Wärmeleitfähigkeit an Dämmstoffen mittels Wärmestrommessung
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TE WHI R PAPE Wärmeleitfähigkeit an Dämmstoffen mittels Wärmestrommessung (HFM) Dr. Gabriele Kaiser 1 NETZSCH-Wärmestrommessgerät HFM 436 Lambda – geschlossen 2 Einleitung Eine zentrale Größe zur Charakterisierung der Eigenschaften von Wärmedämmstoffen ist die Wärmeleitfähigkeit (λ). Sie beschreibt den Transport von Energie – in Form von Wärme – durch einen Körper aufgrund eines NETZSCH-Wärmestrommessgerät HFM 436 Lambda – offen (mit eingelgeter Probe) Temperaturgradienten. Aus der Wärmeleitfähigkeit lassen sich die bauphysikalisch wichtigen Parameter Wärmedurchlasskoeffizient (Λ), Wärmedurchlasswiderstand (R) (im angloamerikanischen Sprachgebrauch als R-Value bezeichnet), Wärmedurchgangswiderstand (RT) sowie U-Wert mühelos ableiten. Für flächige Materialien mit ebenen Oberflächen errechnet sich der Wärmedurchlasskoeffizient (Λ) aus dem Quotienten von Wärmeleitfähigkeit (λ) und Materialdicke (d): Λ = λ/d Sein Kehrwert ist der Wärmedurchlasswiderstand: R = 1/Λ = d/λ Ergänzt man den Wärmedurchlasswiderstand mit den Wärmeübergangswiderständen außen (RSe) und innen (RSi) zu den angrenzenden Luftschichten, erhält man den Wärmedurchgangswiderstand: RT = RSi + R + RSe Dessen Reziprokwert wiederum ist der U-Wert, auch Wärmedurchgangskoeffizient genannt: U = 1/RT Die Wärmeleitfähigkeit selbst wird in der Qualitätssicherung häufig in Form des statistischen Mittelwerts λ90/90 verwendet, der als Basis zur Berechnung des Nennwerts λD dient: λ90,90 = λMittel + k · sλλ90,90: gibt den Wert an, bei dem 90 % der getesteten Proben innerhalb eines Vertrauensbereichs von 90 % liegen λMittel: Mittelwert der Wärmeleitfähigkeit aus n Messungen sλ: Standardabweichung aus n Messungen k: Vertrauensfaktor, tabelliert, abhängig von der Datenanzahl 1 |4 NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstraße 42 ∙ 95100 Selb Tel.: +49 9287/881-0 ∙ Fax: +49 9287/881505 [email protected] ∙ www.netzsch.com Wärmeleitfähigkeit an Dämmstoffen mittels Wärmestrommessung (HFM) Handelt es sich bei den Dämmstoffen um komprimierbare Platten oder Matten aus Vliesen, Fasern oder Wolle bzw. um Schäume, spielt zusätzlich deren Dichte eine große Rolle. Die Wärmeleitfähigkeit ist als Stoffgröße zwar dickenunabhängig, das gilt jedoch nur, solange sich die Anteile der beteiligten Wärmeübertragungsmechanismen im Material nicht ändern. Kommt es dagegen bei einer Verdichtung z.B. zu einer Abnahme der Wärmeübertragung durch Strahlung in den Hohlräumen zwischen den Fasern und zu einer Zunahme der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung über die Fasern, kann sich dies stark auf die effektive Wärmeleitfähigkeit des Fasermaterials auswirken. Abbildung 3 illustriert den beschriebenen Zusammenhang zwischen Dichte und Wärmeleitfähigkeit am Beispiel eines Glasfaserdämmstoffes. Hier sinkt bei Erhöhung des Anpressdrucks von ca.10 kg/m3 auf ca. 50 kg/m3 die Wärmeleitfähigkeit um mehr als 30 %. 3 Das heißt: Nur mittels einer wirksamen Kontrolle der Dicke und damit auch der Dichte komprimierbarer Dämmstoffe sind exakte Angaben über die Wärmeleitfähigkeit von Dämmschichten möglich lassen sich Fasermaterialien unterschiedlicher Chargen oder unterschiedlicher Natur unter identischen Bedingungen miteinander vergleichen Die Ergebnisse solcher Untersuchungen können Herstellern wichtige Informationen liefern, um Aufbau/Struktur, Leistungsfähigkeit und Kosten eines Dämmstoffes – z.B. durch einen geringeren Materialeinsatz – zu optimieren. Veränderung der Wärmeleitfähigkeit einer Glasfaser-Matte bei zunehmender Komprimierung (blau) infolge eines steigenden Anpressdrucks; innerhalb der ersten 3 Messpunkte konnte die Probe komprimiert werden, ohne den Druck zu erhöhen (0,03 kPa). Die Messung erfolgte bei 25°C mit einem ∆T von 20 K; das Gerät wurde vorher mit einem NIST 1450d-Standard mit einer Dicke von 25 mm kalibriert 2 |4 NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstraße 42 ∙ 95100 Selb Tel +49 9287/881-0 ∙ Fax: +49 9287/881505 [email protected] ∙ www.netzsch.com Wärmeleitfähigkeit an Dämmstoffen mittels Wärmestrommessung (HFM) NETZSCH-HFM – ideal zur Untersuchung von Dämmstoffen Erste Wahl zur einfachen und schnellen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten von Dämmstoffen sind Wärmeflussmessgeräte. Darunter sind Plattengeräte zu verstehen, bei denen sich eine ebene, meist quadratische Probe zwischen einer heißen und einer kalten Platte befindet. Gemessen wird der stationäre Wärmefluss durch das Probenmaterial (siehe Abb. 4) mittels in die