粒狀建筑物料熱物性參數檢測裝置的實驗研究

孫國建 張輝呂寧 鄭新龍

東南大學能源與環境學院

粒狀建筑物料熱物性參數檢測裝置的實驗研究

孫國建 張輝*呂寧 鄭新龍

東南大學能源與環境學院

本文為了對粒狀建筑物料的熱物性參數進行有效測量，采用圓柱型一維徑向導熱模型對粒狀建筑物料的熱物性進行了計算研究，并制作了測量粒狀建筑物料熱物性參數的裝置。應用該測量裝置對石英砂的導熱系數、熱擴散系數和比熱進行了測量計算，并取得了較好的測量結果。

粒狀物料 測量 熱物性參數

0　引言

熱物性參數作為物質的重要物理參數，不僅在建筑領域有著重要的作用，在化工、能源、動力工程等領域也有著不可取代的用途，是許多工業流程和產品設計中不可缺少的重要基礎研究數據。特別是導熱系數在很多行業中更是有著極其重要的作用。當前物質導熱系數的獲得主要還是以實驗測量為主，根據導熱系數的測量原理大致可以分為穩態方法和非穩態方法兩種[1]。其中，非穩態法由于具有測量精度高、測量時間短和測量設備簡單等特點頗受研究和工作人員的青睞，發展速度較快。如根據第二類邊界條件和無限大平板導熱問題設計的準穩態導熱儀，能夠快速測量不良導體的導熱系數和比熱。其測量熱物性的基本方法是將被測材料置于特定的邊界條件下，測定通過的熱流量以及特征點（或面）上的溫度或溫度變化率，再根據在該邊界條件下熱傳導方程的解，計算出熱導率、熱擴散系數[2～4]。而粒狀建筑物料不同于板狀的結構，由于不規則性和不可控性使其的熱物性參數的測量在實際操作中存在較大困難。

本文正是為解決實際應用中粒狀建筑物料熱物性參數測量困難問題而研究設計的一新型測量裝置。

1　測量原理和裝置

本文中所設計的測量裝置采用的是圓柱型徑向一維導熱模型，圓柱型筒體中空用于盛放粒狀建筑物料。在細長圓柱型建筑物料的側面形成溫度均勻上升的邊界條件，為此在鋁制筒體周圍密集均勻地纏繞電阻絲，用于加熱物料；并將上下兩個底面用隔熱材料構成絕熱邊界條件，則在物料中會形成一維徑向變化的軸對稱溫度場。測量時將物料密封，使其與空氣隔絕，則在物料側面的溫度隨時間按設定線性規律升高時，不會發生氧化反應，此時該物料樣品溫度場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為物料樣品研究點半徑；R為最大半徑（圓柱型筒體內徑）；τ為加熱時間；A為所設定的物料樣品溫升速率。

根據熱傳導的相關理論，在對筒體內的物料樣品開始加熱一段時間后，物料樣品中的溫度都會隨邊界溫度等速率線性升高，并在筒體物料樣品中心r=0和r=R處產生相對穩定的溫差，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

對上述方程求解，可求得物料樣品溫度沿徑向的變化規律為：

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

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

此外，再根據能量平衡，在正常工況下，各點的溫升速率相同，如果測量出加給粒狀物料的加熱功率PW，則，易測得圓柱型筒體內物料樣品的體積V和質量m，便可求得物料樣品密度ρ=m/V，進而求得

式中：c為粒狀物料樣品比熱；λ為粒狀物料樣品導熱系數。

2　測量裝置

根據上文原理設計的測試裝置如圖2所示，測量裝置系統硬件主要由計算機、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個熱電阻連接通道，可同時采集三路溫度；圓筒型盛料器由內徑40mm，長度100mm，鋁制中空圓筒，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，用于給物料樣品加熱；數據采集軟件采用Delphi自行開發的人機界面，簡單實用。

3　實驗測定結果與數據處理

3.1熱物性參數的計算

為了測量所加在粒狀建筑物料樣品上的加熱輸出功率，需先測得加在空床上的輸出功率，即圓筒內沒有物料樣品時，電阻絲所需功率輸出。實驗裝置中為使物料溫度達到所要求的線性化上升條件，運用PWM脈寬調制的相關方法，編寫相關程序將整個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，以使圓柱型筒體及樣品溫度按照設定的溫升速率升高。輸出比例即所加在筒體及物料樣品上輸出功率占整個電阻絲輸出總功率（2048份）中的份數。

在實驗室條件下首先對常見粒狀建筑物料石英砂進行了測量。先要測得圓柱型筒體在空床條件下的功率輸出比例，此時電阻絲上的加熱功率全部加在筒體上。當盛有石英砂樣品時，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間變化規律如圖4。

圖4　空床及盛料功率輸出比例變化規律

由圖4可見，空床工況時和盛料工況時加熱功率輸出比例的斜率分別為0.0212、0.0224，在實驗條件下可近似認為平行，則兩線的截距之差，即兩線沿Y軸方向的差值，可認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功率輸出比例的近似擬合直線分別為：

故可通過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截距；l0為空床工況輸出比例擬合直線截距；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功率輸出比例的近似擬合直線可得，l=63.387，l0=50.09，萬能表測得電阻值R=238Ω，代入式（8）得：

已測得圓柱型筒體內徑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)

由測量數據整理得在筒體石英砂樣品中心r=0和側面r=R處的溫度變化規律如圖5所示。

圖5　r=0和r=R處溫度變化圖

r=0和r=R處的溫度變化規律可擬合成如下直線：

實驗條件下可近似認為圖5中兩直線平行，由兩線在Y軸上的截距之差可求得粒狀物料樣品中心和側面的溫差穩定在TR-T0=4.145K。代入式（5）、（7）可求得石英砂樣品熱擴散系數和導熱系數分別為：

多次對石英砂熱物性參數測量可得如下結果；

表1　石英砂熱物性參數測量值

實驗中粒狀物料的含水量對結果有一定影響，實驗中雖未對水分含量對熱物性參數的影響做具體研究；從表1仍然可見，隨測量次數的增多石英砂中水分逐漸揮發減少，石英砂比熱、熱擴散系數和導熱系數都有所減小。

3.2數據處理過程分析

在數據處理過程中，判斷是否進入相對穩態過程很重要。在初始狀態物料樣品中心溫度與側面溫度相等（T0=TR），隨著加熱時間的推移，T0，TR逐漸升高并分離，直到TR-T0穩定在某一特定值附近，此時系統進入一個相對穩態的過程。實驗中用觀察法判斷溫差相對不變的點作為進入準穩態過程的起始點，并以此作為處理數據時間的起始點，此后T0，TR的時間擬合直線理論上達到平行。但由于人眼觀察的局限性和實驗條件的限制，使所觀測的點并不一定十分準確，也不能保證絕對的平行。

4　結語

本文建立了一套測定粒狀建筑物料熱物性參數的新型裝置，測定了石英砂的導熱系數，熱擴散系數和比熱。由于水分含量對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、熱擴散系數和導熱系數越小，越接近干燥石英砂本身熱物性。故在實驗時欲測得石英砂本身熱物性須多次測量或將石英砂事先加熱干燥。本裝置雖然以測量粒狀建筑物料熱物性參數為初衷，但對一般常見粒狀物料的熱物性的檢測都有效，未來可廣泛應用在建筑、化學、物理等眾多領域。

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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四牌樓2號東南大學（本部）能源與環境學院（210096）；E-mail:Zhanghui@seu.edu.cn