Зависимость теплопроводности газонаполненных утеплителей PIR от температурных условий эксплуатации

/ 17.04.2018

Введение

Теплопроводность утеплителя является одной из ключевых характеристик, свидетельствующих о его эффективности. Температурозависимые физические процессы, протекающие в строительных материалах на макро- и микроуровнях, могут повлечь изменения, влияющие на физико-механические характеристики этих материалов, в целом. Это является одной из основных причин существования ряда «гостовских» измерений λ при разных температурах, например, при 100С, 250С и т.д. Следовательно, получение достоверных сведений о теплопроводности материалов в различных условиях особенно важно. Это позволяет исключить любые спекуляции в нечестной конкурентной борьбе, основанные на недостоверных домыслах, способных дискредитировать в глазах потребителя новые виды утеплителей. Данная статья посвящена таким материалам на основе вспененных полиуретанов (PUR/PIR), занявшим значительную долю зарубежного и отечественного рынков общестроительной изоляции и изоляции холодильных установок.

1. 1.            Особенности PIR

В сравнении с «классическими» утеплителями, существующими на строительном рынке продолжительное время, PIR является относительно новым и, благодаря некоторым отличительным особенностям химического и физического строения, его можно назвать инновационным продуктом. Наибольший интерес для данного исследования представляют именно особенности физического строения, требующие более подробного рассмотрения.

Структурная организации PIR осложнена тем, что он не является монокомпонентным: в его состав, помимо твердого вещества, входит специальный газ. В процессе вспенивания в присутствии специально подобранного для требуемых условий работы пенообразующего агента и последующего отверждения, создается пористая мелкоячеистая структура, в которой объём герметично замкнутых пор (ячеек) составляет более 96 %, что делает материал объёмным и сверхлегким. В ячейках остается инертный газ, имеющий чрезвычайно низкий коэффициент теплопроводности (менее 0,015 Вт/(м*К).

В настоящее время вспенивающие агенты подразделяют на химические («муравьиная» кислота, вода) и физические (фреоны, пентаны и др. низкокипящие инертные органические вещества). Химические вспениватели реагируют с полимерным компонентом и образуют углекислый газ. В случае физических вспенивателей используется их фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. Применение того или иного типа вспенивающих агентов позволяет корректировать/подбирать физико-механические характеристики готового продукта, поскольку характеристики газа и его стабильность в ячейках PIR напрямую влияют на долговечность утеплителя. Для справки приведём данные о результатах испытаний в НИИМОССТРОЙ [1], подтверждающие стойкость PIR к периодическому воздействию знакопеременных температур от минус 30°С до 50°С и повышенной влажности. По оценке специалистов, срок службы плит утеплителя из жесткого PIR составляет более 50 лет.

1. 2.            Теоретические аспекты теплопроводности PIR при различных температурах

Актуальность исследуемому вопросу добавляет тот факт, что в типовом кровельном «пироге» зона отрицательных температур занимает практически половину его толщины (см. рис 2.1). Поэтому любая ошибка в теплопроводности может существенно исказить весь теплотехнический расчет. 

В ходе исследования особое внимание было обращено на работу [2], опубликованную несколько лет назад на сайте зарубежной ассоциации BSC. Особый интерес общественности вызвал график (Рис. 2.2), якобы свидетельствующий о том, что что при определенных температурах происходит критическое изменение коэффициента теплопроводности (λ) одной из модификаций PIR (на графике выделено коричневым цветом), не характерное для традиционных утеплителей, чья величина теплопроводности имела линейную зависимость. Согласно представленным данным наблюдается резкое увеличение λ PIR-изоляции при температурах ниже 150С до значений, превышающих теплопроводности всех известных утеплителей. Столь необычное поведение теплоизолирующей способности пенополиизоцианурата вызвало интерес и желание разобраться в данном вопросе.

