走进我们
资讯动态
产品中心
技术参数
客户留言
人力资源
服务地区
联系我们
 
LED行业资讯        您当前的位置:首页 > 技术参数  

导热系数测试技术

时间:2019-01-06 00:46:03  来源:本站  作者:
公司

  导热系数仪器原理和测试技术 中国建筑科学研究院 (国家建筑工程质量监督检验中心) 前言 近年来,建筑节能工作在我国的发展十分迅 速,建筑节能形势也越来越好。但据统计,全国 节能建筑发展水平仍然参差不齐,建筑用能浪费 仍相当严重,节能潜力还未充分发挥。全国每年 新建城乡建筑的建筑中80%以上是高耗能建筑。 相同条件下,我国建筑平均使用能耗远远高于发 达国家;同时伴随着村镇建筑用能的逐步提高, 我国的建筑节能工作任重而道远。 ? 导热系数是建筑材料的基本物性之一,是鉴 别建筑材料保温性能好坏的重要指标。对于保温 材料来说,导热系数是其中最重要的一个参数, 因为导热系数是决定保温材料保温能力的根本因 素。 ? 近些年来,随着国家对建筑节能的要求越来 越高,高保温(低导热系数)性能的材料的应用 越来越广泛,因此准确测定保温材料的导热系数 有利于合理选材及指导围护结构节能设计,对于 建筑节能来说具有十分重要的意义。 针对日益广泛的建筑节能检测工作,其中保 温材料的导热系数的测试在整个建筑节能检测领 域非常普遍,同时为了配合此次的认监委导热系 数能力验证项目( CNCA-12-A10 )的总结工作, 本文主要介绍与导热系数测试相关的标准、测试 方法及测试仪器等问题,通过此次交流,以期与 大家共同进步,为更好地开展节能检测做一些力 所能及的工作。 ? ? ? ? ? 一 二 三 四 五 基本原理和概念 常用稳态测量方法 ★ 导热系数测试仪举例分析 非稳态测量方法介绍 检测报告注意事项 一 基本原理和概念 ? 对于厚度为d的无限大的单层匀质平壁,当两侧的 温度保持恒定,分别为t1和 t2,且 t1 t2,根据 傅立叶定律可以得到公式: 将此式分离变量积分,得到单层匀质平壁在一维稳 态条件下的热流密度计算公式为: 涵义简述: ? 理论基础: 式中:q—单位时间内通过单位面积所传递的热量(W/㎡); d—单层平壁的厚度(m); t1,t2—壁面两侧的温度(℃)。 ? 导热系数表述:λ , W/(m·K) ? 物理意义:在稳态条件下,1m厚物体,两侧表面 温差为1k,1s内通过1m2面积传过的热量。 导热系数值越小,材料的绝热(保温)性能越好。 ? 基于稳定热状况的测试方法大致可分为三 种类型: 1.平板法,包括单平板法、双平板法、相对 平板法(比较法、热流计法); 2.圆管法; 3.球体法。 其中以平板法为最主要的测试方式。 二、常用稳态测量方法 2.1 常用标准 2.2 防护热板法(单试件) 2.3 双试件(平板法)设备与单试件(平板法)设 备的对比 2.4 热流计法设备与防护热板法(平板法)设备的 对比 2.1 常用标准 ? 1 GB/T 10294-2008 《绝热材料稳态热阻及有关 特性的测定 防护热板法》 通过计量被测试件的两侧温度和热侧的加热功率,从 而获得材料的导热系数。 ? 2 GB/T 10295-2008 《绝热材料稳态热阻及有关 特性的测定 热流计法》 通过计量被测试件的两侧温度和通过试件的热流密度, 从而获得材料的导热系数。 2.2 防护热板法(单试件) ? 本节以防护热板法( GB/T 10294方法)中的单 试件法为例来重点介绍稳态法测量保温材料导热 系数的情况,然后进行介绍: 防护热板法中的双平板法 热流计法( GB/T 10295方法) 将这两种常用的方法与单平板法的相同和不 同之处做对比介绍。 ? 首先介绍一下仪器设备的原理,示意图如下: ? 仪器重点: – ①试件两侧温度计量准确; – ②试件热侧加热功率计量准确; – ③试件温度和侧向护热板、背向护热板要保持 高度一致。 