Giriş
Isı yalıtım malzemeleri, ısı kaybını en aza indirmek ve teknik sistemlerde istikrarlı sıcaklık koşulları sağlamak için çok önemlidir. Termal iletkenlikleri genellikle Korumalı Sıcak Plaka (GHP) yöntemi gibi sabit yöntemler kullanılarak hassas bir şekilde karakterize edilir. Bu araştırmalar sadece malzeme araştırmalarında değil, aynı zamanda yalıtım malzemelerinin aşırı sıcaklık dalgalanmaları olan bir vakumda kullanıldığı uzay yolculuğunda da önemlidir. GHP ölçümleri, diğer şeylerin yanı sıra termal tasarım ve performans değerlendirmesi için değerli veriler sağlar.
Lifli yalıtım malzemelerinin (örneğin cam yünü) etkin ısı iletkenliği temel olarak üç ısı transfer mekanizmasına bağlıdır:
- Katı içinden ısı transferi
- Radyasyon yoluyla ısı transferi
- Gaz fazı boyunca ısı transferi
Yalıtım malzemesi içindeki sıcaklık, YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk ve gaza bağlı olarak, etkili Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik büyük ölçüde değişebilir.
Bu uygulama notu farklı atmosferlere odaklanmaktadır. Havada bilinen bir termal iletkenliğe sahip olan standart cam yünü (NIST SRM 1450D), GHP 456 Titan® cihazında test edilmiştir. Cihaz, çeşitli boşaltma gazlarının yanı sıra düşük basınç altında ölçümlere olanak tanıyan bir fırınla donatılmıştır.
Deneysel
NIST SRM 1450D malzemesi, ölçüm plakaları arasında 20 K sıcaklık farkı (ΔT) ile 10°C ile 60°C arasındaki ortalama numune sıcaklıklarında (Tmean) incelenmiştir. Ölçümler farklı basınçlarda (yaklaşık 0,01 mbar ila 1000 mbar) farklı gazlar (argon, nitrojen, helyum) altında gerçekleştirilmiştir. Başka bir gaz kullanılarak yapılan her ölçümden önce, cihaz (numune dahil) iki kez boşaltılmış ve yeni gazla temizlenmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 1, numunenin farklı saflaştırma gazlarındaki (nitrojen, argon ve helyum) termal iletkenliğini göstermektedir. Ölçüm sonuçları tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Standart cam yününün (NIST SRM 1450D) literatürle karşılaştırmalı olarak farklı pürj gazlarında belirlenen ısıl iletkenliği
| Sıcaklık °C | (W/m-K) | |||
| Literatür [2] | N2 | Ar | O | |
| 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 |
Cam yünü açık gözenekli bir sistem olduğundan, temizleme gazı malzemeye nüfuz eder ve böylece etkili termal iletkenliğini değiştirir. Hava ve azotun ısıl iletkenliği neredeyse aynıdır (bkz. Tablo 2). Beklendiği gibi, cam yünü için referans değerler ile nitrojen altında yapılan ölçümler arasında önemli bir fark tespit edilememiştir. Öte yandan argon, cam yününün argon tasfiyesi ile termal iletkenliğinin ölçümünde yansıtıldığı gibi, nitrojenden önemli ölçüde daha düşük termal iletkenliğe sahiptir (yaklaşık %31 daha düşük). Ölçülen değerler nitrojen ile elde edilen değerlerden yaklaşık %28 daha düşüktür.
Argonun aksine, helyum azottan önemli ölçüde daha yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Helyum temizlemeli cam yününün etkili termal iletkenliği, nitrojen veya havaya göre yaklaşık dört kat daha yüksektir.
Tablo 2: 20°C'de farklı gazların ısıl iletkenliği [1]
Şekil 2, basıncın açık gözenekli yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenliğini nasıl etkilediğini göstermektedir. Cam yününün farklı sıcaklıklardaki termal iletkenliğini göstermektedir. S-eğrisi, basınca bağlı ölçümlerin tipik bir örneğidir. Hücre gazının termal iletkenliğinin etkili termal iletkenliği önemli ölçüde etkilediğini ve belirli bir eşiğin altında (yaklaşık 300 mbar) basınca önemli ölçüde bağımlılık olduğunu açıkça göstermektedir. Bu, gaz moleküllerinin veya atomlarının serbest yol uzunluğu ile açıklanabilir.
Bir gaz içindeki ısı transferi esas olarak parçacık sayısı ve aralarındaki ortalama serbest yol tarafından belirlenir. Biraz daha düşük basınçlarda, ortalama serbest yol artar, ancak parçacık sayısı azalır. Böylece, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik sabit kalır. Ancak bu durum çok düşük basınçlarda artık geçerli değildir [3]. Belirli bir noktadan itibaren (burada, yaklaşık 300 mbar), çarpışacak yeterli parçacık yoktur ve ortalama serbest yol uzunluğu gözenek çapları aralığına düşer. Bu noktadan itibaren, gazdaki ısı transferi yalnızca gaz partiküllerinin sayısına bağlıdır. Düşük basınç nedeniyle parçacık sayısı azalırsa, tüm malzemenin etkin termal iletkenliği gibi gaz yoluyla ısı transferi de önemli ölçüde azalır.
Özet
Yapıları nedeniyle, yalıtım malzemelerinin termal iletkenliği büyük ölçüde basınca ve hücre gazına bağlıdır. GHP 456 Titan® , bu tür zorlu koşullar altında etkin termal iletkenliği belirlemek için ideal bir ölçüm cihazıdır. Sezgisel yazılımı ve otomatik basınç kontrolü sayesinde ölçüm yapmak hala kolaydır.