В процессе анализа представленных материалов были выявлены некоторые недостатки работы [2], которые заключаются в простой констатации наблюдаемых экспериментальных данных без каких-либо глубоких научных обоснований. Нехватка сведений о химическом составе используемых полимеров, их характеристик, сырьевого состава и примененных вспенивающих агентах дало широкое поле для собственных трактовок отечественным специалистам в работе [3]. В частности, по их мнению, причина наблюдаемого резкого ухудшения λ кроется в возможной конденсации вспенивающего агента, находящегося в ячейках материала, т.е. переходе его из газообразного состояния в жидкое. А жидкая фаза вспенивающего агента, согласно представленным данным, имеет большую теплопроводность.

Отметим, что можно сколь угодно долго рассуждать о теоретических аспектах поведения неидентифицированного материала, однако наиболее объективную картину можно получить лишь эмпирическим методом с помощью высокоточного оборудования.

1. Независимые практические исследования PIR-изоляции

С точки зрения минимальной достаточности данных, позволяющих судить о температурных метаморфозах теплопроводности PIR в пределах существующих нормальных рабочих условий эксплуатации (-600С; +1100С), полезными являются работы [4], [5], [6], [7]. В них экспериментальным путем доказано, что тенденция к резкому увеличению коэффициента теплопроводности при понижении средней температуры (в частности, ниже 15°С), отсутствует, а результаты ранее опубликованной работы [2] не соответствуют действительности и вызывают некоторые сомнения.

Однако принципиальная позиция авторов данной статьи заключается в установлении целостной картины поведения материала в условиях, превосходящих по сложности нормальную эксплуатацию в строительстве и холодильных установках. Необходимость получения всесторонних и максимально объективных данных о изменениях теплопроводности заставили провести масштабное исследование с использованием сверхвысокоточного оборудования (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Лабораторное измерительное оборудование ВНИИФТРИ

Данное исследование является уникальным и беспрецедентным. С уверенностью можно сказать, что при испытании теплопроводности до некоторых пор не удавалось «заглянуть» за отметку минус 900С – предельный порог для оборудования во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева [5]. Осуществленные эксперименты позволили определить поведение материала при рекордных температурах до минус 1800С. Испытания были проведены в лаборатории №310 НИО-3 сектора эталонов и научных исследований в области измерений теплофизических величин ФГУП ВНИИФТРИ. Три серии из 106 измерений проводились в атмосфере воздуха при комнатной температуре 295 К, и в атмосфере азота в диапазоне температур 80-360 К.

Данные результатов измерений оформлены в отчете [8] и сведены в графики (Рис. 3.2, 3.3). Особый интерес вызывает поведения материала в температурном диапазоне наиболее часто встречающихся отрицательных температур, начинающихся левее вертикальной красной линии. Укрупненный график 3.3 говорит том, что даже наличие потенциальной опасности ухудшения λ из-за конденсации газа, визуально заметное как спрямление и небольшой рост кривой теплопроводности, не означает, что ухудшение теплотехнических характеристик будет неизбежным. В частности, внутри материала контакт теплопроводной жидкой фазы с поверхностью пор, может быть незначительным, в отличие от газа, контактирующего со всей внутренней поверхностью пор. Образовавшийся в порах PIR при конденсации вакуум обладает хорошей компенсаторной функцией, позволяющей не только не допустить роста количества передаваемого тепла, но и способствует его существенному снижению. Как мы видим, данный процесс не выражен ярко, что свидетельствует о качестве и стабильности теплоизоляционного материала во всём исследуемом диапазоне температур.

Представленные данные из лаборатории ВНИИФТРИ практически совпадают с академическим представлением зарубежной лаборатории классических данных (см. рис. 3.4) о поведении газонаполненных полиуретановых материалов при изменении температуры [9].

Практической реализацией данного исследования стали рекомендации по использованию PIR в экстремальных арктических условиях заполярья на нефтегазодобывающем месторождении полуострова Ямал, где был изолирован участок вечной мерзлоты, находящийся непосредственно под факелом утилизации попутного газа, с целью предотвращения разрушения конструкции из-за оттаивания грунта при воздействии тепла от пламени горелки.

Рис 3.5 – Факел утилизации попутного газа с изолированной площадкой грунта.

