Predictive heat transfer models in fibrous insulation at high temperatures

Abstract

El modelamiento de la transferencia de calor en materiales fibrosos es importante para el diseño y mejoramiento de los sistemas de aislamiento térmico. A altas temperaturas y bajas densidades, se espera que la radiación térmica sea el principal mecanismo de transferencia de calor. Actualmente los modelos más exitosos para modelar la transferencia de calor en aislantes a altas temperaturas requieren el uso de métodos semi-empíricos. La principal limitación de este enfoque es que los parámetros del modelo deben ser determinados a partir de mediciones calorimétricas para cada posible material y determinados nuevamente si la estructura morfológica es modificada, incluso para el mismo material. Esta investigación presenta un modelo predictivo para la transferencia de calor por radiación basada exclusivamente en propiedades físicas y morfológicas. El modelo fue validado usando mediciones previamente realizadas de la conductividad térmica efectiva en un aislante de baja densidad basado en alúmina. Para distinguir los diferentes mecanismos de transferencia de calor, se analizaron mediciones en vacío y temperaturas criogénicas. El modelo muestra una buena concordancia con las mediciones; sus predicciones son consistentes con las incertidumbres estimadas para las mediciones y el modelo y son comparables con las estimaciones obtenidas a través de métodos semi-empiricos para temperaturas entre 300 K y 1700 K (Texto tomado de la fuente)

The modeling of heat transfer in fibrous materials is important for designing and improving thermal insulation systems. At high temperatures and low sample density, thermal radiation is expected to be the primary mode of heat transfer in fibrous insulation. Currently, the most common and successful models for modelling heat transfer in insulation at high temperatures require the use of semi-empirical methods. The main limitation of this approach is that the model parameters need to be determined from thermal measurements for each possible material and re-determined if the morphological structure is modified, even for the same material. This research presents a predictive model for radiation heat transfer based solely on physical and morphological properties. The model was validated using previously measured effective thermal conductivity of a low-density alumina-based insulation. In order to distinguish the different modes of heat transfer, prior measurements at vacuum and cryogenic temperatures were analyzed. The model demonstrates good agreement with experimental measurements, and its predictions are within the estimated uncertainties of both measurements and model, and is comparable to those obtained by semi-empirical methods for temperatures between 300 K and 1700 K