关键词：
导热系数（精选九篇）
导热系数 篇1
建筑墙体的传热系数除了按GB/T 13475-2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》直接检测外, 还可以间接测试, 即先通过测出组成材料的导热系数, 然后结合砌体使用过程中的热流特性, 根据GB 50176-93《民用建筑热工设计规范》中复合结构热阻值的计算公式进行计算, 得到砌体的热阻值, 最后算出砌体的传热系数。
2 试样选择
本文选用的是以聚苯乙烯混凝土节能砌块为基材, 内外各粉刷20mm厚水泥砂浆的砌体为试样, 并依据GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》的要求制作聚苯乙烯混凝土的导热系数测定样品, 并按其要求测定导热系数。
3 砌块墙体传热系数的计算
3.1 聚苯乙烯混凝土导热系数的测定
首先按GB/T 10294-2008的要求, 将制作好的聚苯乙烯混凝土样品放入“PDR-3030B型导热系数测定仪”测出其导热系数为0.21W/ (m·K) , 干密度为1252kg/m3。
3.2 计算砌块热阻
砌块热阻计算示意图如图1所示。该砌块规格尺寸为290mm×180mm×190mm, 砌块的宽度为180mm, 外壁厚15mm, 肋厚为17mm, 如图1所示。在与传热方向垂直的面上, 将砌块分为9个传热单元, 每个传热单元的面积直接根据砌块尺寸计算, 单层材料的热阻按GB 50176-93中附2.1的公式R=d/λ计算, 多层材料热阻按GB 50176-93中附2.2的公式R=R1+R2+……+Rn计算, 计算过程如下:
(1) 传热面积计算。
总面积A0=0.29×0.19=0.0551m2
第一单元面积A1=0.015×0.19=0.00285m2
第二单元面积A2= (0.050-0.015) ×0.19=0.00665m2
第三单元面积A3=0.017×0.19=0.00323m2
第四单元面积A4= (0.156-0.015) ÷2×0.19=0.013395m2
第五单元面积A5=A1=0.00285m2
第六单元面积A6=A4=0.013395m2
第七单元面积A7=A3=0.00323m2
第八单元面积A8=A2=0.00665m2
第九单元面积A9=A5=A1=0.00285m2
(2) 砌块热阻的计算。第一、九单元的热阻相当, 其值为砌块110mm厚聚苯乙烯混凝土的热阻和70mm厚空气层热阻的和;第二、八单元的热阻相当, 其值为砌块60厚聚苯乙烯混凝土的热阻和120mm厚空气层的热阻之和;第三、七单元的热阻相当, 其值为砌块130厚聚苯乙烯混凝土的热阻和50mm厚空气层的热阻之和;第四、六单元的热阻相当, 其值为砌块60厚聚苯乙烯混凝土的热阻和120mm厚空气层的热阻之和;第五单元的热阻, 其值为砌块110厚聚苯乙烯混凝土的热阻和70mm厚空气层的热阻之和;查《建筑节能检测技术》 (第二版) 附录D表D-1得到一般垂直空气间层夏季状况的热阻Rg如表1。
第一、九单元热阻
第二、八单元热阻
第三、七单元热阻
第四、六单元热阻
第五单元热阻
(3) Ri、Re按GB50176-93中附表2.2和附表2.3取值, 内表面换热阻Ri取0.11m2·K/W, 外表面换热阻Re取0.05 m2·K/W。修正系数φ, 按GB50176-93中附表2.1取值, 采用φ=0.98。
(4) 根据GB 50176-93的规定, 将A1、A2、······、A9、R1、R2······R9、Ri、Re、φ的值代入复合结构的热阻GB50176-93中附2.3的公式, 经过计算得到砌块的平均热阻, 计算过程如下。
砌块的传热热阻计算如下:
砌块的传热计算如下:
至此, 砌块的热阻和传热系数已经通过检测和计算得出了, 可以作为本文聚苯乙烯混凝土砌块墙体传热系数的基础数据使用。
(5) 砌块砌体的平均热阻计算。砌块在实际使用时需要砌筑成为砌体, 计算砌体的热阻、传热阻、传热系数时要考虑砌筑砂浆的厚度和导热系数以及抹面砂浆的厚度和导热系数。在这样的情况下, 分步计算:先计算砌体中砌块的面积和砌筑砂浆灰缝的面积;按公式R=d/λ计算出砌筑砂浆灰缝的热阻 (本文视砌筑砂浆为均质材料) ;根据砌体中砌块和砌筑砂浆所占面积比例, 按面积加权的方法计算出砌体主体部位的平均热阻;测量抹面砂浆的厚度, 按公式R=d/λ计算抹面砂浆的热阻;在按多层材料复合结构热阻GB50176-93中附2.3计算公式, 计算出砌体的最终热阻;将以上得到的砌体最终热阻代入式和公式K=1/R0可以计算出砌体的传热阻和传热系数。计算过程如下:
这里设砌体中砌筑砂浆层的面积为As, 导热系数为λs, 热阻为Rs;砌块面积为Ab, 砌块热阻为Rb;砌体 (不含抹灰砂浆的砌块砌筑体) 的热阻为Rz;抹面砂浆的导热系数为λm, 热阻为Rm;砌筑体 (包括两面的抹面砂浆) 的热阻为Rq;砌筑墙体的传热阻为Rq0;砌筑墙体的传热系数为Kq;砌筑灰缝厚度为10mm, 抹面砂浆的厚度为20mm;计算1m2砌体的热阻。计算过程如图2所示。
查常用材料的热工参数, 得到砌筑砂浆层导热系数λs=0.93W/ (m·K)
砂浆层的热阻
根据2.2.4的计算, 知道砌块的热阻因此, 有:
4 结语
由以上计算可知, 聚苯乙烯混凝土节能砌块基材的导热系数为0.21W/ (m·K) , 外壁厚为15mm肋厚为17mm, 290mm×180mm×190mm的多排孔聚苯乙烯混凝土砌块, 用导热系数为0.93W/ (m·K) 的砂浆砌筑和抹灰, 砌筑灰缝为10mm, 双面抹灰厚度各为20mm的砌筑墙体的传热系数检测计算值Kq为1.39W/ (m2·K) 。
参考文献
[1]田斌守, 建筑节能检测技术 (第二版) , 中国建筑工业出版社, 2010
[2]GB50176-93, 民用建筑热工设计规范
[3]GB/T10294-2008, 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法
金属导热系数测量实验报告 篇2
大学物理实验 实验名称：
金属导热系数的测量 学院：
信息工程学院 专业班级：
自动化 153 班 学生姓名：
廖俊智 学号：
6101215073 实验地点：
基础实验大楼 座位号：号 实验时间：
第七周星期四上午九点四十五开始、实验目的: 用稳态法测定金属良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。、实验原理：、傅里叶热传导方程 导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。
温度为 T 2，T i T 2，热量从上端流向下端。若加热一段时间后，内部各个截面处的温度达到恒定，此时 虽然各个截面的温度不等，但相同的时间内流过各截面的热量必然相等（设侧面无热量散失），这时热 传递达到动态平衡，整个导体呈热稳定状态。法国数学家，物理学家傅里叶给出了此状态下的热传递方
如图二所示，将待测样品夹在加热盘与散热盘之间，且设热传导已达到稳态。由（1）式可知，加 测定材料的导热系数在设计和制造加热器、散热器、传 热管道、冰箱、节能房屋等工程技术及很多科学实验中 // 都有非常重要的应用。
图（一）
如图（一）所示。设一粗细均匀的圆柱体横截面积为 S，高为 h。经加热后，上端温度为 T 1，下端 Q 是 t 时间内流过导体截面的热量, S T 1 T 2 h(1)学叫传热速率。比例系数 就是材料的导热系数（热导率），）。在此式中，S、h 和 T 1、T 2 容易测得，关键 是如何测得传热速率Q。、用稳态法间接测量传热速率 T i T 2 热盘的传热速率为Q S
h 2 T 1 T 2 d 2(T 1 T 2)4h 单位是
如图三所示，把两种不同的金属丝彼此熔接，组成一个闭合回路。若两接点保持在不同的温度 下，则会产生温差电动势，回路中有电流。如果将回路断开（不在接点处），虽无电流，但在断开处有 电动势。这种金属导线组合体称为温差电偶或热电偶。在温度范围变化不大时热电偶产生的温差电动势 与两接点间的温度差成正比，（T T。），T o 为冷端温度，T 为热端温度，叫温差电系数。
在本实验中，使用两对相同的铜一康铜热电偶，相同，它们的冷端均放在浸入冰水混合物的细玻 璃管中，T o 也相同。当两个热端分别接触加热盘和散热盘时，可得样品上下表面的温度分别为：
T i 1
T o，T 2 2
T o，所以
（6）式就是本实验所依据的公式。
d 和 h 分别为样品的直径和厚度，C 和 m 分别为散热铜盘的比热 和质量，i 和 2 分别为加热至稳态时通过热电偶测出的两个温差电动势
