穩態平板法測量預制混凝土傳熱系數測試導熱儀

方乙涵，劉衛東

（上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093）

穩態平板法測量預制混凝土傳熱系數測試導熱儀

方乙涵，劉衛東

（上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093）

通過自主研發平板導熱儀對預制混凝土導熱系數進行試驗研究，驗證該儀器在導熱系數測量上的實用性與創新性。該儀器的創新點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-康銅熱電偶進行標定，改善了導熱系數受熱源溫度和環境溫度影響的缺點；可一次測兩塊試塊，提高了試驗效率，避免了傳統穩態法周期較長的缺點；鋁粉填充試塊使得傳熱更均勻，減小了誤差。

建筑材料；穩態平板法；測量儀器；導熱系數

0　引　言

導熱系數是表征材料導熱能力的物理量，是熱傳導能力的重要參數，對材料的性質分析以及安全檢驗等都具有很大的實用價值。因此，精確測量各種材料尤其是新型材料的導熱系數是衡量材料能否適應具體工作環境的基本依據［1］。

曾悠兵等［3］試驗中采用防護熱板法平板導熱儀測量試樣的導熱系數，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定值高、冷板設定值低等原因導致每次測量系統本身的平衡時間都可能不一樣，則測出的導熱系數即會有誤差。馮毅等［4］對穩態平板導熱系數測定儀進行誤差分析，找出了影響測量精度的因素，提出改進方法。比如改進試樣側面平均溫度，用高精度的溫度傳感器測量各溫度值等，但都過于復雜，并不易于用于實驗室中。

在實驗室中測量導熱系數的方法主要為穩態平板法［7］。其基于穩態法的平板導熱系數測定儀成本較低，但一般認為平板導熱系數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，提出了利用穩態平板法測量試塊表面電動勢從而得到導熱系數的方法，并自主研發了儀器。

1　實驗原理

本研究采用的是穩態平板法，是一種應用一維穩態導熱過程的基本原理來測定材料導熱系數的方法［7］，適用于測定均質板材的導熱系數。

其原理是：加熱板被加熱時，熱量由內向外傳遞，由于加熱板兩邊的條件對稱，故兩側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，試材的導熱系數可用下式計算：

式中，Φ為板的總加熱量（電功率），W；t2，t1分別為試材的內表面溫度和試材的外表面溫度 ℃，按試材內側的熱電偶和試材外側熱電偶所測溫度分別取其算術平均值；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　附件參數表Tab.1 Parameters of accessories

如現設導熱系數與溫度有一定的函數關系，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的導熱系數。如不斷改變 ，則可得到一組平均溫度與導熱系數對應的數據，從而可求得函數關系式［10］。

2　儀器的設計與制作

本導熱儀為上海理工大學課題組專門設計，由電加熱板、支架、夾具、熱電偶、轉換開關、測量電路、可調功電源、室溫計、精密毫伏計、功率表等組成，能進行平板穩態導熱法測定材料的導熱系數。

測試儀器參數：數字精密毫伏計一只（MB4101T型，供電電壓220V，量程0.000到19.999mV，精度±0.005mV）；數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）；水銀溫度計一支（0-50℃，0.1℃分度，實驗室級）；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

實驗儀器附圖說明見圖1，圖2。

圖1　箱體示意圖Fig.1 Case schematic

圖2　實驗裝置示意圖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、箱體設計和制造方面注意了可靠性、耐用性和組裝的便捷性；熱電偶標定時直接使用本機儀表，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，大大提高了試驗效率，解決了穩態法測量周期較長的這個問題，很好的克服了穩態法的缺點，目前該儀器已經申請發明專利。

3　誤差實驗

3.1試塊參數

試驗試件為方形薄壁平板試件，體積為120 mm ×200 mm×20 mm，實際導熱計算面積為120 mm ×200 mm，板的厚度為20 mm。各混凝土試塊參數如表2所示。

