Densitetens inverkan på värmeprestandan hos ett isoleringsmaterial av glasfiber

Inledning

För instrumentserien NETZSCH HFM 436 (bild 1) finns ett nytt alternativ som gör det möjligt att utföra tester med värmeflödesmätare på prover som utsätts för hög kompressionsbelastning; denna funktion utökar möjligheterna för FoU-program om värmeisolering.

Genom att variera plattans tryck på provet för att uppnå olika kompressionsnivåer kan användarna generera kurvor över värmeledningsförmågan som en funktion av densiteten, vilket avslöjar information om den relativa styrkan hos olika värmetransportprocesser i värmeisoleringsprodukter.

Denna Application Note innehåller en analys av de tre dominerande värmetransportmekanismerna i ett fibröst glasisoleringsmaterial för att härleda ett analytiskt uttryck för värmeledningsförmågans funktionella beroende av TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet; förutsägelser av den analytiska modellen jämförs med faktiska HFM-testdata som genererats under olika belastningar i den uppdaterade HFM 436 Lambda. Utmärkt överensstämmelse observerades över hela densitetsintervallet, som sträckte sig över ett förhållande på 19:1 från högsta till lägsta.

Multi-Mode värmeöverföring i isoleringsmaterial

I dagens energimedvetna värld påminns vi ständigt om vikten av energibesparande åtgärder - en viktig sådan är att förbättra byggnaders termiska prestanda med högkvalitativ isolering. Tillverkarnas FoU-insatser för att utveckla värmeisolering med högre prestanda har dragit stor nytta av den parallella utvecklingen av kraftfullare experimentella och analytiska verktyg för att bedöma framstegen. De nya testmöjligheterna som diskuteras i den här applikationsrapporten är ytterligare ett steg i den riktningen.

I den här studien analyserar vi värmeöverföringen genom en glasfiberfilt, som ofta används som byggnadsisolering. En sådan filt är ett virrvarr av långa glasfibrer som utgör den matris i vilken luften är innesluten.

Konduktion genom luft:

Vid måttliga temperaturer sker en betydande del av värmeöverföringen över isoleringen genom ledning genom luft, vilket är oberoende av densiteten. Denna värmeöverföringsmetod styrs av Fourier-ekvationen med en konstant luftledningsförmåga _λair.

Konduktion genom glasfibrerna:

Värmeöverföringen genom glasfibrerna styrs också av Fourier-ekvationen, men i detta fall är den motsvarande värmeledningsförmågan glass en funktion av densiteten ρ. Ledningsvägarna ökar ungefär i proportion till densiteten som:

_λglas = B∙ρ

där B är en konstant.

Strålning:

För den radiativa värmeöverföringen betraktas glasfiberfilten ofta som ett absorberande, emitterande, deltagande och optiskt tjockt medium med våglängdsoberoende optiska egenskaper. Med dessa antaganden härleds den radiativa värmeöverföringen som:

_qradiativ = _-λrad dT/dx

Denna ekvation liknar Fouriers lag, vilket är skälet till att λrad ofta kallas den radiativa värmeledningsförmågan. Ju tätare filten är, desto större är antalet glasfibrer per volymenhet, vilket resulterar i mer spridning och en sänkning av strålningsöverföringen.

Strålningsflödet avtar därmed med en hastighet som är omvänt proportionell mot densiteten:

_λrad = C/ρ

där C är en konstant.

Den totala värme som överförs genom filten är summan av dessa tre distinkta lägen. Den effektiva värmeledningsförmågan härleds då som:

_λtotal = _λluft +B∙ρ + C/ρ

Denna sista ekvation representerar förhållandet mellan den totala konduktiviteten och densiteten hos glasfiberfilten med tre okända parametrar: _λair, B och C.

HFM 436 Mätning av glasfiberfilt med Funktion för variabel belastning

Med utgångspunkt från en 240 mm tjock glasfiberisoleringsfilt skars en uppsättning kvadratiska sektioner på 300 mm x 300 mm till och staplades på olika höjder. Mätningar av värmeledningsförmågan med olika TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet utfördes genom att variera tjockleken med hjälp av plåttrycket. För glasfiberstaplar som översteg den maximala öppningen på 100 mm i HFM 436/3 utfördes förkomprimering med styva plattor före installation i HFM. Alla mätningar utfördes vid rumstemperatur. Instrumentet kalibrerades med en 25 mm tjock NIST 1450d glasfiberskivestandard och plattans temperaturskillnad var 20 K.

Resultat och diskussioner

Resultaten av mätningarna presenteras i tabell 1 och figur 2.

Tabell 1: Värmeledningsförmåga kontra TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet för ett glasfiberprov som utsatts för olika tryckbelastningar i en HFM-apparat vid rumstemperatur

Den blå kurvan erhölls genom att datapunkterna anpassades till modellen för total konduktivitet med hjälp av minsta kvadratmetoden. Man kan dra slutsatsen att den modell som presenteras ovan är en adekvat formulering av värmeflödesprocessen genom glasfiberfilten. De streckade kurvorna representerar varje förväntat överföringsläge. Resultaten visar ett brett minimum i Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i densitetsområdet på cirka 50-80 ^kg/m3, nära den TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet där ledningsförmågan på grund av glasfibrerna är lika med den radiativa ledningsförmågan. Denna information kan användas av tillverkarna för att optimera produkternas prestanda genom att minimera glasfiberinnehållet och därmed kostnaden. Den optimala densiteten, till exempel, skulle förmodligen ligga på den låga densitetssidan av konduktivitetsminimum.

Slutsats

Det är mycket bekvämt att genomföra en sådan studie med funktionen för variabel belastning. En noggrann statistisk analys skulle kräva fler datapunkter, vilket är lätt att uppnå med HFM 436 Lambda. Ett komplett test kan enkelt programmeras med olika belastningar och temperaturer. Denna tillämpning omfattar även andra porösa isoleringsmaterial som sten- (mineral-) eller slaggull.