这样，式（5）可以写为 0.555 4Cmh d 2(1 2)g
t|(6)（由数字电压表读出）
为散热盘在 2 时的冷却速率
三、实验仪器：
导热系数测定仪（TC — 3）、杜瓦瓶 四、实验内谷和步骤：
（1）先将两块树脂圆环套在金属圆筒两端（见下图），并在金属圆筒两端涂上导热硅胶, 然后置于加热盘 A 和散热盘 P 之间，调节散热盘 P 下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热 盘 A 及散热盘 P紧密接触。
（2）
在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆 筒侧面上、下的小孔中，并分别将热电偶的的接线连接到导热系数测定仪的传感器 I、II 上。
（3）
接通电源，将加热开关置于高档，当传感器 I 的温度 T i 约为 3.5mV 时，再将加热开 关置于低挡，约 40min。
（4）
待达到稳态时（T i 与 T 2 的数值在 10min 内的变化小于 0.03mV），每隔 2min 记录 T i 和 T 2的值。0 0 Ji“ i J 测 1 表 o Q1 J O G 2 导蟻嚴数丹測 1
孟 g JI-■■
（5）
测量散热盘 P 在稳态值 T2 附近的散热速率，移开加热盘 A ,先将两测温热端取下，再将 T2 的测温热端插入散热盘 P 的侧面小孔，取下金属圆筒，并使加热盘 A 与散热盘 P 直接接触，当散热盘 P 的温度上升到高于稳态 T 2 的值约 0.2mV 左右时，再将加热盘 A 移 开，让散热盘 P 自然冷却，每隔 30s 记录此时的 T 2 值。
（6）记录金属圆筒的直径和厚度、散热盘 P 的直径、厚度、质量。
五、实验数据与处理：
C 铜 =0.09197cal cm 1
s-1
C)1cal=418.68W/mK 散热盘 p ：
m=810g R p =6.385cm h p
=0.71cm 金属铝圆筒：R B =1.95/cm h B
=9.0/cm 表 1 稳态时 T 1 T 2 的数据：
序次 1 2 3 4 5平均 T 1 /mV 1 2.73 2.73 2.73 2.71 2.71 2.722 T 2 /mV 2.52 2.53 2.54 2.53 2.54 2.532 稳态时 T 3 对应的热电势数据 U 3 2.46mV 表 2 散热速率：
=0.0729 mV/s
时间 /s 30 60 90 120 150 180 210 240 T 2 /mV 2.67 P 2.58 P 2.51 「 2.43 2.35 2.28 2.22 : 2.16 mc T(RPh B)h B ? 1 2 t(2 R Ph P)(「 T 2)
R B 810 0.09197 0.0729
--------------(6.385 2
9.°)9.0------------------
--------1 _2
0.316cal cm 1
s 1
C 1
(2 6.385 2 0.71)(2.722-2.532)〔 95 132.30W/mK 铝的热导率的理论值为 2.0 x 10 2
(J • s-1
• m 1
• K 1)六、误差分析：、实验中铝并不是纯铝，存在杂质，而纯度及杂质未知。、树脂圆环与加热盘和散热盘不能紧密接触。、在实验过程中发现，热电偶的两端在插入时深浅对实验有一定的影响，过程中无法保持在同一深度，故测量的数据可能存在偏差。、试验过程中，杜瓦瓶中不是冰水混合物对实验有一定的影响 七、思考题：
1.在测量散热盘 P 的散热速率 T 时，为什么要测在稳态值 T3 附近的T
？ t t 答：在稳态时，散热速率铝棒和铜盘的相等，测得铜盘的即可得出铝棒的散热速率。
交互式绝缘材料导热系数测定 篇3
摘要：为了精确测量电磁机械装置内非标准固体绝缘材料的导热系数，基于稳态热流法原理搭建固体材料导热系数测试平台，对非标准绝缘绝缘材料样品的导热系数进行了系统测量，通过研究能够有效解决交互式固体绝缘材料导热系数测量问题.为测量非标准固体绝缘材料导热系数的测定奠定了理论基础.
关键词：稳态热流法；非标准绝缘样品；导热系数；交互式法
DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.006
中图分类号：TM215.1
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2015）04-0030-04
0 引言
随着能源问题的突出和现代工业的迅猛发展，当今社会越来越意识到热物性学研究的重要性.把如何迅速、精确地确定物质热物性数据作为热物性学的基本任务，当然也就显得尤为重要，作为经典的热物性测试方法的稳态热流法有测试原理简单、测定范围广等优点.在许多电力设备中，绝缘材料作为其重要组成部分，其导热性能直接影响电力设备的温度分布、最高温升乃至设备的寿命，因此研究绝缘材料的导热性能对于电力行业具有非常重要的理论价值和实际工程意义.
在电机、变压器和电抗器等电力设备的设计和研发阶段，各种绝缘材料的导热系数是必不可少的参数，所以能够准确测量绝缘材料的导热系数显得至关重要.为了缩短开发周期提高设计精度，精准、快速地测量电力设备中绝缘材料的导热系数迫在眉睫.基于稳态热流法的测量原理，本文以干式电抗器内常用的A类绝缘材料为例，利用导热仪测量其导热系数.受于导热仪对测量样品尺寸规则的局限性，针对电机内绝缘材料结构不一且难于取材制样的特点，提出了新方法——交互式绝缘材料导热系数的测量，提供更加经济便捷的测试技术，来获取尺寸非标准绝缘材料的导热系数，为电力设备的温度场数值计算以及设计开发提供保证.
1 固体材料导热系数测量方法
由传热学理论可知，由于温度不平衡的原因，导致物体内存在温差，因而热能不均匀分布.物体内粒子在没有宏观位移的情况下，热量从高温部位传到低温部位，尽管没有物质转移也存在热量传递现象，我们把借助物质微观粒子的无序运动的热传递现象称为热传导，导热系数就是用来表征物质热传导性能的物理量.
1.1 稳态热流法的测量原理
该测试系统由上下加热板、热流计、绝热板等主要部件组成，通过控制绝热板的温度，减少沿试样侧面的杂散热耗，使通过试样有效传热面积的热量基本上为一维稳态热流.
由于样品的直径远大于其厚度，可看作为无限大平行板，所以忽略了试样圆盘侧面的散热而产生的影响，近似为热流线平行，因此热量传导方向为有下至上的垂直方向，如图1所示，
导热系数是指在稳态条件下，通过垂直于热流线的单位温度梯度、单位截面面积下的热流量，绝缘性能优良的材料通常导热系数较低，导热系数中低的材料一般使用Fourier方程所描述的稳态法测试，即式中：λ为导热系数；S为垂直于热流线的试样截面面积；T1为热板温度，T2为冷板温度，T1-T2为试样上下表面温度差；d为试样的厚度，△Q为垂直平板方向传递的热量，称为热流量，
其中：通过导热仪已将热板温度T1、冷板温度T2设定，因此试样上下表面温度差T1-T2为已知条件；试样的厚度d、截面面积S也已预先测定；热流量Q可通过功率方程P=KQ（K=l）算出则导热系数单位变为W/（K.m），导热方程为：
高温导热仪测试时要求测试样品为规则圆柱体，直径100mm，厚度在5mm左右，精确度要求较高，自身对绝缘材料形状的有约束性，其实验设备如图2所示：
下面给出实验测得标准圆柱体形状绝缘材料垫块和铁饼外环氧的导热系数，如图3和表l所示.从误差计算中可知，已选材料的数据因测量次数太少而误差较大，为了在现有的测量数据上得出较精确的实验结果，故采用去掉数值最大和最小的两个数据，其他数据取平均值的方法，采用此方法得到的结果为：垫块材料的平均导热系数是0.641W/（K·m）；铁饼外环氧的平均导热系数是0.531W/（K·m）.
本研究利用混合材料等效导热系数计算公式，测定结构非标准绝缘材料的导热系数测.因此提出了基于稳态热流法导热仪测定非标准样品导热系数的方法以及实验数据修正方案，这在工程应用中是一种全新方法.
2 交互式绝缘材料导热系数测定
对于结构形状非标准的测试样品，如电机内的主绝缘、层绝缘、匝间绝缘等，其材料结构尺寸非标准形，其中的组分也不是单一材料，难以制作成规则试样，直接利用实验设备测量导热系数，需要采用一定方法来解决，这时需要本实验创新性，采用已知绝缘材料将待测材料紧密包裹成标准圆柱体形状，两种材料的厚度均是统一，并且所有材料的面积均容易测得，通过导热仪测得混合样品的等效导热系数λeq，再导出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数.
