Введение
Теплоизоляционные материалы играют важнейшую роль в минимизации теплопотерь и обеспечении стабильного температурного режима в технических системах. Их теплопроводность часто характеризуется с высокой точностью с помощью стационарных методов, таких как метод горячей пластины с защитой (GHP). Эти исследования актуальны не только при изучении материалов, но и в космических полетах, где изоляционные материалы используются в вакууме с экстремальными температурными колебаниями. Измерения GHP дают ценные данные, в том числе для теплового проектирования и оценки эффективности.
Эффективная теплопроводность волокнистых изоляционных материалов (например, стекловаты) зависит в основном от трех механизмов теплопередачи:
- Теплопередача через твердое тело
- Теплопередача через излучение
- Теплопередача через газовую фазу.
В зависимости от температуры, плотности и содержания газа в изоляционном материале эффективная теплопроводность может сильно варьироваться.
В данном руководстве по применению рассматриваются различные атмосферы. Стандартная стекловата (NIST SRM 1450D), которая имеет известную теплопроводность в воздухе, была протестирована в приборе GHP 456 Titan®. Прибор оснащен печью, позволяющей использовать различные продувочные газы, а также проводить измерения при пониженном давлении.
Экспериментальный
Материал NIST SRM 1450D исследовался при средней температуре образца (Tmean) от 10°C до 60°C с разницей температур (ΔT) 20 K между измерительными пластинами. Измерения проводились в различных газах (аргон, азот, гелий) при различных давлениях (примерно от 0,01 мбар до 1000 мбар). Перед каждым измерением с использованием другого газа прибор (включая образец) дважды откачивался и продувался новым газом.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 показана теплопроводность образца в различных продувочных газах (азоте, аргоне и гелии). Результаты измерений сведены в таблицу 1.
Таблица 1: Теплопроводность стандартной стекловаты (NIST SRM 1450D), определенная в различных продувочных газах в сравнении с литературными данными
| Температура °C | Теплопроводность (Вт/м-К) | |||
| Литература [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 |
Поскольку стекловата представляет собой систему с открытыми порами, продувочный газ проникает в материал и тем самым изменяет его эффективную теплопроводность. Теплопроводность воздуха и азота практически одинакова (см. таблицу 2). Как и ожидалось, между эталонными значениями для стекловаты и измерениями под азотом не было обнаружено существенной разницы. Аргон, с другой стороны, имеет значительно более низкую теплопроводность, чем азот (примерно на 31 % ниже), что отражено в измерениях теплопроводности стекловаты с аргоновой продувкой. Измеренные значения примерно на 28 % ниже, чем при использовании азота.
В отличие от аргона, гелий имеет значительно более высокую теплопроводность, чем азот. Эффективная теплопроводность стекловаты с гелиевой продувкой примерно в четыре раза выше, чем при использовании азота или воздуха.
Таблица 2: Теплопроводность различных газов при 20°C [1]
| Газ | Теплопроводность / (Вт/м-К) |
|---|---|
| Гелий | 0.150 |
| Аргон | 0.017 |
| Воздух | 0.026 |
| Азот | 0.026 |
На рисунке 2 показано, как давление влияет на теплопроводность изоляционных материалов с открытыми порами. Здесь показана теплопроводность стекловаты при различных температурах. S-образная кривая типична для измерений, зависящих от давления. Она ясно показывает, что теплопроводность газа в камере значительно влияет на эффективную теплопроводность, и что существует существенная зависимость от давления ниже определенного порога (около 300 мбар). Это можно объяснить длиной свободного пробега молекул или атомов газа.
Теплообмен в газе в основном определяется количеством частиц и средним свободным путем между ними. При более низких давлениях средний свободный путь увеличивается, но число частиц уменьшается. Таким образом, теплопроводность остается постоянной. Однако при очень низких давлениях это уже не так [3]. Начиная с определенного момента (здесь - примерно 300 мбар), частиц для столкновения становится недостаточно, и средняя длина свободного пробега попадает в диапазон диаметров пор. Начиная с этой точки, теплообмен в газе зависит только от количества частиц газа. Если количество частиц уменьшается из-за снижения давления, теплопередача через газ значительно уменьшается, как и эффективная теплопроводность всего материала.
Резюме
Из-за своей структуры теплопроводность изоляционных материалов сильно зависит от давления и газа в камере. Прибор GHP 456 Titan® является идеальным средством измерения для определения эффективной теплопроводности в таких сложных условиях. Благодаря интуитивно понятному программному обеспечению и автоматическому контролю давления выполнять измерения очень просто.