1. 稳态法测试原理
稳态法分稳态护板法和稳态圆筒法等,针对玻璃仪器的物理特征及应用特点此处特指稳态护板法(如图1所示)。稳态法原理上基于傅立叶定律,仅能获取材料导热系数。
图1 防护热板法原理图
由图1所示,主热板放置于两块被测试样中间,为了尽量保证主热板热流垂直穿过试样,其两侧分别设置一块与主热板保持相同温度的护热板,通常为了保证效果,护热板内往往设置与主热板加热丝相同功率的热丝。冷板是为了使试样端面维持均匀恒定的温度,可通过恒温水浴实现。理想情况下,主热板热量均匀恒定的向两侧试样流出,则被测试样的导热系数可用下式获得:
€%d = (1)
式中:Q为主加热板释放的热量,J;A为主加热板加热面积,m2;△T1=T2-T1,和△T2= T3-T4分别是主加热板与上冷板与下冷板间的温差。
由测试原理可以看出,稳态法测试时间较长,且对实验环境有较高要求,但其原理简单,JC/T675-1997《玻璃导热系数试验方法》国家标准即基于稳态法测试原理。
2. 非稳态法测试原理
针对稳态法测试时间长,对实验环境要求高的缺点,近年来非稳态法在材料热物性测试中得到了广泛应用看,其中适用于玻璃热物性测试的有非稳态平面热源法、非稳态热带法、非稳态法等。
2.1 非稳态平面热源法
与传统的稳态法原理上只能测玻璃导热系数相比,可实现导热系数、热扩散率的同时测定,其原理结构如图2所示。
图2 物理模型
设平面热源热流只在竖直方向(x方向)上传递,且其热流强度Q恒定,则试样内的温度变化分别可归结为如下定解问题[5]:
(2)
式中:€%j为试样密度,Cp为定压比热容,€%d为导热系数,而热扩散率€%Z=€%d/(€%jCp)。
在上述定解问题的基础上衍生了快速测量法(恒流法)和脉冲法,其中快速测量法适用于导热系数较大的材料热物性测量,而脉冲法适用于导热性能差的绝热保温材料等[5]。根据门窗玻璃的热物性参数参考范围,应适用于脉冲法。对式(2)作拉氏变换进行求解,可得:x=0处,如有强度为q的热源从零时刻开始加热,加热时间t后,试样任意位置x处的温升为:
= B(y) (3)
2.2 非稳态法
设在固体介质中放置一根细长线状热源,其热能仅能在径向传递,将构成一个无限长圆柱导热模型。当以恒定热流持续加热时,如已知上通过的电流 及其电阻 ,其单位长度发热量 ,W/m。
在加热功率恒定的情况下,上的温升 值随时间 的变化曲线呈近似线性[6],直线的斜率为k=q/(4€%i€%d) ,据此可以得到被测试样的导热系数 €%d
式(4)即交叉法测导热系数的理论公式。
利用上的温升数据结合交叉法测得松散煤体导热系数 ,同时测得距r距离处的温升得到
式中
B(y)=-2y dy1 (4)
y2= (5)
加热片发热强度可用下式计算:
q=(I2R-m0Cp0) (6)
从热源加热开始计时,至t1时刻断电停止,热量仍继续向冷面传播,同时热面温度下降,至时刻t2,导热系数 可用下式计算:
= (7)
式(10)中包含有无穷级数,参照文献[1]提供的煤样热物性数据,经实验,该级数取前5项即可满足精度要求,即有
(y) = ( (r, _-2 )/q =- -lnp- (11)
式(11)为超越方程,传统方法是无法求解的,只能通过如对分法等近似数值解法编程求解,从而对于某一特定时刻 可求得对应的热扩散率a 值,对应若干个时刻将计算得一组 a值,取加权平均作为zui终热扩散率的测试值。这里需要注意的是,为了防止煤样受到热震损伤,实验过程中试样各处的温升不要超过10℃/min。
求得热扩散a 后,试样的比热容Cp根据下式算得:
Cp= /( a) (12)
2.3 非稳态热带法
热带法原理与法类似,区别在于热带法用窄薄的金属带(热带)代替。测试时待测材料中夹持薄金属带,从某时刻起金属带被以定功率加热,同时记录热带的温度响应,并绘制曲线,根据被测材料热物理参数与温度变化间关系的理论公式,可测得其导热系数和热扩散率。热带的温度变化可以通过测量热带电阻的变化来获得,也可以通过在热带表面上焊接热电偶来直接测量。
zui常用的热带材质是纯铂,其它已知电阻温度系数的性能稳定的金属也可以,热带典型的长度为100mm-200mm,宽度为3mm-5mm,厚度为10um或更小。
热带法温度响应的理论公式或模型如下
△T(t)={ erf( -1)-[1-exp(- -2)]-Ei(- -2)} (13)
式中: = , wh--热带宽度;erf(z)--误差函数;q--热带每单位长度的加热热流。
当加热一定时间,即 >>wh 时,可得简化公式
△T(t)= [lnt+ln ] (14)
对于热电阻式的热带法,温度响应是通过测量热带上的电压变化来获得
