防护热板装置的研究进展及其在液氮温区的应用前景

　　1 前言

　　导热系数是评价绝热材料性能优劣的重要参数,防护热板装置基于稳态法测量绝热材料的导热系数,被广泛用于测量不同温区平板和松散材料的导热系数。随着新型绝热材料的研究和开发,满足不同温区和不同材料的防护热板装置得到了广泛的推广和应用。经过几十年的研究,欧美发达国家已研制出不同温区的防护热板装置。随着低温技术的发展、绝热材料在低温液体的贮存和运输领域的应用,开发用于液氮温区的防护热板装置就显得尤为重要。

　　2 国外防护热板装置的研究现状

　　近些年,国外的科研机构主要从事测量温区及测量准确性方面的研究。主要包括测试温区,线热源方法的应用,参数测量及误差分析等方面的研究。

　　1981年,M. C. I. Siu和C. Bulik[1]设计了一套线热源式防护热板装置,用于测量绝热材料的导热系数,该装置温度测量范围为250e~400e。基于玻璃纤维板的测试结果与美国标准局的防护热板装置测试结果,比较一致。

　　1985年,W. Hemminger和R. Jugel[2]研制出一套温度测量范围为-75e~200e的防护热板装置。为避免边缘热损失,整个装置浸没在低于测试试件温度的恒温液体中。并对整个装置进行了误差分析,其所测试的玻璃样品的不确定度为0. 5%。

　　1997年,B. JamesFilla[4]设计了一套单试件防护热板装置,该装置被密封在氦气的环境中,测试温区从400K~1 400K,测试试件直径为70mm,厚度范围为1mm~8mm。根据测量的不确定分析确定该装置的测量的不确定度为?5%,并基于不同试件的测量验证了该装置的测量的准确性。

　　2005年,R. R. Zarr[3]等人开发和研制了一套温度测量范围为90K~900K防护热板装置,环境箱内压力可在0. 01Pa~105kPa范围内调节,可用于测试试件直径为500mm,厚度范围为13mm~100mm的平板试件。他们讨论了装置的参数测量的方法和传感器的定位,并给出了该装置的误差分析。

　　2005年,美国国家标准技术研究院, D. R.Flynn[5]等人设计和研制了一套防护热板装置,在计量面板和防护面板中采用了线热源的方法嵌入电加热丝,通过有限元模拟和计算的方法提出了电加热丝最佳的嵌入位置,如图1所示。通过Ansys软件模拟了计量面板和防护面板表面温度场的分布,表明表面温度分布满足测试的要求,如图2所示。

　　2007年, J. Xaman[6]等人采用了线热源的方法,设计了防护热板装置。建立了计量面板和防护面板热传导的数学模型,采用格林方程计算出计量面板和防护面板表面的温度分布,并且通过测试试件铝板,将理论分析结果和试验测量结果进行比较,得出标准偏差为3%,结构如图3所示。