CN103983659A - 一种测定变物性构件相对导热系数的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决现有技术中材料或构件在变温或非稳态导热过程中的导热性能的描述或计量困难的问题，提供了一种测定变物性构件相对导热系数的装置和利用上述装置的测定变物性构件相对导热系数的方法。该装置包括：实验箱、热电偶和多路温度巡检仪，所述实验箱与所述多路温度巡检仪通过热电偶耦接成回路，所述实验箱包括加热板、测温室和在所述测温室一侧的可开合端盖，所述测温室用于进行非稳态热量测试，所述测温室内包括测试构件和标准构件，所述加热板对测试构件进行加热以模拟测试构件的工作环境温度。本发明既从原理上简化了导热特性的计量，又使得这种计量在操作上可靠易行，增强了可操作性。

Description

一种测定变物性构件相对导热系数的方法与装置

技术领域

本发明属于材料导热系数技术领域，更具体地，涉及一种测定变物性构件相对导热系数的方法与装置。

背景技术

随着建筑能耗增长的趋势越来越明显，节能降耗已经成为可持续发展战略的重要措施之一，相变储能复合材料因其相变时具有储放热特征，在节能建筑材料领域具有广阔的应用前景。目前，对相变储能复合材料的热工性能测试成为相变材料的研究热点之一，其中导热系数的高低成为衡量其热工性能优劣的标准。对于板状的相变储能复合材料，这类材料通常由普通保温材料与相变材料掺混或者吸附而成，由于没有专门针对相变复合板的测试仪器或方法，其导热系数的测试通常采用常规保温板的测试方法，即：防护热板法、防护热箱法及非稳态法等等。

然而，由于相变材料具有相变特征，其相变时吸热或者放热，传统导热系数测试方法是建立在普通建筑材料的传热原理之上进行的，因此利用该类方法对含有相变材料的复合建筑墙板进行测试是不严谨的。原因是，相变储能材料加入到建筑材料中最终要实现的目的是降低其综合导热系数。根据普通材料(即非相变储能材料，下同)导热系数的定义：在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量。而根据相变材料的物理性质，其相变时会有潜热释放(或吸收)，其传热过程属于有内热源的传热问题，不能用稳态传热过程来分析，因此，传统测导热系数的方法不适用。

目前，已有诸多实验研究表明，很多材料的导热系数随温度会发生非线性变化，例如铁在升温及降温过程中，其导热系数会随温度不断发生变化，又如保温材料导热系数会随温度的变化而变化。最新的研究表明，相变材料在相变区间内的导热系数会随温度的升高或降低发生剧烈变化。无论是金属加热装置的设计，还是墙体或管道的保温性能设计，导热系数的大小是必须考虑的重要参数，而导热系数的变化则是不能忽视的重要因素。在很多情况下，材料或构件的导热处于非稳态的状态，而导热系数亦随温度的升高或降低不断发生着变化，这就为材料或构件在变温或非稳态导热过程中的导热性能的描述或计量带来了极大困难。

针对以上问题，提出一种简单、适用的能够描述与计量变物性材料或构件在变温或非稳态导热过程中导热特性的参数并发明出相关的测试装置将对变物性材料或构件导热性能的计量有极大意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种变物性构件导热性能的计量参数—相对导热系数的测定方法，同时为得到该参数，将传统的稳态导热系数测试装置进行了改进。

通过相对导热系数的测试，能够对变物性构件在变温或非稳态导热过程中的导热性能进行综合计量。

根据本发明的一方面，提供了一种测定变物性构件相对导热系数的装置，包括：实验箱、热电偶和多路温度巡检仪，所述实验箱与所述多路温度巡检仪通过热电偶耦接成回路，其特征在于，所述实验箱包括加热板、测温室和在所述测温室一侧的可开合端盖，所述测温室用于进行非稳态热量测试，所述测温室内包括测试构件和标准构件，所述加热板对测试构件进行加热以模拟测试构件的工作环境温度。

进一步地，所述多路温度巡检仪耦接测试构件的正面与背面、标准构件的正面与背面、第一测温室与第二测温室共六路的热电偶。这样，多路温度巡检仪可以时刻检测温度变化并绘制温度随时间的变化曲线。

