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    多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和模型研究

    2016-10-15 07:17:23付文強(qiáng)薛征欣關(guān)衛(wèi)軍王興東
    中國(guó)測(cè)試 2016年5期
    關(guān)鍵詞:分散相熱線保溫材料

    付文強(qiáng),高 輝,薛征欣,關(guān)衛(wèi)軍,韓 飛,王興東

    (1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院,陜西 西安 710065;2.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

    多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和模型研究

    付文強(qiáng)1,高輝2,薛征欣2,關(guān)衛(wèi)軍1,韓飛1,王興東1

    (1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院,陜西 西安 710065;2.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

    為研究多孔材料的傳熱機(jī)理,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證理論模型的方式,利用瞬態(tài)熱線法測(cè)量283~333K范圍內(nèi)多孔保溫材料擠塑式聚苯乙烯(XPS)的有效導(dǎo)熱系數(shù),并根據(jù)多孔材料各組成部分導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使用5種基本模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、Kopelman isotropic模型、Maxwell-Eucken模型以及EMT模型,分別對(duì)其有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果證明:對(duì)于XPS,Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型更具適用性,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大偏差均小于0.5%,為進(jìn)一步開(kāi)展多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)模型和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

    瞬態(tài)熱線法;多孔材料;有效導(dǎo)熱系數(shù);多孔結(jié)構(gòu)模型

    0 引 言

    以聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫、聚氨酯硬泡等多孔泡沫材料為主的保溫材料以其優(yōu)良的絕緣性能被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活及科技發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。在保溫材料的應(yīng)用中,多孔材料的傳熱特性是人們最為關(guān)心的問(wèn)題。與常規(guī)材料不同,多孔材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程非常復(fù)雜,包括導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射等多種傳熱模式。因此開(kāi)展對(duì)多孔材料傳熱機(jī)理的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)多孔材料的熱設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義,對(duì)于我國(guó)當(dāng)前正在廣泛進(jìn)行的節(jié)能環(huán)保也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    目前,國(guó)外對(duì)于多孔材料傳熱機(jī)理的研究很多[1-5],包括石墨泡沫、多孔陶瓷、金屬泡沫等形成的各種多孔結(jié)構(gòu),趙長(zhǎng)穎[6]匯總了目前國(guó)際上泡沫結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展,包括有效導(dǎo)熱系數(shù)、自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、熱輻射等。我國(guó)在這方面的研究還相對(duì)不足,開(kāi)展研究的機(jī)構(gòu)較少,且多以模型的建立和計(jì)算為主[7-11],結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證理論模型的研究相對(duì)較少,而針對(duì)多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)的高精度實(shí)驗(yàn)研究更是很少。

    本文以多孔保溫材料擠塑式聚苯乙烯(XPS)為例,分別研究了目前幾種基本多孔結(jié)構(gòu)模型的適用性,通過(guò)高準(zhǔn)確度有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和多孔材料模型計(jì)算結(jié)果比較,確定了Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型更適合于多孔材料的計(jì)算研究,為進(jìn)一步開(kāi)展多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)的模型和實(shí)驗(yàn)研究提供了基本的依據(jù)。

    1 有效導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)構(gòu)模型

    對(duì)于多孔材料的導(dǎo)熱來(lái)說(shuō),其導(dǎo)熱性能一方面取決于固體骨架和孔隙內(nèi)流體的固有(intrinsic)導(dǎo)熱系數(shù),另一方面還取決于固體骨架的空間結(jié)構(gòu)(孔隙大小、形狀和空間分布情況),因此常采用反映材料容積性質(zhì)(bulk properties)的“有效導(dǎo)熱系數(shù)”來(lái)表征多孔材料的導(dǎo)熱性能。從熱傳導(dǎo)的角度進(jìn)行分析時(shí),多孔材料可以看作固相、氣相兩相的系統(tǒng)。多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)不僅取決于其組成成分,還與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)多孔材料的孔隙率及其連續(xù)介質(zhì)與孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù),通過(guò)對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,建立合適的計(jì)算公式來(lái)研究此類(lèi)多孔材料的傳熱特性的方法稱(chēng)為有效導(dǎo)熱系數(shù)法,該方法是研究多孔材料傳熱特性的常用方法。