1. Основные выводы

Подытоживая проделанную экспериментальную работу, можно сделать ряд основных утверждений:

1. Любой современный материал требует глубокого всестороннего изучения. Исследование его поведения, в том числе, в более широком диапазоне температур, чем подразумевает массовое применение, позволяет гарантированно избежать ошибок в проектировании, дискредитации материала в конкурентной борьбе и проблем в эксплуатации.
2. Температурная зависимость теплопроводности PIR носит не гладкий характер, несколько затрудняющий интерпретацию результатов. Однако детальный анализ графиков и сравнение с академическими данными дает хорошее понимание происходящих в материале физических процессов.
3. Наличие перелома графика свидетельствует о конденсации тяжелого газа, находящегося в ячейках-порах материала. Однако увеличение теплопроводности незначительно и больше напоминает стабилизацию значения λ при понижении температуры.
4. Можно утверждать о значительном повышении эффективности PIR в зоне отрицательных температур, в которой ранее не было представления о поведении материала. Об этом свидетельствует снижение коэффициента λ, принимающее характер стремительного падения.
5. Столь стремительное снижение теплопроводности объясняется очень малым пятном контакта образовавшейся в порах жидкой фазы тяжёлого инертного газа с твёрдым веществом стенок. Факторы увеличения за счёт этого доли лёгких молекул в газовой фазе, а также образование вакуума, замещающего газовую фазу вспенивающего агента, не участвуют в передаче тепла. Как оказалось, вакуум надёжно выполняет компенсаторную функцию.
6. Дальнейшее стабильное падение теплопроводности при понижении температуры говорит о герметичности ячеек. Это косвенно может свидетельствовать о чрезвычайно длительном процессе замещения инертного газа в ячейках, сопоставимом со сроком эксплуатации материала, превышающем 50 лет.
7. Что касается работы [2], указанный в ней вид полиизоциануратов является одним из архаичных поколений PIR, имеющих весьма отдаленное отношение к современным его видам. Наиболее вероятно использование устаревших вспенивающих агентов (фторпроизводных углеводородов, а также диоксидуглерода СО2), имеющих гораздо более высокую склонность к возможной конденсации в ячейках полимера при более высоких температурах. Поэтому результаты их испытаний нельзя рассматривать применительно к российским материалам.

Список использованных источников

[1] Заключение  № 174 по результатам работы по теме: «Проведение ускоренных испытаний на стойкость к климатическим воздействиям по методике ОАО «НИИМосстрой» сроком на 50 лет образцов пенополиизоцианурата (PIR)»

[2] Building Science Corporation (BSC) «In Cold climates, R-5 Foam beats R-6». Режим доступа: http://www.greenbuildingadvisor.com/blogs/dept/musings/cold-climates-r-5-foam-beats-r-6.

[3] Воронин А. Анализируй теплопроводность Режим доступа: http://vseokrovle.ru/analizirujj-teploprovodnost.html.

[4] Стукань Е. Исследование теплоизоляционных свойств пенополиизоциануратных (ПИР) сэндвич-панелей при пониженных температурах. Режим доступа: http://www.nappan.ru/upload/images/PIR-value.pdf.

[5] Протокол измерения теплопроводности №2413/02, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, Санкт Петербург, 2017.

[6] Протокол ООО «Сертификационно-исследовательский центр «Теплоизоляция» при МГУ им. М.В. Ломоносова №0109/14-01 от 16.09.14.

[7] Мельников В.С., Ванин С.А., Мельников М.В. Суперпозиция факторов теплопроводности строительных пенополиуретанов и пенополиизоциануратов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (2017).

[8] Протокол испытаний №3/310-234.17, ФГУП «ВНИИФТРИ», Москва, 2017.

[9] Sparks, LL; “Thermal Conductivity of a Polyurethane Foam from 95 K to 340 L”, NBSIR 82-1664, March 1982.