2.1 实验材料
本实验主要为了测定结构尺寸非标准绝缘材料垫块及铁饼外环氧的导热系数，它们属于E级绝缘，最高工作温度为120℃.取两个非标准绝缘试样（60mm×60mm的正方块），用已知导热系数绝缘材料做模具，使其组合成标准试样——交互式混合绝缘材料（已删除如图3所示）：（a）内垫块外铁饼外环氧和（b）外垫块内铁饼外环氧，各3块，测试绝缘材料样品正反面以A、B之分，分别记为外铁内垫A面、外铁内垫B面及外垫内铁A面、外垫内铁B面，如图4所示：
2.2 实验内容
导热仪可以直接测得整块模板的等效导热系λeq由于模具的导热系数已经单独制作标准测试样品测得，厚度为标准值，各部分面积可测得，因此求出结构尺寸非标准绝缘材料的导热系数计算公式如（3）所示：式中：λ1为已知材料的导热系数；s1为已知材料的横截面积；λx为待测材料的导热系数；sx为待测材料的面积；d为整个样品的厚度；λeq为整块材料的等效导热系数，
利用导热仪对两交互式混合材料正反面导热系数进行多次测量，并取均值，如表2所示：
由于本研究采用的是间接测量方法，在准确度和精度上要低于传统的测量方法，但是精度已足以达到工程需要.为了验证测量的准确性，基于Fluent有限体积法工程软件对实验过程进行数值仿真，一方面验证实验的准确性，另一方面与工程实际相结合，提出导热系数在电气工程领域设计开发阶段的实用价值.
3 实验结果及误差分析
通过将已知条件带入公式（3）多次求得结构非标准绝缘材料的导热系数计算值，并与实验值进行对比，如表3所示：造成测量误差的的可能原因主要有以下几点：1）实验设备：即使是同一块材料在相同条件下测相同时间，所得结果也会有所不同，测试中出现结果与其他数据相差较大的，采取重新测量办法以减小误差；
2）由于实验设备对实验材料尺寸要求很高，必须是直径100mm的圆柱体，人为加工材料很难做到精确，稍微大些便会出现放不进去测试炉的情况，为了能放进测试炉就需将样品切削稍微小于100mm，这会产生误差，该误差已由数据处理减小；
3）实验材料的厚度对实验结果也有影响，由于材料厚度不均，很难测得准确厚度，产生误差，实验过程中采用多次测量取平均值法减小误差；另外，待测样品与已知绝缘系数样品有厚度差，使其混合体在厚度上不连续，多次测量取平均值减少误差；
4）实验材料有弯曲现象，有明显凹凸面，不是标准柱体，这可能导致传热不均引起误差，实验过程中每个混合样品正反两面各测一次，最后取平均值以减小该误差；
5）对于交互式材料在衔接处有空隙，因此使用精密仪器尽量细加工材料，使两者最大程度吻合在一起以减少误差.
通过本次试验利用交互式绝缘材料导热系数测定的方法，来测得结构形状非标准绝缘材料的导热系数，经验证在误差允许范围内测量值与真实值基本吻合，该方法的可靠实用性.
4 结论
本文基于稳态热流法原理，对结构形状非标准同体绝缘材料的导热系数进行了交互式测定，主要得到如下结沦：
1）稳态热流法能够有效地解决交互式固体绝缘材料导热系数的测定问题；
混凝土导热系数试验研究 篇4
导热系数是分析混凝土结构的温度场的重要参数, 其测量方法主要可分为两类:稳态法和非稳态法。稳态法主要包括无限大平板层法、无限长圆筒层法以及球体层法, 这些方法用在混凝土导热系数的测量上都不是很方便和合适。因此测量混凝土的导热系数一般都用非稳态法。
为了对不同温湿度条件下混凝土导热系数的计算值有一个基准值来做比较, 本文采用SEI-3型准稳态法热物性测定仪在常温常湿的环境条件下对经过烘干的混凝土试块进行了导热系数测定。
(一) 测试原理
根据导热理论, 对厚度为2δ, 初始温度为t0, 导热系数为λ, 导温系数为α的无限大平板, 当其两表面用恒热流密度qw加热时, 平板内任意点的温度可表示为:
当加热经过一段时间后, 即F0>0.5时, (1) 式中的级数项便可略去不计了。这时可得简单的关系式
由 (2) 式可见, 板内各点温度随时间是线性变化的, 而与板面垂直的坐标X是成抛物线关系的。这就是不稳定导热达到准稳态时的温度场特征。对于X=±δ的加热面和X=0的中心面, 上式分别写成
由上面两式可得导热系数为
式中, Δt=tw-tc——同一瞬时加热面与中心面间的温差, ℃;
qw——单位面积平板表面所获得热流量, W/m 2;
δ——平板的半厚度, m。
因为从不稳态导热达到准稳态时, 板内各点的温度是随时间线性变化的。也就是说, 此时板内各点温度对时间的变化率是相同的, 故只要测出中心面 (或加热面) 的温度变化率, 就可以按定义写出比热容的计算式
式中, ρ——混凝土的密度, Kg/m 3;
(δ⋅t/Δτ) c——中心面的中心温度变化率, ℃/s。按定义, 材料的导温系数可表示为
(二) 不同环境温湿度组合条件下导热系数的计算
实验中, 温度响应试块的尺寸为250 mm×150 mm×150mm, 对于六面体这种特殊多维体的非稳态导热, 从结构上可以把它们看成是由三个大平板垂直相交截出的。数学上已证明, 这些组合体上任意点在任意时刻的无因次过余温度θ/θ0恒等于该点在各个垂直相交的形体上对应点的无因次过余温度 (θ/θ0) i的乘积, 其数学表达式如下:
各个形体上的无因次过余温度可以用查图方法解出, 那么根据“乘积法”原理, 组合体也可解出其无因次过余温度。
这里, 用无因次数分别表示如下:
按式 (9c) 绘制成的图叫大平板中心过余温度诺谟图。诺谟图是把数学分析解的结果绘制成图, 查这些图便可解出温度。利用图中查出的θ (0, τ) /θ0, 可以算出中心面上任意时刻的过余温度和温度。
按式 (9d) 绘制成的图叫大平板距离诺谟图。单独使用此图无法直接解出任意时刻θ (x, τ) 的值。因为仅知θ (x, τ) /θ (0, τ) 的比值, 而θ (x, τ) 和θ (0, τ) 都是未知的。只有查出θ (x, τ) /θ (0, τ) 的比值并结合查出的θ (0, τ) /θ0的比值, 才能解出任意位置任意时刻的过余温度, 见下式:
本文中, 基于上述试验测得的数据, 用反推的方法求得不同温湿度条件下混凝土的导热系数值。
已知条件:混凝土试块厚度2δ, 混凝土的内部初始温度t0, 人工气候试验箱环境温度t∞, 环境与混凝土间的表面传热系数h。为了使不同温湿度条件下导热系数计算结果具有可比性, 我们取实验过程中经过相同时间后的温度数据来进行计算, 这里取65min时的记录数据, 见表1:
人工气候试验箱温度45℃、湿度70%时, t∞=18.0℃, t∞=45℃, 2δ=0.15m, 20mm处, x=0.075-0.020=0.055mm, 75mm处, x=0mm。其计算过程如下:
根据式 (9) , 可得:
根据大平板距离诺谟图, 得到:
由前面可知, 混凝土表面对流传热取值公式建议为:hc=6.02+3.46v;混凝土表面总的表面传热系数取值公式建议为:h=12.47+3.33v (式中v代表风速, 单位m/s) 。这里, 我们取h=25W/ (m2·K) 。
可求得:
λ=0.59×25W/ (m2·K) ×0.075m=1.11W (m·K) 取混凝土的ρ=2300kg/m3, c=920J/ (kg·k) , 可进一步算得混凝土的导温系数为:
同样, 可以分别算出不同温湿度条件下混凝土的导热系数值和导温系数值, 结果见表2。
(三) 测试仪器与步骤
实验设备包括SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件, 如图1所示。SEI-3型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为δ、面积均为F的被测混凝土试块重叠在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器;在第三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器;在第二块与第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶;这四块重叠在一起的试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特性的绝热层, 然后用机械的方法把它们均匀地压紧。电热器由直流稳压电源供电, 加热功率由计算机检测。两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理, 并绘出试材中心面和加热面的温度变化曲线。
实验的主要步骤如下:
1.任选4块温度响应试块, 切割并加工出8块大小为100mm×100mm×17mm的混凝土板块, 尺寸完全相同, 表面平整, 如图2所示;
2.将板块置于105±5℃的鼓风干燥箱中干燥至恒重, 待板块温度恢复正常, 取出用游标卡尺对混凝土的厚度进行测量并用天平对其称重;
3.将其中4块混凝土板块按实验要求装入SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内, 接通测定仪电源, 在计算机进入软件系统后, 输入相关参数, 按给出的加热电压调节SEI-3测定仪的电压调节旋钮, 使加热电压在加热器预加电压值附近, 即可进行实验;
4.测量开始后, 观察加热表面和绝热表面的温度变化过程, 当两表面的温差基本不变时, 即温差曲线走平时, 表明不稳态导热达到准稳态时的温度场特征, 实验可结束。
(四) 测试结果与分析
从SEI-3型准稳态法热物性测定仪数据界面图3可知, 冷热面的温度差从第150个测试点已经非常稳定, 因此, 测试结果从智能起点第154个点取值, 至计算终点第501个点结束, 按式 (7) 计算导热系数, 试验结果见表3。
从表3可知, 试块混凝土材料的导热系数为1.054W/ (m⋅K) 。与计算值相比, 要小一些。分析认为, 导热系数受到混凝土孔隙水饱和度的影响, 通常情况下, 液体的导热系数远大于气体的导热系数, 所以混凝土孔隙水饱和度大时, 代表着混凝土内液相的增加, 混凝土的导热系数随之增大。在导热系数测定实验时, 混凝土试材是经过烘干以后的, 其孔隙水饱和度非常小, 所以测得的导热系数也较小。而在实际情况下, 必须对试验测得的导热系数进行修正。
(五) 结论
本文基于实验测定的温度分布, 计算得出混凝土材料的导热系数, 并与经过实验测定的导热系数作了比较, 结果表明:混凝土材料的导热系数随其孔隙水饱和度的增加而增加。因为实验测定导热系数时混凝土材料一般是经过烘干的, 所以在实际情况下, 必须对试验测得的导热系数进行修正。至于如何修正, 可在下一步的研究中展开相关试验。
摘要：导热系数是分析混凝土结构受温度变化而产生变形及破坏的重要参数。文章根据稳态法理论应用恒热流准稳态平板法对混凝土的导热系数进行了测量, 并对测量结果和理论计算结果进行了对比分析, 为进一步获得较为符合实际的导热系数提供了方法和依据。
关键词：导热系数,混凝土,试验研究,恒热流准稳态平板法
参考文献
[1]刘文燕, 赵勇.混凝土结构基本热工参数研究进展[J].第十三届全国结构工程学术会议论文集, 2004:88-92.
