ASTM C177-19 Standardprüfverfahren für stationäre Wärmestrommessungen und Wärmeleitungseigenschaften mittels eines abgeschirmten Heizplattengeräts

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Standard „ASTM C177-19 Standardtestmethode für stationäre Wärmestrommessungen und Wärmeleitfähigkeit mittels geschützter Heizplattenapparatur“ beschreibt Kriterien für die Labormessung des stationären Wärmestroms durch flache, homogene Proben bei Kontakt mit festen, parallelen Begrenzungen, deren Oberflächen auf konstanter Temperatur gehalten werden.

Das zu diesem Zweck entwickelte Prüfgerät wird als Guarded-Hot-Plate-Gerät bezeichnet und ist eine primäre (oder absolute) Methode. Dieses Prüfverfahren ist mit dem Prüfverfahren nach ISO 8302 vergleichbar, jedoch nicht identisch.

Dieses Prüfverfahren legt die allgemeinen Konstruktionsanforderungen fest, die für die Herstellung und den Betrieb eines zufriedenstellenden Geräts mit geschützter Heizplatte erforderlich sind. Deckt ein breites Spektrum an Gerätestrukturen, Testbedingungen und Betriebsbedingungen ab. Für dieses Prüfverfahren geeignete detaillierte Entwürfe werden nicht bereitgestellt, sondern müssen im Rahmen der allgemeinen Anforderungen entwickelt werden. Beispiele für Analysetools, Konzepte und Verfahren, die bei der Konstruktion, dem Bau, der Kalibrierung und dem Betrieb eines Geräts mit geschützter Heizplatte verwendet werden, sind im Standard (Ressourcen) enthalten.

Dieses Testverfahren deckt sowohl einseitige als auch doppelseitige Messmodi ab. Es sind sowohl verteilte als auch Linienquellen-Heizplattendesigns mit abgeschirmter Heizplatte zulässig. Weitere Einzelheiten zu diesen Heizgerätekonstruktionen finden Sie in den Normen ASTM C1044 und ASTM C1043.

Das abgeschirmte Heizplattengerät kann mit vertikalem oder horizontalem Wärmefluss betrieben werden. Der Benutzer wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Testergebnisse aus den beiden Ausrichtungen unterschiedlich ausfallen können, wenn innerhalb der Proben ein konvektiver Wärmefluss auftritt.

Obwohl für die Größe der Probenleitfähigkeit, die auf der geschützten Heizplatte gemessen werden kann, keine absolute Obergrenze angegeben werden kann, sollte die Probenleitfähigkeit aus praktischen Gründen unter dem im Standard angegebenen Wert liegen.

Dieses Testverfahren ist auf die Messung einer großen Bandbreite von Proben anwendbar, von undurchsichtigen Feststoffen bis hin zu porösen oder transparenten Materialien, und auf ein breites Spektrum von Umgebungsbedingungen, einschließlich Messungen bei extremen Temperaturen und mit verschiedenen Gasen und Drücken.

Auch Inhomogenitäten senkrecht zur Wärmeflussrichtung, wie sie beispielsweise bei Schichtaufbauten auftreten, können mit diesem Prüfverfahren erfolgreich beurteilt werden. Das Prüfen von Proben mit Inhomogenitäten in Wärmeflussrichtung, wie beispielsweise einem Wärmebrücken-Dämmsystem, kann jedoch zu standortspezifischen Ergebnissen führen und sollte mit diesem Gerätetyp nicht versucht werden. Für die Prüfung dieser Systeme gilt der Standard ASTM C1363.

Die Berechnung der Wärmeübertragungseigenschaften auf Grundlage der mit dieser Methode durchgeführten Messungen sollte gemäß der Norm ASTM C1045 erfolgen.

Um das erwartete Maß an Präzision und Genauigkeit zu gewährleisten, müssen diejenigen, die diese Norm anwenden, mit den Anforderungen an thermische Mess- und Prüfverfahren sowie mit der praktischen Anwendung der Wärmeübertragungstheorie im Zusammenhang mit Wärmedämmstoffen und -systemen vertraut sein. Um sicherzustellen, dass die Tests dieser Testmethode entsprechen, müssen für jedes Gerät detaillierte Betriebsverfahren, einschließlich Konstruktionsdiagrammen und elektrischen Zeichnungen, verfügbar sein. Darüber hinaus sollten die mit dem Gerät verbundenen automatisierten Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme auf ihre Genauigkeit überprüft werden. Dies kann durch die Eingabe von Datensätzen im Zusammenhang mit der Kalibrierung und bekannten Ergebnissen in Computerprogramme erfolgen.

Bei einer solchen Testmethode ist es nicht praktikabel, Design- und Konstruktionsdetails sowie -verfahren so festzulegen, dass alle Eventualitäten abgedeckt sind. Dies wäre für eine Person ohne technische Kenntnisse der Wärmeflusstheorie, der Temperaturmessung und allgemeiner Testverfahren schwierig. Der Benutzer muss bei der Reparatur oder beim Austausch des Geräts möglicherweise auch Designer oder Hersteller oder beides sein, da hier die Anforderungen an grundlegendes Verständnis und sorgfältige experimentelle Technik höher sind. Die Standardisierung dieser Testmethode soll die zukünftige Entwicklung neuer oder verbesserter Geräte oder Verfahren in keiner Weise einschränken.

