Wprowadzenie
Właściwości termiczne sztywnych materiałów budowlanych o wyższej przewodności cieplnej (niższym oporze cieplnym), takich jak tarcica, płyty gipsowo-kartonowe, beton, kamień i inne produkty murarskie, można mierzyć za pomocą przyrządów HFM i GHP (rysunek 1 i 2). Metody te są znormalizowanymi technikami testowymi, a ich zastosowanie (materiały izolacyjne i budowlane) jest silnie związane np. z następującymi normami:
- ISO 8301:1991: Izolacja termiczna - Wyznaczanie oporu cieplnego w stanie ustalonym i właściwości pokrewnych - Urządzenie do pomiaru przepływu ciepła.
- ISO 8302:1991: Izolacja termiczna - Wyznaczanie oporu cieplnego w stanie ustalonym i związanych z nim właściwości - Aparat z osłoniętą płytą grzejną.
- ASTM C518: Standardowa metoda badania pomiarów strumienia ciepła w stanie ustalonym i właściwości przenikania ciepła za pomocą urządzenia do pomiaru przepływu ciepła.
- ASTM C177: Standardowa metoda badania pomiarów strumienia ciepła w stanie ustalonym i właściwości przenikania ciepła za pomocą urządzenia z osłoniętą płytą grzejną.
- DIN EN 12667/12939:2001: Właściwości cieplne materiałów i wyrobów budowlanych - Określanie oporu cieplnego za pomocą metody osłoniętej płyty grzejnej i przepływomierza ciepła - (grube) wyroby o wysokim i medium oporze cieplnym.
- DIN EN 13163:2001: Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie - Wyroby z polistyrenu ekspandowanego (EPS) produkowane fabrycznie - Specyfikacja.
W przypadku metody bezwzględnej GHP można osiągnąć dokładność ±2%. Metoda HFM wymaga oklibratacji przyrządu. W zależności od materiału referencyjnego można również uzyskać dokładność ±2%.
Jak obchodzić się ze sztywnymi próbkami o chropowatych powierzchniach?
Obie metody mogą jednak wymagać starannego przygotowania próbki i specjalnych technik dokładnych pomiarów temperatury powierzchni. Wyżej wymienione materiały (np. beton) mogą mieć chropowate powierzchnie, a przygotowanie wysoce płaskich i równoległych powierzchni może być trudne. W rezultacie, znaczny opór cieplny interfejsu (spadek temperatury) może występować w szczelinach powietrznych między płytkami przyrządu a powierzchniami próbki. Jeśli ta rezystancja termiczna staje się znacząca w porównaniu z rezystancją termiczną próbki, czujniki temperatury zamontowane na powierzchni płytki nie mogą być już używane do pomiaru różnicy temperatur w próbce. Jedną z technik jest zamontowanie dodatkowych termopar o średnicy small na powierzchniach próbek i umieszczenie zgodnego arkusza interfejsu, takiego jak guma silikonowa, między płytami a powierzchniami próbek, jak pokazano na rysunku 3 poniżej.
Parametry pomiaru
W tym badaniu trzy pary próbek betonu (305 mm na 305 mm o grubości około 50 mm) zostały przetestowane przy użyciu metody GHP (dwustronnej), a następnie każda z sześciu próbek została przetestowana przy użyciu metody HFM. W przypadku każdej metody zastosowano termopary montowane na powierzchni próbki i arkusze interfejsu z gumy silikonowej o grubości około 2 mm.libraW metodzie HFM 436 zastosowano płytkę z włókna szklanego NIST 1450b (Standard Reference Material®) o grubości 25 mm. Pomiar temperatury został osiągnięty poprzez podłączenie termopar próbki do kanałów akwizycji danych używanych dla termopar płytki, a następnie automatyczna regulacja off set w oprogramowaniu mogła dostosować temperaturę płytki podczas testu, aby uzyskać określoną różnicę temperatur próbki. Parametry równowagi zostały ustawione na 1% (zgrubne) i 0,1% (dokładne). Testy przeprowadzono w temperaturze pokojowej (średnia temperatura próbki, patrz tabela 1). Różnica temperatur między dwiema płytami GHP wynosiła około 26 K przy różnicy temperatur 12 K w poprzek próbki. W przypadku HFM różnica temperatur płyt wynosiła około 18 K przy 8 K w poprzek próbki.
Wyniki testów
Wyniki przedstawiono w tabeli 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 wynosząca 1,8 W/(m.K) dla próbki betonu C o wyższej gęstości jest znacznie wyższa w porównaniu do 1,2 - 1,3 W/(m.K) dla próbek A i B, zgodnie z oczekiwaniami. Zgodność między metodami jest dość dobra, zwłaszcza biorąc pod uwagę niski opór cieplny próbek i niedoskonałe powierzchnie. Średnia 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 zmierzona metodą HFM dla poszczególnych próbek waha się od 4,1% niższa do 2,4% wyższa w porównaniu z pomiarem GHP dla obu próbek.
Tabela 1: Pomiary przewodności cieplnej betonu za pomocą GHP i HFM
Próbka | Grubość (mm) | Gęstość (kg/m3) | Średnia temperatura (°C) | (W/(m.K)) | Opór cieplny opór cieplny (m.K/W) |
|---|---|---|---|---|---|
| A1, A2 (GHP) | 52.6 | 1896 | 24.1 | 1.36 | 0.0387 |
| A1 (HFM) | 53.6 | 1897 | 23.9 | 1.38 | 0.0387 |
| A2 (HFM) | 51.6 | 1895 | 23.9 | 1.23 | 0.0421 |
| A1, A2 (średnia, HFM) | 52.6 | 1896 | 23.9 | 1.31 | 0.0404 |
| Wariacja | -4.0% | ||||
| B1, B2 (GHP) | 51.1 | 1909 | 25.0 | 1.27 | 0.0402 |
| B1 (HFM) | 51.1 | 1935 | 23.9 | 1.23 | 0.0416 |
| B2 (HFM) | 51.0 | 1882 | 24.1 | 1.21 | 0.0423 |
| B1, B2 (średnia, HFM) | 51.1 | 1909 | 24.0 | 1.22 | 0.0419 |
| Wariacja | -4.1% | ||||
| C1, C2 (GHP) | 51.4 | 2297 | 25.2 | 1.76 | 0.0292 |
| C1 (HFM) | 51.7 | 2298 | 23.4 | 1.92 | 0.0269 |
| C2 (HFM) | 51.1 | 2296 | 23.8 | 1.69 | 0.0303 |
| C1, C2 (średnia, HFM) | 51.4 | 2297 | 23.6 | 1.80 | 0.0286 |
| Wariacja | 2.4% | ||||
Wnioski
Zarówno bezwzględna metoda GHP, jak i względna metoda HFM kwalifikują się do określania przewodności cieplnej i oporu cieplnego sztywnych i materiałów budowlanych o wyższej przewodności cieplnej (>1 W/(m.K)) - nawet w przypadku chropowatych powierzchni. Wykazano, że dokładne pomiary temperatury powierzchni można uzyskać za pomocą dodatkowych termopar i zgodnych arkuszy między płytami a próbką. Odchylenie small między wynikami testów GHP i HFM już wskazuje na wysoką wydajność obu metod.