Wprowadzenie
Próżniowe panele izolacyjne (VIP) to wysokowydajne materiały izolacyjne wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Charakteryzują się doskonałymi właściwościami izolacyjnymi nawet przy minimalnej grubości materiału, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla obszarów o ograniczonej przestrzeni. NETZSCH oferuje HFM 706 LambdaLarge (patrz rysunek 1), system pomiarowy do określania przewodności cieplnej materiałów VIP.
W niniejszej nocie aplikacyjnej omówiono strukturę i zastosowanie materiałów VIP, wyzwania związane z pomiarem oraz wyniki uzyskane przy użyciu HFM 706 LambdaLarge na próbkach referencyjnych i VIP.
Struktura i sposób działania izolacji próżniowejPanele
System VIP składa się z kilku kluczowych elementów, które razem gwarantują jego wyjątkowe właściwości izolacyjne. Doskonałe właściwości izolacyjne produktów VIP wynikają z połączenia próżni i określonego materiału rdzenia. Materiał rdzenia tworzy strukturę nośną panelu VIP i zazwyczaj składa się z odpornych na ciśnienie, porowatych materiałów, takich jak dymiona krzemionka, włókna szklane lub pianka poliuretanowa. Materiał ten ogranicza przewodzenie ciepła wewnątrz panelu. Materiał rdzenia jest zamknięty w hermetycznej powłoce pod próżnią. Usunięcie cząsteczek powietrza praktycznie eliminuje przenoszenie ciepła przez konwekcję.
Wielowarstwowa folia barierowa, zazwyczaj składająca się z warstw metalowych i polimerowych, zapewnia uszczelnienie próżniowe. Folia ta chroni próżnię i zapobiega przedostawaniu się powietrza lub wilgoci. Folia barierowa odbija również promieniowanie podczerwone, ograniczając w ten sposób przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Dodatkowe warstwy ochronne z tworzywa sztucznego lub aluminium sprawiają, że czujniki VIP są odporne na uszkodzenia mechaniczne. Dzięki tym właściwościom folie VIP oferują nawet dziesięciokrotnie wyższą skuteczność izolacji niż konwencjonalne materiały izolacyjne o tej samej grubości.
Zastosowanie VIP-ów
Płyty VIP są stosowane w wielu branżach, w których wymagana jest wysoce wydajna izolacja w ograniczonych przestrzeniach. Stosuje się je w ścianach, dachach i podłogach, szczególnie w domach pasywnych lub projektach renowacyjnych, aby uzyskać wysokie wartości izolacji bez konieczności stosowania grubych materiałów.
W lodówkach i zamrażarkach izolacje VIP pomagają zmniejszyć zużycie energii i zwiększyć pojemność przechowywania. Są one stosowane do izolacji pojemników i opakowań transportujących towary wrażliwe na temperaturę, takie jak leki i żywność. Ze względu na wysoką wydajność i niską wagę, materiały VIP są również wykorzystywane w technologii lotniczej i kosmicznej.
VIP-y są stosowane w pojazdach elektrycznych w celu poprawy stabilności termicznej akumulatorów i poprawy kontroli klimatu we wnętrzu.
Pomiar przewodności cieplnej materiałów VIP
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 (wartość λ) materiału jest decydującym czynnikiem w ocenie jego wydajności cieplnej. Jednak ze względu na unikalną strukturę i zasadę działania czujników VIP, tradycyjne metody pomiarowe często nie mają bezpośredniego zastosowania. Dlatego też technologia przepływomierzy ciepła (HFM) stała się uznaną metodą pomiaru przewodności cieplnej układów VIP.
Wyzwania związane z pomiarami
Z biegiem czasu, warstwa barierowa może przepuszczać gaz, co osłabia próżnię i zwiększa przewodność cieplną. Dlatego też należy przeprowadzać pomiary długoterminowe. Jednak wyniki pomiarów przewodności cieplnej mogą nie być powtarzalne.
Właściwości termiczne krawędzi urządzenia VIP mogą różnić się od właściwości głównej powierzchni, co wpływa na dokładność pomiaru. Nawet najmniejsza nieregularność w materiale rdzenia lub folii barierowej może zniekształcić pomiar.
Ze względu na swoje szczególne właściwości izolacyjne, czujniki VIP znajdują się w dolnym zakresie poza granicą wykrywalności wielu systemów pomiarowych. Stawia to szczególne wymagania w zakresie czułości i stabilności systemu.
Próbki VIP zazwyczaj nie mogą być przycięte tak, aby pasowały do urządzenia pomiarowego. Dlatego konieczne jest przeprowadzenie pomiarów na oryginalnej próbce.
HFM 706 LambdaLarge
Nowa elektronika i oprogramowanie układowe, które zostały już wprowadzone w linii Eco, oferują znaczące korzyści w zakresie szybkości i dokładności pomiaru materiałów VIP. Do modelu HFM 706 LambdaLarge dodano również tylne drzwiczki na zawiasach. Testy przeprowadzono na próbkach referencyjnych i VIP.
