Inleiding
Thermische isolatiematerialen zijn cruciaal voor het minimaliseren van warmteverlies en het garanderen van stabiele temperatuurcondities in technische systemen. Hun Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid wordt vaak nauwkeurig gekarakteriseerd met stationaire methoden, zoals de Guarded Hot Plate (GHP) methode. Deze onderzoeken zijn niet alleen relevant bij materiaalonderzoek, maar ook in de ruimtevaart, waar isolatiematerialen worden gebruikt in een vacuüm met extreme temperatuurschommelingen. GHP-metingen leveren waardevolle gegevens op voor onder andere thermisch ontwerp en prestatie-evaluatie.
De effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van vezelvormige isolatiematerialen (bijv. glaswol) hangt voornamelijk af van drie mechanismen voor warmteoverdracht:
- Warmteoverdracht door de vaste stof
- Warmteoverdracht door straling
- Warmteoverdracht door de gasfase
Afhankelijk van de temperatuur, de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en het gas in het isolatiemateriaal kan de effectieve warmtegeleiding sterk variëren.
Deze toepassingsnotitie richt zich op verschillende atmosferen. Standaard glaswol (NIST SRM 1450D), waarvan het warmtegeleidingsvermogen in lucht bekend is, werd getest in de GHP 456 Titan®. Het apparaat is uitgerust met een oven die verschillende spoelgassen mogelijk maakt, evenals metingen onder verlaagde druk.
Experimenteel
Het NIST SRM 1450D materiaal werd onderzocht bij gemiddelde monstertemperaturen (Tmean) tussen 10°C en 60°C met een temperatuurverschil (ΔT) van 20 K over de meetplaten. De metingen werden uitgevoerd onder verschillende gassen (argon, stikstof, helium) bij verschillende drukken (ongeveer 0,01 mbar tot 1000 mbar). Voor elke meting met een ander gas werd het apparaat (inclusief het monster) twee keer geëvacueerd en doorgeblazen met het nieuwe gas.
Resultaten en discussie
Figuur 1 toont de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het monster in verschillende spoelgassen (stikstof, argon en helium). De meetresultaten zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Warmtegeleidingscoëfficiënt van standaard glaswol (NIST SRM 1450D), bepaald in verschillende spoelgassen in vergelijking met de literatuur
| Temperatuur °C | Warmtegeleidingscoëfficiënt (W/m-K) | |||
| Literatuur [2] | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
Aangezien glaswol een systeem met open poriën is, dringt het spoelgas het materiaal binnen en verandert zo de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van lucht en stikstof is bijna identiek (zie tabel 2). Zoals verwacht is er geen significant verschil aantoonbaar tussen de referentiewaarden voor glaswol en de metingen onder stikstof. Argon daarentegen heeft een aanzienlijk lagere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid dan stikstof (ongeveer 31% lager), zoals blijkt uit de meting van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van glaswol met argon doorspoeling. De gemeten waarden zijn ongeveer 28% lager dan die verkregen met stikstof.
In tegenstelling tot argon heeft helium een aanzienlijk hoger warmtegeleidingsvermogen dan stikstof. De effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van glaswol met helium doorspoeling is ongeveer vier keer zo hoog als met stikstof of lucht.
Tabel 2: Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.Thermische geleidbaarheid van verschillende gassen bij 20°C [1]
| Gas | Warmtegeleidingscoëfficiënt / (W/m-K) |
|---|---|
| Helium | 0.150 |
| Argon | 0.017 |
| Lucht | 0.026 |
| Stikstof | 0.026 |
Figuur 2 illustreert hoe druk het warmtegeleidingsvermogen van isolatiematerialen met open poriën beïnvloedt. De afbeelding toont het warmtegeleidingsvermogen van glaswol bij verschillende temperaturen. De S-curve is typisch voor drukafhankelijke metingen. Hieruit blijkt duidelijk dat de warmtegeleidingscoëfficiënt van het celgas de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt aanzienlijk beïnvloedt en dat er een aanzienlijke afhankelijkheid is van de druk onder een bepaalde drempelwaarde (ongeveer 300 mbar). Dit kan worden verklaard door de vrije weglengte van de gasmoleculen of -atomen.
Warmteoverdracht binnen een gas wordt voornamelijk bepaald door het aantal deeltjes en de gemiddelde vrije weg tussen de deeltjes. Bij iets lagere drukken neemt de gemiddelde vrije weg toe, maar het aantal deeltjes neemt af. De warmtegeleiding blijft dus constant. De warmtegeleiding blijft dus constant. Dit geldt echter niet meer bij zeer lage drukken [3]. Vanaf een bepaald punt (hier ongeveer 300 mbar) zijn er onvoldoende deeltjes om te botsen en valt de gemiddelde vrije weglengte binnen het bereik van de poriëndiameters. Vanaf dit punt hangt de warmteoverdracht in het gas alleen af van het aantal gasdeeltjes. Als het aantal deeltjes afneemt door de lagere druk, neemt de warmteoverdracht via het gas aanzienlijk af, net als de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het hele materiaal.
Samenvatting
Door hun structuur is de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van isolatiematerialen sterk afhankelijk van druk en celgas. De GHP 456 Titan® is het ideale meettoestel om de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid te bepalen onder dergelijke uitdagende omstandigheden. Dankzij de intuïtieve software en automatische drukregeling is het nog steeds eenvoudig om metingen uit te voeren.