Właściwości termofizyczne wypełnienia izolacyjnego z konopi

Wprowadzenie

Tradycyjne materiały izolacyjne, takie jak spieniony polipropylen i wełna mineralna, są zazwyczaj dostępne w postaci paneli. Jednak szerokie zastosowanie mają również izolacje wdmuchiwane i sypkie przeznaczone do podłóg i dachów.

Jednym z przykładów jest materiał izolacyjno-wyrównujący wykonany z bitumizowanych łusek konopi. Oprócz zalet mechanicznych i technologicznych, decydującą rolę w właściwościach użytkowych materiału odgrywają również jego właściwości termofizyczne. 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 określa, jak skutecznie ciepło jest przenoszone przez izolację lub zatrzymywane przez nią, co ma znaczenie dla efektywności energetycznej i komfortu mieszkania. Ponadto ciepło właściwe wskazuje, ile ciepła materiał może magazynować i oddawać w czasie. Dlatego dokładne zrozumienie tych właściwości jest niezbędne do optymalnego zaprojektowania konstrukcji podłogi i niezawodnego spełnienia wymagań fizyki budowlanej.

Metoda

Wiele systemów pomiarowych ma trudności z określeniem właściwości termofizycznych materiałów sypkich, takich jak 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 i ciepło właściwe. Jednym z wyzwań jest forma materiału, a drugim – jego stosunkowo wysoki stopień niejednorodności.

Przewodność cieplną materiałów izolacyjnych można szybko i precyzyjnie określić za pomocą metody HFM (miernika przepływu ciepła). W tej metodzie próbka, zazwyczaj w postaci stałej, umieszczana jest pomiędzy gorącą i zimną płytą, z których każda utrzymywana jest w określonej temperaturze. Powstały strumień ciepła jest mierzony za pomocą czujników strumienia ciepła. Na podstawie grubości próbki oraz wcześniej ustalonych współczynników kalibracyjnych określa się przewodność cieplną próbki w różnych punktach temperatury. Rysunek 1 przedstawia typowy profil temperatury wraz z wartościami przewodności cieplnej.

Podobnie jak materiały izolacyjne w postaci płyt, luźne materiały izolacyjne mierzy się w ramie z cienką podstawą. Podstawa jest tak cienka, że jej opór cieplny można uznać za pomijalny. Rama znajduje się poza obszarem pomiarowym, dzięki czemu nie wpływa na wynik pomiaru.

Do oznaczania ciepła właściwego najczęściej stosuje się metodę DSC (differential scanning calorimetry – różnicowa kalorymetria skaningowa). Jednak wielkość próbki jest stosunkowo n small na – w przypadku materiałów izolacyjnych ma ona średnicę około 4 mm i grubość zaledwie 1 mm. Ponadto precyzyjne pomiary wymagają dużej masy początkowej oraz dobrego kontaktu między próbką a tyglem. Te trzy czynniki sprawiają, że pomiar ciepła właściwego izolacji sypkiej metodą DSC jest niepraktyczny i trudny. Metoda HFM stanowi odpowiednie rozwiązanie dla tego typu próbek. Metoda HFM pozwala na analizę objętości large (np. kilku litrów). Dzięki temu pomiar jest bardziej reprezentatywny. Ponadto metoda HFM opiera się na stanie ustalonym. Podczas określania ciepła właściwego kontakt między płytkami a próbką ma mniejsze znaczenie niż w przypadku pomiaru metodą DSC. W celu określenia_{Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp} obie płytki są utrzymywane w tej samej temperaturze (Zero ΔT) do momentu, aż strumień ciepła osiągnie wartość zerową. Następnie dla obu płytek inicjuje się skok temperatury, np. o 10 K, i pozwala się układowi osiągnąć temperaturę końcową, aż strumień ciepła ponownie osiągnie wartość zerową. Ilość ciepła dodanego podczas zmiany temperatury można wykorzystać do pomiaru ciepła właściwego próbki. Rysunek 2 przedstawia profil temperatury tego pomiaru. W tym przypadku_Qupper oznacza strumień ciepła przechodzący przez czujnik na górnej płycie,_Qlower – strumień ciepła przechodzący przez czujnik na dolnej płycie, a_Qtotal – sumę strumieni ciepła z obu czujników. Pole pod_{krzywą Qtotal} służy do obliczenia ciepła właściwego.

Wyniki

Jak pokazano na rysunku 4, wyniki przedstawiają przewodność cieplną i ciepło właściwe bitumizowanych łusek konopi stosowanych jako materiał sypki. 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 wypełnienia izolacyjnego z bitumizowanych łusek konopi nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, co jest zgodne z typową charakterystyką termiczną materiałów izolacyjnych. Ciepło właściwe konsekwentnie mieści się w przedziale od około 1 500 do 1 630 J/(g·K) w obu powtórnych pomiarach (badanie 1 i badanie 2), wykazując niewielki wzrost wraz ze wzrostem temperatury. Wartości określone dla tych materiałów mieszczą się w typowym i oczekiwanym zakresie dla biopochodnych, bitumizowanych materiałów izolacyjnych sypkich. Ogólnie rzecz biorąc, pomiary potwierdzają umiarkowaną przewodność cieplną typową dla izolacji sypkiej z włókien naturalnych, w połączeniu z dobrą zdolnością magazynowania ciepła.

Podsumowanie

Przedstawione pomiary pokazują, że HFM 706 Lambda Medium metoda ta pozwala na precyzyjne i praktyczne określenie właściwości termofizycznych materiałów izolacyjnych, które są trudne do zmierzenia, takich jak bitumizowane łodygi konopi. W przeciwieństwie do metody DSC, small której wielkość próbki jest nieodpowiednia dla niejednorodnych materiałów sypkich, metoda HFM, dzięki objętości próbki wynoszącej large, pozwala również na reprezentatywny i powtarzalny pomiar ciepła właściwego. Ta metoda pomiaru w stanie ustalonym zapewnia spójne wyniki dla przewodności cieplnej (od 0,0547 do 0,0584 W/(m·K)) oraz ciepła właściwego (od 1 500 do 1 630 J/(g·K)) w funkcji temperatury, które dobrze zgadzają się z wartościami oczekiwanymi dla materiałów izolacyjnych pochodzenia biologicznego. Urządzenie HFM 706 okazuje się zatem niezawodną alternatywą dla konwencjonalnych metod badawczych – zwłaszcza w przypadku materiałów sypkich – umożliwiającą wiarygodne określenie parametrów istotnych z punktu widzenia fizyki budowlanej.