事实上,为了达到上述目的,对仪器的要 求是方方面面的,如:测试元件的精度、测温 点的布置、控制系统的灵活,甚至包括仪器的 机械加工精度等等,这些都会对仪器的测量结 果产生影响。 ? 对于仪器开发人员来说,如何提高仪器自身的测 量精度是研究的重点。 ? 但对于节能检测人员来说,仪器的内部因素不是 关注的重点,如何更好地使用仪器设备则才是重 要的关注点,但对仪器原理应有基本的了解,便 于在日常工作中解决特殊问题及突发问题。 测试达到平衡的判断 (1)一般凭经验确定测量间隔。对于泡沫塑料等轻 质试件可取30分钟,对于较厚重试件取1小时。 (2)当连续四组读数给出的热阻值的差别不超过 ±1%,并且不是单调地朝一个方向改变时即表示 达到稳定状态。 使用过程的一些基本注意事项 (1)试件冷热面温度差的设定要按照相关标准或其他规定 进行(GB/T 10294标准建议温差最少为10-20K),根据 多年的科研检测结果来看:对于普通绝热材料,不宜将冷 热面温差设定在10K以下;在实验研究或材料对比时,可 以适当放松温差要求,但极端情况也不应低于5K,否则不 易保持测试的准确性。 (2)对于软质保温材料,在保证夹紧的同时还要避免过度 压缩试件,防止改变试件的热工性能而影响测量结果。 ? (3)对于硬质材料,要避免仪器的冷热板与试件之间产 生空气间隙,采用导热良好的膏体材料排出缝隙间的空气 是一个好办法。 举例说明空隙的影响: 测试一种隔热塑料的导热系数,塑料的厚度15mm,导热 系数0.18W/(m· K),假定塑料试件的平整度每面都是 0.3mm(对于300mm尺寸的试件,相当于平整度为 1/1000),则在测试时的空气间隙总厚度为0.6mm。由此 可以简单评估一下空气间隙对整个测试的影响, 空气间隙总热阻约为:0.0003/0.024=0.0125 m2· K/W 塑料试件的自身热阻约为:0.015/0.18=0.0833 m2· K/W 空气间隙热阻约占试件热阻的15%。 这种巨大的偏差是实验室测试所要坚决避免的。 (4)对于常规材料,应在实验结束前对其测量结 果做一个基本判断(其中,密度是一个重要参考 因素,因为密度对于很多材料来说,在一定范围 内与导热系数有一定的相关关系),如果出现意 外结果,则应及时查找各方面原因。 (5)对于非常规材料,应在实验前根据材料的密 度,以及与其相似材料的一些性能等参数做参考, 粗估材料的导热系数,从而设定合理的温度范围, 有利于缩短测量过程并得到更为准确的测量结果。 (6)仪器的冷热板表面不宜覆盖其他材料(一般 是促进冷热板与试件的接触);如果采用这种方 式,应做好与之相关的校准工作。 (7)试件热阻不能太小。 其中,标准建议要大于0.1(m2·K)/W。 潜台词:试件不能太薄;试件的导热系数不能 太大。 注意问题:同时试件不能太厚,否则在有限的 测量尺寸下,试件越厚会导致测量温度场偏离 一维稳态传热的程度越大,而一维稳态传热是 测试的理论基础,必须得到保证才能确保测量 的准确性。 (8)试件厚度对测量有较大影响,对于 300mm×300mm尺寸的设备,比较理想的试件 厚度为20 mm~30mm,一般不要超过10 mm~ 50mm的范围。 (9)不应对所有的材料都用统一的夹紧力。一般 说来,试件越不平所需的夹紧力应越大,试件越 硬所需的夹紧力越大。 (10)设备测量区的防护罩对试件的测量影响大 小因不同测试温度条件和不同试件而不同,建议 不要放弃防护罩的使用。 (11)测试时设备的大环境温度尽量保持稳定, 同时尽量避免测试温度和环境温度接近的情况, 否则容易增加一般设备的控制难度,造成稳定时 间过长的情况出现。 2.3 双试件(平板法)设备与单试件(平板法) 设备的对比 双试件法设备简单说来,就是采用在主加热 板的两侧各设置一块相同试样,进行材料导热系 数测试的方法。 T2 Q2 Q1 Q3 T1 T3 Q2 与单平板法设备相比,两者的区别在于: 首先,由于双试件设备采用了两块试件,这 就使得双试件设备避免使用了单试件设备中主加 热板背后的背护热板,从而避免了主加热板向背 护热板的传热问题,从这个角度看有利于提高设 备的测量精度。 