导热系数测量系统的数值模拟

　　1　前　言

　　节能对于工业化国家的重要性使得人们把注意力集中在研究绝热材料的传热特性上,以减少设备运行过程中的散热损失和工质的温降,并最终实现节能、 改善劳动条件和提高经济效益的目标。因此,绝热材料的生产厂家、使用单位、工程设计部门和产品质量监督部门都需要一种精确可靠的测量装置来测量绝热材料的 传热特性参数。导热系数作为绝热材料的一个重要热物性参数,因其在保温材料研究中的重要作用,至今为止,国内外已对其测定方法进行了大量的研究,提出了多 种测定方法。对于热物性参数不随方向改变的各向同性物体,由傅里叶定律[1]

　　其中:q为热流密度,λ为导热系数,T为温度, 为y方向上的温度梯度。从式(1)可以得到导热系数的表达式为

　　由式(2)可知,如果要测量一个物体的导热系数,需要知道通过物体的热流密度q,以及在此热流密度下的物体内的温度梯度.在对各向同性的实验材料内温度梯度进行测量时,当实验材料在一定的厚度内,内部的温度场可近似为线性分布,则其温度梯度可简化为

　　鉴于国内对建筑节能保温材料导热系数测量的急需,而国内尚无关于绝热材料导热系数测量标准的现实,中国计量科学研究院从2004年开始进行科技 部重点项目“建立我国材料热物性测量标准装置研究”课题研究工作。保护热板法标准装置的研究是该课题的一个部分,其预期扩展不确定度小于5%。本文以此装 置为模型,对该系统进行传热数值模拟,检查系统的热分布与绝热一维热传导模型的差异,并在此基础上,对温度梯度及热流密度的测量进行探讨。

　　2　实验系统

　　导热系数的测量方法主要可分为稳态法和非稳态法。对于导热系数测量的经典方法—稳态法,其原理是热流密度恒定时,使实验材料在达到稳态温度场,通过测量热流密度q,以及实验材料上、下表面间温度差ΔT,实验材料的厚度l,再根据式(4)计算得到实验材料的导热系数。

　　一般来说,稳态法的测量精度高,但是测量时间长;非稳态方法的测量时间短。稳态法简单可靠,作为我国导热系数测量方面的探索性研究,采用测量精确度较高的稳态法。该实验系统是1991年ISO8302[2]国际标准中推荐的保护热平板法,如图1所示。

　　整个实验系统为圆柱状,实验材料直径为337mm,厚50 mm,上保护热板、冷却铜板、保温材料、中心加热铜板及周保护热板的厚度均为40 mm,中心加热铜板的直径是200 mm,中心加热铜板和周保护热板间有2.5 mm的空隙,实验材料的测温点位于实验材料上、下表面的正中间。热流密度的准确测量是实现导热系数准确测量的关键环节,为了减少加热量在加热板侧面上的损 失,在中心加热铜板的上面及侧面放置保护热板,同时采用温度调节的方式,使表面和侧面温度跟踪中心加热铜板的温度,使向上面及侧面的热损失可以忽略。