Il metodo della piastra calda protetta: Come il tipo di gas e la pressione possono modificare la conduttività termica dei materiali isolanti

Se lavorate con i materiali isolanti - nello sviluppo del prodotto, nel controllo qualità o nella progettazione termica - avete bisogno di dati sulla 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 che siano accurati e rappresentativi delle condizioni di applicazione reali. Le misurazioni standard eseguite in condizioni ambientali di laboratorio spesso non sono in grado di cogliere questo aspetto.

Perché? Perché il tipo di gas e la pressione hanno un effetto importante sulla 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 dei materiali a poro aperto. A seconda dell'applicazione, ciò può determinare se un sistema rimane termicamente stabile o si surriscalda.

Il nostro laboratorio applicativo NETZSCH ha eseguito diverse analisi per voi. In questo articolo scoprirete

perché i materiali isolanti a poro aperto reagiscono in modo così sensibile,
quanto sono significativi gli effetti del gas e della pressione,
e cosa bisogna considerare quando si eseguono misure precise.

Perché i materiali isolanti a poro aperto sono così sensibili a gas e pressione

La conducibilità termica dei materiali isolanti fibrosi, come la lana di vetro, avviene attraverso tre meccanismi:

trasferimento di calore attraverso il solido
trasferimento di calore radiativo,
trasferimento di calore attraverso la fase gassosa.

La fase gassosa è particolarmente critica. Nei materiali a pori aperti, il gas di spurgo o quello circostante sostituiscono di fatto il "gas di cella" e influenzano direttamente 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 del materiale.

Inoltre, la pressione del gas determina il numero di particelle disponibili per il trasferimento di calore.

Il risultato: Anche small variazioni del tipo di gas o della pressione possono portare a large variazioni 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 misurata.

NETZSCH GHP 456 Titan, un dispositivo di misurazione della conduttività termica, progettato per test precisi in presenza di diversi tipi di gas e pressioni. — Il sito NETZSCH GHP 456 `Titan^®`

Cosa mostrano le misurazioni e cosa significa per voi

1. Gas diversi causano deviazioni significative

La lana di vetro (NIST SRM 1450D) è stata misurata sotto azoto, argon ed elio.

I risultati:

in azoto ≈ aria → valori praticamente identici
in Argon: circa il 28% in meno di conducibilità termica effettiva
nell'elio: 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 circa 4 volte più alta

Perché questo è importante per voi:

L'argon simula scenari con conducibilità termica del gas molto bassa.
L'elio rappresenta l'altro estremo ed è tipico dei gas ad alta conducibilità termica.
Se si misura solo in aria, è possibile che non si ottengano valori che riflettano le reali condizioni operative.

2. Dipendenza dalla pressione: la caratteristica curva a S

In azoto sono state analizzate pressioni che vanno da circa 0,01 mbar a 1000 mbar.

Il risultato: 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 rimane inizialmente costante, per poi diminuire bruscamente al di sotto di circa 300 mbar.

Grafico della conduttività termica effettiva della lana di vetro (NIST SRM 1450D) rispetto alla temperatura, che indica l'impatto del gas sulle prestazioni di isolamento. — Figura: Conducibilità termica della lana di vetro standard (NIST SRM 1450D) con diversi gas di lavaggio.

Grafico che mostra la conduttività termica effettiva della lana di vetro al variare della pressione dell'azoto, con variazioni significative dei valori. — Figura: 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 della lana di vetro standard a diverse pressioni (gas di lavaggio: N2).

Implicazioni pratiche:

A pressioni moderatamente ridotte, inizialmente cambia poco.
Quando il percorso libero medio delle molecole di gas si avvicina al diametro dei pori, il comportamento cambia.
Al di sotto di questa soglia, il trasferimento di calore dipende solo dalla densità delle particelle - 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 diminuisce rapidamente.

Questo aspetto è particolarmente importante se:

progettate componenti per applicazioni sotto vuoto,
lavorate nel settore aerospaziale, criogenico o dell'isolamento ad alte prestazioni,
necessitate di condizioni al contorno realistiche per la simulazione,
dovete caratterizzare scenari a bassa pressione.

Cosa significa per la vostra strategia di misurazione

Se avete bisogno di dati affidabili sulla conducibilità termica di materiali isolanti a poro aperto in condizioni difficili, il vostro sistema di misura deve:

introdurre diversi gas di spurgo in modo controllato,
supportare condizioni di vero vuoto,
consentire una regolazione precisa della pressione,
fornire risultati di misura stabili allo stato stazionario.

Lo strumento di analisi NETZSCH GHP 456 Titan^® strumento di analisi soddisfa tutti questi requisiti grazie al suo software intuitivo e al controllo completamente automatico della pressione.

Cosa significa in pratica per voi

Per ottenere valori di conducibilità termica accurati e rilevanti per l'applicazione, è possibile :

misurare non solo in aria, ma anche nel relativo gas di cella,
valutare la dipendenza dalla pressione quando il materiale viene utilizzato a pressione ridotta,
interpretare sempre i valori della letteratura nel contesto delle condizioni di misura,
utilizzare un sistema di misura che supporti cambiamenti di atmosfera riproducibili.

Ciò consente di evitare le insidie più comuni:

stime troppo ottimistiche 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
selezione errata dei materiali,
risultati di simulazione inaffidabili,
problemi termici durante il funzionamento.

Scopri il rapporto completo!

Visitate il sito GHP come tecnologia chiave: Caratterizzazione precisa della conducibilità termica dei materiali isolanti in atmosfera di gas inerte e sottovuoto - NETZSCH Analyzing & Testing o scaricare la nota applicativa completa in formato pdf qui:

Scarica qui la nota applicativa completa

Un tecnico di laboratorio sorride mentre opera con apparecchiature avanzate di analisi termica in un moderno laboratorio applicativo.

NETZSCH vi supporta nella scelta del giusto metodo di misurazione!

I materiali isolanti a poro aperto sono molto sensibili al tipo di gas e alla pressione. Se il vostro materiale viene utilizzato in queste condizioni, anche la sua conducibilità termica deve essere testata nelle stesse condizioni. In caso contrario, si otterrà 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 effettiva imprecisa.

Solo quando il tipo di gas e la pressione sono controllati in modo da riflettere le condizioni reali, si ottengono valori 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 che corrispondono in modo affidabile alle prestazioni operative effettive. Il GHP 456 Titan^® è il dispositivo di misura ideale per determinare la conduttività termica effettiva in queste condizioni difficili.

In qualità di fornitore di soluzioni, NETZSCH vi supporta in tutto il processo, dalla selezione del metodo di misura appropriato, alla definizione delle condizioni di atmosfera e pressione corrette, fino alla determinazione del sistema più adatto alla vostra applicazione. Il GHP 456 Titan^® è stato progettato specificamente per gestire misure così impegnative in condizioni di gas inerti e vuoto.

Se desiderate scoprire quale sia la soluzione più adatta alla vostra applicazione specifica, contattate il vostro rappresentante locale NETZSCH. Insieme troveremo la configurazione in grado di fornire i dati affidabili di cui avete bisogno per lo sviluppo, il controllo qualità e la simulazione.

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