[2]刘照球.混凝土结构表面对流换热研究[D].上海:同济大学, 2006.
皮革的导热系数与保温性能测试 篇5
皮革材料的保温性能是涉及鞋类、服装等成品热舒适性能的重要指标之一。研究表明,人感觉不舒适大多始于足部的不舒适,足部舒适的要求是:皮肤温度大于33℃,湿度60%左右,一般足部皮肤在25℃,人开始感觉有点冷,到21℃会感觉明显冷,并伴有不舒适感[1]。在寒冷的环境中,具有良好保温性能的帮面皮革材料,可以有效减少成鞋的热量散失,保障脚部整体热环境,从而达到保暖舒适的要求。但如何表征皮革材料的保温性能,目前国内外文献中尚没有相关介绍,也没有一套科学的测试皮革保温性的标准方法,对皮革此项性能进行的研究也较少。本研究借鉴了纺织保温性测试方法—YG(B)606D型织物保温性测定仪和物理试验不良导体导热系数的测定方法[2],并参考了GB/T 11048-2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》[3]、GB/T 3399-1982《塑料导热系数试验方法护热平板法》[4]、GB/T3139-2005《纤维增强塑料导热系数试验方法》[5]等相关标准,自行设计了一套适用于皮革保温性能的测试装置,并针对不同类皮革材料进行了一系列试验验证和分析,对进一步完善皮革标准检测体系,深化皮革相关性能研究以及制鞋厂家合理选择材料,提高产品质量和附加值等提供一定的理论依据和数据参考。
1 试验部分
1.1 主要材料和仪器
铬鞣黑色黄牛全粒面革、铬鞣黑色黄牛修面革、铬鞣白色黄牛漆光革、铬鞣棕色黄牛磨砂革,广东恩平瑞昌制革有限公司;
黄色猪皮里,浙江平阳县华杰皮业有限公司。
铜盘、加热炉体、铁质厚底传热圆筒,陕西科技大学机械厂;
CP-25冲样机,浙江省余姚轻工机械厂;
铂铑-铂热电偶,上海大德仪表厂;
TDGc-2接触调压器,上海电压调整器厂;
Testo615表面温度计,高铁科技股份有限公司;
SR73型PID智能控温仪,日本岛田公司。
1.2 试验部分
1.2.1 织物的保温性测试
(1)测定原理
织物保温性可用保温率、传热系数和克罗值等系数来表征,保温率是指无试样时的散热量和有试样的散热量之差与无试样时的散热量之比的百分率。保温率测定的原理是模拟人体温36℃以通断电的方式保持恒温,使试验板的热量只能通过试样的方向散发,测定试验板在一定时间内保持恒温所需要的加热时间,来计算试样的保温率、传热系数和克罗值。
(2)织物保温性测试
裁取试样3块,尺寸为30cm×30cm,并在标准空气中调节24h。采用YG(B)606D型织物保温性测定仪,参照国家标准GB/T 11048规定进行检测。
1.2.2 不良导体导热系数的保温性测试
(1)不良导体导热系数测定原理
不良导体导热系数测定方法是建立在傅里叶热传导定律的基础之上的,有稳态法和非稳态法2种,本项目采用稳态法测定不良导体导热系数。傅里叶热传导指出,当物体内部各处温度不均匀时,就会有热量从温度较高处传向较低处,这种现象称为热传导。导热系数的物理意义是指在温度梯度为一个单位的情况下,单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。
把样品夹在2块良导体—铜板之间,见图1,使2块铜板分别保持在恒定温度T1和T2,就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。若样品厚度远小于样品直径,由于样品侧积比平板面积小得多,由侧面散去的热量可以忽略不计,可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导,即只在此方向上有温度梯度。由于铜是热的良导体,在达到平衡时,可以认为同一铜板各处的温度相同,样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和2块铜板的温度T1、T2,就可以确定样品内的温度梯度(T2-T1)/h。
为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样,只要测量低温侧铜板在稳态温度T2下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)d T/dt有关,其表达式为
式中的m为铜板的质量,C为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。
对铜板散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度T2(大约高出10℃),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于T2,测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出T-t曲线,曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。
d T/dt是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率,其散热面积为2πRp2+2πRphp(其中Rp和hp分别是下铜板的半径和厚度)然而在试验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为πRp2)是被样品覆盖的,由于物体的散热速率与它们的面积成正比,所以稳态时,铜板散热速率的表达式应修正为:
根据前面的分析,这个量就是样品的传热速率。将上式代入热传导定律表达式,并考虑到d S=πR2,可以得到导热系数:
式中:
R—试样的半径,m;
h—试样的厚度,m;
c—铜的比热容,J/(kg·K)
Rp—下铜板的半径,m;
hp—下铜板的厚度,m。
(2)试验装置
保温性测试仪器主要装置如图2所示。装置的主体部分铁质圆铜,圆筒内放置严密的石棉作料绝热壁进行隔热,减少与外界的热量交换,用PID智能控温仪控制炉体的加热速度,使之能达到一定的温度平衡状态,炉体放在上铜块上,使上铜块成为一个稳定的热源,并通过试样向下铜块传热,使用热电偶感应上铜块的温度,使用表面温度计测试下铜块的温度。本研究自行设计的保温性测试仪器,是一种符合GB3398-80导热系数试验方法所要求的平板法试验装置,测试仪对试样的要求:空气调节的时间、温度、湿度一致,且试样表面平整、厚度均匀。
(3)操作步骤
A)用游标卡尺测量上、下铜盘的直径和厚度,用天平称量已空调过的试样、上下铜块的质量,测量3次取平均值。
B)把待测样品放入铁质厚底圆筒内,使待测样品与下铜块接触良好。把上铜块轻放在试样上,使上铜块、试样、下铜块的中心在一条直线上。
C)热电偶插入上铜盘上的小孔时,抹些硅脂,并插到洞孔底部,使热电偶测温端与上铜块接触良好,热电偶另一端接在PID智能控温仪的接线上。
D)Testo615表面温度计对准下铜块的小孔上,打开稳压器电源和PID智能控温仪的开关,设置PID的目标温度为36℃,控温时间为30min,加热炉体开始对上铜块加热,热量通过上铜块-试样-下铜块的方式传递。
E)根据稳态法,必须得到稳定的温度分布,这就要等待较长时间,为了提高效率,可先将电源电压打到“高”档,几分钟后当PID智能控温仪温度达到36℃即可准备读数,每隔30s读Testo615表面温度计的数值,如果在2min内样品下表面温度示值不变,即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与PID智能控温仪、Testo615表面温度计对应的T1,T2值。
F)移去样品,继续对下铜块加热,当上铜块温度比T2高出10℃左右时,移去上铜块,让下铜块所有表面均暴露于空气中,使下铜块自然冷却,每隔30s读一次下铜盘的温度示值并记录,直到温度下降到T2以下一定值。作铜盘的T—t冷却速率曲线,选取邻近T2的测量数据来求出冷却速率。根据(3)式计算样品的导热系数λ。
1.3 不良导体导热系数法测试皮革的保温性
