Inledning
Värmeisoleringsmaterial är avgörande för att minimera värmeförluster och säkerställa stabila temperaturförhållanden i tekniska system. Deras 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 karakteriseras ofta med precision med hjälp av stationära metoder, t.ex. GHP-metoden (Guarded Hot Plate). Dessa undersökningar är relevanta inte bara inom materialforskning, utan även inom rymdfärder, där isoleringsmaterial används i vakuum med extrema temperaturfluktuationer. GHP-mätningar ger värdefulla data för bland annat termisk design och prestandautvärdering.
Den effektiva värmeledningsförmågan hos fibrösa isoleringsmaterial (t.ex. glasull) beror huvudsakligen på tre värmeöverföringsmekanismer:
- Värmeöverföring genom det fasta materialet
- Värmeöverföring genom strålning
- Värmeöverföring genom gasfasen
Beroende på temperatur, TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och gas i isoleringsmaterialet kan den effektiva värmeledningsförmågan variera kraftigt.
Den här applikationsnoten fokuserar på olika atmosfärer. Standardglasull (NIST SRM 1450D), som har en känd 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 luft, testades i GHP 456 Titan®. Enheten är utrustad med en ugn som möjliggör olika reningsgaser samt mätningar under reducerat tryck.
Experimentell
NIST SRM 1450D-materialet undersöktes vid genomsnittliga provtemperaturer (Tmean) mellan 10°C och 60°C med en temperaturskillnad (ΔT) på 20 K över mätplattorna. Mätningarna utfördes under olika gaser (argon, kväve, helium) vid olika tryck (ca 0,01 mbar till 1000 mbar). Före varje mätning med en annan gas evakuerades anordningen (inklusive provet) två gånger och spolades med den nya gasen.
Resultat och diskussion
Figur 1 visar provets 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 olika spolningsgaser (kväve, argon och helium). Mätresultaten sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Värmekonduktivitet för standardglasull (NIST SRM 1450D), bestämd i olika spolgaser i jämförelse med litteratur
| Temperatur °C | (W/m-K) | |||
| Litteratur [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 |
Eftersom glasull är ett system med öppna porer tränger spolgasen in i materialet och ändrar därmed dess effektiva 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. Värmeledningsförmågan hos luft och kväve är nästan identisk (se tabell 2). Som väntat går det inte att upptäcka någon signifikant skillnad mellan referensvärdena för glasull och mätningarna under kväve. Argon har å andra sidan betydligt lägre 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 än kväve (ca 31% lägre), vilket återspeglas i mätningen av värmeledningsförmågan hos glasull med argonrening. De uppmätta värdena är cirka 28% lägre än de som erhållits med kväve.
Till skillnad från argon har helium en betydligt högre 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 än kväve. Den effektiva värmeledningsförmågan hos glasull med heliumrening är ungefär fyra gånger högre än med kväve eller luft.
Tabell 2: Termisk ledningsförmåga hos olika gaser vid 20°C [1]
Figur 2 illustrerar hur trycket påverkar värmeledningsförmågan hos isoleringsmaterial med öppna porer. Den visar värmeledningsförmågan hos glasull vid olika temperaturer. S-kurvan är typisk för tryckberoende mätningar. Den visar tydligt att cellgasens 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 har en betydande inverkan på den effektiva värmeledningsförmågan och att det finns ett betydande tryckberoende under en viss tröskel (ca 300 mbar). Detta kan förklaras av gasmolekylernas eller gasatomernas fria väglängd.
Värmeöverföringen i en gas bestäms huvudsakligen av antalet partiklar och den genomsnittliga fria vägen mellan dem. Vid något lägre tryck ökar den genomsnittliga fria vägen, men antalet partiklar minskar. Därmed förblir värmeledningsförmågan konstant. Detta gäller dock inte längre vid mycket låga tryck [3]. Från en viss punkt (här cirka 300 mbar) finns det inte tillräckligt många partiklar för att kollidera och den genomsnittliga fria väglängden faller inom intervallet för porernas diameter. Från och med denna punkt beror värmeöverföringen i gasen enbart på antalet gaspartiklar. Om antalet partiklar minskar på grund av lägre tryck, minskar värmeöverföringen via gasen avsevärt, liksom den effektiva värmeledningsförmågan för hela materialet.
Sammanfattning
På grund av sin struktur är isoleringsmaterialens 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 starkt beroende av tryck och cellgas. GHP 456 Titan® är den perfekta mätaren för att bestämma den effektiva värmeledningsförmågan under sådana utmanande förhållanden. Tack vare den intuitiva programvaran och den automatiska tryckkontrollen är det fortfarande enkelt att utföra mätningar.