Wprowadzenie
Materiały termoizolacyjne mają kluczowe znaczenie dla minimalizacji strat ciepła i zapewnienia stabilnych warunków temperaturowych w systemach technicznych. Ich Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest często precyzyjnie charakteryzowana przy użyciu metod stacjonarnych, takich jak metoda Guarded Hot Plate (GHP). Badania te są istotne nie tylko w badaniach materiałowych, ale także w podróżach kosmicznych, gdzie materiały izolacyjne są stosowane w próżni z ekstremalnymi wahaniami temperatury. Pomiary GHP dostarczają między innymi cennych danych do projektowania termicznego i oceny wydajności.
Efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna włóknistych materiałów izolacyjnych (np. wełny szklanej) zależy głównie od trzech mechanizmów wymiany ciepła:
- Przenikanie ciepła przez ciało stałe
- Przenikanie ciepła przez promieniowanie
- Przenikanie ciepła przez fazę gazową
W zależności od temperatury, gęstości i gazu w materiale izolacyjnym, efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna może się znacznie różnić.
Niniejsza nota aplikacyjna koncentruje się na różnych atmosferach. Standardowa wełna szklana (NIST SRM 1450D), która ma znaną przewodność cieplną w powietrzu, została przetestowana w urządzeniu GHP 456 Titan®. Urządzenie jest wyposażone w piec, który umożliwia stosowanie różnych gazów oczyszczających, a także pomiary pod zmniejszonym ciśnieniem.
Eksperymentalny
Materiał NIST SRM 1450D był badany w średnich temperaturach próbki (Tmean) od 10°C do 60°C z różnicą temperatur (ΔT) 20 K pomiędzy płytkami pomiarowymi. Pomiary przeprowadzono w różnych gazach (argon, azot, hel) przy różnych ciśnieniach (od ok. 0,01 mbar do 1000 mbar). Przed każdym pomiarem z użyciem innego gazu, urządzenie (wraz z próbką) zostało dwukrotnie opróżnione i przedmuchane nowym gazem.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia przewodność cieplną próbki w różnych gazach płuczących (azot, argon i hel). Wyniki pomiarów podsumowano w tabeli 1.
Tabela 1: Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna standardowej wełny szklanej (NIST SRM 1450D), określona w różnych gazach oczyszczających w porównaniu z literaturą
| Temperatura °C | (W/m-K) | |||
| Literatura [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 |
Ponieważ wełna szklana jest systemem o otwartych porach, gaz oczyszczający przenika przez materiał, zmieniając w ten sposób jego efektywną przewodność cieplną. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna powietrza i azotu jest prawie identyczna (patrz tabela 2). Zgodnie z oczekiwaniami, nie ma znaczącej różnicy między wartościami referencyjnymi dla wełny szklanej a pomiarami w azocie. Z drugiej strony argon ma znacznie niższą przewodność cieplną niż azot (około 31% niższą), co znajduje odzwierciedlenie w pomiarze przewodności cieplnej wełny szklanej z przedmuchiwaniem argonem. Zmierzone wartości są o około 28% niższe niż te uzyskane przy użyciu azotu.
W przeciwieństwie do argonu, hel ma znacznie wyższą przewodność cieplną niż azot. Efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wełny szklanej z przedmuchiwaniem helem jest około cztery razy wyższa niż w przypadku azotu lub powietrza.
Tabela 2: Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna różnych gazów w temperaturze 20°C [1]
| Gaz | Przewodność cieplna / (W/m-K) |
|---|---|
| Hel | 0.150 |
| Argon | 0.017 |
| Powietrze | 0.026 |
| Azot | 0.026 |
Rysunek 2 ilustruje wpływ ciśnienia na przewodność cieplną materiałów izolacyjnych o otwartych porach. Przedstawia on przewodność cieplną wełny szklanej w różnych temperaturach. Krzywa S jest typowa dla pomiarów zależnych od ciśnienia. Wyraźnie pokazuje, że Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna gazu komórkowego znacząco wpływa na efektywną przewodność cieplną i że istnieje znaczna zależność od ciśnienia poniżej pewnego progu (około 300 mbar). Można to wyjaśnić długością drogi swobodnej cząsteczek lub atomów gazu.
Przenoszenie ciepła w gazie zależy głównie od liczby cząstek i średniej drogi swobodnej między nimi. Przy nieco niższych ciśnieniach średnia droga swobodna wzrasta, ale liczba cząstek maleje. W ten sposób Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna pozostaje stała. Jednak nie ma to już zastosowania przy bardzo niskich ciśnieniach [3]. Od pewnego momentu (tutaj około 300 mbar), nie ma wystarczającej liczby cząstek do zderzenia, a średnia długość ścieżki swobodnej mieści się w zakresie średnic porów. Począwszy od tego punktu, wymiana ciepła w gazie zależy wyłącznie od liczby cząstek gazu. Jeśli liczba cząstek zmniejsza się z powodu niższego ciśnienia, przenoszenie ciepła przez gaz znacznie spada, podobnie jak efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna całego materiału.
Podsumowanie
Ze względu na swoją strukturę, Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna materiałów izolacyjnych zależy w dużym stopniu od ciśnienia i gazu komórkowego. Miernik GHP 456 Titan® jest idealnym urządzeniem pomiarowym do określania efektywnej przewodności cieplnej w tak trudnych warunkach. Dzięki intuicyjnemu oprogramowaniu i automatycznej kontroli ciśnienia, wykonywanie pomiarów jest nadal łatwe.