    一般多孔材料可分為兩大類(lèi),一類(lèi)是氣孔分散于連續(xù)介質(zhì)內(nèi)的“內(nèi)部多孔”材料,另一類(lèi)是顆粒狀物體堆積而成的“外部多孔”材料。本文所研究的作為保溫材料的多孔材料屬于“內(nèi)部氣孔”材料,即材料中的氣孔內(nèi)充滿了導(dǎo)熱系數(shù)較小的空氣,氣孔分散在導(dǎo)熱系數(shù)較高的連續(xù)介質(zhì)中。當(dāng)材料上下兩端存在溫度梯度時(shí),熱傳導(dǎo)的最佳途徑應(yīng)為:熱流盡可能地繞過(guò)氣孔,而在連續(xù)介質(zhì)中傳導(dǎo)。

    迄今為止,研究者們提出了大量的分析模型來(lái)對(duì)多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只考慮熱傳導(dǎo)為唯一的傳熱過(guò)程的各向同性的非均勻多孔材料,其有效導(dǎo)熱系數(shù)可以用5種已經(jīng)建立的基本模型確定。

    1.1串聯(lián)模型

    圖1為串聯(lián)模型的示意圖,該模型針對(duì)不同組分以層狀結(jié)構(gòu)疊加而成的非勻質(zhì)材料,熱流方向從上到下依次經(jīng)過(guò)每一層。

    串聯(lián)模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為

    圖1 串聯(lián)模型示意圖

    式中:ke——有效導(dǎo)熱系數(shù);

    ν2——第二相的體積分?jǐn)?shù);

    k1——第一相的導(dǎo)熱系數(shù);

    k2——第二相的導(dǎo)熱系數(shù)。

    1.2并聯(lián)模型

    如圖2所示,該模型也用于研究不同組分疊加而成的非均質(zhì)材料。不同于串聯(lián)模型的是,并聯(lián)模型中熱流方向從上到下同時(shí)流經(jīng)不同的材料。

    圖2 并聯(lián)模型示意圖

    并聯(lián)模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為

    1.3Maxwell-Eucken模型

    如圖3和圖4所示,該模型表示一種介質(zhì)均勻的分散在另一種介質(zhì)中,且分散相中的氣孔不連通。Maxwell-Eucken 1模型中連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù)大于分散相,Maxwell-Eucken 2模型中分散相的導(dǎo)熱系數(shù)大于連續(xù)相。

    圖3 ME1模型示意圖(連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)大于分散相導(dǎo)熱系數(shù))

    圖4 ME2模型示意圖(分散相導(dǎo)熱系數(shù)大于連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù))

    Maxwell-Eucken 1有效系數(shù)計(jì)算式為

    式中:ke——有效導(dǎo)熱系數(shù);

    ν1——連續(xù)相的體積分?jǐn)?shù);

    ν2——分散相的體積分?jǐn)?shù);

    k1——連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù);

    k2——分散相的導(dǎo)熱系數(shù)。

    Maxwell-Eucken 2有效系數(shù)計(jì)算公式為

    式中:ke——有效導(dǎo)熱系數(shù);

    ν1——分散相的體積分?jǐn)?shù);

    ν2——連續(xù)相的體積分?jǐn)?shù);

    k1——分散相的導(dǎo)熱系數(shù);

    k2——連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù)。

    1.4EMT模型

    如圖5所示,該模型中材料的兩種組分隨機(jī)分布,每一相之間既不連續(xù)也不分散。每一種組分是否能形成導(dǎo)熱路徑,取決于組分的量。

    圖5 EMT模型示意圖

    EMT模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為

    式中:ke——有效導(dǎo)熱系數(shù);

    ν1——第一相的體積分?jǐn)?shù);