其次,双试件设备所使用的两块试件必须完 全一致(理论上),否则可能会引起主加热板向 双侧的传热不均而导致测量结果产生偏差。 实际 测试中,无论是试件的厚度还是试件的均匀性, 两块试件不可能做的完全一致,从这个角度看双 试件设备不利于提高设备测量精度。 2.4 防护热板法(平板法)设备与热流计法设备 的对比 热流计法设备采用GB/T 10295-2008标准, 因为它不精确计量热量(功率)参数,所以它是 一种相对法设备。设备所使用的热流计是经过系 数标定的,因此测量的准确性与热流计的标定准 确性有着决定性的关系。 ? 热流计设备原理图(双热流计) 示意图如下所示: ? 注意事项: 热流计法导热仪的准确性与设备所使用的热流计系数 标定有很大关系。通常来说,热流计法导热仪是利用标准 件进行标定的,在仪器的使用范围内,应该针对不同热流 密度(绝热材料一般为低热流密度,非绝热材料一般为高 热流密度)进行至少两种热流情况进行标定,不能仅仅进 行一次标定就用来测量多类型材料,尤其是测量与标准件 性能差别过大的材料一定要慎重,否则测量结果可能会产 生巨大误差。 以某次能力验证为例来说明(当然检测机构使用的为 平板法和热流计法两种设备,但很多设备都是以标准板标 定为基础的): ? 参加能力验证的检测机构共36家,由于各检 测机构都采用的是玻璃棉或聚苯板等类的软质、 低导热系数的材料做为标准件,因此各检测机构 的聚苯板导热系数能力验证整体结果比较理想, 而丙烯酸树脂板导热系数能力验证整体结果非常 差。检测结果偏差柱状图如下所示: 说明:其中有的检测机构没有能测出丙烯酸树脂板的导热 系数 热流计法导热仪与防护热板法设备相比,其 特点在于: 首先,由于热流计法设备不计量功率(热量) 因此不存在主加热板与护热板之间传热问题,设 备构造相对简单。 其次,热流计法设备中,一般与被测试件接 触的都是热流计,而防护热板法设备中,与被测 试件接触的是冷热板(一般是金属材料)。金属 材料的导热性能一般远好于普通材料,因此从设 定温度的角度来说,热流计法导热仪设定温度与 试验最终温度水平之间差异较大,设定时需要一 定的测试经验,或者在测试过程中做较长时间的 渐进式调整。 ? 第三,由于采用了热流计测量原理,因此测量所 需达到平衡的稳定时间理论上要短于平板法设备。 2.5 热流传感器的标定 ? 常用热流传感器其实就是热电偶堆。 ? 随着使用周期的延长和自身老化等方面的影响,热流传感 器可能会产生变形或损坏,热流系数也随之改变,一般情 况下,热流传感器系数每年至少标定一次。 ? 标定热流传感器的仪器一般要符合GB/T 10294《绝热材 料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法 》(从逻辑的 角度上来说不应该采用GB/T10295 《绝热材料稳态热阻 及有关特性的测定 热流计法》的方法进行标定。) ? 采用GB/T 10294法,并选择用标准试件进行标定 的方法。 注:标定热流传感器应根据未来应用的范围,至少针对 高热流状态和低热流状态进行两次标定。 ? 标定原理图如下: ? 热流计标定系数C1如下: 三 导热系数测试仪举例分析 ? 导热仪主要由 1 主体部分(测试计量区) 2 冷/热源系统 3 智能测量仪(控制系统) 三部分组成。 ? 辅助 部件 主体部分 智能测量仪 热源测控系统 冷源测控系统 ? 主体部分由热板、冷板和试件压紧装置组成,热 板和冷板是仪器的硬件核心部分,主要目的是使 检测所必需的时间和空间达到稳定状态,并使热 板及冷板结构合理,制造工艺精密与可靠,这对 仪器性能的影响很大。 ? 由于时间有限,对于导热仪中纷繁的各种部件, 本节仅对检测人员日常能最直观接触到的冷热板 及其系统进行举例说明。 