(1)不同种类皮革试样的保温性能测试:选取5种不同种类的皮革(按照其透气性、透水汽性优劣排序依次为:猪鞋里革、牛磨砂革、牛全粒面革、牛修面革、牛漆革)进行测试,分别从整张皮革的臀背部上以背脊线为中心,等距离的用冲样机以及刀模裁断取样。进行单一材料的保温性能测定,选择单因素多指标全面试验设计法,每种材料取样24个试样分别进行测定,共做24×5=120次试验,记录平行试验数据,计算各材料的平均值。
(2)各材料不同部位保温性能测试:按照皮革试样取样方法分别在整张牛全粒面革、牛修面革、牛磨砂革、牛漆革材料的脖颈、背、臀、腹和肷等5个部位各取3个试样,置入装有相对密度为1.27的浓硫酸的干燥器内进行空气调节24h后,用不良导体导热系数法测试皮革试样的保温性。
2 结果与讨论
2.1 2种测试方法的结果比较
以全粒面革的3个试样2次平行试验为例,结果见表1和表2
由表1可见:用YG(B)606D型织物保温性测定仪测定时,3个试样的试验时间每次都不同,浮动较大,且2次平行试验测得的传热系数值也不稳定,偶然误差较大,精密度较差。试验操作时是把规格为30cm×30cm的皮革试样平放在试样板上进行加热的,对试样平整度要求比较高,但因为皮革具有较大的弹性,在生产和运输过程中无法保证绝对的平整,故试样容易与仪器平板形成空气层,而空气层具有良好的隔热效果,将使通过试样方向发散的热量减少,导致试验板在试验时间内保持恒温所需加热时间减少,直接影响测试结果的准确性,导致测试误差比较大。另外室内若有风,则风的作用会使试样外表边界空气变薄,还能透入试样中及试样下面的空间,因此,测试操作环境不稳定也会引起较大的试验误差。所以YG(B)606D型织物保温性测定仪不适合测试皮革试样的保温性。
由表2的测试结果可以看出:采用不良导体导热系数方法测定皮革试样的保温性,测试结果比较稳定,精密度高。这是因为测试皮革试样的尺寸较小,与上下铜板接触不存在形成空气层的问题,PID智能控温仪能较精确地控制温度,能较好地使上铜块保持恒温测定状态,因此每组平行试验的数据范围变动相对稳定,偶然误差小,精密度高,操作方便。
综上所述,选用不良导体导热系数测定仪进行皮革试样的保温性试验比较合适,具有可行性。
2.2 不良导体导热系数法测试皮革的保温性的结果
2.2.1 不同种类皮革试样保温性能的测试结果
不同种类皮革试样的保温性能测试结果见表3
2.2.2 皮革材料不同部位保温性能测试结果
皮革材料不同部位保温性能测试结果见表4。
2.2.3 分析与讨论
由表3和表4的测试结果可以看出:采用不良导体导热系数方法测定皮革及不同鞋材试样的保温性,测试结果比较稳定,精密度高。这是因为测试试样尺寸较小,与上下铜板接触不存在形成空气层的问题,PID智能控温仪能较精确地控制温度,能较好地使上铜块保持恒温测定状态,因此每组平行试验的数据范围变动相对稳定,偶然误差小,精密度高,操作方便。
不同材料导热系数测试结果由大到小的排列为猪鞋里革>牛磨砂革>牛全粒面革>牛修面革>牛漆革,这与不同材料自身透气性、透水汽性的排列顺序一致,可以证明导热系数所代表的保温性与透气性、透水汽性之间存在负相关关系,即透气性高的材料其保温性低。
注:1-全粒面革,2-磨砂革,3-修面革,4-漆革
针对牛革不同部位进行的测试结果表明:皮革不同部位的导热系数总体相差不大,但腹部的导热系数较臀背部高,导热系数高说明保温性低,即腹部的保温性不如臀背部的保温性。导热系数是材料气孔、密度、含水率、温度与空气量等多种因素综合影响的结果,一般情况下,气孔率增大会使导热系数下降,腹部与臀背部比较,由于臀背部具有更细密的毛孔,因此,气孔率较腹部高,导热系数也随之下降。
本研究为首次用物理方法-不良导体导热系数测定法测试皮革的保温性,通过试验表明:选用导热系数测定仪进行试样的保温性试验具有可行性,导热系数法为皮革保温性能的检测提供了一种快速便捷的手段。但由于皮革材料的种类、加工工艺和具体用途多种多样,对保温性要求及测试条件存在较大差异,另外,材料的耐压性、吸湿性等也会对保温性测试结果产生影响,下一步需要通过分类测试试验,针对不同的测试对象探索不同的测试条件和评定标准,以期可以获得科学准确、适应面广的研究成果。
影响皮革保温性能和鞋的卫生舒适性的因素较多,其测试研究涉及多个不同学科的知识,只有以最终实际应用为出发点,综合考虑所要解决的各个问题,才能研制出科学、合理、可靠的仪器,促进现有测试手段的成熟和完善,进而建立相关测试标准,促进产品质量提高。
3 结论
由本论文的试验结果可以得出以下结论。
(1)选用不良导体导热系数测定仪进行皮革试样的保温性试验,结果相对稳定,偶然误差小,精密度高,操作方便。具有可行性。
(2)不同材料导热系数测试结果由大到小的排列为猪鞋里革>牛磨砂革>牛全粒面革>牛修面革>牛漆革。
(3)不同部位的导热系数总体相差不大,但腹部的导热系数较臀背部高,保温性低。
参考文献
[1]3M公司.足部保暖和鞋用保温材料[J].中国个体防护装备,2004(6):16-17
[2]钱锋,潘人培.大学物理实验[M].高等教育出版社,2005
[3]GB/T11048-2008纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定[S].北京:中国标准出版社,2008
[4]GB/T3399-1982塑料导热系数试验方法护热平板法[S].北京:中国标准出版社,1982
测油脂导热系数的研究新进展 篇6
关键词：油脂,导热系数,测定方法
油脂是一种为人类提供热能与营养的重要物质,广泛分布在植物种子和动物皮下脂肪组织,除了供人类食用外,还有重要的工业用途。导热系数是油脂重要的热物性参数之一,为油脂工业化生产提供技术依据和数据参考。在油脂加工生产、精炼等过程的有关传热设计中,为了估算换热器及换热元件的尺寸以及成本,使工程设计合理,节省能源和原材料,需要参考油脂的导热系数,而且油脂导热系数随温度的变化关系一直没有通过实验研究得到论证,故对油脂导热系数测定显得尤为重要。油脂组分复杂,有一定粘度,常温和高温下处于液态; 油脂导热系数与其物理状态、化学组分以及纯度等因素有关,又受温度、压力影响较大,数值较小［1］; 另外,油脂在温度梯度存在的温度场内很容易产生对流,要完全消除对流的影响根本不可能,因此,油脂导热系数测定相比金属、粉末、陶瓷等物质是比较困难的。目前测量物质导热系数的方法主要分为理论计算和实验测定,实验测定又分为稳态法和非稳态法两大类, 下面对国内外液体导热系数测定方法进行综述。
1理论计算
在理论上,液体物质的导热系数与它的结构密切相关,利用液体结构的相关理论,分析液体的导热机理和建立其导热的物理模型,通过数学计算是可以得到液体的导热系数的。多年来,国内外科学工作者对计算液体导热系数进行了大量研究,出现了一些液体物质导热系数估算方法,有幂律关系式、陈则韶法和童景山法[95型]、Missenard法、Sato - Riedel法、 Latini法［2］等。幂律关系式适用于各组分导热系数比较相近的液体有机物; 陈则韶法针对不同类型液体有机物需要采用不同的方程参数,使用不方便; 童景山法需要物系的体积或密度数据,在采用体积或密度的估算值时,计算误差很大; Missenard法、Sato - Riedel法和Latini法适用于非极性和弱极性有机物, 对低分子烃的导热系数估算误差较大; ,而且Missenard法需要物系的热容和密度及蒸发焓数据,计算较繁琐［3］。由于液体堆积结构没有完整的理论,这些估算方法所假设的方程都缺少理论依据,基本上是基于经验的,比较简单化、理想化,同复杂的实际情况不相符合,往往会产生较大的误差,并且这些方程一般只适用于特定的物系和范围,像油脂这样组分复杂的混合物体系仍需依靠实验测量其导热系数。
2实验测量
在测量油脂导热系数的过程中需要保证仅有热传导过程, 抑制对流及辐射对测量结果的影响。从相关文献调查可知,未见报道测定油脂导热系数的方法,而有关液体导热系数的测量,是在1881年由chrisliansen采用平板型比较法首先报道出来,经过不断的改进,在1924年发展为热流计法,进入20世纪50年代后,有人报道热流计法导热仪的研制和使用情况;在1888年schiermacher提出热线法,在1949年Van Held和Van Drumen将热线法用于测量液体的导热系数; 热探针法是在热线法基础上发展而来的,1931年Slathame和pyk在研究报告中提出了其数学模型; 1979年瑞典的Gustafsson教授在瞬态热线法和瞬态热带法的基础上首先提出了瞬态平面热源法［4］( Transient Plane Source Method) ,经过不断的应用和改进,现已成为一种趋于成熟的测液体导热系数方法。实验测量液体导热系数的方法有很多种,根据待测液体温度与时间的变化关系主要分为稳态法和非稳态法两大类。