    ν2——第二相的體積分?jǐn)?shù);

    k1——第一相的導(dǎo)熱系數(shù);

    k2——第二相的導(dǎo)熱系數(shù)。

    運(yùn)用這5種基本的物理模型,可以將多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)表示成連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)、分散相導(dǎo)熱系數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)的函數(shù)。通過(guò)物理模型求解不僅可以對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行理論分析,還可以發(fā)展更加復(fù)雜和通用的模型。運(yùn)用這5種基本模型還可以確定具有一定物理結(jié)構(gòu)的材料種類(lèi)的導(dǎo)熱系數(shù)范圍。對(duì)于“內(nèi)部氣孔”材料,其有效導(dǎo)熱系數(shù)以EMT模型的計(jì)算結(jié)果作為下限,以Maxwell-Eucken1模型(即其中連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)大于分散相導(dǎo)熱系數(shù))的計(jì)算結(jié)果作為上限。

    圖6為k1/k2=20的兩組分材料,通過(guò)5種模型求解后,得到其相對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)ke/k1在整個(gè)組分范圍內(nèi)的變化。

    2 導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

    多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù),是研究多孔材料傳熱特性的重要物性參數(shù)之一。測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法很多,如穩(wěn)態(tài)法中的保護(hù)平板法、熱流計(jì)法;以及瞬態(tài)法中的熱線法、探針?lè)āPS法、激光法等。由于本文所研究的多孔保溫材料為封閉型空隙的氣孔材料,即其中孔隙內(nèi)的流體處于靜止?fàn)顟B(tài),材料內(nèi)熱量的傳遞不涉及物質(zhì)的宏觀遷移,所以不考慮對(duì)流換熱,并且忽略輻射換熱,將多孔材料的傳熱過(guò)程看作純熱傳導(dǎo)過(guò)程。從測(cè)量原理分析,需要在樣品一面加熱,另一面測(cè)溫,如穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法中的激光法都需要加熱量從被測(cè)樣品的正面?zhèn)鬟f到另一面,這會(huì)不可避免地引入對(duì)流換熱,因此這一類(lèi)方法并不適用于測(cè)量多孔材料;而加熱面和測(cè)溫面均在樣品同一面的方法,如熱線法、探針?lè)?、TPS法將更適合于多孔材料。經(jīng)過(guò)比較,本文采用瞬態(tài)熱線法對(duì)多孔保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

    圖6 5種模型計(jì)算的相對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)隨第二相體積分?jǐn)?shù)的變化

    瞬態(tài)熱線法的起源可以追溯到1780年美國(guó)科學(xué)家Joseph Priestley首次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量空氣的熱傳導(dǎo)能力,之后被廣泛用于研究氣體的熱傳導(dǎo)能力和導(dǎo)熱系數(shù);1931年,Stalhane和Pyk首次將瞬態(tài)熱線法用于測(cè)量固體和粉末以及液體的導(dǎo)熱系數(shù),并提出了熱線法的理論,開(kāi)創(chuàng)了用熱線法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的先河[12];20世紀(jì)70年代之后,隨著計(jì)算機(jī)和電測(cè)技術(shù)的發(fā)展,瞬態(tài)熱線法因?yàn)闇y(cè)量快速、能夠有效避免自然對(duì)流等優(yōu)點(diǎn),在流體導(dǎo)熱系數(shù)研究領(lǐng)域得到快速發(fā)展。到現(xiàn)在,由于理論完整、準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)而成為目前國(guó)際上公認(rèn)的測(cè)量流體最好的方法,并成為IUPAC建立液體導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一級(jí)測(cè)量方法[13-16]。同時(shí),熱線法技術(shù)已經(jīng)廣泛用于氣體、液體、固體[17-19]和金屬熔融狀態(tài)[20-21]等,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度也不斷提高,測(cè)量不確定度可以低于0.5%[22-24]。

    本文采用基于熱線法測(cè)量流體導(dǎo)熱系數(shù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對(duì)固體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的熱線法儀器,研究了283~333K范圍內(nèi)多孔保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

