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導熱率

補充:0  瀏覽:10318  發布時間:2012-12-7
  導熱率:物體傳導熱量的能力,又稱為熱導率
  農業物料的導熱率隨物料組成成分、物理結構、物質狀態、溫度等而變化,純液體的導熱率高于其它溶液,濃度↑,導熱率↓
  不同成分的導熱率差異較大,導致由不同成分構成的物料的導熱率差異較大。空氣為熱的不良導體,單粒物料的導熱性能好于堆積物料。
  目的
  導熱率是材料的熱物性參數之一,也是固體最重要的熱物性參數。低導熱性能材料導熱率作為表征建筑節能與保溫材料物性的重要參數,其參數值的準確測量有著非常重要的理論和使用價值。
  穩態導熱:導入物體的熱流量等于導出物體的熱流量,物體內部各點溫度不隨時間而變化的導熱過程。
  非穩態導熱:導入和導出物體的熱流量不相等,物體內任意一點的溫度和熱含量隨時間而變化的導熱過程,也稱為瞬態導熱過程。
  測量方法
  1.穩態法:穩態法是經典的保溫材料的導熱系數測定方法,至今仍受到廣泛應用。其原理是利用穩定傳熱過程中,傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態,根據傅里葉一維穩態熱傳導模型,由通過試樣的熱流密度、兩側溫差和厚度,計算得到導熱系數。原理簡單清晰,精確度高,但測量時間較長,對環境條件要求較高。
  2.保護熱板法:護熱平板法其工作原理和熱流法相似,是目前公認的準確度最高的方法,可用于基準樣品的標定和其他儀器的校準,實驗裝置多采用雙試件結構。熱源位于同一材料的兩塊樣品中間。使用兩塊樣品是為了獲得向上與向下方向對稱的熱流,并使加熱器的能量被測試樣品完全吸收。測量過程中,精確設定輸入到熱板上的能量。通過調整輸入到輔助加熱器上的能量,對熱源與輔助板之間的測量溫度和溫度梯度進行調整。熱板周圍的保護加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器后是散熱器,散熱器和輔助加熱器接觸良好,確保熱量的移除與改善控制。測量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度,應用 Fourier方程便能夠算出材料的導熱系數。
  3.熱流計法:熱流計法是一種比較法,是用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流,得到的是導熱系數的絕對值。測量時,將厚度一定的樣品插入于兩個平板間,設置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流,傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過樣品的熱流便可計算導熱系數。
  4.動態法:動態法是最近幾十年內開發的新方法,用于研究高導熱系數材料,或在高溫度條件下進行測量。工作原理是:提供樣品一固定功率的熱源,記錄樣品本身溫度隨時間的變化情形,由時間與溫度變化的關系求得樣品的熱傳導系數、熱擴散系數和熱容。
  5.熱線法:熱線法是應用比較多的方法,是在樣品(通常為大的塊狀樣品)中插入一根熱線。測試時,在熱線上施加一個恒定的加熱功率,使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關系。由于被測材料的導熱性能決定這一關系,由此可得到材料的導熱系數。這種方法測量時間比較短,所測量材料的導熱系數范圍一般是 0.1W/mK 到幾十。優點是產品價格便宜,測量速度快,對樣品尺寸要求不太嚴格。缺點是分析誤差比較大,一般為 5%~10%。
  6.激光閃射法:激光閃射法的測量范圍很寬,但測得的是材料的熱擴散系數,還需要知道試樣的比熱和密度,才能通過計算得到導熱系數λ,而測定熱態下的導熱系數還需要膨脹系數的數值,只適用于各向同性、均質、不透光的材料;瞬變平面熱源法是在試件上貼上探頭,通過多元函數對試樣表面溫度的響應進行擬合后便可計算出材料的導熱系數,適用廣泛,快捷,但精確度不一定高。
  分類
  穩態導熱:導入物體的熱流量等于導出物體的熱流量,物體內部各點溫度不隨時間而變化的導熱過程。
  非穩態導熱:導入和導出物體的熱流量不相等,物體內任意一點的溫度和熱含量隨時間而變化的導熱過程,也稱為瞬態導熱過程。
  詳細介紹
  傅里葉方程式:
  Q=KA△T/d
  R=A△T/Q
  式中:
  Q:熱量 W
  K:熱導率 W/m.k
  A:接觸面積
  d:熱量傳遞距離
  △T:溫度差
  R:熱阻值
  導熱率K是材料本身的固有性能參數,用于描述材料的導熱能力。這個特性跟材料本身的大小、形狀、厚度都是沒有關系的,只是跟材料本身的成分有關系。所以同類材料的導熱率都是一樣的,并不會因為厚度不一樣而變化。
  將上面兩個公式合并,可以得到 K=d/R。因為K值是不變的,可以看得出熱阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就說材料越厚,熱阻越大。
  但如果仔細看一些導熱材料的資料,會發現很多導熱材料的熱阻值R,同厚度d并不是完全成正比關系。這是因為導熱材料大都不是單一成分組成,相應會有非線性變化。厚度增加,熱阻值一定會增大,但不一定是完全成正比的線性關系,可能是更陡的曲線關系。
  根據R=A△T/Q這個公式,理論上來講就能測試并計算出一個材料的熱阻值R。但是這個公式只是一個最基本的理想化的公式,他設定的條件是:接觸面是完全光滑和平整的,所有熱量全部通過熱傳導的方式經過材料,并達到另一端。
  實際這是不可能的條件。所以測試并計算出來的熱阻值并不完全是材料本身的熱阻值,應該是材料本身的熱阻值+所謂接觸面熱阻值。因為接觸面的平整度、光滑或者粗糙、以及安裝緊固的壓力大小不同,就會產生不同的接觸面熱阻值,也會得出不同的總熱阻值。
  所以國際上流行會認可設定一種標準的測試方法和條件,就是在資料上經常會看到的ASTM D5470。這個測試方法會說明進行熱阻測試時候,選用多大的接觸面積A,多大的熱量值Q,以及施加到接觸面的壓力數值。大家都使用同樣的方法來測試不同 的材料,而得出的結果,才有相比較的意義。
  通過測試得出的熱阻R值,并不完全是真實的熱阻值。物理科學就是這樣,很多參數是無法真正的量化的,只是一個“模糊”的數學概念。通過這樣的“模糊”數據,人們可以將一些數據量化,而用于實際應用。 此處所說的“模糊” 是數學術語,“模糊”表示最為接近真實的近似。
  而同樣道理,根據熱阻值以及厚度,再計算出來的導熱率K值,也并不完全是真正的導熱率值。

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