Echipament utilizat:
HFM 446 Lambda Eco-Line / Lambda Medium
Domeniu de aplicare: Materiale termoizolante
Materialele termoizolante consacrate, precum vata minerală sau spumele polimerice, sunt fabricate, de regulă, în grosimi de câțiva centimetri pentru a asigura valoarea U necesară izolării termice a clădirilor.
Un echipament potrivit pentru determinarea conductivității termice (λ) a acestor materiale este HFM 446 Lambda Medium (Figura 1). Totuși, materialele izolatoare sunt utilizate și în alte aplicații, unde grosimea acestora este mult mai redusă. Un exemplu îl reprezintă sistemele de izolare termică și fonică pentru pardoseli, unde grosimea materialului este adesea de numai câțiva milimetri.
Măsurătorile prezentate în continuare demonstrează modul în care astfel de materiale subțiri pot fi caracterizate cu succes utilizând sistemul HFM 446 Lambda Medium.
Metoda de măsurare
În metoda Heat Flow Meter (HFM) se creează un gradient de temperatură între două plăci între care este poziționată proba analizată.
Cu ajutorul a doi senzori de înaltă precizie integrați în plăci se măsoară fluxul de căldură care intră și iese din probă. După atingerea echilibrului termic și stabilizarea fluxului de căldură, conductivitatea termică poate fi calculată pe baza ecuației lui Fourier, cunoscând suprafața de măsurare și grosimea probei.
Relațiile utilizate sunt:
- λ – Conductivitate termică [W/(m·K)]
- d – Grosimea probei [mm]
- R = d/λ – Rezistență termică [(m²·K)/W]
- U = 1/R – Coeficient de transfer termic [W/(m²·K)]
Condițiile de măsurare
În cadrul studiului a fost analizată o placă termoizolantă din fibre naturale cu grosimea de 4 mm.
Rezistența termică a unor probe atât de subțiri (R = d/λ) reprezintă o provocare pentru măsurare. Conform standardului DIN EN 12667, probele cu o rezistență termică mai mică de aproximativ 0,5 m²·K/W nu pot fi măsurate prin metoda standard HFM, deoarece rezistența de contact dintre plăcile aparatului și probă nu mai poate fi neglijată și influențează rezultatele.
Pentru depășirea acestei limitări au fost evaluate două metode:
- suprapunerea mai multor straturi ale aceluiași material (conform DIN EN 12667);
- măsurarea unei singure probe utilizând un kit de instrumentare cu termocupluri externe și straturi intermediare (conform DIN EN 12664), destinat probelor cu rezistență termică sub 0,5 m²·K/W.
Toate măsurătorile au fost efectuate la o temperatură medie a probei de 25°C, cu o diferență de temperatură între plăci de 20 K și o presiune aplicată de aproximativ 2 kPa.
Rezultatele măsurătorilor pentru probele suprapuse (placă izolatoare din fibre naturale, grosime 4 mm)
| Număr straturi | Grosime [mm] | Conductivitate termică λ [W/(m·K)] | Rezistență termică [(m²·K)/W] |
|---|---|---|---|
| 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 |
Toate rezultatele au o incertitudine de ±3%
Figura 3 confirmă fiabilitatea metodei bazate pe suprapunerea probelor. Rezistența termică crește liniar odată cu grosimea, iar linia de regresie prezintă un coeficient R² = 0,99972. Panta acestei drepte permite determinarea conductivității termice a materialului, rezultând λ = 0,04855 W/(m·K), valoare aflată în foarte bun acord cu rezultatele obținute pentru probele cu grosimi mai mari de aproximativ 20 mm.
Kit de instrumentare (Instrumentation Kit)
Pentru materialele cu rezistență termică redusă poate fi utilizat și kitul de instrumentare, alcătuit din termocupluri externe și straturi intermediare.
Prin măsurarea directă a temperaturii la suprafața probei se elimină influența rezistenței de contact. Pentru materialele rigide, această metodă oferă rezultate foarte bune.
În cazul plăcii izolatoare din fibre naturale analizate, materialul este flexibil, iar termocuplurile externe pot pătrunde ușor în suprafața probei. Ca urmare, distanța dintre termocupluri, utilizată drept grosime de calcul, nu mai corespunde grosimii reale a materialului. Deoarece proba are doar 4 mm grosime, chiar și o pătrundere redusă poate produce erori importante în calculul conductivității termice.
Tabelul 2 prezintă rezultatele măsurătorilor efectuate cu kitul de instrumentare. Valorile obținute pentru un singur strat sunt cu aproximativ 10% mai mari decât cele determinate prin metoda suprapunerii probelor. Această diferență este atribuită unei erori de aproximativ 200 μm pe fiecare față a probei, cauzată de pătrunderea termocuplurilor în material.
După corectarea grosimii efective (grosimea nominală minus 2 × 200 μm), valorile conductivității termice sunt în foarte bună concordanță cu cele obținute prin metoda suprapunerii straturilor
Rezultatele măsurătorilor cu kitul de instrumentare
| Număr straturi | Grosime [mm] | Conductivitate termică λ [W/(m·K)] | Grosime corectată [mm] | Conductivitate termică (grosime corectată) [W/(m·K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4,0 | 0,05281 | 3,6 | 0,04753 |
| 2 | 8,0 | 0,05071 | 7,6 | 0,04817 |
Concluzii
Conductivitatea termică a materialelor termoizolante subțiri și flexibile poate fi determinată cu precizie utilizând sistemul HFM 446 Lambda Medium, prin suprapunerea mai multor straturi până la atingerea unei grosimi suficiente.
În cazul utilizării kitului cu termocupluri externe pentru materiale flexibile, pătrunderea senzorilor în suprafața probei poate conduce la supraestimarea conductivității termice. După corectarea grosimii efective, rezultatele sunt comparabile cu cele obținute prin metoda suprapunerii straturilor.