Warmtestromingsmeter (HFM) met instrumentatiekit: Metingen op Pyrex® - in goede overeenkomst met de Laser Flash Analyse (LFA) en literatuur

Inleiding

De warmtestromingsmeter (HFM) is een bekende en geaccepteerde methode om 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 zoals EPS, steenwol of glasvezelplaten te bepalen. Ook bouwmaterialen zoals beton met een hoger warmtegeleidingsvermogen en stijve structuur kunnen met de HFM worden onderzocht. De Instrumentation Kit breidt het meetbereik uit tot 2 W/(m∙K). Deze toepassingsnotitie beschrijft de Instrumentation Kit in detail en presenteert gegevens die zijn verkregen op Pyrex® met de HFM 436/3/1 (figuur 1). De effectiviteit wordt aangetoond door de gegevens te correleren met de Laser Flash Analysis (LFA, afbeelding 2) techniek.

Instrumentatie Kit

Bij het testen van isolerende materialen met de HFM-techniek is de thermische interfaceweerstand tussen het proefstuk en de HFM-platen meestal verwaarloosbaar ten opzichte van de thermische weerstand van het proefstuk. In het geval van sterk geleidende en/of stijve monsters is deze aanname niet langer geldig. Zelfs als de oppervlakken van het proefstuk zeer vlak en planparallel zijn, blijven er altijd enkele small luchtspleten bij het grensvlak, wat leidt tot aanzienlijke verschillen tussen de oppervlaktetemperaturen van de platen en het proefstuk, en een inhomogene warmtestroom door het proefstuk. Om deze tekortkomingen te vermijden is de Instrumentation Kit nodig. Deze bestaat uit twee externe thermokoppels en twee interfacelagen (figuur 3). De interfacelagen verbeteren het thermische contact tussen de platen en het proefstuk, terwijl de externe thermokoppels in direct contact staan met de oppervlakken van het proefstuk (figuur 4) en daarom de exacte en "echte" oppervlaktetemperaturen meten (figuur 5).

Vergelijking van meetgegevens op Pyrex® met behulp van de HFM met Instrumentation Kit en LFA-techniek

De prestaties van de Instrumentation Kit worden gedemonstreerd met Pyrex®, een homogeen, chemisch stabiel en bekend referentiemateriaal voor 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 sinds de jaren 1960 met een 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 ongeveer 1,14 W/(m∙K) bij 23°C [1].

De gerapporteerde gegevens werden uitgevoerd op proefstukken van 300 mm x 300 mm x 20 mm met en zonder Instrumentation Kit. De calibratie van de warmtefluxsensoren werd uitgevoerd met een NIST-gecertificeerde glasvezelplaat (1450D) zonder instrumentatiekit, in overeenstemming met ASTM C 518. Drie verschillende Pyrex-monsters (A, B, C) uit dezelfde batch werden getest. Twee monsters (1, 2) met een diameter van 12,7 mm en een dikte van 2,5 mm werden ook bereid uit dezelfde batch voor de LFA-tests. De metingen werden uitgevoerd met de LFA467 Hyperflash.

Tabel 1 toont de resultaten bij 23°C van verschillende HFM- en LFA-tests. De small standaardafwijking (1,7%) van de HFM-tests toont de goede reproduceerbaarheid van de methode aan. De gemiddelde 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 1,15 W/(m∙K) toont een afwijking van slechts 0,88% ten opzichte van de gemiddelde waarde van LFA en literatuur. Dit bewijst de nauwkeurigheid van de HFM-metingen met de Instrumentation Kit.

Tabel 1: Warmtegeleidingscoëfficiënt van Pyrex® bij 23°C met HFM en LFA

Zonder de Instrumentation Kit leiden de hoge thermische ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand en de onbekende oppervlaktetemperaturen tot een 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 0,53 W/(m∙K), aanzienlijk lager dan de verwachte waarde.

Figuur 6 toont resultaten van 10°C tot 65°C met de HFM, de LFA en literatuurwaarden (foutbalken ± 5%). Over het hele temperatuurbereik komen de HFM- en LFA-resultaten goed overeen met de literatuurwaarden (max. afwijking 2,8% - LFA en 3,9% - HFM).

Samenvatting

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 stijve materialen tot 2 W/(m∙K) kan betrouwbaar worden onderzocht met de HFM, mits de oppervlaktetemperaturen nauwkeurig worden gemeten. Dit wordt bereikt met de Instrumentation Kit, die zorgt voor een homogene warmtestroom en waarheidsgetrouwe oppervlaktetemperaturen van het proefstuk. De gegevens van de HFM metingen met de Instrumentation Kit zijn zeer reproduceerbaar en komen goed overeen met de resultaten van de LFA techniek en de literatuur. Bovendien kwalificeert de stabiliteit op lange termijn Pyrex® als voorkeursmateriaal om de prestaties van de HFM met Instrumentation Kit te verifiëren voordat onbekende, sterk geleidende monsters worden gemeten.