ASTM E2584 Standardverfahren für die Wärmeleitfähigkeit von Materialien mittels Wärmekapazitätskalorimetrie (Slug-Kalorimetrie)

Die von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Norm ASTM E2584 „Standard Practice for Thermal Conductivity of Materials by Thermal Capacitance (Slug) Calorimetry “ beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der scheinbaren Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit von Materialien. Dieses Verfahren ist anwendbar auf feste Materialien mit einer scheinbaren Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,02 bis 20 W/(m·K) im Temperaturbereich von etwa 300 K bis 1100 K bei Verwendung der Slug-Kalorimetrie mit Edelstahl 304 und K-Thermoelementen sowie bis zu 1600 K bei Verwendung der Slug-Kalorimetrie mit Aluminiumoxid und PtRh-Thermoelementen.

Während die Anwendung auch für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturdiffusionsfähigkeit nichtreaktiver Materialien anwendbar sein sollte, hat sie sich als besonders nützlich bei der Prüfung feuerfester Materialien erwiesen, die sowohl reaktiv sind als auch bei hohen Temperaturen erhebliche Dimensionsänderungen erfahren.

Diese Anwendung eignet sich für die Prüfung von Materialien im Allgemeinen, einschließlich Verbundwerkstoffen und Mehrschichtmaterialien. Sie ist besonders nützlich für Materialien, die bei hohen Temperaturen erhebliche Reaktionen, lokale Dimensionsänderungen oder beides erfahren und daher mit bestehenden Standardprüfmethoden wie ASTM C1113 nur schwer zu bewerten sind.

Durch die Durchführung des Tests über mehrere Heiz-/Kühlzyklen können die Auswirkungen von Reaktionen, Phasenänderungen und Massentransfer von Reaktionsgasen (z. B. Dampf) auf die thermische Leistung bewertet werden. Dieses Verfahren hat sich insbesondere für die Prüfung feuerbeständiger Materialien bewährt.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Die Wärmeleitfähigkeit drückt die zeitliche Geschwindigkeit des Wärmeflusses durch eine Flächeneinheit pro Einheitstemperaturgradient in der Richtung senkrecht zur Fläche unter stationären Bedingungen aus.
• Scheinbare Wärmeleitfähigkeit: Wenn neben der Wärmeleitung durch ein Material noch andere Arten der Wärmeübertragung (und Massenübertragung) vorhanden sind, sollten die Ergebnisse der nach diesem Verfahren durchgeführten Messungen die scheinbare oder effektive Wärmeleitfähigkeit für das getestete Material darstellen.

Im Prinzip wird ein Barren aus einem wärmeleitfähigen und hochtemperaturbeständigen Metall von einem anderen Material (Probe) gleichmäßiger Dicke umgeben, dessen Wärmeleitfähigkeit deutlich geringer ist als die des Barrens. Wird die Außenfläche dieser Anordnung einer höheren Temperatur als der des Barrens ausgesetzt, durchdringt Wärme die Außenschicht und führt zu einem Temperaturanstieg im Barren selbst. Der Temperaturanstieg des Barrens wird durch die Menge und Geschwindigkeit der an seine Oberfläche übertragenen Wärme (Wärmefluss), seine Masse und seine spezifische Wärmekapazität gesteuert. Kennt man diese Eigenschaften, ist die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des Barrens direkt proportional zum eintretenden Wärmefluss. Unter diesen Bedingungen wird der Barren daher zu einem Wärmeflussmessgerät.

Aus diesem gemessenen Fluss und dem Wärmegradienten über der äußeren (Proben-)Schicht lässt sich die scheinbare Wärmeleitfähigkeit der Probe berechnen. Wird die Wärmequelle entfernt, kehrt sich die Richtung des Wärmeflusses während der natürlichen Abkühlung um. Auch hier lässt sich aus dem gemessenen Fluss und dem Wärmegradienten die scheinbare Wärmeleitfähigkeit berechnen.

Das oben beschriebene Idealmodell basiert auf einem Wärmefluss, der senkrecht zur Probe verläuft und diese stets durchdringt. Abweichungen vom Ideal können auftreten durch:

• Dickenunregelmäßigkeit der Außenschicht
• Inhomogenität der äußeren Schicht (chemisch oder mikrostrukturell)
• Störpfade durch Risse, Hohlräume oder andere mechanisch erzeugte Pfade
• Parasitäre Pfade durch Drähte, Ummantelungen (Thermoelemente), die unvermeidliche Teile einer praktischen Anordnung sind.
• Ablösung der Probe von der Oberfläche des Rohlings (Bildung eines Hohlraums).