2. 1稳态法
稳态法是指在待测液体的温度分布达到稳定后才进行测量的方法,其原理是基于一维稳态传热下的傅里叶定律［5］。稳态法可以设计成绝对法或相对法,主要包括平板法、圆筒法、圆球法三类; 在所有的稳态法中,待测液体均放置于特定形状的腔室中,温度梯度由上板( 平板法) 或内筒( 同心圆筒法) 的加热器产生,通过温度梯度、热流量、固定的几何参数就能求出待测液体的导热系数。但是该方法平衡时间较长,一般使待测液体稳定在一个温度点需要几个小时甚至更长; 待测液体在高温时容易发生对流,影响测定结果,为保证测量过程仅有一维热传导,需要采用特制的装置来控制边界条件,对设备加工要求很高; 此外,在处理实验结果时,需要比较不同实验条件( 温度、液体层厚度) 下的数据,操作起来相当麻烦。近年来对液体导热系数的测定多采用非稳态法,这种方法能有效抑制对流的影响,使液体导热系数测定结果的精度得到较大提高,
2. 2非稳态法
非稳态法也叫瞬态测量方法,与稳态法相反,非稳态法测量液体导热系数时,待测液体中的温度分布是随时间变化的, 其理论模型基于非稳态导热微分方程。待测液体内部温度需要分布均匀,能在设定的温度变化范围内保持一定的时间,测量时,仪器会自动测量和记录液体温度随时间的变化关系,然后根据相应的理论模型就能得到待测液体的导热系数［6］。非稳态法测试时间短,一般1 min之内就能完成,有些方法甚至只需几秒; 此外,由于测量时间很短,能够有效抑制自然对流的影响,所以测量的数据精确度也较高。随着现代电子科学技术的迅速发展,准确获取短时间内的微小电子信号成为可能,非稳态法逐渐成为测液体导热系数的主流方法。目前常用的非稳态测试方法主要有: 瞬态热线法,瞬态热针法及瞬态平面热源法, 这三种方法在测试时探头都被置于液体中间,测试过程中探头既被用做加热热源又被用作温度传感器。
2. 2. 1瞬态热线法( transient hot wire)
瞬态热线法的理论基础是柱坐标中的一维瞬态导热问题［7］。在测试时将一根金属丝( 热线) 浸入液体中,初始时金属丝与液体处于热平衡,然后给金属丝通以恒定电流加热,热线温度升高,继而向周围的液体传递热量,热线温升速率与周围液体的导热系数有关,为了得到精确的热线温升速率,一般使用电桥法测量,通过测量桥路电压差的数据,间接得到热线温升曲线,也有直接测量热线电阻的变化,再根据相应的理论模型就可以得到液体的导热系数［8］。在1931年Stalhane和Pyk首先提出瞬态热线法,当时由于受到电子仪器发展的限制,此方法的测量精度并不高; 后来Healy等人进行了详细的理论分析,并在此基础上建立了测量液体导热系数的新装置; 随着20世纪80年代电子科学技术的迅速发展,微小电子信号的获取越来越准确,这一方法才得以广泛应用; 此外,该方法在检测自然对流和消除对流影响方面也有显著的优势,测量过程中只需根据热线温升—对数时间曲线是否偏离线性段,就可以判断出是否有对流发生。
2. 2. 2瞬态热针法( transient hot probe)
瞬态热针法是基于瞬态热线法发展起来的测试方法,两者原理相同,只是线热源用热针代替了热线。理论模型中要求线热源长度无线长,直径无限小,热针的长度一般在60 mm以上,外径一般为0. 7 mm左右,瞬态热线法中线热源材料为15 μm左右的铂丝或钽丝等,能够基本满足理论模型［9］。热针的机械强度高,更加结实牢固,在测量泡沫、土壤、沙石、水稻、等松散介质的导热系数方面具有独特的优势。但是,传统的热探针法,由于在热针与针管之间填充有其他介质,针管内部的传热机理比较复杂,与理论模型的偏差较大,自身系统误差难以消除,测量精度没有瞬态热线法高,测量时间也更长。
2. 2. 3瞬态平面热源法( Transient Plane Source Method)
瞬态平面热源法［10］是非稳态测量方法中一个重要分支,它是由瑞典的Gustafsson教授在瞬态热线法和瞬态热带法的基础上首先提出的。1979年Gustafsson教授用通以恒定电流并可忽略厚度的带状探头测试电绝缘固体材料的导热系数,这就是由瞬态热线法发展而来的瞬态热带法,热带法则涉及二维瞬态导热。1986年Gustafsson教授用附有聚酰亚胺的带状探头测量了导电固体材料的导热系数。随着瞬态热带法的进一步发展,该方法能应用于许多种材料的热物性测试中,比如铜粉、沙子、 高熔点的材料、纯度非常高的金属以及建筑材料。为了提高测试的精度和扩大测试范围,在瞬态热带法的基础上,Gustafsson教授提出了瞬态平面热源法,该方法涉及柱坐标中的二维或直角坐标系中的三维瞬态导热,理论基础更加复杂,探头是由光刻蚀处理的双螺旋结构金属镍丝构成,两侧被聚酰亚胺薄膜封装,又将探头做成正方形或圆盘形,常用的是圆盘形探头,即所谓的Hot Disk探头,并因此为基础研制出了Hot Disk热常数分析仪［11］。我国徐慧等人详细介绍了瞬态热带法( THS) 和瞬态平面热源法( TPS) 实验原理、实验装置、电路以及其他参数的测定,并阐述了这些方法的优点。黄犊子等人利用Hot Disk热常数分析仪测量不锈钢标准件、冰和水合物的导热系数,随后又利用Hot Disk热常数分析仪测试测量了常压、温度233. 115 ~ 273. 115 K下四氢呋喃水合物的导热系数,证明该仪器能够测试的试样种类很多。瞬态平面热源法是近几年发展起来的一种新的测试方法,总结起来,它的特点有:
( 1) 导热系数的测温范围和试样种类更宽,包括金属和非金属材料以及液体等;
( 2) 可测试的导热系数范围大,可以覆盖0. 005 ~ 500 W/ ( m·k) 的范围,即几乎所有材料的导热系数;
( 3) 测试时间短,试样达到温度平衡后从开始加热到输出数据仅需数十秒;
( 4) 与瞬态热带法相比,瞬态平面热源法的测温灵敏性和精度更高;
( 5) 要求的试样小,且试样制备简单。
3油脂导热系数测定方法存在问题及前景
硅酸钙板导热系数影响因素的研究 篇7
硅酸钙板是一种以水化硅酸钙为主要成分并掺增强纤维的新型建筑节能材料,具有质轻、高强、阻燃、耐火、绝热、保温等性能,广泛用于房屋建筑和工业建筑等领域[1,2]。 近年来,随着国家对建筑节能的重视,硅酸钙板行业得到了迅速发展。 导热系数是反映硅酸钙板隔热保温性能的重要基础参数,能够获得较准确的导热系数,对硅酸钙板的进一步研究有很大的帮助[3,4]。 硅酸钙板导热系数的影响因素很多,除与测试方法、测试装置和传热方式有关外,还与测试环境、材料自身特性(如密度、含水率等)等因素有关[5]。 本文探讨了材料类型、密度、含水率、 测试温度等因素对硅酸钙板导热系数的影响,通过试验找出了各种因素对其产生影响的规律,可为生产厂家进一步提高硅酸钙板产品的隔热保温性能提供一些基础数据,同时也为检测人员在提高此类产品导热系数测量准确性上提供参考。
1 测试原理及仪器设备
1.1 测试原理
导热系数的测量采用防护热板法[6], 其测量原理为傅立叶热传导理论,即在导热过程中,单位时间内通过给定截面的热量Q, 与该截面面积S和垂直于该截面方向上的温度变化率(温度梯度)d T/dz成正比。 在一维稳态导热时,其数学表达式为(负号表示热流方向与温度梯度方向相反):
1.2 仪器设备
JN-DR3030 型导热系数仪; 电热鼓风干燥箱(常温~300℃); 恒温恒湿试验箱(温度范围:-60~150℃,湿度范围:30%~98%)。
2 结果与讨论
2.1 材料类型的影响
硅酸钙板的用途不同,其成分组成、结构类型会存在差别。 物质构成不同,其物理热性能也就不同,隔热机理存在区别,其导热性能或导热系数也就各有差异;结构类型不同,其外部特征和理化性质都会有较大差别,导热系数也就不同。 即使物质构成相同,但内部结构不同,或生产控制工艺不同,导热系数的差别有时也很大[5]。 本文对不同生产厂家或同一厂家不同批次的硅酸钙板样品,进行了密度、导热系数(样品干燥处理后测试)和孔隙率[7]的测定,其结果如图1 所示。