Преимущества использования PIR-теплоизоляции с теплоотражающим покрытием

/ 09.07.2018

Большинство застройщиков заинтересованы в повышении энергоэффективности загородного дома. Помимо уменьшения расходов на энергоносители, слой утеплителя повышает комфортность проживания в коттедже. Т.к. современный строительный рынок предлагает массу теплоизоляционных материалов, покупатели хотят выбрать наиболее эффективный продукт. Такая теплоизоляция должна иметь низкий коэффициент теплопроводности, долгий срок службы, устойчивость к влаге и отражать тепловой поток внутрь помещения. Это позволяет сократить теплопотери и, тем самым, увеличить теплоэффективность ограждающей конструкции.

Поэтому в рамках данной статьи мы ответим на следующие вопросы:

• Почему PIR-теплоизоляция это — энергоэффективный утеплитель.

• Как фольгированный слой, за счет отражения, дополнительно сохраняет тепло.

• Как рассчитать экономическую выгоду утепления PIR-теплоизоляцией.

С каждым годом увеличивается стоимость энергоносителей и не всем доступен магистральный газ. В связи с этим перед любым владельцем загородного дома возникает вопрос, как сократить затраты на отопление. Одним из вариантов может стать строительство энергоэффективного дома, где все потери тепла сведены к минимуму.

Это тем более актуально, т.к. в соответствии с приказом Минстроя России от 17.11.2017 №1550 «Об утверждении Требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений», в РФ взят курс на последовательное уменьшение удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию. Из приказа следует, что одним из методов снижения энергопотребления, т.е. сохранения энергии, является применение эффективной теплоизоляции.

Но, помимо самого слоя теплоизоляции, при утеплении стен изнутри, например, каркасных домов, лоджий, балконов, а также бань и саун, не следует забывать о роли в общем теплосопротивлении конструкции лучистого теплообмена.

Антон Борисов Специалист компании ТЕХНОНИКОЛЬ

Согласно классической теории теплопередачи, одной из её составляющих, наряду с теплопроводностью и конвекцией, является тепловое излучение (также называемое лучеиспускание, радиация, инфракрасные лучи и т.д.). Этот способ представляет собой теплоперенос в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тел, поглощающих лучистую теплоту. Т.е. часть тепла, которое стремится вырваться наружу, отражается блестящими, фольгированными поверхностями и остается внутри помещений.

Ограничение передачи лучистой энергии является существенным резервом повышения тепловой защиты строительных ограждающих конструкций.

О важности учета этой составляющей говорится в ГОСТ Р 56734-2015 «Национальный стандарт Российской Федерации. Здания и сооружения. Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией».

Важно: Настоящий стандарт устанавливает методы расчета сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций помещений жилых, общественных, административных, бытовых, сельскохозяйственных, производственных зданий и сооружений с отражательной теплоизоляцией (а также замкнутой воздушной прослойки), применение которой позволяет повысить их тепловую защиту.

Прежде чем разобраться в экономической целесообразности использования PIR-теплоизоляции с отражающей поверхностью, нужно понять, что это за материал.

belka605 Участник FORUMHOUSE

В интернете я увидел PIR-утеплитель на основе жесткого полиуретана — полиизоцианурата. Снаружи плит с двух сторон есть обкладка из фольги. Характеристики материала по теплопроводности лучше, чем у ППС и ЭППС. При воздействии огня утеплитель не горит, а обугливается его внешний слой и, тем самым, появляется защитный слой, препятствующий горению внутренних слоёв полимера. Так ли это на самом деле, и вообще, что это за материал, и для чего нужна фольга?

Антон Борисов

PIR-утеплитель — это современный теплоизоляционный материал, обладающий одним из самых низких коэффициентов теплопроводности λ= 0,021 (Вт/м∙К*). Материал практически не впитывает влагу, не гниёт, не подвержен биопоражениям и сохраняет свои теплоизоляционные свойства на протяжении всего срока службы – более 50 лет. Одним из достоинств PIR является то, что его можно отнести к классу отражательной теплоизоляции.