Po otwarciu tylnych drzwiczek możliwe jest teraz badanie nie tylko starzenia, ale także wpływu strat krawędziowych i niejednorodności w próbkach innych niż kwadratowe, zwłaszcza w przypadku próbek VIP. W tym celu przednie i/lub tylne drzwiczki mogą pozostać otwarte podczas pomiaru. Pomiary porównawcze na próbkach referencyjnych wykazały, że nie ma dodatkowych błędów pomiarowych spowodowanych otwartymi drzwiami w zakresie temperatury pokojowej.
Rysunki 2 i 3 pokazują odchylenia od wartości literaturowych dla pomiarów na próbce referencyjnej NIST SRM 1450d z zamkniętymi lub otwartymi przednimi drzwiami (pomiar referencyjny z zamkniętymi drzwiami w każdym przypadku). W obu przypadkach maksymalne odchylenie od wartości literaturowej wynosi mniej niż 1% w zakresie od 10°C do 60°C.
Gdy zarówno przednie, jak i tylne drzwi są otwarte, odchylenie jest również mniejsze niż 1% (patrz rysunek 3).
Wpływ otwartych drzwi na niepewność pomiaru został również przetestowany przy użyciu "długich" próbek EPS o różnych grubościach o długości 1200 mm i szerokości 600 mm. Ponieważ są to jednorodne próbki referencyjne, zmierzona wartość powinna być niezależna od pozycji pomiarowej wzdłuż osi wzdłużnej próbki.
Rysunek 4 pokazuje odchylenia od wartości referencyjnej w zakresie od 10°C do 30°C dla próbek EPS o grubości 40 mm. Odchylenia są mniejsze niż 2%, z nieco wyższymi wartościami obserwowanymi w przedniej części próbki. Dodatkowo, rysunek 4 pokazuje odchylenia dla EPS o grubości 30 mm w trzech różnych pozycjach w temperaturze 10°C. Ponownie, nieco wyższe odchylenia są widoczne w przedniej i tylnej pozycji pomiarowej w porównaniu do środka próbki, z odchyleniem około 0,5%. Odchylenie wynoszące około 0,8% określono dla przedniej i tylnej pozycji.
Pomiary na VIP-ach są również proste dzięki HFM 706 LambdaLarge . Stabilne sygnały pomiarowe, czuła technologia czujników i sygnały o niskim poziomie szumów są warunkami wstępnymi dla osiągnięcia wysokiej dokładności i powtarzalności pomiarów. Rysunek 5 przedstawia wyniki pomiarów bardzo długiej próbki VIP.
Gdy średnia temperatura próbki VIP wzrasta z 10°C do 40°C, jej 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 wzrasta o około 12%, z 0,00457 W/(m-K) do 0,00514 W/(m-K). W konsekwencji, efekt izolacyjny VIP pogarsza się nawet o 12%, jeśli temperatura zewnętrzna fasady budynku wzrośnie z poniżej 10°C do ponad 30°C. Informacja ta jest ważna dla producentów i użytkowników systemów VIP i ma istotne znaczenie dla rozwoju produktu i kontroli jakości.
Rysunek 5 dodatkowo pokazuje doskonałą powtarzalność pomiarów i wysoką rozdzielczość wyników. W każdej temperaturze wykonano trzy indywidualne pomiary, a maksymalne odchylenie między poszczególnymi wartościami było mniejsze niż 1%. Wartości różnią się tylko na piątym miejscu po przecinku (0,00471, 0,00472 i
0.00474 W/(m-K) w temperaturze 20°C), a oczekiwany wykładniczy trend przewodności cieplnej wraz z temperaturą jest również wyraźnie widoczny. Świadczy to o wysokiej rozdzielczości urządzenia HFM 706 LambdaLarge i doskonałej powtarzalności pomiarów VIP. Nawet najmniejsze zmiany w VIP, takie jak te spowodowane zmianami strukturalnymi spowodowanymi starzeniem lub utratą próżni przez mikropęknięcia w folii barierowej, mogą być szybko i niezawodnie wykryte w dowolnym momencie.
Podsumowanie
Próżniowe panele izolacyjne to najnowocześniejsza technologia do zastosowań wymagających wysokiej wydajności izolacji. Pomimo wyzwań związanych z kosztami i trwałością, panele VIP oferują znaczące korzyści w zakresie efektywności energetycznej i oszczędności miejsca. Wraz z postępem technologicznym i rosnącym popytem oczekuje się, że panele VIP będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w różnych dziedzinach przemysłu. NETZSCH oferuje HFM 706 LambdaLarge , niezawodny system do pomiaru przewodności cieplnej materiałów VIP. Skuteczne środki zastosowane w technologii i konstrukcji przyrządu pozwalają sprostać wyzwaniom związanym z właściwościami próbki podczas pomiaru.