superano le sfide poste dalle proprietà del campione durante la misurazione.