导热系数测量

本章概述了“导热系数测量的艺术” ,侧重于土壤和颗粒物质。任何修改和补充的建议都非常欢迎。

导热系数是材料的一种特-性,它表示当某种材料中存在某一温度梯度DT (K/m)时,流过这一材料的热通量 f (W/m2)。

导热系数通常是用 W/m.K. 来表示,叫做“I”。热通量的公式为:

热通量=导热系数 x 温差

应当指出的是,导热系数是材料的一个特性,描述的是半静止状态的情况,即假设温度梯度是恒定的。一旦温度发生变化,其他参数就需要被考虑加入以上公式里了。

这立即解释了为什么导热系数是非常难以测量的。理想的情况是在一个稳定的状态下去测量。但做到这一点太不容易了,因为它通常需要大量的时间以及精心计划的实验来达到所需要的热平衡状态。

导热系数的数量级:

各种材料的热性能参数的经典值清单。这份清单仅供参考。
  导热系数
@ 20°C
W/mK
密度
@ 20°C
Kg/m3
单位体积热容量
@ 20°C
106 J/m3K
热扩散
@ 20°C
10-8 m2/s
空气 0.025 1.29 0.001 1938
甘油 0.29 1260 3.073 9
0.6 1000 4.180 14
2.1 917 2.017 104
橄榄油 0.17 920 1.650 10
汽油 0.15 720 2.100 7
甲醇 0.21 790 2.500 8
硅油 0.1 760 1.370 7
酒精 0.17 800 2.430 7
237 2700 2.376 9975
390 8960 3.494 11161
不锈钢 16 7900 3.950 405
三氧化二铝 30 3900 3.413 879
石英 3 2600 2.130 141
混凝土 1.28 2200 1.940 66
大理石 3 2700 2.376 126
玻璃 0.93 2600 2.184 43
硼硅酸玻璃7740 1.005 2230 1.681 60
聚氯乙烯 0.16 1300 1.950 8
聚四氟乙烯 0.25 2200 2.200 11
尼龙6 0.25 1140 1.938 13
可丽耐(陶瓷填充) 1.06 1800 2.307 46
沙子(干的) 0.35 1600 1.270 28
沙子(湿的) 2.7 2100 2.640 102
玻璃珠(干) 0.18 1800 1.140 16
玻璃珠(湿) 0.76 2100 2.710 28
木材 0.4 780 0.187 214
棉花 0.03 - 0.001 -
皮革 0.14 - 0.001 59
软木 0.07 200 0.047 150
轻质玻璃 0.045 120 0.092 49
矿物绝缘材料 0.04 100 0.090 44
塑料绝缘材料 0.03 50 0.100 30
表8.6.2报告值,根据作者所知,不同类型土壤的导热系数 W/mK.
所有已报道的土壤导热系数的范围值 0.15至4
饱和土 0.6至4
完全干砂 0.15至0.25
湿沙 0.25至2
饱和砂 2至4
干到潮湿的粘土 0.15至1.8
饱和粘土 0.6至2.5
有机土壤 0.15至2
固体岩石 2至7
凝灰岩(多孔火山岩) 0.5 to2.5

在热参数变化的情况下,热容量 C (J/K.m3) 开始发挥作用。热容量C也是材料的属性。它表示的是,如果要让一定体积V (m3)的物质温度 T (K) 发生改变,一定要有能量E (J)流入或流出这一物质。 热容量通常是和密度 r (kg/m3) 相关的。 通常在教科书中热容量是用热容率 Cp (J/K.kg)来代替 ,但必须乘以密度得到才能得到热容量C:

C = density * Cp

在动态过程中,在已知的边界条件下,温度随时间的变化,是由两个导热性和热容量共同决定的。

热扩散系数 =导热系数/(密度 * Cp

在公式中,热扩散系数( m2/s) 总是要时间t (s)相乘 。

举一个例子:建筑中隔热材料的热扩散系数和混凝土的热扩散系数是同一数量级的,都在 4. 10-7 m2/s范围内, 混凝土的隔热系数却要小得多,它需要更多的能量来加热材料本身,因此,两种材料的整体“响应时间”大致相同。

目前使用技术的概述

一般而言,有许多方法来测量导热系数,但每种方法都只适用于有限的几种材料,这取决于材料的热性能和温度。可以把他们分为“稳态”和“非稳态”技术。“稳态”技术适合于测量处于热平衡状态的材料,这使得信号分析过程中很容易(“稳态”意味着信号是稳定不变的) 。缺点是,它通常需要很长的时间才能达到所要求的热平衡。

“非稳态”测量技术可以在升温过程中对材料进行测量。优点是测量相对迅速。

Hukseflux公司对材料的热性能的测量方法

Hukseflux产品包括几种测量系统。

第一类是探针型。TP02的主要应用是在实验室对土壤和食品的热性能进行测量。
更详细的测量原理中可以查看 “非稳态探针科学” 和产品手册。

而THASYS和THISYS是“稳态”测量系统,专门用于测量塑料,复合材料,薄膜等材料的热性能。

非稳态探针科学

Hukseflux是专门从事设计和制造非稳态探针(含加热丝,探针)系统,用于测量材料的导热系数。主要应用有土壤热阻系数测量,对食品、粉末,泥浆等的热性能进行分析。

所有非稳态探针都是基于同样的现象:通过测量对所加热量的温度反应,来确定介质的导热系数。经过一定的过渡时期,热源附近的温度上升只取决于周围介质导热能力,不再和加热能力相关。一般来说,这种方法避免了必须达成真正的热平衡,而使得温度恒定。非稳态技术的优点就是快速,不需要小心制备样品。因此,这样的传感器,比较适合快速的实验,也可以适用于野外。

一些传统的传感器,测量探头离加热器距离比较大(通常是几厘米,甚至有时探头和加热器是分开的两部分),而有些则测量的是加热器本身的温度。

这里的关键是加热丝周围的温度场从该加热丝开始加热时(t = 0) 就一直保持恒定。

下面是我们确定传感器 TP02STP01TP01的应用的一些基本准则。

TP01STP01 一般用于长期监测,比如室外气象观察。

TP02一般用作在实验室对土壤样品、食品进行分析的的传感器。如果有必要, TP02 也可以用于室外试验。