△U(t)= [lnt+ln ] (15)
如果画出温升 △T(t)或电压△U(t) 随对数时间的变化曲线,曲线呈线性变化趋势,直线的斜率为m= ,截距为n=mln ,根此可以得到被测试样的热导率 和热扩散率
= a=exp() (16)
由式可见,热扩散率的测量精度比法要好,因为wh 的数值(1mm-10mm)比的半径大的多,可保证热扩散率值达到满意的精度。
3. 存在的问题
综前所述,门窗玻璃作为典型固体材料,适用的测试方法较多,稳态法及非稳态法均在玻璃热物性测试中得到了应用。目前针对玻璃热物性测试的主要有稳态法和非稳态平面热源法,实际使用过程中均存在一定的优缺点。
3.1 稳态法
稳态法具有原理简单、易于实现等优点,在固体材料热物性测试得到了广泛应用,玻璃导热系数测试国家标准就是基于此撰写的。但稳态法测试时间长且对实验环境要求较高,例如要求保证试件侧向绝热条件,否则将直接影响测试精度。如图3所示为试件侧向绝热与不绝热条件下的温度场变化情况。由图可以看出,侧向绝热条件对玻璃内的温度变化影响是明星的,如图(a)和(b)所示,分别为侧向不绝热和绝热情况下,底部用50w/m的平面热源加热时玻璃内的稳态温度场分布,可以看出区别明显。侧向不绝热时,玻璃侧向存在热传递过程,温度场受侧向热流影响明显。而侧向绝热时,面热源加热热流只在垂直方向传递,温度场均匀。由此可见,基于稳态法原理测玻璃导热系数时,侧向绝热条件直接影响测试精度。
(a) 侧向不绝热时玻璃内的温度场分布
(b) 侧向绝热时玻璃内的温度场分布
图3 侧向绝热条件对玻璃内温度场分布影响情况
除了对实验条件要求较高外,原理上稳态法也仅能测玻璃导热系数,可测参数单一,从而一定程度上限值了其推广。
3.2 非稳态平面热源法
针对稳态法存在的问题,近年来非稳态平面热源法在玻璃热物性测试中得到应用,如图4所示为某公司基于脉冲法和恒流法原理设计生产的热物性测试仪,适用于玻璃等固体材料,测试时间短且效率高。
图4 非稳态平面热源法热物性测试系统
平面热源法原理公式假设设面热源与被测试样间接触良好,也即不存在接触热阻,而实际上热源与被测试样间是存在接触热阻的,且对面热源及试件内的温度场变化影响明显。如图5所示为面热源加热条件下,考虑接触热阻与不考虑接触热阻时,面热源与试件内(导热系数 为0.7695)的温度变化情况。面热源加热功率50w/m,参照有关资料接触热阻设定为0.01k*m2/W,初始温度293K。
(a) 考虑接触热阻影响玻璃及热源温度场
(b) 不考虑接触热阻影响玻璃及热源温度场
图5 侧向绝热条件对玻璃内温度场分布影响情况
如图6所示为面热源温升对比曲线图。
图6 面热源温升对比曲线图
由图5可以看出,接触热阻对面热源温升及玻璃内温度场影响明显,同样加热条件下,热源温升相差近10℃,从而对热物性参数测试精度的影响是不可忽视的。
4. 发展趋势
随着计算机技术的不断发展,物理参数自动测试、处理进而得到被测材料的热物性参数已成为现实,材料热物性测试精度更多取决于原理模型、实验条件、基本参数测试精度。针对门窗玻璃热物性测试需求,稳态法在原理上仅能获取导热系数,已无法适应现代门窗玻璃质量监督检验要求,能够同时测玻璃导热系数、热扩散率的非稳态法将成为发展趋势。而随着建筑节能技术的发展,对门窗玻璃的热物性测试精度必然提出更高的要求。完善原理模型、提高参数测试精度和寻求新的测试技术将是进一步提高玻璃热物性参数测算精度的可行手段:
1)研究试件与加热热源间的接触热阻问题。如前所述,试件与热源间客观存在接触热阻,无论是法、平面热源法,接触热阻的存在均会对热物性参数测试精度带来影响。对试件与热源间的接触热阻问题进行研究,并在测试原理模型中有效表征是提高热物性参数测试精度的有效途径。
2)寻求更适合的测试方法。如前所述,目前应用于玻璃热物性测试的稳态法与非稳态平面热源法,受原理模型及热源温度均匀度影响,测试精度不高。法由于受加热丝直径影响较大,同时测温热电偶布置不便,应用受到一定限制,解决极细热丝与测温传感器连接问题,将可能应用于玻璃热物性测试。近年来,热带法在材料热物性测试中得到广泛应用。热带法使用范围广泛,不仅可测液体、松散材料、多孔介质及非金属固体材料,还可用于金属热物性测试。且与线状(圆柱状)热源相比,薄带状热源更易与被测材料保持良好的接触状态。而与平面热源法相比,热带夹持在被测试件中间,受侧向热流的影响较小,实验条件较易控制。故热带法更适于测固体材料导热系数,同时热扩散率的测量结果也较为准确。设计适用于玻璃热物性测试的热带法装置,将是可行的研究方向之一。
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