Термофизические свойства изоляционного наполнителя из конопли

Введение

Традиционные теплоизоляционные материалы, такие как вспененный полипропилен и минеральная вата, обычно выпускаются в виде плит. Однако широко используются также напыляемые и сыпучие теплоизоляционные материалы для полов и крыш.

Одним из примеров является изоляционный и выравнивающий наполнитель из битумизированных конопляных шелух. Помимо механических и технологических преимуществ, решающую роль в эксплуатационных характеристиках материала играют также его теплофизические свойства. Теплопроводность определяет, насколько эффективно тепло проходит через изоляцию или удерживается ею, что важно для энергоэффективности и комфорта проживания. Кроме того, удельная теплоемкость показывает, какое количество тепла материал может аккумулировать и отдавать с течением времени. Поэтому точное понимание этих свойств имеет решающее значение для оптимального проектирования конструкции пола и надёжного соблюдения требований строительной физики.

Метод

Многие измерительные системы сталкиваются с трудностями при определении теплофизических свойств сыпучих материалов, таких как теплопроводность и удельная теплоемкость. Одной из проблем является форма материала, а другой — его относительно высокая степень неоднородности.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов можно быстро и точно определить с помощью метода HFM (измеритель теплового потока). При этом методе образец, как правило, твердый, помещается между горячей и холодной пластинами, каждая из которых поддерживается на определенной температуре. Результирующий тепловой поток измеряется с помощью датчиков теплового потока. С учётом толщины образца и заранее определённых калибровочных коэффициентов теплопроводность образца определяется в различных температурных точках. На рисунке 1 показан типичный температурный профиль, включая теплопроводность.

1) Профиль температуры для определения теплопроводности в одной точке с помощью метода HFM с учетом текущей теплопроводности.

Как и панельные теплоизоляционные материалы, сыпучие и насыпные теплоизоляционные материалы измеряются в раме с тонким основанием. Основание настолько тонкое, что его тепловое сопротивление можно считать пренебрежимо малым. Рама находится за пределами зоны измерения, чтобы не влиять на результаты измерения.

Для определения удельной теплоемкости чаще всего используется метод ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия). Однако размер образца относительно невелик small: для теплоизоляционных материалов он составляет примерно 4 мм в диаметре и всего 1 мм в толщину. Кроме того, для точных измерений требуется значительная начальная масса и хороший контакт между образцом и тиглем. Эти три фактора делают измерение удельной теплоемкости сыпучих теплоизоляционных материалов методом ДСК непрактичным и затруднительным. Метод HFM предлагает подходящее решение для данного типа образцов. Метод HFM позволяет анализировать объем large (например, несколько литров). Это делает результаты измерения более репрезентативными. Кроме того, метод HFM является стационарным. При определении удельной теплоемкости контакт между пластинами и образцом не так критичен, как при измерении методом ДСК. Для определения_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} обе пластины удерживаются при одинаковой температуре (нулевое ΔT) до тех пор, пока тепловой поток не станет равным нулю. Затем для обеих пластин инициируется, например, скачок температуры на 10 К, и системе дают возможность достичь конечной температуры, пока тепловой поток снова не станет равным нулю. Количество тепла, добавляемое при изменении температуры, можно использовать для измерения удельной теплоемкости образца. На рисунке 2 показан температурный профиль этого измерения. Здесь_Qupper — тепловой поток через датчик на верхней пластине,_Qlower — тепловой поток через датчик на нижней пластине, а_Qtotal — сумма тепловых потоков от обоих датчиков. Площадь под_{кривой Qtotal} используется для расчета удельной теплоемкости.

2) Температурный профиль и тепловой поток для определения удельной теплоемкости в точке температуры с помощью метода HFM.

Экспериментальный

Изоляционные материалы, используемые для измерений HFM, обычно поставляются в виде панелей. Однако эти материалы также часто выпускаются в виде сыпучих материалов, например, рассматриваемый в данной работе изоляционный материал на основе битумизированных конопляных шелух (см. рис. 3).

3) Изоляционный наполнитель из конопляных отходов

Также можно определить теплопроводность и удельную теплоемкость этих материалов. Для определения теплопроводности объемный образец материала помещается в рамку. Эта рамка расположена за пределами зоны измерения и поэтому не оказывает существенного влияния на результаты измерения.

Кроме того, на основе заданной геометрии можно определить и плотность. Плотность или степень уплотнения материала существенно влияет на теплопроводность и, в случае теплоизоляционных материалов в целом, всегда должна фиксироваться вместе с результатами для обеспечения возможности сравнения. Однако в случае определения удельной теплоемкости рама может оказывать заметное влияние на измерение из-за своей массы, которая также нагревается в ходе пошагового измерения. По этой причине сыпучий материал помещается в очень тонкий полиэтиленовый пакет. Масса полиэтиленового пакета во много раз меньше массы образца и, следовательно, пренебрежимо мала. Остальные условия измерения приведены в таблице 1.

Таблица 1: Условия измерения теплопроводности и удельной теплоемкости изоляционного наполнителя из битумизированных конопляных лубов

	Теплопроводность	Удельная теплоемкость
Вспомогательные средства	Рама	Полиэтиленовый пакет
Плотность во время измерения	~ 178 кг/м³	не указано
Входной образец	~ 693 г	~ 693 г
Программа терморегулирования	20 °C + 35 °C, ΔT = 20 К	20 °C + 35 °C, ΔT = 15 К

Результаты

Как показано на рисунке 4, результаты демонстрируют теплопроводность и удельную теплоемкость битумизированных конопляных шелух при использовании в качестве сыпучего материала. Теплопроводность изоляционного наполнителя из битумизированных конопляных шелух незначительно увеличивается с ростом температуры, что соответствует типичной температурной характеристике изоляционных материалов. Удельная теплоемкость стабильно находится в диапазоне от примерно 1 500 до 1 630 Дж/(г·К) в ходе обоих повторных измерений (испытание 1 и испытание 2), демонстрируя небольшое увеличение с ростом температуры. Значения, определенные для этих материалов, находятся в типичном и ожидаемом диапазоне для биоматериалов — битумизированных сыпучих теплоизоляционных материалов. В целом, результаты измерений подтверждают умеренную теплопроводность, характерную для сыпучих теплоизоляционных материалов из натуральных волокон, в сочетании с хорошей теплоемкостью.

4) Теплопроводность и удельная теплоемкость битумизированных конопляных шелух в качестве сыпучего наполнителя.

Резюме

Проведенные измерения показывают, что данный метод HFM 706 Lambda Medium позволяет точно и практично определять теплофизические свойства изоляционных материалов, которые трудно измерить, таких как битумизированные конопляные шелухи. В отличие от метода ДСК (DSC), в котором размер образца small не подходит для неоднородных сыпучих материалов, метод HFM с объемом образца large также позволяет проводить репрезентативные и воспроизводимые измерения удельной теплоемкости. Этот метод измерения в стационарном режиме дает стабильные результаты для теплопроводности (от 0,0547 до 0,0584 Вт/(м·К)) и удельной теплоемкости (от 1 500 до 1 630 Дж/(г·К)) в зависимости от температуры, которые хорошо согласуются со значениями, ожидаемыми для биоизоляционных материалов. Таким образом, прибор HFM 706 оказывается надёжной альтернативой традиционным методам испытаний — особенно для сыпучих материалов — для достоверного определения параметров, имеющих значение для строительной физики.