穩(wěn)態(tài)平板法測量預(yù)制混凝土傳熱系數(shù)測試導(dǎo)熱儀

方乙涵，劉衛(wèi)東

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

穩(wěn)態(tài)平板法測量預(yù)制混凝土傳熱系數(shù)測試導(dǎo)熱儀

方乙涵，劉衛(wèi)東

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

通過自主研發(fā)平板導(dǎo)熱儀對預(yù)制混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證該儀器在導(dǎo)熱系數(shù)測量上的實(shí)用性與創(chuàng)新性。該儀器的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用新型隔熱材料三元乙丙，減少被測試體與空氣的熱傳遞；對銅-康銅熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，改善了導(dǎo)熱系數(shù)受熱源溫度和環(huán)境溫度影響的缺點(diǎn)；可一次測兩塊試塊，提高了試驗(yàn)效率，避免了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)法周期較長的缺點(diǎn)；鋁粉填充試塊使得傳熱更均勻，減小了誤差。

建筑材料；穩(wěn)態(tài)平板法；測量儀器；導(dǎo)熱系數(shù)

0　引　言

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量，是熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，對材料的性質(zhì)分析以及安全檢驗(yàn)等都具有很大的實(shí)用價(jià)值。因此，精確測量各種材料尤其是新型材料的導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料能否適應(yīng)具體工作環(huán)境的基本依據(jù)［1］。

曾悠兵等［3］試驗(yàn)中采用防護(hù)熱板法平板導(dǎo)熱儀測量試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，把被測試樣放在熱板與冷板之間，熱量便由熱板通過被測試樣向冷板傳遞。但由于冷熱板溫差大或由于熱板溫度設(shè)定值高、冷板設(shè)定值低等原因?qū)е旅看螠y量系統(tǒng)本身的平衡時間都可能不一樣，則測出的導(dǎo)熱系數(shù)即會有誤差。馮毅等［4］對穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行誤差分析，找出了影響測量精度的因素，提出改進(jìn)方法。比如改進(jìn)試樣側(cè)面平均溫度，用高精度的溫度傳感器測量各溫度值等，但都過于復(fù)雜，并不易于用于實(shí)驗(yàn)室中。

在實(shí)驗(yàn)室中測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要為穩(wěn)態(tài)平板法［7］。其基于穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀成本較低，但一般認(rèn)為平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量需要時間長，有一定的測量誤差［6］。針對平板法以及前人測量方法的缺點(diǎn)，提出了利用穩(wěn)態(tài)平板法測量試塊表面電動勢從而得到導(dǎo)熱系數(shù)的方法，并自主研發(fā)了儀器。

1　實(shí)驗(yàn)原理

本研究采用的是穩(wěn)態(tài)平板法，是一種應(yīng)用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本原理來測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法［7］，適用于測定均質(zhì)板材的導(dǎo)熱系數(shù)。

其原理是：加熱板被加熱時，熱量由內(nèi)向外傳遞，由于加熱板兩邊的條件對稱，故兩側(cè)傳遞的熱量均為板加熱量的一半［8］。由于是壓緊的，忽略接觸熱阻，試材的導(dǎo)熱系數(shù)可用下式計(jì)算：

式中，Φ為板的總加熱量（電功率），W；t2，t1分別為試材的內(nèi)表面溫度和試材的外表面溫度 ℃，按試材內(nèi)側(cè)的熱電偶和試材外側(cè)熱電偶所測溫度分別取其算術(shù)平均值；δ為單塊試材的厚度，m；A為試材截面積，為0.2×0.12=0.024。

表1　附件參數(shù)表Tab.1 Parameters of accessories

如現(xiàn)設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)與溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，即λ= f（t），t為 t1，t2的平均溫度，即 t=（t1+t2）/2，則可按上式（1）算得與試材平均溫度對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)。如不斷改變 ，則可得到一組平均溫度與導(dǎo)熱系數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而可求得函數(shù)關(guān)系式［10］。

2　儀器的設(shè)計(jì)與制作

本導(dǎo)熱儀為上海理工大學(xué)課題組專門設(shè)計(jì)，由電加熱板、支架、夾具、熱電偶、轉(zhuǎn)換開關(guān)、測量電路、可調(diào)功電源、室溫計(jì)、精密毫伏計(jì)、功率表等組成，能進(jìn)行平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

測試儀器參數(shù)：數(shù)字精密毫伏計(jì)一只（MB4101T型，供電電壓220V，量程0.000到19.999mV，精度±0.005mV）；數(shù)顯單相有功功率表一只（PZ200P-5K1型，供電電壓220V，輸入電壓0-36V，輸入電流0-2A，量程0.00到72.00W，精度±5%+2）；水銀溫度計(jì)一支（0-50℃，0.1℃分度，實(shí)驗(yàn)室級）；銅-康銅熱電偶共二組，每組10對（通道一熱電偶的回歸式為：

