粒狀建筑物料熱物性參數(shù)檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)研究

孫國(guó)建 張輝呂寧 鄭新龍

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

粒狀建筑物料熱物性參數(shù)檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)研究

孫國(guó)建 張輝*呂寧 鄭新龍

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

本文為了對(duì)粒狀建筑物料的熱物性參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)量，采用圓柱型一維徑向?qū)崮Ｐ蛯?duì)粒狀建筑物料的熱物性進(jìn)行了計(jì)算研究，并制作了測(cè)量粒狀建筑物料熱物性參數(shù)的裝置。應(yīng)用該測(cè)量裝置對(duì)石英砂的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱進(jìn)行了測(cè)量計(jì)算，并取得了較好的測(cè)量結(jié)果。

粒狀物料 測(cè)量 熱物性參數(shù)

0　引言

熱物性參數(shù)作為物質(zhì)的重要物理參數(shù)，不僅在建筑領(lǐng)域有著重要的作用，在化工、能源、動(dòng)力工程等領(lǐng)域也有著不可取代的用途，是許多工業(yè)流程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可缺少的重要基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。特別是導(dǎo)熱系數(shù)在很多行業(yè)中更是有著極其重要的作用。當(dāng)前物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的獲得主要還是以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為主，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量原理大致可以分為穩(wěn)態(tài)方法和非穩(wěn)態(tài)方法兩種[1]。其中，非穩(wěn)態(tài)法由于具有測(cè)量精度高、測(cè)量時(shí)間短和測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)頗受研究和工作人員的青睞，發(fā)展速度較快。如根據(jù)第二類(lèi)邊界條件和無(wú)限大平板導(dǎo)熱問(wèn)題設(shè)計(jì)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀，能夠快速測(cè)量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。其測(cè)量熱物性的基本方法是將被測(cè)材料置于特定的邊界條件下，測(cè)定通過(guò)的熱流量以及特征點(diǎn)（或面）上的溫度或溫度變化率，再根據(jù)在該邊界條件下熱傳導(dǎo)方程的解，計(jì)算出熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)[2～4]。而粒狀建筑物料不同于板狀的結(jié)構(gòu)，由于不規(guī)則性和不可控性使其的熱物性參數(shù)的測(cè)量在實(shí)際操作中存在較大困難。

本文正是為解決實(shí)際應(yīng)用中粒狀建筑物料熱物性參數(shù)測(cè)量困難問(wèn)題而研究設(shè)計(jì)的一新型測(cè)量裝置。

1　測(cè)量原理和裝置

本文中所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置采用的是圓柱型徑向一維導(dǎo)熱模型，圓柱型筒體中空用于盛放粒狀建筑物料。在細(xì)長(zhǎng)圓柱型建筑物料的側(cè)面形成溫度均勻上升的邊界條件，為此在鋁制筒體周?chē)芗鶆虻乩p繞電阻絲，用于加熱物料；并將上下兩個(gè)底面用隔熱材料構(gòu)成絕熱邊界條件，則在物料中會(huì)形成一維徑向變化的軸對(duì)稱(chēng)溫度場(chǎng)。測(cè)量時(shí)將物料密封，使其與空氣隔絕，則在物料側(cè)面的溫度隨時(shí)間按設(shè)定線(xiàn)性規(guī)律升高時(shí)，不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，此時(shí)該物料樣品溫度場(chǎng)的微分方程和定解條件為：

式中：ρ為物料樣品密度；c為物料樣品比熱；T為物料樣品溫度；T0為物料樣品初始溫度；r為物料樣品研究點(diǎn)半徑；R為最大半徑（圓柱型筒體內(nèi)徑）；τ為加熱時(shí)間；A為所設(shè)定的物料樣品溫升速率。

根據(jù)熱傳導(dǎo)的相關(guān)理論，在對(duì)筒體內(nèi)的物料樣品開(kāi)始加熱一段時(shí)間后，物料樣品中的溫度都會(huì)隨邊界溫度等速率線(xiàn)性升高，并在筒體物料樣品中心r=0和r=R處產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的溫差，即所謂的正常工況，如圖1所示。

