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Messung der Wärmeleitfähigkeit

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit über die Temperaturdifferenz ist ein schwieriges Unterfangen, da auch die Messung über die Resistenz nicht linear zur Temperaturdifferenz ist. Leitfähigkeit und Resistenz berücksichtigen nicht das Speichervermögen. Verschiedene Stoffe können nur miteinander verglichen werden, wenn die Probekörper dieselbe Dicke aufweisen. Je dicker die Probe, und je kleiner die Leitfähigkeit, desto höher die Temperaturamplitudendämpfung.

Isolierung von Gebäuden

Um Oberflächentemperaturschwankungen auf der Außenseite eines Wohngebäudes zum Innenraum hin zu dämpfen, ist Material erforderlich, welches ein hohes Wärmespeichervermögen aufweist. Ein günstiger U- Wert allein berücksichtigt nicht die spezifische Wärmekapazität eines Materials. Wird der Cp und die Masse des Materials berücksichtigt, kommt die Bauphysik zu abweichenden Ergebnissen, als nach der Auswahl nach dem U-Wert.

Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit

Alle Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit basieren darauf, dass innerhalb der Probe ein Temperaturgefälle erzeugt wird und die Probe damit wärmedämmend wirkt (lamda kleiner gleich 1 W/mK). Das ist der Grund dafür, dass diese Verfahren erfolgreich auf Dämmstoffe angewendet werden. Bei höheren Wärmeleitfähigkeiten ist die Dicke entsprechend anzupassen oder man weicht auf die Messung der Temperaturleitfähigkeit mit Laser Flash aus.

Üblicherweise wird eine Seite der Probe mit einer Heizplatte erhitzt. Sobald sich ein Temperaturgradient eingestellt hat, wird auf der gegenüberliegenden Seite die Temperatur und somit der Wärmestrom gemessen.

Schwierigkeiten bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen festgestellt

Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit anhand unterschiedlicher Verfahren liefert keine vergleichbaren Ergebnisse, siehe folgender Artikel:

Www.plastverarbeiter.de/57724/compounds-vergleichen-mittels-geeigneter-Norm/

Abhilfe könnte ein Verfahren gemäß ASTM auf Grundlage der Dynamischen Différenzkalorimetrie schaffen.

Informationen:

Petra.droettboom(ät)t-online.de

Temperaturamplitudenverhältnis/ Temperaturamplitudendämpfung

Das Temperaturamplitudenverhältnis (TAV) ist bei einer Aufheizrate von 1°/min identisch mit der Aufheizrate an der Oberfläche. Wird eine Probe 10 Minuten von einer Seite mit einer Heizrate von 1K erwärmt, erwärmt sie sich auf dieser Seite um 10K. Auf der Kehrseite erwärmt sich die Probe entsprechend langsamer. Die Temperaturerhöhung auf der Kehrseite in 10 Minuten, dividiert durch 10 ergibt das Temperaturamplitudenverhältnis. Der reziproke Wert der des TAV ist die Temperaturamplitudendämpfung (TAD). Es ist proportional zum Wärmewiderstand. Beides kann mit einer modifizierten DSC bestimmt werden.

Gerät zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmewiderstandes 

Basierend auf der dynamischen Differenzkalorimetrie habe ich ein Prüfgerät entwickelt, welches mit geringem Aufwand reproduzierbare Prüfergebnisse für den Wärmewiderstand (und damit der Wärmeleitfähigkeit), sowie der spez. Wärmekapazität mittels Wärmespeichervermögen misst.

Für das Prinzip wurden das Verfahren von Hakvoort und van Rejien von 1985 weiterentwickelt, indem die Temperatur nicht nicht nur unter dem Probekörper, sondern auch auf dem Probekörper gemessen wird. Effekte des Wärmeeindringkoeffizienten auf die Temperatur unterhalb der Probe werden vermieden und damit kann die Temperaturdifferenz genauer bestimmt werden.

Weitere Informationen und Probemessungen:

Petra Dröttboom

Ludwig-Jahn-Str.14

38678 Clausthal-Zellerfeld

petra.droettboom(Ät)t-online.de

Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit nach neuem Verfahren

Aus den unterschiedlichen Aufheizraten von Probekörpern (gemessen an der Obersteite) bei gleicher Aufheizung mit konstanter Heizrate von 1°C/min ergibt sich ein Temperaturgradient in der Probe. Dieser Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite wird verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität von Materialien zu bestimmen. Hierzu ist eine Kalibrierkurve aus verwandten Materialien zu erstellen. Im linearen Bereich von deltaT/R, also konstantem Wärmestrom, kann die Wämeleitfähigkeit berechnet werden.

Die Wärmekapazität kann bestimmt werden, wenn deltaT/Cp*m konstant ist.

Messung von Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit

Was selbstverständlich scheint, wird in der Realität nicht immer auch beherzigt. Kalibrierstandard und Probematerial müssen sich hinsichtlich Geometrie, Masse und Materialeigenschaften absolut ähneln, nur dann können zufriedenstellende Resultate durch Vergleich ermittelt werden. Die Aufheizrate und die gleichzeitige Abkühlrate durch die Umgebungsbedingungen hängen eben von Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit ab. So reagieren unterschiedliche Stoffe verschieden voneinander. Dies wurde mittels DSC-Messungen bewiesen. Demnach ist die Wärmestromkalibrierung mit Saphir nicht für alle Messungen gleich gut geeignet. dT/R ist bei leitfähigen Stoffen wesentlich höher als beispielsweise bei Kunststoffen. Der Saphir folgt der Aufheizrate wesentlich schneller als ein Stoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit.

Wärmeleitfähigkeit mittels DSC

  
Mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie ist es auch möglich, die Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen. Hierzu ist es erforderlich, das Wärmespeichervermögen und die Temperaturdifferenz zwischen Probensensor und Vergleichssensor zu kennen. Mittels eigenem Messgerät  wurden die Probekörper in der Abbildung gemessen. Der Standard PI zeigt 0,37 W/mK. Im Vergleich dazu zeigt der Granit 2 W/mK und die HF- Platte 0,3 W/mK.