    2.1實(shí)驗(yàn)原理

    瞬態(tài)熱線法是利用測(cè)量熱絲的電阻來(lái)測(cè)量物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的,基于1976年Healy提出的理論[25],其理想模型為:在無(wú)限大的各向同性、均勻物質(zhì)中置入直徑無(wú)限小、長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)、內(nèi)部溫度均衡的線熱源,初始狀態(tài)下二者處于熱平衡狀態(tài),突然給線源施加恒定的熱流加熱一段時(shí)間,線熱源及其周?chē)奈镔|(zhì)就會(huì)產(chǎn)生溫升,由線熱源的溫升即可得到被測(cè)物體的導(dǎo)熱系數(shù)。其控制方程是簡(jiǎn)單的傅里葉方程:

    式中:T——溫度;

    t——時(shí)間;

    a——被測(cè)物質(zhì)的熱擴(kuò)散系數(shù),a=λ/ρCp,λ為

    被測(cè)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),ρ與Cp分別為被測(cè)物質(zhì)

    的密度和定壓比熱容。

    假設(shè)被測(cè)物質(zhì)的物性參數(shù)在加熱過(guò)程中為常數(shù),將初始時(shí)刻的線熱源與被測(cè)物質(zhì)的溫度記為T(mén)0,任意時(shí)刻任意位置的溫升記為ΔT,則有:

    方程(1)可寫(xiě)為

    初始條件和邊界條件分別為

    式中q為單位長(zhǎng)度線熱源的加熱功率,在模型中假定流體的a、ρ、λ、Cp等物性均為恒量,當(dāng)線熱源半徑r0足夠小、t足夠長(zhǎng)時(shí),對(duì)方程(8)求解并進(jìn)行多項(xiàng)式展開(kāi),可以得到熱線的溫升為

    其中A=q/4πλ,B=A·ln(4a/r0C);C=eγ,γ為歐拉常數(shù),γ=0.5772…。

    由式(12)可知,在r=r0處的熱線溫升與時(shí)間的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系,因此可以分別從ΔT~lnt線性關(guān)系的斜率A和截距B得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù),即:

    利用瞬態(tài)熱線法進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,正是基于式(12)進(jìn)行的。

    從式(13)中可以看出,只需知道加到熱絲上的單位長(zhǎng)度的加熱功率以及熱絲受熱后引起的溫升與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系,即可以求得導(dǎo)熱系數(shù)。

    2.2實(shí)驗(yàn)樣品

    實(shí)驗(yàn)所用擠塑式聚苯乙烯(XPS)在10℃下的導(dǎo)熱系數(shù)<0.028W/(m·K)(生產(chǎn)廠家提供),閉孔結(jié)構(gòu),吸水率<2.0%(ν/ν),如圖7所示為XPS樣品。

    圖7 實(shí)驗(yàn)所用擠塑式聚苯乙烯(XPS)樣品

    2.3實(shí)驗(yàn)儀器

    本文中使用的實(shí)驗(yàn)儀器包括熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀(西安夏溪電子科技有限公司,型號(hào):TC3010),中溫固體容器以及Hotwire 3.0導(dǎo)熱系數(shù)自動(dòng)測(cè)試軟件。其中,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x在0.005~20 W/(m·K)范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度為±2%,重復(fù)性為±2%;中溫固體容器在283~333K范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定度為±2mK。

    2.4系統(tǒng)檢驗(yàn)

    在進(jìn)行保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量之前,先使用導(dǎo)熱系數(shù)儀對(duì)硼硅玻璃和不銹鋼在283~353K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,并將測(cè)量數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果列于表1和表2中。表中Tr為導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度;標(biāo)準(zhǔn)值λcal根據(jù)文獻(xiàn)[26]提供的硼硅玻璃和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式求出;λexp為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,(λexp-λcal)/λcal為實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值間的偏差??梢钥闯?,導(dǎo)熱系數(shù)儀對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量準(zhǔn)確度在±1%之內(nèi)。

    表1 硼硅玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

    表2 不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

    2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    利用熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀,在283~333K的溫度范圍內(nèi),測(cè)量了擠塑式聚苯乙烯(XPS)的導(dǎo)熱系數(shù),結(jié)果列于表3中,其中λexp為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,λcal為采用擬合方程計(jì)算得到的結(jié)果,(λexp-λcal)/λcal為實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值間的偏差。