由图1(a)可见,密度相同的硅酸钙板,其导热系数并不完全相同。 这主要是与样品的成分、内部结构以及生产控制工艺等因素有关。 硅酸钙板主要由硅质材料、钙质材料、增强纤维、助剂等按一定比例配合,并经抄取或流浆、蒸压养护等工序制成的。每种成分的导热系数不同,所以配比不同,导热系数就会有差别。 此外,导热系数与孔隙率以及孔的形状大小有很大关系。 由图1(b)可见,密度相同情况下,孔隙率也不完全相同。相对来说,在密度相同或相近的情况下,孔隙率越小,导热系数越大;在孔隙率相同的条件下,孔隙尺寸愈大,导热系数就愈大,互相连通孔隙比封闭孔隙导热性要高。
2.2 密度的影响
同一厂家提供的密度等级为D0.8、D1.1、D1.3、D1.5,厚度均为9.6mm的四组试样,干燥处理后,在环境温度23℃,相对湿度43%,冷热板温差为20℃条件下,测其导热系数,其试验结果如图2 所示。
由图2可以看出,测试平均温度相同情况下,导热系数随密度的增加而增大。出现这种现象的原因有两个。一是因为硅酸钙板的密度与孔隙率有很大关系,密度越小,孔隙率越大,如图1(b)所示,参与导热的空隙气体越多,而空气的导热能力比固体物质的导热能力小得多,因而导热系数就越小;二是由于空气与固体的导热机理不同,气体导热主要依靠气体分子的扩散作用,而固体导热是靠固体分子的振动传播的,二者的导热机理不同导致在二者的接触面上存在较大的接触热阻, 孔隙率减小,则固体与空隙气体的接触面就越少,接触热阻就会变小,从而导热系数就会变大[6]。 综上所述,硅酸钙板密度减小,孔隙率增大,导热系数减小。
2.3 含水率的影响
环境温度23℃, 相对湿度43%, 冷热板温差为20℃条件下, 测试了密度等级分别为D1.1 和D1.3的试样在不同含水率条件下的导热系数,其试验结果如图3 所示。
由图3 可见,密度等级不同的试件其导热系数随含水率的变化具有相同的趋势,即导热系数都随着含水率的增加先缓慢增加再迅速增加后趋于平稳。 这是因为,试样处于绝干状态时,其换热模式主要是固体颗粒的导热。 随着含水率的增加一方面硅酸钙板孔隙中的气体被水分代替,而水的导热系数比空气的导热系数大20 倍左右(若在冰点以下,孔隙中的水结成了冰,冰的导热系数会更大),故引起其有效导热系数的明显升高[7,8]。 另一方面由于水分的存在使得颗粒间的接触点易形成液岛,不仅可以有效减小固体颗粒间的接触热阻,还提供了水蒸汽扩散流动的条件,相变带来的潜热对有效导热系数的影响显著。 含水率继续增加,水分形成索状流动,使有效导热系数继续急剧增加。 当试样孔隙基本吸湿饱和时,湿迁移受到约束,含水率的增加对导热系数的增加作用也趋于饱和,曲线趋于平稳。
硅酸钙板含水率在绝干至10%范围内时,导热系数变化显著,含水率10%时导热系数基本可达最大值。 日常使用的硅酸钙板都含有一定量的水分,且这种产品本身最大的缺点之一就是易吸水,当空气湿度很大时,含水率有可能超过10%,因而按产品标准JC/T 564.1—2008 《纤维增强硅酸钙板第1部分:无石棉硅酸钙板》测出的导热系数值(绝干状态下)与实际使用情况下的值差别较大。 另外,以绝干状态下的导热系数来衡量产品隔热保温性能不够科学、合理,不符合实际使用情况。 例如产品A和产品B, 绝干状态下产品A的导热系数小于产品B的,而实际使用中由于产品A和B的吸湿能力不同且其导热系数随含水率变化的程度也不同, 所以,产品A的导热系数非常有可能比产品B的大,即实际使用中产品B较产品A隔热保温性能好。
2.4 测试温度的影响
硅酸钙板产品的导热系数一般来说随着测试温度的升高而增大, 特别是当材料的密度较小、孔隙率较大时, 温度对导热系数的影响会更明显,这时辐射传热和对流传热的影响是相当可观的。 另外,有资料显示[9],当温度较低时(0~50℃范围内),温度对多孔材料导热系数的影响并不显著,但对于在高温或负温条件下使用时, 需要考虑温度的影响。由于仪器测试温度范围的限制,本文未研究高温和负温下硅酸钙板导热系数与测试温度的关系,选取的测试范围为0~80℃,见图2 和图3。
由图2 和图3 可以看出,样品在绝干或含水率较低情况下的导热系数随着平均温度的升高而增大,且密度等级越低,增幅越大,但由于温度变化范围不大,整体增幅都不大。
从图3 还可发现,当试样含水率超过一定值时(约8%~10%),测试平均温度越高,硅酸钙板的导热系数越小。 对于高含水率的样品,导热系数测试结束后,从冷热板之间取出样品时发现,冷板表面有一层水珠,称取试样发现有质量损失,且含水率越高、测试平均温度越高,其试验平衡所需时间越长、质量损失越大。 而测试前试样均已静置48h以上,其表面干燥(含水率高时表面湿润), 并无水分渗出,可基本认定内部水分已达到相对均匀状态。 产生这种现象的一个重要原因就是加热法测量导热系数的过程中存在湿迁移效应[10],且测试温度越高湿迁移越严重。 可见,水分的存在不但影响试验平衡时间,还影响试验数据的稳定性和准确性。
3 结论
(1) 硅酸钙板的结构类型不同,其导热系数会存在较大差别。
(2) 密度相同的硅酸钙板,其导热系数并不完全相同,但整体来说密度越小,其孔隙率相对越大,导热系数值就会越小。
(3)导热系数随含水率的增加出现先缓慢增加再迅速增加后趋于平稳的趋势。 含水率对硅酸钙板导热系数的影响很大,硅酸钙板的最大缺点之一是吸水率高,不防水。 因此,使用时须注意防水避潮。
导热系数 篇8
无机轻集料保温砂浆既能满足节能指标要求又是物理化学稳定性好、燃烧性能达到A级、抗压强度比有机保温板材高的材料,因此该类保温材料是一种综合性能较好且绿色环保的建筑材料[1]。涉及到建筑节能效果,导热系数是最重要的考核指标,如何得出导热系数真实检测结果尤其重要。随着对无机轻集料保温砂浆研究的深入,各地标准以及国家标准陆续出台。但是各标准之间所规定的制样条件及检测方法不尽相同,则会给无机轻集料保温砂浆的检测结果带来影响。集灰比、砂浆稠度、搅拌器械、搅拌时间、养护方式、养护环境、检测设备等因素都会对无机保温砂浆导热系数检测结果带来影响。在这里着重讨论砂浆稠度、搅拌器械与搅拌时间对无机保温砂浆抗压强度检测结果的影响。
2 检测方法
目前无机保温砂浆产品使用较多的检测标准有GB/T20473-2006《建筑保温砂浆》、GB/T26000-2010《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》、JGJ 253-2011《无机轻集料砂浆保温系统技术规程》、DB33/T1054-2008《无机轻集料料保温砂浆及系统技术规程》(浙江省工程建设标准)。对四个标准在无机保温砂浆制样过程中的要求进行比较,见表1[2,3,4,5]。
通过表1可以看出,四个检测标准中保温砂浆产品制样要求有以下不同点:
1)搅拌器械:圆盘强制搅拌机、行星式(立式)搅拌机、卧式搅拌机
2)搅拌时间:2min、3min～6min
3)稠度控制:(50±5)mm、(80±5)mm、(80±10)mm
4)烘干温度:(80±3)℃、(105±5)℃
3 试验方案
试验用无机保温砂浆采用市场采购的同一批保温砂浆产品。综合检验标准对保温砂浆制样要求,结合实验室条件,制定出以下试验方案:
试验1:固定粉水比和搅拌时间,采用转速(逆时针)(60±2)r/min,搅拌叶片转速(顺时针)(80±4)r/min的立式搅拌机和转速(45±5)r/min卧式搅拌机进行制样,记录砂浆稠度、采用烘干温度105℃,检测导热系数。
试验2:固定采用立式搅拌机,稠度控制分别为50mm、70mm、80mm、90mm,记录粉水比,采用烘干温度105℃,检测导热系数。
试验3:固定粉水比,采用立式搅拌机,搅拌时间分别为2min、3min、4min、5min、6min,记录稠度,采用烘干温度105℃,检测导热系数。
试验4:固定粉水比,采用立式搅拌机,搅拌时间为3 min,分别采用烘干温度为80℃、105℃,检测导热系数。
导热系数检测设备采用德国耐驰HFM436导热系数测定仪,导热系数检测平均温度为25℃。
4 结果讨论与分析
4.1 搅拌器械对砂浆导热系数的影响
按照粉水比为1:1,搅拌时间3min和6min,分别制备5组试样,导热系数检测结果见表2。