通道二熱電偶的回歸式為

實(shí)驗(yàn)儀器附圖說明見圖1，圖2。

圖1　箱體示意圖Fig.1 Case schematic

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of the experimental apparatus

本儀器采用低電壓、小功率，保證了使用的安全性；在儀表選擇、試件制作、箱體設(shè)計(jì)和制造方面注意了可靠性、耐用性和組裝的便捷性；熱電偶標(biāo)定時直接使用本機(jī)儀表，保證了測試的精度。用于放置試塊的保溫材料為鋅銅，隔熱效果很好，并且采用三元乙丙［11］進(jìn)行密封，最大限度的降低不必要的散熱。并且能同時測量兩塊試塊，大大提高了試驗(yàn)效率，解決了穩(wěn)態(tài)法測量周期較長的這個問題，很好的克服了穩(wěn)態(tài)法的缺點(diǎn)，目前該儀器已經(jīng)申請發(fā)明專利。

3　誤差實(shí)驗(yàn)

3.1試塊參數(shù)

試驗(yàn)試件為方形薄壁平板試件，體積為120 mm ×200 mm×20 mm，實(shí)際導(dǎo)熱計(jì)算面積為120 mm ×200 mm，板的厚度為20 mm。各混凝土試塊參數(shù)如表2所示。

3.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將本導(dǎo)熱儀放置于室溫比較穩(wěn)定的房間內(nèi)。檢查功率調(diào)節(jié)旋鈕及兩個熱電偶轉(zhuǎn)換旋鈕檔位是否都處于“OFF”狀態(tài)。若否，則將其置于“OFF”狀態(tài)。

（2）在夾具一側(cè)的板槽內(nèi)撒一薄層的鋁粉，將規(guī)定尺寸的試件放入夾具的板槽內(nèi)，再在試件上撒一薄層的鋁粉并將加熱板蓋上，再在加熱板的另一側(cè)也撒一薄層的鋁粉，將另一塊對稱試件放在加熱板上并也撒一薄層的鋁粉。將夾具的另一側(cè)板槽蓋上，用螺釘將整個實(shí)驗(yàn)裝置固定好。最后在試件的外側(cè)包上三元乙丙泡沫塑料保溫材料。撒鋁粉的目的是為了填充縫隙，其多少以填滿縫隙為準(zhǔn)，與試件表面的平整度有關(guān)［12］。

表2　混凝土試塊組別與配合比、水灰比的對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence of the concrete block groups with the mixing ratio and the water-cement ratio

（3）將實(shí)驗(yàn)裝置豎直懸掛到已固定在箱體上方的支架的橫桿上。熱電偶組可以通過位于箱體面板上的熱電偶組（一）接口和熱電偶組（二）接口接入箱體與數(shù)字精密毫伏計(jì)聯(lián)通。讀數(shù)時分別用熱電偶組輸入（一）的切換旋扭和熱電偶組輸入（二）的切換旋扭選通對應(yīng)的熱電偶，并將加熱板的電源線連接到加熱件接線柱上。

（4）將溫度計(jì)插入箱蓋上的溫度計(jì)插孔。

（5）插上電源線，外接 220 V 交流電源，然后打開電源開關(guān)。

（6）觀察各儀表讀數(shù)是否異常，若正常則可以開始試驗(yàn)，并將功率調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)至所需加熱功率處。觀察內(nèi)外側(cè)熱電偶的溫升是否均勻，同側(cè)熱電偶偏差應(yīng)保持在 10%之內(nèi)，如不均勻，可重新裝夾加大壓緊程度。經(jīng)過較長一段時間（3 小時以上）后，確認(rèn)此控制溫度在預(yù)計(jì)溫度范圍內(nèi)，即進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)時，就可進(jìn)行試讀數(shù)。此后每隔 10 分鐘記錄一次讀數(shù)，直至前后三次測量的各數(shù)據(jù)偏差小于 2%并且無遞增（減）趨勢。此次實(shí)驗(yàn)工況結(jié)束，取最后三次數(shù)據(jù)平均進(jìn)行處理。改變加熱功率，使加熱板壁溫穩(wěn)定在另一溫度下，重復(fù)上述過程，直至所有實(shí)驗(yàn)工況測量結(jié)束。

（7）讀內(nèi)側(cè)及外側(cè)相應(yīng)各點(diǎn)的的熱電勢時，值得特別注意的是，讀熱電偶組輸入（一）上的熱電偶時，熱電偶組輸入（二）的切換旋扭要處于“OFF”狀態(tài)；讀熱電偶組輸入（二）上的熱電偶時，熱電偶組輸入（一）的切換旋扭要處于“OFF”狀態(tài)。