热侧 热板包括——背护热板、主加热板和护热板(周围护热板) 背护热板采用40mm厚的铝板加工制成,再由精密恒 温水槽提供稳定热源,恒温水进出采用螺旋形逆向流动的 液体槽板,这种设计可使板面的温度均匀性达到较好的效 果。背护热板的热源及冷源由两套精密恒温水槽组成。 主热板由主加热器和金属均热板组成,护加热板由护 加热器和金属均热板组成。主、护热板的大小与被测试件 厚度成一定比例关系,并且还与边缘热损失和不平衡误差 有关,因此,设计主护热板时必须综合考虑,使误差和不 平衡误差之和最小。有关这方面的问题,国内外已做过大 量工作,例如可以根据GB 10294推荐的尺寸进行设计。 均热板采用黄铜板制作并进行涂黑处理,其辐射率大于 0.8。主、护均热板的平整度为0.04mm,不平整度小于 0.025%。 主、护加热器采用0.1mm厚的鏮铜箔腐蚀而成,采用 半固化板绝缘,这种工艺既保证均热板和加热器之间有良 好的电绝缘又有较好的热接触。主加热板、护热板和背护 热板的温度要保持高度一致。 冷侧 冷板是由铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成 。板面进行氧化处理,板面的平整度为0.04mm, 不平整度小于0.025%。冷却水系统主要包含另一 套恒温水槽,由恒温水槽提供稳定的冷却水流。 当测试需要冷板温度设定在5℃以上时,直接通过 恒温水槽温度的调节就可以实现对冷板的温度控 制;当测试需要冷板温度设定在5℃以下时,用半 导体制冷器来控制冷板温度,此时水槽起到对半 导体制冷器冷却作用。 ? 导热仪加工试制完成后必须进行如下工作: 1. 仪器测试(主要针对设备) 1.1 热、冷板温度场分布的均匀性 ? 应用不同材质试件进行测试。 1.2 边缘热损 ? 一般来说,当试件厚度和热阻最大,而试件温差最小时 ,此时边缘热损最大(指比例大)。 1.3 试件最小厚度的确定 1.4 最小温差的确定 2. 验证测试(主要针对材料) ? 2.1. 线性实验(导热系数与平均温度的关系) ? 2.2. 不同温差影响实验 ? 2.3. 重复性试验影响实验 3. 误差分析 3.1.测量误差 (1)主加热板功率测量误差 (2)试件厚度测量误差 (3)温度测量误差 …… ? 3.2. 仪器结构引起的误差 ? 3.3.被测试件对测试结果的影响 本项误差实际上已经不是单纯的仪器本身的精度问题。 一个简单的例子:测量有机玻璃时,由于试件表面的 不平整(厚度也不完全处处相等),直接测量时,冷热板 与有机玻璃之间会形成空气间隙,引起较大的附加接触热 阻(含空气间隙热阻),测得导热系数λ=0.1592W/m·K( 平均温度22.36℃);再涂上一层导热硅油后再进行测量 ,后得到的导热系数λ=0.1774W/m·K(平均温度22.35℃ ),导热系数比直接测量时提高了11.43%。 四 非稳态测量方法介绍 ? 4.1 热脉冲法 ? 4.2 线基本原理 热脉冲法是以非稳定热流原理为基础,在试 验材料中给以短时间的加热,使试验材料的温度 发生变化,根据其变化的特点,就可以计算出试 验材料的导热系数、导温系数和比热容等相关参 数。 ? 热脉冲法具有以下特点: 1.装置简单,几乎可以通过购置有关仪表自行组装 设备; 2.试验时间短,一次试验10~20分钟左右; 3.一次试验中可以同时测出材料的导热系数、导温 系数和比热容等多项相关参数; 4.测量范围广,可测定密度30~3000 kg/m3的干燥 和潮湿的块状和粉状的建筑材料和保温材料。 ? 根据热脉冲法的基本原理,其试验装置可分为三个主要部 分。 ? 第一部分为试件及试件夹具。为了便于放置加热器及测量 温度用的热电偶,试件分为三块,中间一块试件比较薄, 两边的试件比较厚。试件和试件之间夹以热电偶和加热器 。 ? 第二部分为温度测量系统。温度的感应元件成对出现,一 对温度传感器相互之间必须高度一致,包括原点一致和斜 率一致。 ? 第三部分为加热系统。