*Теплопроводность, измеренная в течение 24 часов с момента выпуска продукции

Эффективность PIR-теплоизоляции выражается в экономии внутреннего пространства за счет применения меньшей толщины теплоизоляционного материала (ТИМ). Так, разница в требуемых толщинах тепловой изоляции из разных материалов будет напрямую зависеть от коэффициентов теплопроводности. Т.е., чтобы хорошо утеплить балкон, потребуется меньший слой утеплителя, а это прямая экономическая выгода, за счет сохранения внутренней полезной площади.

Утепляя PIRом среднестатистический балкон, можно получить выигрыш в пространстве более 0,5 кв. м.

Еще одно отличие PIR — технологическое покрытие с обеих сторон специальной алюминиевой паро/гидронепроницаемой фольгой, обладающей низким коэффициентом излучения поверхности (менее 0,5 Вт/м²К⁴). По сравнению с большинством представленных на рынке заменителей фольги, выполненных из лавсана с нанесением металлического напыления, важным преимуществом полноценной алюминиевой фольги является низкая относительная степень черноты в инфракрасной области (коэффициент отражения 95-98%). Так как фактор эмиссивности материала, т.е. поглощения лучей, чрезвычайно мал, в строительных конструкциях, утепленных PIR, происходит существенное ограничение лучистой составляющей теплопереноса.

Такие конструкции обладают «тепловым эффектом термоса», приводящим к снижению теплопотерь и значительной экономии энергоресурсов. Еще одним достоинством материала являются наличие замковых соединений в виде L-кромок, что повышает герметичность стыкования плит и возможность использования внутреннего фольгированного слоя утеплителя как надежного пароизоляционного слоя.

Антон Борисов

Наибольшего эффекта от отражательной изоляции можно добиться в тех областях строительства, где есть внутреннее лучистое тепло, которое можно вернуть обратно в утепленное помещение. При этом важным условием является наличие воздушного зазора между утеплителем и внутренней отделкой.

Ключевой показатель повышения эффективности изоляции с фольгированием – повышение термического сопротивления воздушной прослойки, находящейся снаружи от фольгированного утеплителя.

Чтобы разобраться в нюансах расчета термического сопротивления стены, имеющей воздушную прослойку и теплоотражающий слой PIR нужно понять, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла:

• теплопроводность;
• конвекцию;
• излучение.

Теплопроводность — теплофизическая характеристика материала — т.е. свойство передавать теплоту за счет непосредственного соприкосновения между частицами материала и численно равная плотности теплового потока через поверхность, перпендикулярную тепловому потоку в материале при градиенте температуры 1 Вт/°C.

Конвекция — перенос теплоты движущимися частицами жидкости или газа, обусловленный разностью температур и разной плотностью среды.

Излучение — перенос энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями, обусловленный температурой и оптическими свойствами поверхностей, излучающих тел.

За основу для расчета принимаем конструкцию балкона, утепленного PIR-теплоизоляцией изнутри.

  Итого, чтобы вычислить термическое сопротивление строительной конструкции, включающей в состав отражательную изоляцию, следует найти теплосопротивление каждого слоя, включая термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки с фольгированным утеплителем.

Антон Борисов

Таким образом, на основе последовательного теплотехнического расчёта многослойной стены с учётом последовательного отражения и поглощения лучистого потока, можно вычислить фактическое термическое сопротивление воздушных прослоек, с одной стороны которых расположена фольгированная теплоизоляция.

Теплотехнический расчет воздушной прослойки определенной толщины следует проводить с учетом многократного отражения и поглощения тепловой энергии.

Данные расчетов и величины теплосопротивления приведены в таблице ниже.

Вывод: наличие замкнутой воздушной прослойки, ограниченной с внутренней стороны фольгированным утеплителем, позволяет повысить термическое сопротивление всей конструкции стены.

https://www.forumhouse.ru/articles/house/8213

Что такое теплопроводность? Как это измеряется? – TAL

Автор: Джон Клиффорд, стажер-химик

Что такое теплопроводность?

Рисунок 1: Теплопередача за счет теплопроводности плоской стенки, показывающая важность теплопроводности в теплопередаче

Теплопроводность — это свойство, описывающее способность материала проводить тепло. Он часто обозначается как k и имеет единицы СИ W/m·K (Ватт на метр по Кельвину). Теплопроводность является ключевым параметром при измерении кондуктивной теплопередачи.

Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Весь теплообмен происходит, когда между двумя областями существует разница температур; проводимость отличается тем, что теплота «проходит через тело самого вещества» [1]. Внутри твердых тел конвекция отсутствует, а излучение обычно незначительно, а это означает, что проводимость чрезвычайно важна для описания теплового поведения.

Поскольку проводимость происходит через вещество, она может происходить либо внутри объекта, либо через два контактирующих материала. Определяющая формула кондуктивной теплопередачи описывается законом теплопроводности Фурье:

q = -k ∇T

Где q — тепловой поток (Вт/м ² ), ∇T — градиент температуры (К/м), k — тепловой поток. проводимость [2]. Это математически демонстрирует, что теплопередача линейно пропорциональна градиенту температуры, а теплопроводность материала представляет собой константу пропорциональности. Это означает, что он может иметь большое влияние на скорость теплопередачи.

Поскольку теплопроводность является физическим свойством, она будет меняться в зависимости от типа, структуры и состояния материала. Точно так же это также функция температуры, которую важно учитывать в приложениях, где температура может сильно варьироваться, например, в электронном управлении температурой [3]. Точно так же обратной величиной теплопроводности является тепловое удельное сопротивление, которое является внутренним свойством, указывающим на эффективность материала в качестве изолятора [1].

Электропроводность твердых тел может сильно различаться. Например, металлы обычно очень теплопроводны из-за делокализованного движения электронов в металлической связи. Это способствует более быстрому нагреву металлов, чем другие материалы, такие как пластик или стекло.

Рис. 2. Медные листы, металл с высокой теплопроводностью, часто используемый в промышленности

Однако все твердые тела, включая металлы, проводят тепло за счет вибрации между соседними атомами. Некоторые твердые материалы, такие как пенополистирол, имеют низкую  k и действуют как изоляторы. Частично это связано с низким значением k для воздуха, содержащегося в пустотах этих материалов [4]. Для получения дополнительной информации о теории теплопроводности см. видео ниже:

Одним из примеров важности теплопроводности является область полимерных композитов и добавок. Полимеры все чаще используются в радиаторах от электроники до биомедицинских устройств и автомобильных деталей.

Рис. 3. Термопаста, теплопроводящий материал, изготовленный с использованием проводящих добавок для эффективного отвода тепла

Однако для того, чтобы заменить металлы и керамику в этих термочувствительных устройствах, теплопроводность должна быть улучшена. Это достигается за счет использования добавок, повышающих проводимость, таких как медь, серебро, углеродные нанотрубки и графен. Затем эти композиты можно использовать для управления температурным режимом, поскольку повышенная проводимость будет более эффективно отводить тепло от чувствительных материалов. Однако проблемы с распределением наполнителя в полимерной матрице могут изменить ее термические свойства. Следовательно, необходимо протестировать и количественно оценить тепловые характеристики, чтобы убедиться, что композит функционирует так, как задумано [5].

Как это измеряется?

Рис. 4. Датчик C-Therm с модифицированным плоскостным источником переходных процессов (MTPS) — быстрый и точный способ измерения теплопроводности время от 1 до 3 секунд. Теплопроводность и эффузивность измеряются напрямую и работают в диапазоне от -50 до 200°C. Он соответствует ASTM D7984 и рекомендуется для твердых тел, жидкостей, порошков и паст [6]. Это широко используется из-за быстрого времени тестирования и простоты подготовки образцов.

Рис. 5. Датчик плоскостного источника переходного процесса (TPS), двусторонний датчик для более опытных пользователей

Датчик плоского источника переходного процесса представляет собой двусторонний датчик горячего диска. Он может одновременно определять теплопроводность, температуропроводность и рассчитывать удельную теплоемкость по одному измерению. Он работает при температуре от -50 до 300°C, соответствует стандарту ISO 22007-2 и рекомендуется для твердых веществ [6].