測試面與導(dǎo)體面接觸的地方有熱電偶，在測試過程中，可以通過熱電偶觀察到測試表面的溫度。由以上測量步驟可得內(nèi)側(cè)及外側(cè)相應(yīng)各點(diǎn)熱電勢，再由熱電偶標(biāo)定公式，得出試塊表面實(shí)際的電動勢。由“銅-康銅熱電偶分度表”［13］，可查到實(shí)際電勢對應(yīng)的溫度。即得到試塊表面溫度，再通過公式1得出導(dǎo)熱系數(shù)［14］。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1熱電偶標(biāo)定

熱電偶標(biāo)定為該實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)，在測量中會由于試驗(yàn)中的溫度變化而有誤差。而該儀器熱電偶是經(jīng)過精確標(biāo)定得到以下標(biāo)定公式，故將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)定公式矯正過后得到的即為精確數(shù)據(jù)，確保了實(shí)驗(yàn)的精確性［15］。表3即為熱電偶標(biāo)定公式。

表3　熱電偶標(biāo)定公式Table 3 Thermocouple calibration formula

經(jīng)過標(biāo)定之后與標(biāo)定之前試塊表面相差將近1 ℃，不校正的數(shù)據(jù)誤差很大。故在測量導(dǎo)熱系數(shù)時，測量的熱電偶一定要經(jīng)過標(biāo)定。而本實(shí)驗(yàn)儀器的熱電偶是經(jīng)過標(biāo)定的，故可有效地避免誤差過大，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很精確。

4.2導(dǎo)熱系數(shù)

由銅-康銅熱電偶分度表可對應(yīng)得出試塊表面實(shí)際溫度，從而得出導(dǎo)熱系數(shù)。

以上數(shù)據(jù)可知，配合比中其他參量不變，石子含量越多，流動性越小，導(dǎo)熱系數(shù)越小。該實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱法的過程簡單，方便且易操作，于干燥恒溫的環(huán)境便可進(jìn)行試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，所以該儀器使用的穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱法是測定固體導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)選方法。

5　結(jié)　論

通過以上試驗(yàn)，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）測量導(dǎo)熱系數(shù)時應(yīng)采用保溫效果好的隔熱材料，并且注意密封，減少散熱。三元乙丙是很好的隔熱材料，使實(shí)驗(yàn)中與空氣的熱傳遞更少；鋁粉填充試塊使得傳熱更均勻，減小傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測量方法誤差較大的缺點(diǎn)。同時，導(dǎo)熱系數(shù)受熱源溫度和環(huán)境溫度的影響。故在測量導(dǎo)熱系數(shù)時，實(shí)驗(yàn)儀器中的熱電偶一定要經(jīng)過標(biāo)定。

（2）該儀器適用性廣，模具尺寸為標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸，可用于各種建筑材料。可一次測兩塊試塊，提高了試驗(yàn)效率，避免了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)法周期較長的缺點(diǎn)。

（3）自主研發(fā)的發(fā)明專利平板導(dǎo)熱儀，可得到導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系。通過改變溫度得到導(dǎo)熱系數(shù)，提出基于穩(wěn)態(tài)平板法測試墻體傳熱系數(shù)的試驗(yàn)方法。

（4）這種裝配式預(yù)制混凝土夾心保溫墻體傳熱系數(shù)測試的方法以及試驗(yàn)采用的儀器是可行的，驗(yàn)證了這種新型墻體傳熱系數(shù)測定的合理性和實(shí)用性。

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Steady-state Plate Instrument for Measuring Thermal Conductivity of Concrete

FANG Yihan， LIU Weidong
（School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

This paper introduces the research on the steady-state plate method for thermal conductivity measuring and the building of the instrument for measuring thermal conductivity of concrete. The innovations of this instrument consist in the use of the new insulation material EPDM to reduce the heat transfer of concrete and air， the standardization of the copper - constantan thermocouple to improve the shortcomings of thermal conductivity infuenced by the temperature of heat and environment， the measurement of two concrete blocks at a time to improve effciency to avoid the disadvantage of long time testing of the traditional steady-state method， and the flling of the concrete block with aluminum powder to evenly reduce heat transfer errors.

construction materials； research instrument； steady plate method； thermal conductivity

date：2016-06-06.Revised date： 2016-06-10.

TQ175.71

A

1006-2874（2016）04-0019-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.004

2016-06-06。

2016-06-10。

通信聯(lián)系人：方乙涵，女，碩士。

Correspondent author：FANG Yihan， female， Master.

E-mail：531444234@qq.com