进一步地，所述测温室包括第一测温室和第二测温室，分别放置测试构件和标准构件，所述第一测温室和第二测温室之间还包括隔热层。

进一步地，所述实验箱的外部具有保温外壳，且外壳具有聚氨酯泡沫。这样，可以减小环境温度波动对实验箱内部的影响并防止实验箱的热量散失。

进一步地，所述测试构件及标准构件的尺寸一致，以保证导热性能的可比性。

进一步地，采用纯铜板作为标准构件。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述装置的测定变物性构件相对导热系数的方法，包括如下步骤：

(1)将测试构件、标准构件、实验箱冷却至各自温度均匀；

(2)使测试构件与标准构件温度相等，且使该温度低于测试构件在实际工程应用中工作环境温度区间的最低工作环境温度；由于变物性构件在实际工程中使用时，需要考虑的是其在工作环境温度区间内的导热特性，故测定工作环境区间外的导热特性是没有意义的，所以在测量时，为了测得变物性构件在整个工作温度区间的导热特性，应使构件的初始温度低于实际工程应用的最低工作环境温度；

(3)将测试构件及标准构件装入实验箱；

(4)通过加热板对测试构件进行持续加热，直至测试构件的正面及背面温度均高于所设定的最低工作环境温度时，开始计时；

(5)当测试构件正面及背面温度均高于所设定的测试构件在实际工程应用中工作环境温度区间的最高工作环境温度时，停止计时，并记录整个过程的时间；由于变物性构件在实际工程中使用时，需要考虑的是其在工作环境温度区间内的导热特性，故测定工作环境区间外的导热特性是没有意义的，所以在测量时，为了测得变物性构件在整个工作温度区间的导热特性，应在测试构件的温度恰好高于实际工程应用的最高工作环境温度时停止计时；标准构件与测试构件使用同一块加热板加热并同时计时，故采用同样的加热功率、同样的温度区间及同样的加热时间，能够使作为比较基准的标准构件的蓄热量与测试构件的蓄热量具有可比性；

(6)测定第一测温室及第二测温室内空气的温升，进而得出测试构件在工作温度下的非稳态蓄热量；

(7)对标准构件重复上述第4步骤到第6步骤，同理得到标准构件在工作温度下的非稳态蓄热量；

(8)通过标准构件导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式，求得测试构件的相对导热系数；

进一步地，在步骤(7)中还包括：定期进行标准构件的稳态导热系数进行测试，以修正测试构件的相对导热系数。这种由于，标准板受到诸如纯度、氧化等问题的影响，其导热系数会发生细微的变化。这种修正可以达到避免此类问题的误差的效果。

进一步地，进行标准构件稳态导热系数测试包括：打开测温箱端盖，并使标准构件持续加热，当构件两侧的温度稳定即导热达到稳态时，即停止加热，通过测定标准构件两侧的温度差便可得出其导热系数。

本发明的有益效果如下：相对导热系数的计算和测定，是一种对计量变物性构件在非稳态导热过程中导热特性的参数的计算和测定。由于非稳态导热过程中构件的温度不断发生变化导致其导热系数不断变化，这时，用现有技术中的导热系数去计量构件温度变化时的导热特性变得既困难又复杂。本发明采用将变物性构件与标准构件通过非稳态导热时的蓄热特性与导热特性相联系的新方法，可以将描述导热特性的变化值—导热系数转化为固定值—相对导热系数。这样，既从原理上简化了导热特性的计量，又使得这种计量在操作上可靠易行，增强了可操作性。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的测定变物性构件相对导热系数的装置的结构框图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的测定变物性构件相对导热系数的方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种测定变物性构件相对导热系数的装置，包括：实验箱、热电偶9和多路温度巡检仪8，实验箱与多路温度巡检仪8通过热电偶9耦接成回路，其特征在于，实验箱包括加热板3、测温室和在测温室一侧的可开合端盖6，测温室用于进行非稳态热量测试，测温室内包括测试构件2和标准构件4，加热板3对测试构件2进行加热以模拟测试构件2的工作环境温度。

