Введение
Известные изоляционные материалы, такие как минеральная вата или полимерные пенопласты, обычно производятся с большой толщиной (несколько сантиметров), чтобы соответствовать требуемому значению U-value для теплоизоляции зданий. Подходящим измерительным прибором для определения теплопроводности (λ) является прибор HFM 446 Lambda Medium (рис. 1). Однако изоляционные материалы применяются и в других областях с другой толщиной, например, для тепло- и звукоизоляции полов. Толщина таких изоляционных материалов часто составляет всего несколько миллиметров. Приведенные ниже измерения показывают, как такие тонкие материалы могут быть успешно исследованы с помощью HFM 446 Lambda Medium .
U-Value
Значение U отражает тепловой поток через компонент, зависящий от градиента температуры между теплой и холодной сторонами [Вт/(м2-К)]. Единица измерения описывает энергию, проходящую через 1 квадратный метр при разнице температур в 1 К. Это значение характеризует изоляционные свойства компонента; на практике это означает, что чем ниже значение U-value, тем лучше изоляционный эффект. Чем выше U-value, тем хуже изоляционный эффект. В этом случае здание теряет больше тепла в холодные зимние дни.
Метод измерения
Между двумя пластинами из измеряемого материала задается температурный градиент. С помощью двух высокоточных датчиков теплового потока в пластинах измеряется тепловой поток в материал и из материала, соответственно. Когда равновесие системы достигнуто и тепловой поток постоянен, теплопроводность может быть рассчитана с помощью уравнения Фурье и знания области измерения и толщины образца (см. схему на рис. 2).
λ Теплопроводность [Вт/(м∙К)]
d Толщина [мм]
R = d/ λ Термическое сопротивление [м2∙К/Вт]
U = 1/R Коэффициент теплопроводности [Вт/(м2∙К)]
Условия измерения
Исследовалась изоляционная плита из натурального волокна толщиной 4 мм. Тепловое сопротивление (R = d/λ) таких тонких образцов представляет собой сложную задачу для измерения. Образцы с термическим сопротивлением ниже примерно 0,5 м²∙K/Вт не могут быть измерены с помощью HFM в качестве стандартного измерения (DIN EN 12667). Контактное сопротивление между пластинами и образцом уже не является пренебрежимо малым и влияет на результат. Чтобы решить проблему низкого термического сопротивления, были проведены измерения с использованием двух различных подходов:
- Штабелирование образцов, как указано в DIN EN 12667
- Измерение одного образца с дополнительной внешней термопарой и интерфейсным слоем (=комплект приборов), описанное в DIN EN 12664 для образцов с термическим сопротивлением < 0,5м2∙K/Вт.
Измерения проводились при средней температуре образца 25°C. Разница температур между пластинами составляла 20 К. Давление на образец составляло около 2 кПа.
Укладка образцов
На рисунке 3 показана теплопроводность в зависимости от общей толщины уложенных образцов (от 1 до 8 слоев). Данные измерений обобщены в таблице 1.
В диапазоне малых толщин теплопроводность показывает зависимость от толщины. Контактное сопротивление между образцом и пластинами HFM влияет на результат (уменьшение теплопроводности).
При толщине более 20-24 мм (5-6 слоев) теплопроводность становится постоянной и больше не зависит от толщины. Это область, где контактное сопротивление пренебрежимо мало и измерения можно считать надежными. Тепловое сопротивление образца превышает примерно 0,5 (м²∙K)/Вт.
Таблица 1: Результаты измерений уложенных образцов натеральной изоляционной волокнистой плиты толщиной 4 мм
Количество слоев | Толщина [мм] | Теплопроводность* [Вт/(м∙К)] | Тепловое сопротивление [(м2∙K)/Вт] |
|---|---|---|---|
| 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 |
* все результаты ± 3%
Рисунок 4 (тепловое сопротивление по толщине) подтверждает достоверность измерений со сложенными образцами. Термическое сопротивление линейно увеличивается с увеличением толщины. Линия линейного тренда дает R², равный 0,99972, а наклон является показателем теплопроводности (наклон m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 Вт/(м∙K)). Это значение хорошо согласуется с результатами измерений штабелированного образца толщиной более ~20 мм; см. таблицу 1.
Набор инструментов
Для образцов с низким тепловым сопротивлением хорошим решением могут стать измерения с помощью комплекта приборов (= внешние термопары и интерфейсные слои). Проблема контактного сопротивления решается прямым измерением температуры поверхности. Для жестких образцов комплект приборов является хорошим выбором. Поскольку изоляционная плита из натурального волокна толщиной 4 мм не совсем жесткая, а все еще гибкая, существует еще один источник неопределенности. Внешние термопары могут проникать в поверхность образца.
Поэтому толщина (= расстояние между внешними термопарами) точно не известна. Из-за малой толщины (всего 4 мм) даже незначительное проникновение может вызвать большое отклонение в результатах (относительная ошибка в толщине вызывает такую же относительную ошибку в теплопроводности).
В таблице 2 приведены результаты измерений с помощью комплекта приборов. Измерение одного слоя с помощью комплекта приборов дает значение, которое примерно на 10 % выше, чем результаты, полученные с помощью уложенных образцов. Это 10-процентное увеличение значения теплопроводности, скорее всего, вызвано значением толщины, которое неверно на 10 % из-за проникновения внешней термопары (200 мкм с каждой стороны). Это подтверждается измерением 1 и 2 слоев с помощью комплекта приборов и расчетом теплопроводности с учетом толщины (= толщина минус 2 x 200 мкм). Теплопроводность с учетом толщины хорошо согласуется со значениями, полученными в результате измерений со сложенными образцами.
Таблица 2: Результаты измерений теплоизоляционной плиты из натурального волокна толщиной 4 мм с комплектом приборов
Количество слоев | Толщина [мм] | Теплопроводность* [Вт/(м-К)] | Скорректированная толщина [мм] | Теплопроводность с Скорректированная толщина [Вт/(м∙К)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Резюме
Теплопроводность тонких и гибких изоляционных материалов может быть измерена с помощью прибора HFM 446 Lambda Medium путем укладки нескольких слоев материала достаточной толщины. Измерения с помощью внешних термопар (комплект приборов) на гибких образцах могут привести к ложным завышенным значениям теплопроводности из-за возможного проникновения термопар в поверхность образца.