Рис. 6. Датчик линейного источника переходных процессов (TLS), рекомендуется для расплавов полимеров и геологических применений

Наконец, в методе переходного линейного источника используется датчик типа игольчатого зонда, который полностью погружается в материал, нагревая его в радиальном направлении. Это измерение обычно занимает от 2 до 10 минут и лучше всего подходит для таких вещей, как расплавы полимеров, почва, гравий или вязкие жидкости. Соответствует ASTM D5334, D5930 и IEEE 442-1981 [6].

Дополнительная информация:

Дополнительная информация об испытаниях на теплопроводность

Услуги по проведению испытаний по контракту

______________________________________________________________________

Ссылки:

[1] Карслоу, Х.С. и Джагер, Дж. К. (1959). Теплопроводность в твердых телах . Оксфорд. https://books.google.ca/books/about/Conduction_of_Heat_in_Solids.html?id=y20sAAAAYAAJ&redir_esc=y

[2] Бергман, Т.Л. и Лавин, А.С. (2017). Основы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья. https://www.wiley.com/en-us/Fundamentals+of+Heat+and+Mass+Transfer%2C+8th+Edition-p-9781119353881

[3] C-Therm Technologies. (2022). Терморегулирование в электромобилях . https://ctherm. com/resources/tech-library/thermal-management-in-electric-vehicles/

[4] Geankoplis, CJ, Hersel, AA, & Lepek, DH (2018). Принципы процессов транспортировки и разделения . Пирсон Образование. https://www.pearson.com/store/p/transport-processes-and-separation-process-principles/P100002515416/9780137459377

[5] C-Therm Technologies. (2022). Проводящие полимеры . Ctherm.com. https://ctherm.com/applications/polymers/

[6] C-Therm Technologies. (2022). Специальный отчет: Выбор метода определения теплопроводности . https://ctherm.com/methodreviewwp/ 

Анализ теплопроводности

Термография с инфракрасной камерой VarioCAM® HD research 800

Новые материалы с точно контролируемыми оптическими и тепловыми транспортными характеристиками могут значительно увеличить ресурс -сохранение теплового управления. Ученые из Байройтского университета следуют этому видению. Они используют инфракрасную термографию для количественного определения теплопроводности нано- и мезоструктурированных полимерных материалов.

Загрузить тематическое исследование

Теплопроводность и тепловое излучение являются важными транспортными механизмами, которые играют ключевую роль в различных приложениях, от самых маленьких микрочипов до целых зданий. Для их контроля требуется сложная конструкция материала, которая достигает нанометрового диапазона. Профессор Маркус Реч и его команда с кафедры физической химии 1 Университета Байройта работают над разработкой и характеристикой таких инновационных материалов. Современные системы охлаждения и кондиционирования воздуха по-прежнему требуют внешнего источника энергии. Но технология охлаждения будущего должна работать без дополнительной энергии. Для этого необходимы материалы, избирательно излучающие тепло. Это может иметь место, например, в ясную погоду, когда излучение происходит в очень холодное космическое пространство через так называемое «небесное окно» в длинноволновом спектральном диапазоне 8…13 мкм, в котором атмосфера прозрачна. «Этот процесс называется пассивным охлаждением, — объясняет профессор Ретч, — и требует материалов, излучающих тепло посредством теплового излучения в определенном спектральном диапазоне. В то же время как можно меньше солнечной энергии должно поглощаться солнцем, например, улучшение отражающих или рассеивающих свойств материала».

Тонкие образцы, активно возбуждаемые лазером

На пути к таким материалам с пассивным охлаждением важно понимать процесс теплопроводности. Для этого группа профессора Ретча работает с отдельно стоящими образцами, например, тонкой полимерной фольги, 3D-печати и волокнистых матов с толщиной пленки всего в несколько сотен микрометров. Эти образцы исследуются с целью определения их температуропроводности, зависящей от направления. По этому значению и с учетом удельной теплоемкости и плотности образца рассчитывается соответствующая теплопроводность.

