導熱系數驗證方案

DRPL-I導熱系數測試儀測試導熱系數驗證日期日期日期日期審批江蘇中設集團試驗檢測中心有限公司用DRPL-I導熱系數測試儀測試導熱系數驗證確認一、概述DRPL-I導熱系數測試儀基于穩(wěn)態(tài)平板法測試原理，在熱面加入穩(wěn)定的熱面溫度，熱量通過試樣傳遞到冷面，測量傳遞的熱流，再根據試樣的厚度和傳熱面積可計算導熱系數。二、驗證目的為確認DRPL-I導熱系數測試儀測試巖土材料導熱系數結果的可靠性。三、驗證依據1、《導熱系數測試方法》Q/JZJC012、DRPL-I導熱系數測試儀使用說明書四、驗證方法A、樣品的選取選取試樣（土樣編號G1-10）B、樣品的制作試樣制備按《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）第3.1.4條的規(guī)定進行，其中環(huán)刀直徑按樣品杯（塑料杯）的直徑選取。將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上對準樣品環(huán)（塑料環(huán)），用透水板將試樣壓到樣品環(huán)內；在樣品環(huán)內土樣兩端面均勻地涂少量導熱硅脂；C、樣品的測試1、打開儀器電源開關（觀察加熱器溫控表下顯示框是否Stop閃動，否則按“▲”鍵，停止運行升溫程序），開啟電腦，啟動DRPL導熱系數測試儀程序。2、在程序主界面“設定溫度”文本框中輸入熱面溫度值45°C，按“確認設置”鍵，此時，加熱溫控表下顯示框出現上顯示框的數值與Stop交替閃動，否則重按“確認設置”鍵。再控“加熱啟動”鍵，此時，加熱溫控表下顯示框出現上顯示框的數值并向上增加，打開儀器“加熱開關”，儀器進入升溫狀態(tài)。再打開“風扇開關”。3、裝樣：將試樣冷熱面涂上少量導熱硅脂后，試樣放冷熱面正中間，壓緊試樣。4、輸入試樣厚度和試樣截面積數據后，按“確認”鍵。5、輸入自動數據記錄的時間間隔和次數數據后，按“確認”鍵。6、按“自動測試”鍵，儀器進入自動測試狀態(tài)，完成后自動生成報表，提供測試結果。五、測試結果不確定度分析（1）測試原理為了測定材料的導熱系數，首先從熱導率的定義和它的物理意義入手。熱傳導定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導，那么在Z軸上任一位置Z0處取一個垂直截面積dS（如圖1）以牛表示在Z處的溫度梯度，以dd表示在該處的傳熱速率（單位時間內通dzdt過截面積dS的熱量），那么傳導定律可表示成：dTdQ——九（—）ds?dt（S1_1）dzZ0式中的負號表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導（即熱傳導的方向與溫度梯度的方向相

率dQdz反）。式中比例系數入即為導熱系數，可見熱導率的物理意義：在溫度梯度為一個單位的情況下，單位時間內垂直通過單位面積截面的熱量。率dQdz利用（S1-1）式測量材料的導熱系數入，需解決的關鍵問題兩個：一個是在材料內造成一個溫度梯度dT，并確定其數值；另一個是測量材料內由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速1、關于溫度梯度dTdz為了在樣品內造成一個溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導體——銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T和T，就可12能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成hWD（樣品直徑）。這樣，由于樣品側面積比平板面積小得多，由側面散去的熱量可以忽略不計，可以認為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導體，在達到平衡時，可以認為同一銅板各處的溫度相同，樣品內同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T、T，就可以確定樣品12內的溫度梯度度。銅板與樣品表面的需緊密接觸（無縫隙），否則中間的空氣層將產生熱阻，使得溫度梯度測量不準確。2、關于傳熱速率dQdt單位時間內通過某一截面積的熱量dQ是一個無法直接測定的量，我們設法將這個量dt圖(2)dQdtdT二—me——dt1-2)轉化為較容易測量的量。為了維持一個恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側銅板，低溫側銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時，系統(tǒng)就達到一個動態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)圖(2)dQdtdT二—me——dt1-2)式中的m為銅板的質量，C為銅板的比熱容，負號表示熱量由高溫向低溫方向傳遞。因為質量容易直接測量，C為常量，這樣對銅板的散熱速率的測量又轉化為對低溫側銅板冷卻速率的測量。銅板的冷卻速率可以這樣測量：在達到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對下銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度t2（大約高出10°C左右），再讓其在環(huán)境中

圖2散熱盤的冷卻曲線圖自然冷卻，直到溫度低于T2,測出溫度在大于t2到小于t2區(qū)間中隨時間的變化關系，描繪出T－t曲線（見圖2圖2散熱盤的冷卻曲線圖應該注意的是，這樣得出的dT是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，對于園銅dt板來說，其散熱面積為2nRp2+2nRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），對于正方形的銅，其散熱面積為L2+4Lhp（其中L和hp分別是下銅板的邊長和厚度）然而,設樣品截面半徑為R，在實驗中穩(wěn)態(tài)傳熱時，銅板的上表面是被樣品部分（R<L）覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時，銅板散熱速率的表達式應修正為：(1-3)(13)dQdT兀R2+(1-3)(13)若R=Rp，則若若R=Rp，則若R<L，貝Udtdt2兀R2+2兀RhPppdQdT2L2—nR2+4Lh=一me?pdtdt2L+4Lhp根據前面的分析，這個量就是樣品的傳熱速率。將（1-3）式或（1-3T式代入熱傳導定律表達式，考慮到dS=nR2,可以得到導熱系數：(1-4)(1-4，)(1-4)(1-4，)TOC\o"1-5"\h\zA=mep—???—2h+2RnR2T—TdtIt=tpp122L2—兀R2+4Lh1hdTiA=mep???—2L+4LhnR2T—TdtIt=tP12式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質量、c為銅的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度，對于方銅板L和hp分別是下銅板的長度和厚度。各項均為常量或直接易測量，則2與T］、T2有關。本測試方法選用銅一康銅熱電偶測溫度，溫差為100°C時，其溫差電動勢約為4.277mV。由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為0C，當溫度變化范圍不大時，熱電偶的溫差電動勢8（mV）與待測溫度T（C）的比值是一個常數。++22）計算公式導熱系數入計算:!=QXL入AXT-T）AD式中：TA:試樣熱面溫度，kTD：試樣冷面溫度，kA:試樣截面積（nR2）,mm2L：試樣長度，mmQ：熱流，w2L2—兀R2+4LhdTQ=mcp■——2L2+4Lhdtt=t2P4）誤差分析誤差分析：入的誤差由以下因素有關1）熱流的誤差：相對誤差為3%2）試樣長度的誤差：△L為0.05mm3）試樣面積的誤差：△A為2mm24）試樣熱面溫度誤差：△TA為0.2°C5）試樣冷面溫度誤差：△TD為0.2C根據以上公式，可得到不確定度的計算公式為：(AT—AT'(AT—AT'Ta丿DT'D丿在這試驗中：L樣品厚度為20mm；樣品面積為3000mm2;TA試樣熱面溫度45C;T2試樣冷面溫度27.3C土樣的導熱系數由計算機輸出為1.841W/m.K導熱系數的相對誤差為：3000丿(3000丿(0.2)2+145丿(0.2)2+12