Platten eingebetteter Wärmestromsensoren. Das robuste NETZSCH Wärmefluss-Messgerät HFM 436 Lambda arbeitet auf der Basis relevanter Industrienormen wie ASTM C518, ISO 8301, JIS A1412 oder DIN EN 12667 und eignet sich sowohl für den industriellen Einsatz als auch für Forschungszwecke. Das HFM lässt sich wahlweise als Stand-Alone-System oder mit einem extern angeschlossenen Rechner betreiben. Im Fall der StandAlone-Anwendung können Parameter wie z.B. die Messtemperaturen oder die Temperaturunterschiede zwischen den Platten (∆T) über eine integrierte Tastatur eingegeben werden; als Ausgabemedium für die Ergebnisse dient ein eingebauter Drucker. zwischen 0 °C und 100 °C (Plattentemperatur) kein zusätzlicher Thermostat erforderlich. Um auch die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit erfassen zu können, lassen sich pro Messung bis zu 10 verschiedene Messtemperaturen definieren. Die Durchführung einer Messung ist sehr einfach: Klappe öffnen – Probe einlegen – Anpresskraft auswählen – obere Platte des HFM mit der Probenoberfläche in Kontakt bringen – Klappe schließen – Messung starten. Durch die vorwählbare Anpresskraft werden Faserdämmstoffe oder Schäume nur so weit komprimiert wie es der Nutzer wünscht. Die sich daraus ergebende Dicke der Probe wird automatisch bestimmt und dokumentiert. Kann die Anpresskraft von der vorhergehenden Untersuchung übernommen werden, ist vor dem Start eines Tests keine erneute Auswahl nötig. Das installierte Aktuator-System sorgt für ein gleichmäßiges Aufbringen des Anpressrucks von maximal 21 kPa auf die gesamte Probenoberfläche, womit selbst bei harten, massiven Proben ein guter Kontakt zwischen Probenoberfläche und heißer Platte sichergestellt werden kann. Zwei voneinander unabhängige Kraftmesszellen übernehmen die Druckmessung und -regelung. Die Temperierung der heißen und kalten Platte erfolgt durch Peltier-Elemente. Dadurch ist im Temperaturbereich 4 Schematischer Aufbau des NETZSCH HFM 436 (HFM: heat flow meter) mit patentierter Regelung der Plattentemperatur (US-Patent Nr. 5.940.784), Dual-Sensor-Anordnung, integrierter Dickenmessung und einstellbarer Anpresskraft für die obere Platte 3 |4 NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstraße 42 ∙ 95100 Selb Tel +49 9287/881-0 ∙ Fax: +49 9287/881505 [email protected] ∙ www.netzsch.com Wärmeleitfähigkeit an Dämmstoffen mittels Wärmestrommessung (HFM) Die Prüfung ist beendet, sobald die ermittelten Wärmeleitfähigkeitswerte das vorgegebene Stabilitätskriterium erfüllen − oft ist das in weniger als 15 bis 20 Minuten der Fall. Beste Voraussetzungen für einen hohen Probendurchsatz z.B. im Rahmen einer produktionsbegleitenden Qualitätssicherung. Für die Untersuchung von Baustoffen mit höheren Wärmeleitfähigkeiten wie Beton kann der Messbereich des Systems von 1 W/(mK) auf bis ca. 2 W/(mK) erweitert werden. Management der Kalibrier- und Messdaten. Die Software überzeugt durch eine klare Struktur und eine intuitiv zu bedienende Oberfläche. Selbst Anwender ohne Vorkenntnisse sind innerhalb kürzester Zeit in der Lage, Messungen zu definieren und Ergebnisprotokolle zu erstellen. Messparameter wie z.B. die Plattentemperaturen oder der Temperaturunterschied zwischen den Platten (∆T) können − aufgrund ihrer grafischen Darstellung in eigenen Fenstern − mit einem Blick überwacht werden. Die Q-LabSoftware steht in den Sprachen Deutsch und Englisch zur Verfügung. Im Betrieb mit einem externen Computer (Betriebssystem Windows®) übernimmt die Q-Lab-Software das NGB · White Paper – NETZSCH HFM 436 Lambda · D· 10/14 · Technische Änderungen vorbehalten. Technische Daten der HFM 436 Lambda Typische Probengrößen /mm³ 305 x 305 x 100 bzw. 610 x 610 x 200 Messbarer Wärmeleitfähigkeitsbereich 0,002 bis 1,0/2,0 W/(mK) Messbarer Bereich des thermischen Widerstands 0,05/0,1 bis 8,0 m2K/W Reproduzierbarkeit 0,25 % Genauigkeit ± 1 bis 3 % (abhängig vom benutzten Standard) variabler Anpressdruck bis 21 kPa Die Autorin Dr. Gabriele Kaiser hat in Erlangen Chemie studiert und begann nach Abschluss ihrer Promotion in physikalischer Chemie im September 1991 ihre Tätigkeit bei NETZSCH-Gerätebau. Als Leiterin der Schulungsabteilung war sie zuständig für die applikationstechnische Schulung und Beratung von Kunden, Vertriebspartnern und Mitarbeitern. 2008 übernahm sie die Leitung des Applikationslabor in Selb. Seit 1. Februar 2012 ist sie verantwortlich für Technische und Wissenschaftliche Kommunikation. 4 |4 NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstraße 42 ∙ 95100 Selb Tel.: +49 9287/881-0 ∙ Fax: +49 9287/881505 [email protected] ∙ www.netzsch.com
