Introduzione
La tecnica dell'Heat Flow Meter (HFM) è un metodo noto e accettato per determinare la conducibilità termica di materiali isolanti come EPS, lana di roccia o pannelli in fibra di vetro. Anche materiali da costruzione come il calcestruzzo, con conducibilità termica più elevata e struttura rigida, possono essere analizzati con l'HFM. Il kit di strumentazione estende il campo di misura fino a 2 W/(m∙K). Questa nota applicativa descrive in dettaglio il kit di strumentazione e presenta i dati ottenuti su Pyrex® con l'HFM 436/3/1 (figura 1). La sua efficacia è dimostrata dalla correlazione dei dati con la tecnica Laser Flash Analysis (LFA, figura 2).
Kit di strumentazione
Quando si testano materiali isolanti con la tecnica HFM, le resistenze termiche di interfaccia tra il provino e le piastre HFM sono solitamente trascurabili, rispetto alla resistenza termica del provino. Nel caso di campioni altamente conduttivi e/o rigidi, questa ipotesi non è più valida. Anche se le superfici dei campioni sono molto piane e parallele, rimangono sempre alcuni small vuoti d'aria all'interfaccia, con conseguenti differenze significative tra le temperature delle piastre e della superficie del campione e un flusso di calore disomogeneo attraverso il campione. Per evitare questi inconvenienti, è necessario il kit di strumentazione. È costituito da due termocoppie esterne e da due strati di interfaccia (figura 3). Gli strati di interfaccia migliorano il contatto termico tra le piastre e il campione, mentre le termocoppie esterne sono in contatto diretto con le superfici del campione (figura 4) e misurano quindi le temperature superficiali esatte e "reali" (figura 5).
Confronto dei dati di misurazione su Pyrex® utilizzando il kit di strumentazione HFM e la tecnica LFA
Le prestazioni del kit di strumentazione sono state dimostrate con il Pyrex®, un materiale di riferimento omogeneo, chimicamente stabile e ben noto fin dagli anni '60, con una 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 di circa 1,14 W/(m∙K) a 23°C [1].
I dati riportati sono stati eseguiti su campioni di 300 mm x 300 mm x 20 mm con e senza kit di strumentazione. La calibratificazione dei sensori di flusso di calore è stata realizzata con un pannello in fibra di vetro certificato NIST (1450D) senza kit di strumentazione, in conformità con la norma ASTM C 518. Sono stati testati tre diversi campioni di Pyrex (A, B, C) provenienti dallo stesso lotto. Due campioni (1, 2) con un diametro di 12,7 mm e uno spessore di 2,5 mm sono stati preparati dallo stesso lotto per i test LFA. Le misure sono state eseguite con l'LFA467 Hyperflash.
La Tabella 1 mostra i risultati a 23°C dei diversi test HFM e LFA. La deviazione standard di small (1,7%) dei test HFM dimostra la buona riproducibilità del metodo. 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 media di 1,15 W/(m∙K) mostra una deviazione di solo 0,88% rispetto al valore medio di LFA e della letteratura. Ciò dimostra l'accuratezza delle misure HFM con il kit di strumentazione.
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 di Pyrex® a 23°C utilizzando HFM e LFA
Metodo | Campione/Misura | W/(m∙K) | Conducibilità termica media W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pirex A | 1.13 | 1.15 |
| Pirex B | 1.17 | ||
| Pirex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex senza kit di strumentazione | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pirex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pirex - 2 | 1.14 |
Senza il kit di strumentazione, l'elevata resistenza termica di contatto e le temperature superficiali sconosciute portano a una 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 di 0,53 W/(m∙K), significativamente inferiore al valore previsto.
La Figura 6 mostra i risultati da 10°C a 65°C con l'HFM, l'LFA e i valori della letteratura (barre di errore ± 5%). Nell'intero intervallo di temperatura, i risultati dell'HFM e dell'LFA sono in buon accordo con i valori della letteratura (deviazione massima 2,8% - LFA e 3,9% - HFM).
Sintesi
La conducibilità termica di materiali rigidi fino a 2 W/(m∙K) può essere studiata in modo affidabile con l'HFM, a condizione che le temperature superficiali siano misurate con precisione. Ciò si ottiene con il kit di strumentazione, che garantisce un flusso di calore omogeneo e temperature superficiali del campione reali. I dati delle misure HFM con il kit di strumentazione sono altamente riproducibili e in buon accordo con i risultati della tecnica LFA e della letteratura. Inoltre, la stabilità a lungo termine qualifica il Pyrex® come materiale di scelta per verificare le prestazioni dell'HFM con il kit di strumentazione prima di misurare campioni sconosciuti ad alta conducibilità.