高溫高溫導熱儀中耐火纖維導熱系數(shù)的理論分析

高溫高溫導熱儀中耐火纖維導熱系數(shù)的理論分析

0導電系數(shù)的定義耐火纖維是一種節(jié)能的絕熱材料，在許多行業(yè)都得到應用。然而，由于對其熱穩(wěn)定性的研究較少，因此在應用中無法使用適應性強的參數(shù)來影響應用的合理性和科學性。因此，在實驗的基礎上，通過理論分析，提出了抗火纖維材料的計算公式，該公式以平均溫度和材料密度為變量。1導熱系數(shù)的測定實驗用儀器為北京建筑材料所生產(chǎn)的穩(wěn)態(tài)平板高溫導熱儀.其性能指標為:最高平均溫度1000℃,導熱系數(shù)測量范圍0.041～1.98W/m·℃,標定測量誤差8%.實驗時,將已知厚度δ的試樣預先放置于加熱爐爐膛內(nèi),并在試樣的上下表面中心處分別放置一支鉑銠-鉑和鎳鉻-鎳鋁熱電偶,用于測量兩表面的溫度.然后向量熱器輸入冷卻水并開啟電源使加熱爐工作,通過控溫系統(tǒng)在試樣的冷、熱面之間維持一定的溫差.待爐內(nèi)溫度分布達到穩(wěn)定狀態(tài)后,通過測溫系統(tǒng)將熱面及冷面的溫度t1及t2記錄下來.根據(jù)流經(jīng)中心量熱器的水流量和水溫的變化,測出中心量熱器吸收的熱量q.最后將測得的各項數(shù)據(jù)代入傅里葉定律,即可計算出相應的導熱系數(shù).2纖維導熱系數(shù)s實驗試樣為普通針刺毯和高鋁針刺毯,其特性見表1.實驗表明這兩種纖維材料化學成分的差別對絕熱性能影響不大.實驗是在常壓下進行,平均溫度范圍為150℃～900℃.實驗中,對纖維本身的導熱系數(shù)λs也做了測定.具體過程是,將高溫熔融的纖維原料注入預先制做的模子中,冷卻后,表面磨光置入導熱儀中,測得纖維本身的導熱系數(shù)為:λs=0.653+1.49×10-3Tm(1)纖維材料密度為ρ=2600kg/m3.導熱儀的冷、熱板為sic板,其發(fā)射率ε1=ε2=0.87.3結果雖然影響絕熱纖維材料導熱系數(shù)的因素很多,但是,其主要影響因素是溫度和密度.3.1熱輻射與設備的結合硅酸鋁耐火纖維毯的導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律見圖1.由圖中不難看出,密度不同的纖維毯的導熱系數(shù)均隨溫度的升高而增大.但是,亦應看到,由于溫度對各種傳熱方式在總傳熱量中所占比重的影響,使導熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律在不同溫度條件下具有不同的情況.比如,當tm<200℃時,纖維毯內(nèi)的換熱主要是空氣的導熱,而熱輻射作用較小,基于空氣導熱系數(shù)與絕對溫度近似成線性關系,因而纖維毯的導熱系數(shù)隨溫度的變化也表現(xiàn)為類似的規(guī)律.當tm>200℃時,由于熱輻射的貢獻同絕對溫度的三次方成正比,因而纖維毯的導熱系數(shù)隨溫度的升高明顯地增大,這種情況尤其在小密度下表現(xiàn)得更為突出.當tm>800℃時,無論纖維毯的密度大小,熱輻射的貢獻都上升為主導地位,因此,隨溫度升高,纖維毯的導熱系數(shù)急劇增大.3.2密度對纖維毯導熱系數(shù)的影響硅酸鋁耐火纖維毯的導熱系數(shù)隨密度的增大而減小,其變化規(guī)律如圖2.由圖可以看出,對應某一特定溫度,密度較小時,纖維毯的導熱系數(shù)隨密度的變化比較敏感,而且這種敏感性隨密度的增大而降低,隨溫度升高而增大.在一定密度范圍內(nèi),隨密度的增加,對流和輻射貢獻均減小,但氣固兩相的組合導熱貢獻則增加.因而總的效果是,盡管纖維毯的導熱系數(shù)隨密度增加而減小,但變化幅度卻不大.對任一纖維材料,均存在一個溫度范圍,使其導熱系數(shù)達到最小值(范圍).這一密度范圍通常稱之為最佳密度.4層衰減系數(shù)k測試表明,試體的λqλs＜124,fv＜0.1λqλs＜124,fv＜0.1,材料熱、冷面發(fā)射率ε1=ε2>0.6,并假定試樣為光學厚.由于試樣的纖維伸展方向絕大部分與熱流方向垂直,因此試樣的有效導熱系數(shù)λeff可用下式表示:λeff=λq1?fv+16σT3m3kρ(2)λeff=λq1-fv+16σΤm33kρ(2)式中fv—纖維本身與纖維材料總體積之比K—纖維層衰減系數(shù)σ—玻爾茲曼常數(shù)理論研究表明,式中K與纖維直徑、溫度、纖維的折射率、絕熱層固相體積含量等因素有關.對特定種類的纖維,其直徑和折射率變化不大,可取為常數(shù),故K=f(fv,Tm).K隨Tm變化不顯著,可用線性關系表示.從物理概念知,K與孔隙率φ=1-fv成反比.如φ=0,為固體材料,內(nèi)部無輻射,K=∞;如φ=1.輻射全部通過,則K=0.故K的實驗數(shù)據(jù)可整理為下式:K=(14+0.0069Tm)/(1-fv)3(3)空氣的導熱系數(shù)λq與平均溫度的關系為:λq=0.0245(1+Tm/273)0.82(4)將式(3)和式(4)代入式(2)中可得有效導熱系數(shù)公式為:λeff=0.0245(1+Tm/273)0.821?fv+0.381σ(Tm+273)3(1?fv)3(1+0.000492Tm)ρ(5)λeff=0.0245(1+Τm/273)0.821-fv+0.381σ(Τm+273)3(1-fv)3(1+0.000492Τm)ρ(5)上式的應用范圍為:平均溫度tm=150℃～900℃,纖維密度ρ=(116～270kg/m3.我們將由式(5)求得的計算值與實驗值進行了比較,如圖3所示,可以看出兩者吻合良好.為工程應用方便,將式(5)的關系用圖4表示.5對最佳密度的驗證1)本文通過實驗給出了纖維材料有效導熱系數(shù)的計算公式.此公式與實驗結果吻合良好.2)由