Introdução
Os materiais de isolamento conhecidos, como lã mineral ou espumas de polímero, geralmente são produzidos com alta espessura (vários centímetros) para atender ao valor U exigido para o isolamento térmico de edifícios. Um dispositivo de medição adequado para a determinação 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 (λ) é o HFM 446 Lambda Medium (figura 1). Entretanto, os materiais de isolamento também são aplicados em outras áreas com outras espessuras, por exemplo, no isolamento térmico e acústico de pisos. A espessura desses materiais de isolamento geralmente é de apenas alguns milímetros. As medições a seguir mostram como esses materiais finos podem ser investigados com sucesso com o HFM 446 Lambda Medium .
Valor U
O valor U reflete o fluxo de calor através de um componente dependente do gradiente de temperatura entre o lado quente e o lado frio de uma unidade [W/(m2-K)]. A unidade descreve a energia que flui através de 1 metro quadrado devido a uma diferença de temperatura de 1 K. Esse valor caracteriza as propriedades de isolamento de um componente; isso significa que, na prática, quanto menor o valor U, melhor o efeito de isolamento. Quanto maior o valor U, pior o efeito de isolamento. Assim, o edifício perde mais calor nos dias frios de inverno.
Método de medição
Um gradiente de temperatura é definido entre duas placas por um material a ser medido. Por meio de dois sensores de fluxo de calor de alta precisão nas placas, o fluxo de calor para o material e para fora do material, respectivamente, é medido. Quando o equilíbrio do sistema é atingido e o fluxo de calor é constante, 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 pode ser calculada com a ajuda da equação de Fourier e o conhecimento da área de medição e da espessura da amostra (veja a figura esquemática 2).
d Espessura [mm]
R = d/ λ Resistência térmica [m2∙K/W]
U = 1/R Coeficiente de transferência de calor [W/(m2∙K)]
Condições de medição
Uma placa de isolamento de fibra natural com espessura de 4 mm foi investigada. A resistência térmica (R = d/λ) de amostras tão finas representa um desafio para a medição. As amostras com resistência térmica inferior a aproximadamente 0,5 m²∙K/W não podem ser medidas com o HFM como uma medição padrão (DIN EN 12667). A Resistência de contatoDe acordo com a segunda lei da termodinâmica, a transferência de calor entre dois sistemas sempre se move na direção das temperaturas mais altas para as mais baixas. A quantidade de energia térmica transferida por condução de calor, por exemplo, através de uma parede de um edifício, é influenciada pelas resistências térmicas da parede de concreto e da camada de isolamento.resistência de contato entre as placas e a amostra não é mais desprezível e afetará o resultado. Para superar o problema da baixa resistência térmica, foram realizadas medições com duas abordagens diferentes:
- Empilhamento de amostras, mencionado na norma DIN EN 12667
- Medição de uma amostra com termopar externo adicional e camadas de interface (=kit de instrumentação), descrita na norma DIN EN 12664 para amostras com resistência térmica < 0,5m2∙K/W.
As medições foram realizadas em uma temperatura média da amostra de 25°C. A diferença de temperatura entre as placas foi de 20 K. A pressão sobre a amostra foi de aproximadamente 2 kPa.
Empilhamento de amostras
A Figura 3 mostra 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 versus a espessura total das amostras empilhadas (1 a 8 camadas). Os dados de medição estão resumidos na tabela 1.
Na faixa de baixa espessura, 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 mostra uma dependência da espessura. A Resistência de contatoDe acordo com a segunda lei da termodinâmica, a transferência de calor entre dois sistemas sempre se move na direção das temperaturas mais altas para as mais baixas. A quantidade de energia térmica transferida por condução de calor, por exemplo, através de uma parede de um edifício, é influenciada pelas resistências térmicas da parede de concreto e da camada de isolamento.resistência de contato entre a amostra e as placas HFM afeta o resultado (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 reduzida).