优选地，多路温度巡检仪8耦接测试构件2及标准构件4的正面、背面及测温室热电偶9。这样，多路温度巡检仪8可以时刻检测温度变化并绘制温度随时间的变化曲线。

优选地，测温室包括第一测温室1和第二测温室5，分别放置测试构件2和标准构件4，第一测温室1和第二测温室5之间还包括隔热层7。

优选地，实验箱的外部具有保温外壳，且外壳具有聚氨酯泡沫。这样，可以减小环境温度波动对实验箱内部的影响并防止实验箱的热量散失。

其中，加热板3起到加热及均温的作用，能以恒定功率制热。加热板3的加热功率与其温度之间的关系为已知。

测温室在进行非稳态热量测试时密封，内有少量的空气。通过对测温室内空气温度的测定可以得到从构件背面流出的热量。当进行标准构件4稳态导热系数测试时，第二测温室5右侧的端盖6是敞开，这样标准构件4通过正面的加热及背面的散热可以达到稳态。

隔热层7用于隔断测试构件2与标准构件4间及第一测温室1与第二测温室5间的热量传递以保证实验结果的准确性。

测试构件2及标准构件4的尺寸一致，以保证导热性能的可比性。

采用纯铜板作为标准构件4。纯铜的导热性能极为稳定，当温度在200K～500K变化时，导热系数基本保持400W/(m·K)不变，且物理及化学特性稳定，不易被氧化，故将纯铜板作为标准构件4进行相对导热系数的测试。

如图2所示，本发明提供了一种利用上述装置的测定变物性构件相对导热系数的方法，包括如下步骤：

(1)将测试构件2、标准构件4、实验箱冷却至各自温度均匀；

(2)使测试构件2与标准构件4温度相等，且使该温度低于测试构件2的最低工作环境温度；

(3)将测试构件2及标准构件4装入实验箱；

(4)通过加热板3对测试构件2进行持续加热，直至测试构件2的正面及背面温度均高于所设定的最低工作环境温度时，开始计时；

(5)当测试构件2正面及背面温度均高于所设定的最高工作环境温度时，停止计时，并记录整个过程的时间τ；

具体地，在该步骤中，测试构件2正面的热流密度是在实验开始前提前测定得出的，实验进行时便是已知的，为q；测试构件的面积即加热面积是由实验箱尺寸决定的，即是已知的，为S，加热时间通过测试仪表进行记录，为τ，则测试构件2所接受的加热量均为：

Qin＝q Sτ

标准构件与测试构件的尺寸相同，且使用同一块加热板加热并同时计时，具有相同的加热功率、相同的面积及相同的加热时间，故标准构件与测试构件的加热量相同；

(6)测定第一测温室1内空气的温升Δt₁及第二测温室5内空气的温升Δt₂，进而得出测试构件2在工作温度下的非稳态蓄热量Q₁及标准构件4的非稳态蓄热量Q₂；

具体地，在该步骤中，通过多路温度巡检仪8可以得到第一测温室内空气的初始温度与最终温度，从而得到空气的温升Δt₁；测温室内空气的体积是由实验箱尺寸决定的，即是已知的，为V，空气的比热与密度分别为c、ρ，则测试构件2散失的热量为：

Qout₁＝cρVΔt₁

故根据能量守恒可以得出测试构件2吸收的热量为：

Q₁＝Qin-Qout₁

同理，通过多路温度巡检仪8可以得到第二测温室内空气的初始温度与最终温度，从而得到空气的温升Δt₂；第二测温室内空气的体积与第一测温室相同，为V，空气的比热与密度分别为c、ρ，则测试构件2散失的热量为：

Qout₂＝cρVΔt₂

故根据能量守恒可以得出测试构件2吸收的热量为：

Q₂＝Qin–Qout₂

(7)通过标准构件4导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式，求得测试构件2的相对导热系数；

具体地，该待求的相对导热系数λ₁的计算方法为根据下式计算：

λ₁/λ₂＝Q₁/Q₂

式中λ₁、Q₁分别为测试构件2即变物性构件的相对导热系数与非稳态蓄热量；λ₂、Q₂分别为标准构件4即纯铜板的导热系数与非稳态蓄热量；Q₁、Q₂通过测试装置的非稳态测试得到；λ₂通过已知测试数据给出或通过测试装置的稳态测试得到，已知的测试数据指的是有关纯铜的导热系数的参考资料或文献中所提供的纯铜的导热系数，测试装置的稳态测试方法将在下文说明。