    表3 不同溫度下的XPS導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)如圖8所示。

    為滿足工程應(yīng)用,將材料的導(dǎo)熱系數(shù)擬合為與溫度的關(guān)聯(lián)式,表示如下:

    其中,A=0.00693;B1=6.27558×10-5;B2=2.20659×10-8,上述關(guān)系式的適用范圍為280~340 K,不具有外推性。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值間的偏差如圖9所示,可以看到偏差均在±0.6%之內(nèi),證明吻合度很好。

    3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

    利用前文所述4種模型,結(jié)合多孔材料各組分的性質(zhì)和體積分?jǐn)?shù),計(jì)算得到多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算所用到材料的物性參數(shù)如表4所示,其中下角標(biāo)1表示孔隙率為0的被測(cè)物,2表示空氣;λ1和λ2分別為被測(cè)材料和空氣的導(dǎo)熱系數(shù),ρ1和ρ2分別為其密度,ν1和ν2分別為體積分?jǐn)?shù),計(jì)算用到的空氣的導(dǎo)熱系數(shù)值從Refprop 9.0(NIST)中得到。

    圖8 不同溫度下的擠塑式聚苯乙烯(XPS)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)

    圖9 XPS導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合計(jì)算結(jié)果的偏差

    表4 多孔材料的物性參數(shù)

    所得XPS板在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表5。其中,λcals,λcalp,λcalKI,λcalME2,λcalME,λcalEMT分別表示采用串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、Kopelman isotropic模型、Maxwell-Eucken2模型、Maxwell-Eucken模型和EMT模型計(jì)算得到的結(jié)果,從計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著溫度增加導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大。

    表5 基于不同模型的XPS導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果

    將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如圖10所示。從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的分布圖可以看出,實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)位于各種模型計(jì)算結(jié)果范圍之內(nèi),且兩者隨溫度變化趨勢(shì)完全一致。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型的計(jì)算結(jié)果重合。

    圖10 擠塑式聚苯乙烯(XPS)的不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

    對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與 Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)比較,結(jié)果列于表6中??梢钥吹?,這兩種模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差均<0.5%,證明針對(duì)XPS這一類(lèi)物質(zhì),采用這兩種模型進(jìn)行理論計(jì)算是比較適用的。

    表6 Kopelman iostropic模型和Maxwell-Eucken模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果的比較

    4 結(jié)束語(yǔ)

    在283~333K溫度區(qū)間內(nèi),對(duì)多孔保溫材料擠塑式聚苯乙烯(XPS)的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得到了不同材料在相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的擬合關(guān)聯(lián)式,并與5種有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了對(duì)于所研究多孔保溫材料的模型方程的適用性。結(jié)果證明,對(duì)于XPS,Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型的計(jì)算結(jié)果更可靠。

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    (編輯:徐柳)

    Experimental measurement and calculation of thermal conductivity of porous material

    FU Wenqiang1,GAO Hui2,XUE Zhengxin2,GUAN Weijun1,HAN Fei1,WANG Xingdong1
    (1.Shaanxi Institute of Metrology Science,Xi’an 710065,China;2.MOE Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

    The effective thermal conductivity of porous insulation materials XPS was measured by transient hot-wire method at the temperature ranging from 283 K to 333K.In particular,the effective thermal conductivity of the XPS was calculated with 5 basic models,viz.,Series,Parallel,Kopelman isotropic,Maxwell-Eucken and EMT,according to the thermal conductivity,density and structural characteristics of each component of the material.The experimental results and calculations show that Kopelman isotropic model and the Maxwell-Eucken model are more suitable for the calculation of effective thermal conductivity of porous materials.The bias between calculation and experimental results was less than 0.5%.

    transient hot-wire;porous insulation material;effective thermal conductivity;porous model

    A

    1674-5124(2016)05-0124-07

    10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.026

    2015-11-26;

    2015-12-21

    國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(20130K147)

    付文強(qiáng)(1961-),男,安徽潁上縣人,高級(jí)工程師,主要從事計(jì)量測(cè)試研究。

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