为了在试验过程中保持电压恒定, 让电流首先经过稳压器,然后经过调压器调至所需要的电 压,加热电路中接入电压表以读出加热器的两端电压。 4.1.2 试验条件的控制 1. 加热器的要求 加热器应该满足如下的要求: (1)加热器的厚度要尽可能薄(不超过0.4mm), 有弹性,热容量要小(不超过0.42 kJ/ m2· K), 在使用过程中要坚固而耐久; (2)制作加热器的材料应选电阻温度系数小的材料 (如康铜、锰铜等),使得加热器在温度变化10 ~20 ℃时,它的电阻变化实际上很小; (3)试验潮湿材料时加热器不吸收湿气; (4)接通电源时加热器应该使整个面积均匀地发热 ,而且对于试件来说是对称的; (5)加热器的尺寸应与试件的尺寸相适应。 2. 温度传感器和测试仪表的选择 对于温度测定,温度传感器要使温度读数的 精确度为0.01℃以上,例如,如果采用热电偶的 采集仪,其最小分辨率要小于0.0004毫伏。 作为成对出现的温度传感器,其不但要原点 高度一致,线性斜率也需要保持高度一致。 3. 试件尺寸的确定和制作要求 试件的制作不可能如同理论上假定的那样作 成无限厚,但是只要对试件的尺寸按一定的比例 制作和合理控制试验时间,使加热器发出的热量 扰动尚未传到试件的边界面或影响力到达试件边 界面时,试验就已结束,这就满足了理论上的要 求,一般要求试件的长和宽为薄试件厚度的5~ 10倍。 同组试件必须是同一种材料,一次成型。试 件相互接触的表面要求制作得平整,接合紧密, 这样可以避免形成缝隙而受空气间隙的影响,造 成测试结果的误差。 4 试验时间的控制 热脉冲法是以无限厚物体导热方程的解为基础的,但 由于我们实际制作的试件是有限厚的,因此要满足无限厚 物体导热方程解的要求,则试验时间(即时间)必须限制 热源面所发出的热流尚未传至试块界面(一般是试件背面 )之前,否则就要受到外界条件的影响而破坏原始的假定 。当然在实践中与理论上的假定是有一定出入的,若这误 差相当小的时候,就可以认为已满足理论上的假定。 对于一般建筑材料来说,试验时间10分钟左右是不会 超过控制时间的,仅对少数过重或过轻的材料要事先计算 一下大致的控制时间,并在实测中尝试和调整。 5 试验环境的恒温要求 脉冲法导热公式的推导中,试件的初始外界 温度和实验过程外界温度是恒定不变的,因此, 要求试验室内的气温波动尽量减小,以免试件内 部初始温度引起不均匀而影响测定结果。 ? 4.2 线 基本原理 在试验材料中间,安置一根细长的金属加热 丝,当加热丝两端接通电流后,就会发出热量, 使加丝温度升高。加热丝温度升高的快慢,与试 验材料的导热系数有关。如果试验材料的导热系 数小,即材料的绝热性能好,向外传递较慢,那 么加热丝的温度升得幅度高、速度快;相反,试 验材料的导热系数大,向外传递较快,则加热丝 的温度升得幅度小、速度慢。 线热源法就是根据这种原理研制成的。 材料的导热系数与加热丝的温升关系可以通过 求解无限长圆柱体的导热微分方程式很严格地表示 出来。我们知道,圆柱体的导热微分方程为: 它的解为: 线热源法适用于测定粉末材料,小颗粒状材料 ,短纤维状材料的导热系数。线.不需要测量试样的尺寸,试样放入容器内即可。 3.操作简单。 4.精确度为3%左右,一般不超过5%。 其它测试过程和因素分析参考热脉冲法。 五 检测报告注意事项 ? 在材料导热系数的检测结果(报告)中应注明以下信息: (1)材料的名称、标志和物理性能。 (2)试样说明及其与取样关系的描述。 (3)试样的厚度、收到及检测时的厚度。 (4)方法和用于制备的环境(试验室制样时)。 (5)已制备和检测的试样密度(非常重要)。 (6)测定的平均温度。 (7)平衡时的热流密度,w/m2。 (8)试样的热阻(m2· K/ W)或导热系数(W/m· K)。

Copyright © www.g22.com Inc. All rights reserved 版权所有:宝马娱乐平台 沪ICP备07029879号
友情链接: