Introducere
Materialele izolante cunoscute, cum ar fi vata minerală sau spumele polimerice, sunt de obicei produse cu grosimi mari (câțiva centimetri) pentru a îndeplini valoarea U necesară pentru izolarea termică a clădirilor. Un dispozitiv de măsurare adecvat pentru determinarea conductivității termice (λ) este HFM 446 Lambda Medium (figura 1). Cu toate acestea, materialele izolante sunt aplicate și în alte domenii, cu alte grosimi, de exemplu, în izolarea termică și fonică a podelelor. Grosimea acestor materiale izolante este adesea de numai câțiva milimetri. Următoarele măsurători arată cum pot fi investigate cu succes astfel de materiale subțiri cu HFM 446 Lambda Medium .
Valoare U
Valoarea U reflectă fluxul de căldură printr-o componentă în funcție de gradientul de temperatură dintre partea caldă și partea rece a unei unități [W/(m2-K)]. Unitatea descrie energia care trece prin 1 metru pătrat datorită unei diferențe de temperatură de 1 K. Această valoare caracterizează proprietățile de izolare ale unei componente; aceasta înseamnă, în practică, că cu cât valoarea U este mai mică, cu atât efectul de izolare este mai bun. Cu cât valoarea U este mai mare, cu atât efectul izolator este mai slab. Clădirea pierde astfel mai multă căldură în zilele reci de iarnă.
Metoda de măsurare
Un gradient de temperatură este definit între două plăci de un material care trebuie măsurat. Cu ajutorul a doi senzori de flux termic de înaltă precizie amplasați în plăci, se măsoară fluxul termic care intră în material și, respectiv, iese din material. Odată ce se atinge echilibrul sistemului și fluxul de căldură este constant, conductivitatea termică poate fi calculată cu ajutorul ecuației Fourier și al cunoașterii zonei de măsurare și a grosimii probei (a se vedea figura schematică 2).
λ Conductivitate termică [W/(m∙K)]
d Grosime [mm]
R = d/ λ Rezistență termică [m2∙K/W]
U = 1/R Coeficient de transfer termic [W/(m2∙K)]
Condiții de măsurare
A fost investigată o placă izolatoare din fibre naturale cu o grosime de 4 mm. Rezistența termică (R = d/λ) a probelor atât de subțiri reprezintă o provocare pentru măsurare. Probele cu rezistență termică mai mică de aproximativ 0,5 m²∙K/W nu pot fi măsurate cu HFM ca măsurători standard (DIN EN 12667). Rezistența de contact dintre plăci și probă nu mai este neglijabilă și va afecta rezultatul. Pentru a depăși problema rezistenței termice scăzute, au fost efectuate măsurători cu două abordări diferite:
- Stivuirea probelor, menționată în DIN EN 12667
- Măsurarea unei probe cu termocuplu extern suplimentar și straturi de interfață (= kit de instrumentare), descrisă în DIN EN 12664 pentru probe cu o rezistență termică < 0,5m2∙K/W.
Măsurătorile au fost efectuate la o temperatură medie a probei de 25°C. Diferența de temperatură dintre plăci a fost de 20 K. Presiunea asupra probei a fost de aproximativ 2 kPa.
Stivuirea eșantioanelor
Figura 3 prezintă conductivitatea termică în funcție de grosimea totală a probelor stivuite (1 până la 8 straturi). Datele de măsurare sunt rezumate în tabelul 1.
În domeniul grosimilor mici, conductivitatea termică prezintă o dependență de grosime. Rezistența de contact dintre probă și plăcile HFM afectează rezultatul (conductivitate termică redusă).
Cu o grosime mai mare de 20-24 mm (5-6 straturi), conductivitatea termică este constantă și nu mai depinde de grosime. Aceasta este regiunea în care rezistența de contact este neglijabilă și măsurătorile pot fi considerate fiabile. Rezistența termică a probei este mai mare de aproximativ 0,5 (m²∙K)/W.
Tabelul 1: Rezultatele măsurătorilor eșantioanelor stivuite ale unui panou de fibre izolante naternale cu grosimea de 4 mm
Număr de straturi | Grosime [mm] | Conductivitate termică* [W/(m∙K)] | Rezistență termică [(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 |
* toate rezultatele ± 3%
Figura 4 (rezistența termică în funcție de grosime) confirmă faptul că măsurătorile cu probe stivuite sunt fiabile. Rezistența termică crește liniar odată cu creșterea grosimii. Linia de tendință liniară oferă o potrivire R² de 0,99972, iar panta este un indicator pentru conductivitatea termică (panta m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Această valoare este în bună concordanță cu rezultatele măsurătorilor eșantionului stivuit cu o grosime mai mare de ~20 mm; a se vedea tabelul 1.
Kit de instrumentație
Pentru probele cu rezistență termică scăzută, măsurătorile cu kitul de instrumentație (= termocupluri externe și straturi de interfață) pot fi, de asemenea, o soluție bună. Problema rezistenței la contact este rezolvată prin măsurarea directă a temperaturii suprafeței. Pentru probele rigide, kitul de instrumentare este o alegere bună. Deoarece placa izolatoare din fibre naturale de 4 mm grosime nu este complet rigidă, ci încă flexibilă, există o altă sursă de incertitudine. Termocuplurile externe pot pătrunde în suprafața probei.
Prin urmare, grosimea (= distanța dintre termocuplurile externe) nu este cunoscută cu precizie. Din cauza grosimii reduse de numai 4 mm, chiar și un nivel scăzut de penetrare poate provoca o abatere mare a rezultatului (eroarea relativă în grosime determină aceeași eroare relativă în conductivitatea termică).
Tabelul 2 prezintă rezultatele unei măsurători cu kitul de instrumente. Măsurarea unui strat cu ajutorul setului de instrumente produce o valoare cu aproximativ 10% mai mare decât rezultatele obținute din probele stivuite. Această creștere cu 10% a valorii conductivității termice este cauzată cel mai probabil de o valoare a grosimii care este incorectă cu 10% din cauza penetrării de către termocuplul extern (200 μm pe fiecare parte). Acest lucru este confirmat de măsurarea straturilor 1 și 2 cu ajutorul setului de instrumente și de calcularea conductivității termice cu grosimea ajustată (= grosimea minus 2 x 200 μm). Conductivitatea termică cu grosimea ajustată este în bună concordanță cu valorile obținute din măsurătorile cu probe suprapuse.
Tabelul 2: Rezultatele măsurării plăcii de izolație din fibre naturale cu grosimea de 4 mm cu kit de instrumentație
Număr de straturi | Grosime [mm] | Conductivitate termică* [W/(m-K)] | Grosime ajustată [mm] | Conductivitate termică cu Grosime ajustată [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Rezumat
Conductivitatea termică a materialelor izolante subțiri și flexibile poate fi măsurată cu HFM 446 Lambda Medium prin stivuirea mai multor straturi de material la o grosime suficientă. Măsurarea cu set de instrumente termocupluri externe) pe probe flexibile poate duce la valori ale conductivității termice umflate în mod fals din cauza posibilei pătrunderi a termocuplurilor în suprafața probei.