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Principio e importanza del metodo del misuratore di flusso di calore
Il Metodo del Misuratore di Flusso di Calore (HFM) si basa sul principio fondamentale del trasferimento di calore attraverso un materiale. Un campione viene posto tra due piastre con temperature definite – una con una superficie calda e una con una superficie fredda (1). La differenza di temperatura che ne deriva provoca un flusso di calore attraverso il campione, che viene misurato con precisione grazie a dei sensori di flusso di calore. La misurazione vera e propria avviene in condizioni stazionarie, per cui viene rilevato un flusso di calore costante.
Il metodo garantisce un’elevata precisione di misurazione con scostamenti tipici inferiori al 2% ed è adatto al monitoraggio della qualità nel processo di produzione dei pannelli isolanti. La conducibilità termica specifica (λ, misurata in W/(m-K)) viene calcolata utilizzando l’equazione di Fourier:
\(
\lambda = \frac{Q \cdot d}{A \cdot \Delta T}
\)
Dove Q è il flusso di calore, d è lo spessore del campione, A è l’area del campione e ΔT è la differenza di temperatura.
Procedura di misurazione in dettaglio:
- Il campione viene inserito nel dispositivo di misurazione e viene messo a contatto su entrambi i lati con le piastre calde e fredde.
- I pannelli generano un profilo di temperatura definito
- La differenza di temperatura e il flusso di calore risultante vengono registrati da sensori di flusso di calore.
- La conducibilità termica specifica viene calcolata
- Lo spessore del campione viene rilevato automaticamente da sensori di alta precisione.
Applicazione nel processo di produzione di vari materiali isolanti
Lana minerale
La lana minerale è caratterizzata da una bassa conducibilità termica e da una marcata anisotropia. L’orientamento delle fibre influisce in modo significativo sulla conducibilità termica, motivo per cui il metodo di misurazione deve essere convalidato per diverse posizioni di installazione (2). Nel misuratore di flusso di calore, la
Sfide speciali con la lana minerale:
- L’orientamento delle fibre e i leganti richiedono pre-trattamenti come l’indurimento per ottenere valori affidabili
- La geometria del campione e le condizioni al contorno devono essere rispettate con precisione.
- Gli effetti dell’anisotropia devono essere presi in considerazione nella direzione del flusso di calore.
Schiuma PU
Il PU espanso è un materiale isolante ad alte prestazioni la cui conducibilità termica è influenzata in modo significativo da vari parametri come la densità, la composizione del gas cellulare, l’umidità e l’invecchiamento. La conduttività termica aumenta leggermente con l’invecchiamento, poiché i gas si diffondono all’interno della struttura cellulare (3).
Fattori critici per la schiuma PU:
- Effetti dell’invecchiamento dovuti allo scambio di gas nella struttura cellulare
- La densità e il contenuto di umidità influenzano in modo significativo i risultati delle misurazioni
- La misurazione in condizioni standard (ad es. temperatura media di 10°C) garantisce la comparabilità
- Il comportamento a lungo termine viene registrato con metodi standardizzati in conformità alla norma EN 13165.
Importanza per il settore edile e per l'efficienza energetica
Il metodo dei misuratori di flusso di calore offre vantaggi decisivi per l’industria edile moderna nel controllo della qualità dei materiali isolanti. Un’applicazione in-process consente di migliorare il controllo della produzione. Ciò contribuisce in modo significativo a garantire la qualità dei materiali isolanti e a ridurre al minimo le perdite di energia negli edifici.
Vantaggi per il settore:
Il metodo metodo HFM funziona in conformità a standard riconosciuti come EN 12667, EN 13165, ASTM C518 e ISO 8301. Il sistema è un’alternativa economica a metodi di misurazione più complessi ed è caratterizzato da un’elevata precisione con un funzionamento a bassa manutenzione e tempi di inattività ridotti. La certificazione di conformità favorisce l’accesso al mercato e costituisce una prova affidabile di qualità.
Sfide specifiche del metodo e loro controllo
La precisione del metodo Metodo del Flussometro di Calore dipende in gran parte dalla corretta preparazione e realizzazione del campione. Le superfici uniformi del campione e la corretta misurazione dello spessore sono fondamentali, poiché gli errori di misurazione dello spessore del campione hanno un effetto diretto sulla conduttività termica misurata (vedi sopra: equazione di Fourier).
Punti di controllo critici:
- Preparazione del campione con parallelismo piano e densità omogenea
- Ridurre al minimo gli effetti di margine rispettando attentamente le dimensioni del campione
- L’equilibrio allo stato stazionario deve essere raggiunto prima di leggere i risultati della misurazione.
- Ridurre la resistenza di contatto tra il campione e le piastre di misura
- Garantire l’omogeneità del campo di temperatura su tutta l’area del campione
I moderni sistemi HFM utilizzano la tecnologia di riscaldamento e raffreddamento Peltier, che garantisce tempi di inattività ridotti e minimizza i requisiti di manutenzione. Questo riduce i tempi di inattività.
Convalida scientifica e comparabilità
L’affidabilità e la precisione del metodo Heat Flow Meter sono state dimostrate da numerosi studi scientifici. Le misurazioni comparative sotto forma di round robin test mostrano deviazioni inferiori al 2% tra diversi laboratori e dispositivi di misurazione, il che sottolinea l’elevata riproducibilità e comparabilità del metodo. I test su campioni anisotropi e umidi dimostrano la flessibilità del metodo e gli studi comparativi con altri metodi di misurazione come la piastra protetta mostrano una buona correlazione. Inoltre, studi a lungo termine documentano la stabilità e la ripetibilità dei risultati. Le basi scientifiche del metodo HFM vengono continuamente ampliate grazie a lavori di ricerca che affrontano sfide specifiche sui materiali e all’ottimizzazione della tecnologia di misurazione. Il metodo ha dimostrato di essere uno strumento particolarmente affidabile per analizzare gli effetti dell’umidità e dell’invecchiamento.
Conclusione
Il processo di misurazione del flusso di calore è un metodo indispensabile per il moderno controllo di qualità dei materiali isolanti. La combinazione di un tempo di misurazione breve, in genere 15 minuti, di un’elevata precisione con una deviazione inferiore al 2% e di un test non distruttivo lo rende lo strumento ideale per monitorare la produzione di pannelli isolanti in lana minerale e PU espanso, consentendo misurazioni conformi agli standard per la certificazione e la prova di qualità e fornendo risultati scientificamente validati e riproducibili. Allo stesso tempo, offre un’alternativa economica a metodi di test più complessi e può essere utilizzato per un’ampia gamma di tipi e spessori di isolamento. In un momento in cui l’efficienza energetica e la sostenibilità dei
Elenco delle fonti
(1) TEC-Science: Metodo Heat-Flow-Meter per la determinazione della conducibilità termica https://www.tec-science.com/de/thermodynamik-waermelehre/waerme/heat-flow-meter-verfahren-zur-bestimmung-der-warmeleitfahigkeit-hfm/
(2) PMC: Determinazione delle proprietà termiche della lana minerale necessarie per la modellazione del comportamento al fuoco e le applicazioni strutturali
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10488771/
(3) Isolamento ad alte prestazioni: materiali per l’isolamento termico in poliuretano espanso rigido https://highperformanceinsulation.eu/wp-content/uploads/2016/08/Thermal_insulation_materials_made_of_rigid_polyurethane_foam.pdf