由表2可以看出,使用立式砂浆搅拌机所制得的试样相对卧式砂浆搅拌机均匀性较好,且导热系数相对较好,说明立式砂浆搅拌机在搅拌过程中更能使试样均匀分散,且搅拌力更柔和,轻集料在搅拌过程中破碎较少,从而保证其在保温砂浆中的保温作用。
4.2 稠度控制对砂浆导热系数的影响
稠度是表征砂浆施工和易性的重要指标。对于集灰比一定的砂浆,稠度的大小取决于加水量的多少和搅拌分散均匀性。固定采用立式砂浆搅拌机,稠度的决定因素就在于加水量的多少。稠度越小,砂浆越粘稠,施工越困难越不易上墙,而且硬化干燥后的砂浆干密度越大,虽然力学性能好,但是导热系数变大,不利于节能。而稠度偏大,虽然干密度降低,导热系数减小,但是由于力学性能变差,挂壁性能降低,安全耐久性能降低。所以确定合适的稠度范围,对于确保保温砂浆力学热工性能符合标准要求是必要的。
由表3可以看出,导热系数检测结果随着稠度的增大而降低。而且在制样过程中发现稠度控制在50mm～60mm范围时,砂浆的施工性较差,不易抹平。而稠度大于100之后,砂浆过稀,出现泌水现象。因此,综合导热系数检测结果来看,砂浆稠度指标在70mm～90mm范围内,可以在保证施工性的前提下,尽量增大稠度,从而可以得到较好的导热系数检测结果。
4.3 搅拌时间对砂浆导热系数的影响
搅拌时间是保温砂浆制样过程的重要参数。在保证砂浆分散均匀的前提条件下,搅拌时间越短,保温砂浆中的轻集料破碎量越小,从而使保温砂浆的热工性能更优越。
由表4可以看出,随着搅拌时间的增加,砂浆的导热系数明显增加,搅拌时间低于3min时,试样均匀性较差,因此,建议搅拌时间控制在3min～5min。
4.4 烘干温度对砂浆导热系数的影响
标准中要求导热系数试样在进行检测前要进行干燥处理,主要是因为不同含水状态对导热系数检测结果影响较大,无法进行逐一评判,所以一般标准中都是规定检测绝干状态下的导热系数。
由表5可以看出,105℃烘干的导热系数检测结果明显优于80℃烘干的导热系数检测结果。考虑到有的保温砂浆产品中可能添加挥发性物质,建议在允许的范围内用尽量高的烘干温度对导热系数试样进行烘干,从而得到更好的检测结果。
5 结语
1)粉水比和搅拌时间相同的前提下,使用立式砂浆搅拌机比卧式砂浆搅拌机制得的样品均匀性较好,且导热系数检测结果相对较好。
2)砂浆稠度指标控制在70mm～90mm,而且可以在保证施工性的前提下,尽量增大稠度,从而可以得到较好的导热系数检测结果。
3)随着搅拌时间的增加,砂浆的导热系数明显增加,建议搅拌时间控制在3min～4min。
4)在允许的范围内用较高的烘干温度对导热系数试样进行烘干,从而得到更好的检测结果。
参考文献
[1]朱海波,杨权.影响无机保温砂浆抗压强度检测结果的讨论[J].墙材革新与建筑节能.2013,(5).67-69.
[2]GB/T 20473-2006,《建筑保温砂浆》[S].
[3]GB/T 26000-2010,《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》[S].
[4]JGJ 253-2011,《无机轻集料砂浆保温系统技术规程》[S].
导热系数 篇9
冻土的导热系数是研究冻土温度场不可缺少的参数, 它影响着冻土温度场的变化, 是冻土重要的一项热力学参数。研究冻土导热系数有很重要的意义, 它不仅用于确定寒冷地区大地温度分布和冰冻深度, 还用于冻土地区与建筑工程有关的热工计算中。国内外对于导热系数测定的研究很多, 提出了许多测试方法, 概括起来主要有稳态法和非稳态法两种。其中, 稳态法包括平板法、比较法和热流计法;非稳态法包括球形探针法和瞬态线热法。王伟[1]研制出了一种用瞬态线热法测量导热系数的装置。尹飞[2]进行了热流计法实验仪器的研制。王丽霞、胡庆立等[3]采用稳定态比较法测定冻土的导热系数。史金艳、康乐明[4]研究了用线热源法测定冻土导热系数的可行性, 他们指出只要适当控制线热源的加热功率, 就可以保证在测试过程中试件始终处于负温状态, 避免冻土的融化, 从而能够准确地得到冻土的导热系数。郑志涛[5]通过改进比较法试验装置, 发现国家规范所采用的冻土导热系数测试的试件尺寸存在不合理性, 并通过实验确定了试样的合理尺寸。但这些研究都是实验过程中控制冻土温度, 然后测量出来的导热系数只是冻土某个温度下的导热系数而已。据现有可查资料, 并没有温升过程中导热系数怎么变化的研究。因此, 本文结合中国民航大学国家大学生创新创业训练计划项目, 通过改良稳态法, 研究冻土内部温度上升过程中, 由于冻土结构的变化, 冻土导热系数的变化规律。
2 新型简易测试技术
实验室已有的FD-TC-B导热系数测定仪是用稳态法测导热系数的常规通用性实验仪器, 由电热管、加热铜板、样品支架、样品板、单片电脑测温及控制仪组成。
本文的目的是研究温度上升过程中导热系数的变化规律, 因此实验可以不直接测量导热系数, 只观测其变化规律就可以。由导热系数的公式K=Qd△/TA, 实验时控制热量Q、热量传递距离d、接触面积A不变, 由土样上下表面的温度差就可以研究出导热系数的变化规律。因此本实验利用FD-TC-B仪上部的加热铜盘对样品进行加热, 下部的散热铜盘对样品底部进行散热, 然后利用埋在土样上下表面的温度传感器实时记录冻土上下表面的温度。横向由侧面散去的热量可以忽略不计, 认为热量只沿着上下方向垂直传递, 土样只有在垂直土样平面的方向上有温度梯度。实验分别在17%、19%、21%的含水率, 90%、95%、98%的压实度下进行。
3 实验结果
由实验过程中记录的上下表面的温度差作出了含水率相同, 压实度不同以及压实度相同, 含水率不同下的导热系数的变化曲线。如图1和2所示。
图1是压实度为90%, 含水率分别为17%、19%、21%时, 导热系数在温度上升过程中的变化曲线, 红色的线代表的是含水率21%的土样, 绿色的线代表的是含水率19%的土样, 蓝色的线代表的是含水率17%的土样。由图1可以看出在温度上升时, 冻土的导热系数先是急剧减小, 然后逐渐趋于稳定, 最后呈上升趋势。一开始急剧减小是因为冻土吸收热量后内部的冰开始融化成水, 冰的导热系数是水的4倍, 所以导热系数减小;然后逐渐趋于稳定是因为这时冻土内部的冰基本全部融化成水, 导热系数逐渐稳定;最后呈上升趋势是因为水吸收热量后温度升高, 导热系数略微呈上升趋势。由图还可以看出含水率越高, 导热系数越大, 这是因为含水率越大, 冻结后冻土内部冰的含量越多, 而融化后水的含量也越多, 则颗粒之间的孔隙内被水填得更满, 孔隙内的气体越少, 水的导热系数比空气要好, 所以含水率越高, 导热系数越大。
图2是含水率为17%, 压实度分别为90%、95%、98%时, 导热系数在温度上升过程中的变化曲线, 红色代表的是压实度为98%的土样, 蓝色代表的是压实度为95%的土样, 绿色代表的是90%的土样。导热系数的变化趋势都是先急剧减小, 然后逐渐趋于稳定, 最后略微呈上升趋势。由图还可以看出, 压实度越大导热系数越大, 这是因为随着压实度的增大, 颗粒之间的孔隙被土颗粒和水占据, 孔隙内的气体减少, 所以导热系数会增大。
4 结论
4.1 实验中采用的新型简易测试技术较好的反应了温升效应对冻土实验内部温度变化的影响规律, 且实验方法简便易行。
在实验设备购置计划受限的情况下为学生提供实验平台, 锻炼了学生的动手能力和创新能力。
4.2 测试结果表明, 在温度上升过程中, 冻土的导热系数首先急剧减小, 然后逐渐趋于稳定, 最后略微呈上升趋势。
在一定的含水率、压实度范围内, 压实度相同时, 含水率越大, 导热系数越大;含水率相同时, 压实度越大, 导热系数越大。
参考文献
[1]王伟.冻土传热性质试验研究[D].长春:吉林大学, 2010.
[2]尹飞.冻土导热系数的仪器研制和稳态法模拟试验研究[D].长春:吉林大学, 2008.
[3]王丽霞, 胡庆立.青藏铁路冻土未冻水含量与热参数实验[J].哈尔滨工业大学学报.2007, 39 (10) :1660-1663.
[4]史金艳, 康乐明.用线热源法测定冻土导热系数的实验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报, 1988, 21 (3) :70-75.
