粒状建筑物料热物性参数检测装置的实验研究

孙国建 张辉吕宁 郑新龙

东南大学能源与环境学院

粒状建筑物料热物性参数检测装置的实验研究

孙国建 张辉*吕宁 郑新龙

东南大学能源与环境学院

本文为了对粒状建筑物料的热物性参数进行有效测量，采用圆柱型一维径向导热模型对粒状建筑物料的热物性进行了计算研究，并制作了测量粒状建筑物料热物性参数的装置。应用该测量装置对石英砂的导热系数、热扩散系数和比热进行了测量计算，并取得了较好的测量结果。

粒状物料 测量 热物性参数

0　引言

热物性参数作为物质的重要物理参数，不仅在建筑领域有着重要的作用，在化工、能源、动力工程等领域也有着不可取代的用途，是许多工业流程和产品设计中不可缺少的重要基础研究数据。特别是导热系数在很多行业中更是有着极其重要的作用。当前物质导热系数的获得主要还是以实验测量为主，根据导热系数的测量原理大致可以分为稳态方法和非稳态方法两种[1]。其中，非稳态法由于具有测量精度高、测量时间短和测量设备简单等特点颇受研究和工作人员的青睐，发展速度较快。如根据第二类边界条件和无限大平板导热问题设计的准稳态导热仪，能够快速测量不良导体的导热系数和比热。其测量热物性的基本方法是将被测材料置于特定的边界条件下，测定通过的热流量以及特征点（或面）上的温度或温度变化率，再根据在该边界条件下热传导方程的解，计算出热导率、热扩散系数[2～4]。而粒状建筑物料不同于板状的结构，由于不规则性和不可控性使其的热物性参数的测量在实际操作中存在较大困难。

本文正是为解决实际应用中粒状建筑物料热物性参数测量困难问题而研究设计的一新型测量装置。

1　测量原理和装置

本文中所设计的测量装置采用的是圆柱型径向一维导热模型，圆柱型筒体中空用于盛放粒状建筑物料。在细长圆柱型建筑物料的侧面形成温度均匀上升的边界条件，为此在铝制筒体周围密集均匀地缠绕电阻丝，用于加热物料；并将上下两个底面用隔热材料构成绝热边界条件，则在物料中会形成一维径向变化的轴对称温度场。测量时将物料密封，使其与空气隔绝，则在物料侧面的温度随时间按设定线性规律升高时，不会发生氧化反应，此时该物料样品温度场的微分方程和定解条件为：

式中：ρ为物料样品密度；c为物料样品比热；T为物料样品温度；T0为物料样品初始温度；r为物料样品研究点半径；R为最大半径（圆柱型筒体内径）；τ为加热时间；A为所设定的物料样品温升速率。

根据热传导的相关理论，在对筒体内的物料样品开始加热一段时间后，物料样品中的温度都会随边界温度等速率线性升高，并在筒体物料样品中心r=0和r=R处产生相对稳定的温差，即所谓的正常工况，如图1所示。

图1　物料温度变化理论示意图

对上述方程求解，可求得物料样品温度沿径向的变化规律为：

其中粒状物料热扩散系数a=λ/ρc，根据式（2），在筒体物料样品中心r=0和物料样品侧面r=R处的温度分别为：

由式（3）和式（4）可得，TR-Tc=AR2/2a，因此根据以上两处温度即可计算出粒状建筑物料的热扩散系数：

此外，再根据能量平衡，在正常工况下，各点的温升速率相同，如果测量出加给粒状物料的加热功率PW，则，易测得圆柱型筒体内物料样品的体积V和质量m，便可求得物料样品密度ρ=m/V，进而求得

式中：c为粒状物料样品比热；λ为粒状物料样品导热系数。

2　测量装置

根据上文原理设计的测试装置如图2所示，测量装置系统硬件主要由计算机、温度采集器、程控电源、Pt100铂电阻、圆柱型筒体盛料器（图3）、加热电阻丝组成。

图2　测试装置示意图

图3　筒型加热器横截面示意图

温度采集器采用的是泓格具有串行通信功能的温度采集模块I-7033，具有3个热电阻连接通道，可同时采集三路温度；圆筒型盛料器由内径40mm，长度100mm，铝制中空圆筒，两端用木制顶盖塞住并加绝热层，将加热电阻丝均匀密集的缠绕在铝制筒体外侧，用于给物料样品加热；数据采集软件采用Delphi自行开发的人机界面，简单实用。

3　实验测定结果与数据处理

3.1热物性参数的计算

为了测量所加在粒状建筑物料样品上的加热输出功率，需先测得加在空床上的输出功率，即圆筒内没有物料样品时，电阻丝所需功率输出。实验装置中为使物料温度达到所要求的线性化上升条件，运用PWM脉宽调制的相关方法，编写相关程序将整个电阻丝上的加热输出功率分成2048份，并且使输出功率逐渐依次加在物料样品外侧，以使圆柱型筒体及样品温度按照设定的温升速率升高。输出比例即所加在筒体及物料样品上输出功率占整个电阻丝输出总功率（2048份）中的份数。

