Introducere
Materialele termoizolante sunt esențiale pentru minimizarea pierderilor de căldură și asigurarea unor condiții de temperatură stabile în sistemele tehnice. Conductivitatea lor termică este adesea caracterizată cu precizie prin metode staționare, cum ar fi metoda Guarded Hot Plate (GHP). Aceste investigații sunt relevante nu numai în cercetarea materialelor, ci și în călătoriile spațiale, unde materialele izolante sunt utilizate în vid, cu fluctuații extreme de temperatură. Măsurătorile GHP furnizează date valoroase pentru proiectarea termică și evaluarea performanței, printre altele.
Conductivitatea termică efectivă a materialelor izolante fibroase (de exemplu, vata de sticlă) depinde în principal de trei mecanisme de transfer termic:
- Transferul de căldură prin solid
- Transferul de căldură prin radiație
- Transferul de căldură prin faza gazoasă
În funcție de temperatură, DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate și gazul din interiorul materialului izolant, conductivitatea termică efectivă poate varia foarte mult.
Această notă de aplicare se concentrează pe diferite atmosfere. Vata de sticlă standard (NIST SRM 1450D), care are o conductivitate termică cunoscută în aer, a fost testată în GHP 456 Titan®. Dispozitivul este echipat cu un cuptor care permite diferite gaze de purjare, precum și măsurători sub presiune redusă.
Experimental
Materialul NIST SRM 1450D a fost examinat la temperaturi medii ale probei (Tmean) între 10°C și 60°C, cu o diferență de temperatură (ΔT) de 20 K între plăcile de măsurare. Măsurătorile au fost efectuate sub diferite gaze (argon, azot, heliu) la diferite presiuni (aproximativ 0,01 mbar până la 1000 mbar). Înainte de fiecare măsurare cu un alt gaz, dispozitivul (inclusiv eșantionul) a fost evacuat de două ori și purjat cu noul gaz.
Rezultate și discuții
Figura 1 prezintă conductivitatea termică a probei în diferite gaze de purjare (azot, argon și heliu). Rezultatele măsurătorilor sunt rezumate în tabelul 1.
Tabelul 1: Conductivitatea termică a vatei de sticlă standard (NIST SRM 1450D), determinată în diferite gaze de purjare în comparație cu literatura de specialitate
| Temperatura °C | Conductivitate termică (W/m-K) | |||
| Literatură [2] | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
Deoarece vata de sticlă este un sistem cu pori deschiși, gazul de purjare pătrunde în material și îi modifică astfel conductivitatea termică efectivă. Conductivitatea termică a aerului și a azotului este aproape identică (a se vedea tabelul 2). După cum era de așteptat, nu există nicio diferență semnificativă detectabilă între valorile de referință pentru vata de sticlă și măsurătorile efectuate sub azot. Argonul, pe de altă parte, are o conductivitate termică semnificativ mai mică decât azotul (cu aproximativ 31% mai mică), după cum se reflectă în măsurarea conductivității termice a vatei de sticlă cu purjare cu argon. Valorile măsurate sunt cu aproximativ 28% mai mici decât cele obținute cu azot.
Spre deosebire de argon, heliul are o conductivitate termică semnificativ mai mare decât azotul. Conductivitatea termică efectivă a vatei de sticlă cu purjare cu heliu este de aproximativ patru ori mai mare decât cu azot sau aer.
Tabelul 2: Conductibilitatea termică a diferitelor gaze la 20°C [1]
| Gaz | Conductivitate termică / (W/m-K) |
|---|---|
| Heliu | 0.150 |
| Argon | 0.017 |
| Aer | 0.026 |
| Azot | 0.026 |
Figura 2 ilustrează modul în care presiunea afectează conductivitatea termică a materialelor izolante cu pori deschiși. Aceasta arată conductivitatea termică a vatei de sticlă la diferite temperaturi. Curba S este tipică măsurătorilor dependente de presiune. Aceasta arată clar că conductivitatea termică a gazului celular influențează semnificativ conductivitatea termică efectivă și că există o dependență substanțială de presiune sub un anumit prag (aproximativ 300 mbar). Acest lucru poate fi explicat prin lungimea drumului liber al moleculelor sau atomilor de gaz.
Transferul de căldură în interiorul unui gaz este determinat în principal de numărul de particule și de calea liberă medie dintre acestea. La presiuni ușor mai scăzute, calea liberă medie crește, dar numărul de particule scade. Astfel, conductivitatea termică rămâne constantă. Cu toate acestea, acest lucru nu mai este valabil la presiuni foarte scăzute [3]. De la un anumit punct încolo (aici, aproximativ 300 mbar), nu există suficiente particule care să se ciocnească, iar lungimea medie a căii libere se încadrează în intervalul diametrelor porilor. Începând din acest punct, transferul de căldură în gaz depinde exclusiv de numărul de particule de gaz. Dacă numărul de particule scade din cauza presiunii scăzute, transferul de căldură prin gaz scade semnificativ, la fel ca și conductivitatea termică efectivă a întregului material.
Rezumat
Datorită structurii lor, conductivitatea termică a materialelor izolante depinde foarte mult de presiune și de gazul celular. GHP 456 Titan® este dispozitivul de măsurare ideal pentru determinarea conductivității termice efective în astfel de condiții dificile. Datorită software-ului său intuitiv și a controlului automat al presiunii, este în continuare ușor să efectuați măsurători.