Diese Testmethode gibt nicht alle Details an, die für den Betrieb des Geräts erforderlich sind. Entscheidungen bezüglich Probenahme, Probenauswahl, Vorbehandlung, Probenmontage und -positionierung, Auswahl der Testbedingungen und Auswertung der Testdaten müssen den geltenden ASTM-Testmethoden, Richtlinien, Praktiken oder Produktspezifikationen bzw. gesetzlichen Vorschriften entsprechen. Wenn kein anwendbarer Standard verfügbar ist, sollte ein fundiertes technisches Urteilsvermögen verwendet und dokumentiert werden, das anerkannte Prinzipien der Wärmeübertragung widerspiegelt.

Mit diesem Prüfverfahren können verschiedenste Instrumentenkonstruktionen und Konstruktionsgenauigkeiten eingesetzt werden, um den Anforderungen spezifischer Messprobleme gerecht zu werden. Die Einhaltung dieser Testmethode erfordert eine Angabe der Unsicherheit jeder im Bericht angegebenen Variable.

Die in der Norm angegebene Abbildung zeigt die Hauptkomponenten des idealisierten Systems: zwei isotherme Kaltflächenanordnungen und eine geschützte Heizplatte. Manche Geräte können über mehr als einen Schutz verfügen. Die geschützte Heizplatte besteht aus einem Messabschnitt, der durch einen festgelegten Abstand oder Spalt thermisch vom konzentrischen Primärschutz isoliert ist. Einige Geräte verfügen möglicherweise über mehr als einen Schutz. Der Prüfling wird zwischen diesen drei Einheiten eingeschlossen. Im doppelseitigen Messmodus besteht die Probe tatsächlich aus zwei Teilen. In diesem Fall ergibt die Messung ein Ergebnis, das den Durchschnitt der beiden Teile darstellt. Daher ist es wichtig, dass die beiden Teile sehr nahe beieinander liegen. Bei Verwendung des einseitigen Messmodus gilt der Standard ASTM C1044. Für die Verwendung einer geschützten Heizplatte, die die Verwendung einer Netzversorgungsheizung umfasst, gilt ASTM C1043.

Die abgeschirmte Heizplatte liefert die Leistung (Wärmestrom pro Zeiteinheit) für die Messung und definiert das eigentliche Testvolumen, d. h. den Teil der Probe, der tatsächlich gemessen wird. Die Funktion der primären Abschirmung des abgeschirmten Heizplattengeräts und einer etwaigen zusätzlichen koplanaren Abschirmung besteht darin, innerhalb des Testvolumens geeignete thermische Bedingungen bereitzustellen, um den seitlichen Wärmefluss innerhalb des Geräts zu verringern. Die idealisierten Bedingungen werden in der Abbildung durch die Konfiguration isothermer Oberflächen und Linien konstanten Wärmeflusses innerhalb der Probe dargestellt.

Abweichungen von der idealisierten Konfiguration werden verursacht durch: Probeninhomogenitäten, Temperaturunterschiede zwischen dem gemessenen Abschnitt und dem Schutz (Spaltungleichgewicht) und Temperaturunterschiede zwischen der Außenkante der Baugruppe und der umgebenden kontrollierten Umgebung (Kantenungleichgewicht).

Drei Heiz-/Kühlgeräte sind so konzipiert, dass sie auf den Oberflächen der Proben innerhalb des gemessenen Querschnitts isotherme Oberflächen erzeugen. Für den beidseitigen Betrieb werden die beiden als Kaltflächenbaugruppen bezeichneten Flächen auf die gleiche Temperatur eingestellt. In der Praxis kommt es zu einem gewissen seitlichen Wärmefluss, da die Platten und Proben eine begrenzte Größe haben und die externe kontrollierte Umgebung normalerweise eine andere Temperatur aufweist als der Rand des gemessenen Abschnitts. Der Primärschutz der abgeschirmten Heizplatte begrenzt die Stärke des seitlichen Wärmeflusses im Messquerschnitt. Die Wirksamkeit des Primärschutzes wird teilweise durch das Verhältnis seiner seitlichen Abmessung zur Größe des gemessenen Abschnitts und zur Dicke der Probe bestimmt.

Die Einhaltung dieser Prüfmethode erfordert: die Herstellung stationärer Bedingungen und die Messung des unidirektionalen Wärmeflusses durch den Messabschnitt, die Fläche des Messabschnitts, den Temperaturgradienten über die Probe hinsichtlich der Temperatur der heißen Oberfläche und der Temperatur der kalten Oberfläche (oder entsprechend der Temperatur zwischen den beiden Oberflächen), die Dicke jeder Probe und das Schutzgleichgewicht zwischen dem Messabschnitt und dem Primärschutz.

Unsere Organisation, die seit Jahren versucht, Unternehmen aus allen Branchen mit einer breiten Palette von Test-, Mess-, Analyse- und Bewertungsstudien zu unterstützen, verfügt über einen starken Mitarbeiterstamm, der die Entwicklungen in der Welt der Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgt und sich ständig verbessert. In diesem Zusammenhang werden für Unternehmen auch Prüfdienstleistungen gemäß der Norm „ASTM C177-19 Standardprüfverfahren für stationäre Wärmestrommessungen und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften mittels eines geschützten Heizplattengeräts“ angeboten.