优选地，在步骤(7)中还包括：定期进行标准构件4的稳态导热系数进行测试，以修正测试构件2的相对导热系数。这是由于，标准板受到诸如纯度、氧化等问题的影响，其导热系数会发生细微的变化。这种修正可以达到避免此类问题的误差的效果。

优选地，进行标准构件4稳态导热系数测试包括：打开测温箱端盖6，并使标准构件4持续加热，当构件两侧的温度稳定即导热达到稳态时，即停止加热，通过测定标准构件4两侧的温度差便可得出其导热系数。

标准构件4的厚度通过尺寸测量得出，为δ，打开第二测温室的端盖进行标准构件4的稳态测试，标准构件4正面与背面的温度均达到稳定时，分别得到温度t₁、t₂，则标准构件4的导热系数为：

λ₂＝q·δ/(t₁-t₂)

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明一些具体实施方式的结构，并非详尽无遗或限制于上述所述具体形式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测定变物性构件相对导热系数的装置，包括：实验箱、热电偶和多路温度巡检仪，所述实验箱与所述多路温度巡检仪通过热电偶耦接成回路，其特征在于，所述实验箱包括加热板、测温室和在所述测温室一侧的可开合端盖，所述测温室用于进行非稳态热量测试，所述测温室内包括测试构件和标准构件，所述加热板对测试构件进行加热以模拟测试构件的工作环境温度。

2.根据权利要求1所述的测定变物性构件相对导热系数的装置，其特征在于，所述多路温度巡检仪耦接测试构件的正面与背面、标准构件的正面与背面、第一测温室与第二测温室共六路的热电偶。

3.根据权利要求1或2所述的测定变物性构件相对导热系数的装置，其特征在于，所述测温室包括第一测温室和第二测温室，分别放置测试构件和标准构件，所述第一测温室和第二测温室之间还包括隔热层。

4.根据权利要求1所述的测定变物性构件相对导热系数的装置，其特征在于，所述实验箱的外部具有保温外壳，且外壳具有聚氨酯泡沫。

5.根据权利要求1所述的测定变物性构件相对导热系数的装置，其特征在于，所述测试构件及标准构件的尺寸一致，以保证导热性能的可比性。

6.根据权利要求1所述的测定变物性构件相对导热系数的装置，其特征在于，采用纯铜板作为标准构件。

7.一种利用权利要求1-6之一所述的装置的测定变物性构件相对导热系数的方法，包括如下步骤：

(1)将测试构件、标准构件、实验箱冷却至各自温度均匀；

(2)使测试构件与标准构件温度相等，且使该温度低于测试构件在实际工程应用中工作环境温度区间的最低工作环境温度；

(3)将测试构件及标准构件装入实验箱；

(4)通过加热板对测试构件进行持续加热，直至测试构件的正面及背面温度均高于所设定的最低工作环境温度时，开始计时；

(5)当测试构件正面及背面温度均高于所设定的测试构件在实际工程应用中工作环境温度区间的最高工作环境温度时，停止计时，并记录整个过程的时间；

(6)测定第一测温室及第二测温室内空气的温升，进而得出测试构件在工作温度下的非稳态蓄热量；

(7)对标准构件重复上述第4步骤到第6步骤，同理得到标准构件在工作温度下的非稳态蓄热量；

(8)通过标准构件导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式，求得测试构件的相对导热系数。

8.根据权利要求6所述的测定变物性构件相对导热系数的方法，其特征在于，在步骤(7)中还包括：定期进行标准构件的稳态导热系数进行测试，以修正测试构件的相对导热系数。

9.根据权利要求6或7所述的测定变物性构件相对导热系数的方法，其特征在于，进行标准构件稳态导热系数测试包括：打开测温箱端盖，并使标准构件持续加热，当构件两侧的温度稳定即导热达到稳态时，即停止加热，通过测定标准构件两侧的温度差便可得出其导热系数。