3.2實驗步驟

（1）將本導熱儀放置于室溫比較穩定的房間內。檢查功率調節旋鈕及兩個熱電偶轉換旋鈕檔位是否都處于“OFF”狀態。若否，則將其置于“OFF”狀態。

（2）在夾具一側的板槽內撒一薄層的鋁粉，將規定尺寸的試件放入夾具的板槽內，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。將夾具的另一側板槽蓋上，用螺釘將整個實驗裝置固定好。最后在試件的外側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，與試件表面的平整度有關［12］。

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

（3）將實驗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）接口接入箱體與數字精密毫伏計聯通。讀數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）將溫度計插入箱蓋上的溫度計插孔。

（5）插上電源線，外接 220 V 交流電源，然后打開電源開關。

（6）觀察各儀表讀數是否異常，若正常則可以開始試驗，并將功率調節旋鈕調節至所需加熱功率處。觀察內外側熱電偶的溫升是否均勻，同側熱電偶偏差應保持在 10%之內，如不均勻，可重新裝夾加大壓緊程度。經過較長一段時間（3 小時以上）后，確認此控制溫度在預計溫度范圍內，即進入準穩定狀態時，就可進行試讀數。此后每隔 10 分鐘記錄一次讀數，直至前后三次測量的各數據偏差小于 2%并且無遞增（減）趨勢。此次實驗工況結束，取最后三次數據平均進行處理。改變加熱功率，使加熱板壁溫穩定在另一溫度下，重復上述過程，直至所有實驗工況測量結束。

（7）讀內側及外側相應各點的的熱電勢時，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；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。

測試面與導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側及外側相應各點熱電勢，再由熱電偶標定公式，得出試塊表面實際的電動勢。由“銅-康銅熱電偶分度表”［13］，可查到實際電勢對應的溫度。即得到試塊表面溫度，再通過公式1得出導熱系數［14］。

4　實驗結果及分析

4.1熱電偶標定

熱電偶標定為該實驗關鍵點，在測量中會由于試驗中的溫度變化而有誤差。而該儀器熱電偶是經過精確標定得到以下標定公式，故將實驗數據經過標定公式矯正過后得到的即為精確數據，確保了實驗的精確性［15］。表3即為熱電偶標定公式。

表3　熱電偶標定公式Table 3 Thermocouple calibration formula

經過標定之后與標定之前試塊表面相差將近1 ℃，不校正的數據誤差很大。故在測量導熱系數時，測量的熱電偶一定要經過標定。而本實驗儀器的熱電偶是經過標定的，故可有效地避免誤差過大，使得實驗數據很精確。

4.2導熱系數

由銅-康銅熱電偶分度表可對應得出試塊表面實際溫度，從而得出導熱系數。

以上數據可知，配合比中其他參量不變，石子含量越多，流動性越小，導熱系數越小。該實驗體現了穩態平板導熱法的過程簡單，方便且易操作，于干燥恒溫的環境便可進行試驗等優點，所以該儀器使用的穩態平板導熱法是測定固體導熱系數的優選方法。

5　結　論

通過以上試驗，可得到以下幾點結論：

（1）測量導熱系數時應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，使實驗中與空氣的熱傳遞更少；鋁粉填充試塊使得傳熱更均勻，減小傳統實驗室測量方法誤差較大的缺點。同時，導熱系數受熱源溫度和環境溫度的影響。故在測量導熱系數時，實驗儀器中的熱電偶一定要經過標定。

（2）該儀器適用性廣，模具尺寸為標準試件尺寸，可用于各種建筑材料。可一次測兩塊試塊，提高了試驗效率，避免了傳統穩態法周期較長的缺點。

（3）自主研發的發明專利平板導熱儀，可得到導熱系數與溫度的函數關系。通過改變溫度得到導熱系數，提出基于穩態平板法測試墻體傳熱系數的試驗方法。

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

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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。

通信聯系人：方乙涵，女，碩士。

Correspondent author：FANG Yihan， female， Master.

E-mail：531444234@qq.com