Der Anwender dieser Methode sollte sich bewusst sein, dass der Kontaktwiderstand zwischen den Proben und dem Barren nicht immer vernachlässigbar ist und in manchen Fällen sogar erheblich sein kann, was möglicherweise zur größten Unsicherheitsquelle bei der Messung wird. Bei porösen Materialien mit geringer Dichte hat sich jedoch im Allgemeinen gezeigt, dass der Kontaktwiderstand zwischen den Proben und dem Barren vernachlässigt werden kann.

Diese Methode eignet sich für viele mögliche geometrische Konfigurationen:

• Zur Rohrisolierung sollte ein zylindrischer Block verwendet werden. Die Endflächen sollten mit einer Isolierung verschlossen werden.
• Für Flachplatten (Dämmplatten, Schüttgüter) wird ein rechteckiger Barren als am praktischsten angesehen, bei dem das Probenmaterial Folgendes umfasst:
  • Beide Hauptflächen der Platine mit stark isolierten Kanten.
  • Eine große Fläche einer Platte, deren andere Fläche und Kanten stark isoliert sind.

Kurz gesagt: ASTM E2584 beschreibt bewährte Verfahren und Methoden zur Reduzierung des Brandrisikos bei Photovoltaikmodulen (PV) und zugehörigen Systemen. Diese Norm spielt eine entscheidende Rolle für die sichere Bereitstellung und den Betrieb von Solarenergiesystemen, insbesondere im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich. Der Hauptzweck dieser Norm besteht darin, Leitlinien zur Minimierung der Brandgefahr in PV-Systemen bereitzustellen. Da die Solarenergietechnologie weltweit immer weiter expandiert, ist die Gewährleistung der Brandsicherheit dieser Systeme zu einem wichtigen Sicherheitsaspekt geworden. Diese Norm:

• Identifiziert potenzielle Brandgefahren im Zusammenhang mit PV-Systemen
• Empfiehlt Design-, Installations-, Inspektions- und Wartungspraktiken
• Fördert Brandschutzstrategien während des gesamten Lebenszyklus von PV-Modulen

ASTM E2584 ist eine Anwendungsnorm, d. h. sie bietet eher eine Richtlinie als eine spezifische Prüfmethode. Diese Norm umfasst:

• Identifizierung von Komponenten und Konfigurationen, die möglicherweise zündgefährdet sind
• Berücksichtigung von elektrischen Fehlern, thermischen Hotspots und Isolationsverschlechterung
• Brandverhalten von Materialien, die in PV-Modulen und Tragkonstruktionen verwendet werden
• Inspektions- und Wartungsanforderungen zur Risikominderung

Mit der zunehmenden Nutzung von Solarenergie steigt das Risiko elektrischer Brände aufgrund mangelhafter Installation, Komponentenfehler oder Umwelteinflüsse. In diesem Zusammenhang unterstützt ASTM E2584:

• Versicherungsanforderungen und Risikomanagementstrategien
• Einhaltung der örtlichen Bauvorschriften und Brandschutzbestimmungen
• Verbesserte Systemzuverlässigkeit und Benutzersicherheit

Zu den wichtigsten Elementen dieses Standards gehören:

• Komponentenauswahl: Betont die Bedeutung der Auswahl feuerfester Materialien und zertifizierter Komponenten (z. B. UL 1703-konforme Module).
• Systemdesign und -layout: Fördert Layouts, die die Ausbreitung von Feuer begrenzen, Feuerwehrleuten einfachen Zugang bieten und Hochspannungskomponenten isolieren.
• Bewährte Verfahren zur Installation: Zur Vermeidung elektrischer Fehler werden eine ordnungsgemäße Erdung, sichere Verkabelung und klare Dokumentation empfohlen.
• Inspektion und Wartung: Erfordert regelmäßige Sichtprüfungen und Wärmebildaufnahmen, um heiße Stellen oder Isolationsfehler zu erkennen.
• Integration von Notfallmaßnahmen: Empfiehlt eine klare Kennzeichnung, Abschaltverfahren und die Zusammenarbeit mit dem örtlichen Brandschutzpersonal.

Letztlich trägt dieser Standard dazu bei, dass Solaranlagen nicht nur energieeffizient, sondern auch sicher sind. Er reduziert die Brandrisiken deutlich und schützt Eigentum, Infrastruktur und Leben.

Unser Unternehmen unterstützt seit Jahren Unternehmen aller Branchen mit einem breiten Spektrum an Test-, Mess-, Analyse- und Evaluierungsaktivitäten. Es verfügt über ein starkes Team von Mitarbeitern, die die globalen Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgen und sich ständig weiterentwickeln. In diesem Zusammenhang bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß ASTM E2584 Standard Practice für die Wärmeleitfähigkeit von Materialien unter Verwendung von Wärmekapazitätskalorimetern (Slug-Kalorimetern) an.