圖1　物料溫度變化理論示意圖

對(duì)上述方程求解，可求得物料樣品溫度沿徑向的變化規(guī)律為：

其中粒狀物料熱擴(kuò)散系數(shù)a=λ/ρc，根據(jù)式（2），在筒體物料樣品中心r=0和物料樣品側(cè)面r=R處的溫度分別為：

由式（3）和式（4）可得，TR-Tc=AR2/2a，因此根據(jù)以上兩處溫度即可計(jì)算出粒狀建筑物料的熱擴(kuò)散系數(shù)：

此外，再根據(jù)能量平衡，在正常工況下，各點(diǎn)的溫升速率相同，如果測(cè)量出加給粒狀物料的加熱功率PW，則，易測(cè)得圓柱型筒體內(nèi)物料樣品的體積V和質(zhì)量m，便可求得物料樣品密度ρ=m/V，進(jìn)而求得

式中：c為粒狀物料樣品比熱；λ為粒狀物料樣品導(dǎo)熱系數(shù)。

2　測(cè)量裝置

根據(jù)上文原理設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置如圖2所示，測(cè)量裝置系統(tǒng)硬件主要由計(jì)算機(jī)、溫度采集器、程控電源、Pt100鉑電阻、圓柱型筒體盛料器（圖3）、加熱電阻絲組成。

圖2　測(cè)試裝置示意圖

圖3　筒型加熱器橫截面示意圖

溫度采集器采用的是泓格具有串行通信功能的溫度采集模塊I-7033，具有3個(gè)熱電阻連接通道，可同時(shí)采集三路溫度；圓筒型盛料器由內(nèi)徑40mm，長(zhǎng)度100mm，鋁制中空?qǐng)A筒，兩端用木制頂蓋塞住并加絕熱層，將加熱電阻絲均勻密集的纏繞在鋁制筒體外側(cè)，用于給物料樣品加熱；數(shù)據(jù)采集軟件采用Delphi自行開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面，簡(jiǎn)單實(shí)用。

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

3.1熱物性參數(shù)的計(jì)算

為了測(cè)量所加在粒狀建筑物料樣品上的加熱輸出功率，需先測(cè)得加在空床上的輸出功率，即圓筒內(nèi)沒(méi)有物料樣品時(shí)，電阻絲所需功率輸出。實(shí)驗(yàn)裝置中為使物料溫度達(dá)到所要求的線(xiàn)性化上升條件，運(yùn)用PWM脈寬調(diào)制的相關(guān)方法，編寫(xiě)相關(guān)程序?qū)⒄麄€(gè)電阻絲上的加熱輸出功率分成2048份，并且使輸出功率逐漸依次加在物料樣品外側(cè)，以使圓柱型筒體及樣品溫度按照設(shè)定的溫升速率升高。輸出比例即所加在筒體及物料樣品上輸出功率占整個(gè)電阻絲輸出總功率（2048份）中的份數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下首先對(duì)常見(jiàn)粒狀建筑物料石英砂進(jìn)行了測(cè)量。先要測(cè)得圓柱型筒體在空床條件下的功率輸出比例，此時(shí)電阻絲上的加熱功率全部加在筒體上。當(dāng)盛有石英砂樣品時(shí)，電阻絲上的加熱功率加在筒體和石英砂樣品上。電阻絲加熱功率輸出比例隨時(shí)間變化規(guī)律如圖4。

圖4　空床及盛料功率輸出比例變化規(guī)律

由圖4可見(jiàn)，空床工況時(shí)和盛料工況時(shí)加熱功率輸出比例的斜率分別為0.0212、0.0224，在實(shí)驗(yàn)條件下可近似認(rèn)為平行，則兩線(xiàn)的截距之差，即兩線(xiàn)沿Y軸方向的差值，可認(rèn)為是除去加在筒體上的加熱功率后，加在粒狀物料樣品上的加熱功率輸出比例。

空床工況和盛料工況時(shí)功率輸出比例的近似擬合直線(xiàn)分別為：

故可通過(guò)兩式截距求得加在石英砂樣品上的加熱功率大小：

式中：l為盛料工況輸出比例擬合直線(xiàn)截距；l0為空床工況輸出比例擬合直線(xiàn)截距；U為加在電阻絲上的電壓；R為電阻絲的電阻。

由空床工況和盛料工況時(shí)功率輸出比例的近似擬合直線(xiàn)可得，l=63.387，l0=50.09，萬(wàn)能表測(cè)得電阻值R=238Ω，代入式（8）得：

