Wpływ gęstości na właściwości termiczne materiału izolacyjnego z włókna szklanego

Wprowadzenie

Nowa opcja jest dostępna dla linii przyrządów NETZSCH HFM 436 (rysunek 1), która umożliwia użytkownikom przeprowadzanie testów przepływomierza ciepła na próbkach poddanych dużym obciążeniom ściskającym; funkcja ta rozszerza zakres możliwości programów badawczo-rozwojowych w zakresie izolacji termicznych.

Zmieniając nacisk płyty na próbkę w celu osiągnięcia różnych poziomów kompresji, użytkownicy mogą generować krzywe przewodności cieplnej w funkcji gęstości, ujawniając informacje na temat względnej siły różnych procesów transportu ciepła w produktach izolacji termicznej.

Niniejsza nota aplikacyjna zawiera analizę trzech dominujących mechanizmów transportu ciepła we włóknistym szklanym materiale izolacyjnym w celu wyprowadzenia analitycznego wyrażenia dla funkcjonalnej zależności przewodności cieplnej od gęstości; przewidywania modelu analitycznego są porównywane z rzeczywistymi danymi testowymi HFM wygenerowanymi pod różnymi obciążeniami w zaktualizowanym HFM 436 Lambda. Doskonałą zgodność zaobserwowano w całym zakresie gęstości, który obejmował stosunek 19:1 od najwyższej do najniższej.

Wielomodowy transfer ciepła w materiałach izolacyjnych

W dzisiejszym, świadomym energetycznie świecie, nieustannie przypomina się o znaczeniu środków oszczędzania energii - kluczowym z nich jest poprawa właściwości termicznych budynków za pomocą wysokiej jakości izolacji. Wysiłki badawczo-rozwojowe producentów mające na celu opracowanie izolacji termicznych o wyższej wydajności przyniosły znaczne korzyści z równoległego rozwoju bardziej zaawansowanych narzędzi eksperymentalnych i analitycznych do oceny ich postępów. Nowe możliwości testowania omówione w niniejszej nocie aplikacyjnej stanowią kolejny krok w tym kierunku.

W niniejszym badaniu analizujemy transfer ciepła przez koc z włókna szklanego, powszechnie stosowany jako izolacja budynków. Taki koc jest plątaniną długich włókien szklanych, które stanowią matrycę, w której uwięzione jest powietrze.

Przewodzenie przez powietrze:

W umiarkowanych temperaturach znaczna część wymiany ciepła przez izolację odbywa się poprzez przewodzenie przez powietrze, które jest niezależne od gęstości. Ten tryb transferu ciepła jest regulowany przez równanie Fouriera ze stałą przewodnością powietrza _λair.

Przewodzenie przez włókna szklane:

Przenikanie ciepła przez włókna szklane jest również regulowane równaniem Fouriera, ale w tym przypadku odpowiednia 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 glass jest funkcją gęstości ρ. Ścieżki przewodzenia zwiększają się w przybliżeniu proporcjonalnie do gęstości jako:

_λglass = B∙ρ

przy czym B jest stałą.

Promieniowanie:

W przypadku trybu radiacyjnego przenoszenia ciepła, koc z włókna szklanego jest często uważany za absorbujący, emitujący, uczestniczący i optycznie gruby ośrodek o właściwościach optycznych niezależnych od długości fali. Przy tych założeniach, radiacyjny transfer ciepła jest wyprowadzany jako:

_qradiative = _-λrad dT/dx

Równanie to jest podobne do prawa Fouriera, co jest powodem, dla którego λrad jest często określane jako radiacyjna 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. Im gęstszy koc, tym większa liczba włókien szklanych na jednostkę objętości, co skutkuje większym rozproszeniem i obniżeniem transferu promieniowania.

Strumień promieniowania spada w tempie odwrotnie proporcjonalnym do gęstości:

_λrad = C/ρ

gdzie C jest stałą.

Całkowite ciepło przenoszone przez koc jest sumą tych trzech różnych trybów. 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 jest następnie wyprowadzana jako:

_λtotal = _λair +B∙ρ + C/ρ

To ostatnie równanie przedstawia zależność między całkowitą przewodnością a gęstością koca z włókna szklanego z trzema nieznanymi parametrami: _λair, B i C.

HFM 436 Pomiary koców z włókna szklanego z funkcją zmiennego obciążenia

Zaczynając od koca izolacyjnego z włókna szklanego o grubości 240 mm, zestaw kwadratowych sekcji o wymiarach 300 mm na 300 mm został pocięty i ułożony na różnych wysokościach. Pomiary przewodności cieplnej o różnej gęstości przeprowadzono poprzez zmianę grubości za pomocą docisku płyty. W przypadku stosów z włókna szklanego, które przekraczały maksymalny otwór HFM 436/3 wynoszący 100 mm, przed instalacją w HFM wykonano wstępne ściskanie za pomocą sztywnych płyt. Wszystkie pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej.libraUrządzenie zostało wyposażone we wzorzec płyty z włókna szklanego NIST 1450d o grubości 25 mm, a różnica temperatur płyt wynosiła 20 K.

Wyniki i dyskusje

Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1 i na rysunku 2.

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 w funkcji gęstości dla próbki z włókna szklanego poddanej różnym ustawieniom obciążenia ściskającego w aparacie HFM w temperaturze pokojowej

Niebieska krzywa została uzyskana poprzez dopasowanie punktów danych do modelu przewodności całkowitej metodą najmniejszych kwadratów. Można stwierdzić, że przedstawiony powyżej model jest odpowiednim sformułowaniem procesu przepływu ciepła przez koc z włókna szklanego. Krzywe przerywane reprezentują każdy oczekiwany tryb transferu. Wyniki pokazują szerokie minimum przewodności cieplnej w zakresie gęstości około 50-80 ^kg/m3, w pobliżu gęstości, w której przewodność spowodowana włóknami szklanymi jest równa przewodności radiacyjnej. Informacje te mogą być wykorzystane przez producentów do optymalizacji wydajności ich produktów poprzez minimalizację zawartości włókien szklanych, a tym samym kosztów. Optymalna gęstość, na przykład, prawdopodobnie leżałaby po stronie niskiej gęstości minimum przewodności.

Wnioski

Przeprowadzenie takiego badania jest bardzo wygodne dzięki funkcji zmiennego obciążenia. Rygorystyczna analiza statystyczna z pewnością wymagałaby większej liczby punktów danych, co jest łatwe do osiągnięcia dzięki HFM 436 Lambda. Jeden kompletny test można łatwo zaprogramować z różnymi obciążeniami i temperaturami. To zastosowanie rozciąga się również na inne porowate materiały izolacyjne, takie jak wełna skalna (mineralna) lub żużlowa.