Com uma espessura superior a 20 a 24 mm (5 a 6 camadas), 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 é constante e não depende mais da espessura. Essa é a região em que a Resistência de contatoDe acordo com a segunda lei da termodinâmica, a transferência de calor entre dois sistemas sempre se move na direção das temperaturas mais altas para as mais baixas. A quantidade de energia térmica transferida por condução de calor, por exemplo, através de uma parede de um edifício, é influenciada pelas resistências térmicas da parede de concreto e da camada de isolamento.resistência de contato é desprezível e as medições podem ser consideradas confiáveis. A resistência térmica da amostra é maior do que aproximadamente 0,5 (m²∙K)/W.
Tabela 1: Resultados de medição das amostras empilhadas de uma placa de fibra de isolamento naterual de 4 mm de espessura
Número de camadas | Espessura [mm] | [W/(m∙K)] | Resistência térmica [(m2∙K)/W] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.04214 | 0.0958 |
| 2 | 8 | 0.04447 | 0.1812 |
| 3 | 12 | 0.04565 | 0.2582 |
| 4 | 16 | 0.04697 | 0.3387 |
| 5 | 20 | 0.04745 | 0.4214 |
| 6 | 24 | 0.04779 | 0.5021 |
| 7 | 28 | 0.04749 | 0.5906 |
| 8 | 32 | 0.04734 | 0.6757 |
* todos os resultados ± 3%
A Figura 4 (resistência térmica em relação à espessura) confirma que as medições com amostras empilhadas são confiáveis. A resistência térmica aumenta linearmente com o aumento da espessura. A linha de tendência linear fornece um ajuste R² de 0,99972 e a inclinação é um indicador 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 (inclinação m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Esse valor está de acordo com os resultados de medição da amostra empilhada com uma espessura superior a ~20 mm; consulte a tabela 1.
Kit de instrumentação
Para amostras de baixa resistência térmica, as medições com o kit de instrumentação (= termopares externos e camadas de interface) também podem ser uma boa solução. A questão da Resistência de contatoDe acordo com a segunda lei da termodinâmica, a transferência de calor entre dois sistemas sempre se move na direção das temperaturas mais altas para as mais baixas. A quantidade de energia térmica transferida por condução de calor, por exemplo, através de uma parede de um edifício, é influenciada pelas resistências térmicas da parede de concreto e da camada de isolamento.resistência de contato é resolvida pela medição direta da temperatura da superfície. Para amostras rígidas, o kit de instrumentação é uma boa opção. Como a placa de isolamento de fibra natural de 4 mm de espessura não é totalmente rígida, mas ainda é flexível, existe outra fonte de incerteza. Os termopares externos podem penetrar nas superfícies da amostra.
Portanto, a espessura (= distância entre os termopares externos) não é conhecida com precisão. Devido à baixa espessura de apenas 4 mm, mesmo um baixo nível de penetração pode causar um alto desvio no resultado (o erro relativo na espessura causa o mesmo erro relativo na 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).
A Tabela 2 mostra os resultados de uma medição com o kit de instrumentação. A medição de uma camada com o kit de instrumentação produz um valor que é aproximadamente 10% maior do que os resultados das amostras empilhadas. Esse aumento de 10% no valor 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 é provavelmente causado por um valor de espessura que está incorreto em 10% devido à penetração do termopar externo (200 μm em cada lado). Isso é confirmado pela medição de 1 e 2 camadas com o kit de instrumentação e pelo 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 com espessura ajustada (= espessura menos 2 x 200 μm). A condutividade térmica com espessura ajustada está em boa concordância com os valores das medições com amostras empilhadas.
Tabela 2: Resultados de medição do painel de isolamento de fibra natural de 4 mm de espessura com kit de instrumentação
Número de camadas | Espessura [mm] | [W/(m-K)] | Espessura ajustada | Condutividade térmica com Espessura ajustada [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Resumo
A condutividade térmica de materiais de isolamento finos e flexíveis pode ser medida com o HFM 446 Lambda Medium empilhando várias camadas do material até atingir uma espessura suficiente. A medição com termopares externos (kit de instrumentação) em amostras flexíveis pode resultar em valores de condutividade térmica falsamente inflados devido à possível penetração dos termopares na superfície da amostra.