Como medir amostras rígidas e de alta condutividade térmica por meio de HFM

Introdução

O método do medidor de fluxo de calor (NETZSCH HFM 436 Lambda na Figura 1) é mais comumente aplicado a medições de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de materiais isolantes, como fibra de vidro, fibra mineral e espumas de polímero, na faixa aproximada de 0,002 a 0,1 W/(m-K) e espessura de 20 a 100 mm. Com precauções especiais em relação à preparação da amostra, à medição da temperatura e às configurações do instrumento, a faixa do método HFM pode ser ampliada para medições de materiais de construção, como concreto, alvenaria e madeira, bem como plásticos, compostos e vidro com Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de até 2 W/(m-K) e resistência térmica tão baixa quanto 0,02 (m2-K)/W (veja o exemplo na Tabela 1).

Tabela 1: Medição da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do cimento usando o HFM 436/3 com kit de instrumentação (lençóis de borracha e termopares de amostra)

Com medições típicas de HFM de materiais isolantes, a diferença de temperatura através da amostra (ΔT), conforme medida pelos termopares embutidos nas superfícies da placa quente e da placa fria, pode ser usada para o cálculo da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. Embora sempre haja uma small resistência térmica e uma queda de temperatura presentes nas interfaces entre a placa e a amostra, elas podem ser desprezadas em comparação com a resistência térmica e o ΔT da largeamostra. Para materiais isolantes compressíveis, um bom contato térmico é garantido se a amostra for levemente comprimida pelas placas. No caso de materiais mais rígidos, como espuma plástica, essas resistências de contato ainda podem ser desprezadas, desde que as superfícies da amostra sejam planas e paralelas e que seja aplicada pressão suficiente pelas placas HFM. Para materiais de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica mais alta, geralmente com Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica > 0,5 W/(m-K) e resistência térmica < 0,1 (m2-K)/W, as resistências de contato entre a placa e a amostra não podem mais ser negligenciadas. Além disso, como esses materiais são geralmente rígidos e incompressíveis e podem ter superfícies ásperas, o contato térmico com as placas HFM pode ser ainda mais reduzido por lacunas e filmes de ar. Para superar esses efeitos, são empregados termopares montados na superfície da amostra e folhas de interface de borracha, conforme descrito.

Preparação da amostra

Para proporcionar resistência térmica e ΔT suficientes à amostra, recomenda-se uma espessura mínima de 50 mm. A espessura máxima é de aproximadamente 90 mm para permitir espaço para as almofadas de interface e para a instalação e remoção da amostra.

Prepare as superfícies da amostra em contato com as placas para que sejam tão lisas quanto possível e planas e paralelas em aproximadamente 0,3 mm. Embora isso possa ser um desafio para muitos materiais de construção, como o concreto, é necessário para um bom contato térmico com as placas do HFM, mesmo quando esses procedimentos especiais são seguidos.

Antes da instalação no HFM, a espessura da amostra deve ser medida cuidadosamente em vários locais próximos à área de medição central e a média deve ser calculada.

HFM Calibration

Uma calibração normal usando o padrão de placa de fibra de vidro fornecido é suficiente.libraNão é necessário fazer a calibração usando os termopares de amostra e as folhas de interface ou com uma amostra padrão de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica mais alta.libraOs testes demonstraram que a medição do transdutor de fluxo de calor usando o padrão de placa de fibra de vidro é válida em uma faixa de resistência térmica de large.

Procedimentos - NETZSCH HFM 436/3 com instrumentação opcionalKit

• São fornecidos dois termopares e duas folhas de interface de borracha de silicone (Figura 2). Marque o ponto central de cada superfície da amostra, coloque as sondas de termopar superior e inferior com a extremidade próxima à marca central e prenda-as com fita adesiva no lugar, conforme mostrado na Figura 3.
• Coloque os lençóis de borracha em cada lado da amostra sobre os termopares da superfície e prenda-os com fita adesiva na posição ao redor das bordas da amostra, conforme mostrado na Figura 4. A fita impedirá que as folhas se desloquem ou dobrem durante o carregamento da amostra.
• Carregue a amostra na câmara do HFM e abaixe a placa até que ela pare automaticamente (carga máxima da placa aplicada). Se estiver usando o recurso opcional de carregamento de pilha, recomenda-se uma pressão de placa de cerca de 2 PSI (cerca de 4 kPa) para melhorar o contato térmico.
• Conecte o conector do termopar de amostra superior na posição esquerda (Kit de Instrumentação) e o conector do termopar de amostra inferior na posição direita.
• No software Q-Lab

Para a definição da amostra, "User Thickness" (Espessura do usuário) deve ser selected e a espessura da amostra em cm deve ser inserida na janela. A espessura da amostra será usada para calcular a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. Observe que a Gauge Thickness agora inclui a espessura das folhas de interface de borracha. Dependendo da resistência térmica da amostra, normalmente será necessário definir uma smalltemperatura Δ para evitar a saturação das leituras do transdutor de fluxo de calor, Q Upper e Q Lower. Para amostras como as de concreto (espessura de 50 mm, Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica > 1 W/(m-K)), normalmente é necessário um Δ de 10 K ou menos (em toda a amostra). O Δ deve ser selected para manter as leituras de Q Superior e Q Inferior em equilíbrio em ou abaixo de aproximadamente 32000 uV. Isso pode exigir a definição de vários pontos de ajuste com diferentes Δ ao testar amostras desconhecidas. O Δ mínimo recomendado é de aproximadamente 4 K.