В рамках анализа объекты измерения возбуждаются лазером с модулированной интенсивностью. В зависимости от характеристик образца тепловой поток распространяется в материал по-разному (см. рис. 1). Ученые активно контролируют все измерения с помощью программного обеспечения для термографии IRBIS® 3. Используемая ими инфракрасная камера, VarioCAM® HD research 800 от InfraTec, обнаруживает испускаемое инфракрасное излучение, интенсивность которого зависит от частоты синхронной модуляции.

Рис. 1 Изотропные отдельно стоящие пленки были измерены при различных частотах возбуждения. Распределение температуры вокруг источника возбуждения зависит от частоты возбуждения. Он распространяется по-разному далеко в материал. В качестве источника теплового возбуждения использовался модулированный лазер, который точечно фокусировался на образце в центре изображения.

Для анализа требуется инфракрасная камера с высоким пространственным и тепловым разрешением

Основной интерес для исследований представляет зависящее от положения изменение фазы и амплитуды излучаемой тепловой волны. «В нашем случае для метода синхронной термографии требуется достаточно большой формат детектора, чтобы измерять в зависимости от положения такие маленькие объекты. Только тогда мы сможем точно регистрировать тепловую волну», — говорит профессор Маркус Реч. Поэтому он сочетает формат детектора VarioCAM® HD research 800 (1024 × 768) ИК-пикселей с дополнительным объективом для макросъемки с увеличением 0,5x для 30-мм объектива.

Рис. 2 Материалы, такие как каптоновая фольга, имеют анизотропную температуропроводность. Пунктирная линия представляет собой подходящий эллипс. Образец A2 повернут на 90° относительно образца A. Анизотропия сохраняется и не является артефактом измерения.

Рис. 3 Амплитудная картина (слева) и фазовая картина (справа) показывают распределение температуры на поверхности каптоновой фольги. Фольга периодически нагревается с обратной стороны линейным лазером. Амплитуда и фаза были рассчитаны с помощью программного обеспечения для термографии IRBIS® 3 active от InfraTec. Программное обеспечение собственной разработки для анализа автоматически находит линейный лазер (белая линия) и преобразует данные 2D-изображения в 1D-профиль, перпендикулярный лазерной линии.

Рис. 4 Линеаризованные пиксели амплитуды (слева) и пиксели фазы (справа) изображены как функция расстояния от лазерной линии. По наклону в линейном диапазоне ученые, работающие с профессором Маркусом Речем, определяют температуропроводность образцов.

Помимо пространственного разрешения большую роль играет тепловое разрешение. В зависимости от материала могут происходить зависящие от температуры фазовые переходы, которые отрицательно влияют на измерение. Таких ошибок можно избежать путем измерения с малыми тепловыми возбуждениями. Но для этого требуется температурное разрешение менее 100 мК.

Инфракрасная термография без альтернативы как метод исследования

Как правило, система термографии является частью индивидуально сконфигурированной измерительной среды. Группа профессора Ретча использует вакуумную камеру собственной разработки, которая обеспечивает оптический ввод лазера. Напротив прозрачного для лазера порта установлено ИК-прозрачное окно для измерения образца инфракрасной камерой. В этом случае метод фиксированной термографии можно легко комбинировать с инфракрасной камерой на основе технологии микроболометра. Поскольку камера представляет собой портативную универсальную модель, перед профессором Маркусом Речем и его командой открываются дополнительные возможности применения для решения других задач.

В настоящее время нано- и мезоструктурированные полимерные системы находятся в центре внимания различных исследовательских проектов. Кроме того, профессор Реч стремится расширить развивающуюся область исследований в области управления температурным режимом в наномасштабе и придать новый импульс инновационным технологиям охлаждения. «Благодаря гибкой измерительной среде мы можем количественно определять теплопроводность в различных направлениях отдельно стоящих тонких пленок. Эта дополнительная информация важна для полного понимания теплопереноса в анизотропных образцах. Только таким образом мы можем надежно разработать и усовершенствовать новые материалы для использования, например, в устройствах пассивного охлаждения». В частности, теплопроводность таких образцов вряд ли можно оценить каким-либо другим методом.