已測(cè)得圓柱型筒體內(nèi)徑r=0.02m，高度h=0.1m；故筒體體積為V=πr2h=1.2566×10-4m3。由電子秤測(cè)量得粒狀物料石英砂樣品重量m=168.8g，密度ρ=m/V= 1343.268kg/m3。由程序設(shè)定溫升速率A=0.01，pw為加在石英砂上的輸出功率，全部用于石英砂樣品溫度升高，故：

化簡(jiǎn)易求得石英砂樣品的比熱：c=PW/ρVA=PW/ mA=1.32036/168.8×10-3×0.01=782.203J/(kg·K)

由測(cè)量數(shù)據(jù)整理得在筒體石英砂樣品中心r=0和側(cè)面r=R處的溫度變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　r=0和r=R處溫度變化圖

r=0和r=R處的溫度變化規(guī)律可擬合成如下直線(xiàn)：

實(shí)驗(yàn)條件下可近似認(rèn)為圖5中兩直線(xiàn)平行，由兩線(xiàn)在Y軸上的截距之差可求得粒狀物料樣品中心和側(cè)面的溫差穩(wěn)定在TR-T0=4.145K。代入式（5）、（7）可求得石英砂樣品熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)分別為：

多次對(duì)石英砂熱物性參數(shù)測(cè)量可得如下結(jié)果；

表1　石英砂熱物性參數(shù)測(cè)量值

實(shí)驗(yàn)中粒狀物料的含水量對(duì)結(jié)果有一定影響，實(shí)驗(yàn)中雖未對(duì)水分含量對(duì)熱物性參數(shù)的影響做具體研究；從表1仍然可見(jiàn)，隨測(cè)量次數(shù)的增多石英砂中水分逐漸揮發(fā)減少，石英砂比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都有所減小。

3.2數(shù)據(jù)處理過(guò)程分析

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，判斷是否進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程很重要。在初始狀態(tài)物料樣品中心溫度與側(cè)面溫度相等（T0=TR），隨著加熱時(shí)間的推移，T0，TR逐漸升高并分離，直到TR-T0穩(wěn)定在某一特定值附近，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中用觀察法判斷溫差相對(duì)不變的點(diǎn)作為進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的起始點(diǎn)，并以此作為處理數(shù)據(jù)時(shí)間的起始點(diǎn)，此后T0，TR的時(shí)間擬合直線(xiàn)理論上達(dá)到平行。但由于人眼觀察的局限性和實(shí)驗(yàn)條件的限制，使所觀測(cè)的點(diǎn)并不一定十分準(zhǔn)確，也不能保證絕對(duì)的平行。

4　結(jié)語(yǔ)

本文建立了一套測(cè)定粒狀建筑物料熱物性參數(shù)的新型裝置，測(cè)定了石英砂的導(dǎo)熱系數(shù)，熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱。由于水分含量對(duì)石英砂熱物性具有一定影響，石英砂含水量水分越少，石英砂比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)越小，越接近干燥石英砂本身熱物性。故在實(shí)驗(yàn)時(shí)欲測(cè)得石英砂本身熱物性須多次測(cè)量或?qū)⑹⑸笆孪燃訜岣稍?。本裝置雖然以測(cè)量粒狀建筑物料熱物性參數(shù)為初衷，但對(duì)一般常見(jiàn)粒狀物料的熱物性的檢測(cè)都有效，未來(lái)可廣泛應(yīng)用在建筑、化學(xué)、物理等眾多領(lǐng)域。

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Experimental Research of Thermophysical Properties Detection Device for Granular Building Materials

SUN Guo-jian,ZHANG Hui*,LV Ning,ZHENG Xin-long School of Energy&Environment,Southeast University

In order to measure the thermophysical properties of granular building materials effectively,using cylindrical one-dimensional radial thermal conductivity model,granular building material thermophysical properties are calculated, and the measuring device for granular building material thermal physical property parameters was developed.Applying the device to measure coefficient of thermal conductivity,thermal diffusivity and specific heat of the quartz sand,it is found that the results have been achieved availably.

granular material,measure,thermophysical property

1003-0344（2015）06-083-4

2014-6-7

張輝（1961～），男，博士，教授；江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號(hào)東南大學(xué)（本部）能源與環(huán)境學(xué)院（210096）；E-mail:Zhanghui@seu.edu.cn