在实验室条件下首先对常见粒状建筑物料石英砂进行了测量。先要测得圆柱型筒体在空床条件下的功率输出比例，此时电阻丝上的加热功率全部加在筒体上。当盛有石英砂样品时，电阻丝上的加热功率加在筒体和石英砂样品上。电阻丝加热功率输出比例随时间变化规律如图4。

图4　空床及盛料功率输出比例变化规律

由图4可见，空床工况时和盛料工况时加热功率输出比例的斜率分别为0.0212、0.0224，在实验条件下可近似认为平行，则两线的截距之差，即两线沿Y轴方向的差值，可认为是除去加在筒体上的加热功率后，加在粒状物料样品上的加热功率输出比例。

空床工况和盛料工况时功率输出比例的近似拟合直线分别为：

故可通过两式截距求得加在石英砂样品上的加热功率大小：

式中：l为盛料工况输出比例拟合直线截距；l0为空床工况输出比例拟合直线截距；U为加在电阻丝上的电压；R为电阻丝的电阻。

由空床工况和盛料工况时功率输出比例的近似拟合直线可得，l=63.387，l0=50.09，万能表测得电阻值R=238Ω，代入式（8）得：

已测得圆柱型筒体内径r=0.02m，高度h=0.1m；故筒体体积为V=πr2h=1.2566×10-4m3。由电子秤测量得粒状物料石英砂样品重量m=168.8g，密度ρ=m/V= 1343.268kg/m3。由程序设定温升速率A=0.01，pw为加在石英砂上的输出功率，全部用于石英砂样品温度升高，故：

化简易求得石英砂样品的比热：c=PW/ρVA=PW/ mA=1.32036/168.8×10-3×0.01=782.203J/(kg·K)

由测量数据整理得在筒体石英砂样品中心r=0和侧面r=R处的温度变化规律如图5所示。

图5　r=0和r=R处温度变化图

r=0和r=R处的温度变化规律可拟合成如下直线：

实验条件下可近似认为图5中两直线平行，由两线在Y轴上的截距之差可求得粒状物料样品中心和侧面的温差稳定在TR-T0=4.145K。代入式（5）、（7）可求得石英砂样品热扩散系数和导热系数分别为：

多次对石英砂热物性参数测量可得如下结果；

表1　石英砂热物性参数测量值

实验中粒状物料的含水量对结果有一定影响，实验中虽未对水分含量对热物性参数的影响做具体研究；从表1仍然可见，随测量次数的增多石英砂中水分逐渐挥发减少，石英砂比热、热扩散系数和导热系数都有所减小。

3.2数据处理过程分析

在数据处理过程中，判断是否进入相对稳态过程很重要。在初始状态物料样品中心温度与侧面温度相等（T0=TR），随着加热时间的推移，T0，TR逐渐升高并分离，直到TR-T0稳定在某一特定值附近，此时系统进入一个相对稳态的过程。实验中用观察法判断温差相对不变的点作为进入准稳态过程的起始点，并以此作为处理数据时间的起始点，此后T0，TR的时间拟合直线理论上达到平行。但由于人眼观察的局限性和实验条件的限制，使所观测的点并不一定十分准确，也不能保证绝对的平行。

4　结语

本文建立了一套测定粒状建筑物料热物性参数的新型装置，测定了石英砂的导热系数，热扩散系数和比热。由于水分含量对石英砂热物性具有一定影响，石英砂含水量水分越少，石英砂比热、热扩散系数和导热系数越小，越接近干燥石英砂本身热物性。故在实验时欲测得石英砂本身热物性须多次测量或将石英砂事先加热干燥。本装置虽然以测量粒状建筑物料热物性参数为初衷，但对一般常见粒状物料的热物性的检测都有效，未来可广泛应用在建筑、化学、物理等众多领域。

[1]张辉,陈友昌.新疆沙漠砂有效导热系数的测定[J].东南大学学报(自然科学版),2002,32(2):151-154

[2]吴江涛,潘江,张可.一种全自动的准稳态法导热系数测量装置[J].自动化仪表,2005,26(5):23-25

[3]黄嘉樑,谢景峰.平板导热系数仪标定方法的探讨[J].墙体革新与建筑节能,2012,(1):46-48

[4]王泽鹏.平板式稳态导热仪的设计及实现[J].机械设计与制造, 2009,(9):37-40

[5]Hassan M A,Shebl S S,Ibrahim E A.Modeling and validation of the thermal performance of an affordable,energy efficient,health -y dwelling unit[J].Building Simulation,2011,4(3):255-262

[6]X Lu,T Lu,M Viljanen.A new analytical method to simulate heat transfer process in buildings[J].Applied Thermal Engeineer-ing,2006,26(16):1901-1909

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

张辉（1961～），男，博士，教授；江苏省南京市玄武区四牌楼2号东南大学（本部）能源与环境学院（210096）；E-mail:Zhanghui@seu.edu.cn