门窗玻璃热物性参数实验室测试方法(2)
=(7)
式(10)中包含有无穷级数,参照文献[1]提供的煤样热物性数据,经实验,该级数取前5项即可满足精度要求,即有
(y)=((r,_-2)/q=--lnp-(11)
式(11)为超越方程,传统方法是无法求解的,只能通过如对分法等近似数值解法编程求解,从而对于某一特定时刻可求得对应的热扩散率a值,对应若干个时刻将计算得一组a值,取加权平均作为最终热扩散率的测试值。这里需要注意的是,为了防止煤样受到热震损伤,实验过程中试样各处的温升最好不要超过10℃/min。
求得热扩散a后,试样的比热容Cp根据下式算得:
Cp=/(a)(12)
2.3非稳态热带法
热带法原理与热线法类似,区别在于热带法用窄薄的金属带(热带)代替热线。测试时待测材料中夹持薄金属带,从某时刻起金属带被以定功率加热,同时记录热带的温度响应,并绘制曲线,根据被测材料热物理参数与温度变化间关系的理论公式,可测得其导热系数和热扩散率。热带的温度变化可以通过测量热带电阻的变化来获得,也可以通过在热带表面上焊接热电偶来直接测量。
最常用的热带材质是纯铂,其它已知电阻温度系数的性能稳定的金属也可以,热带典型的长度为100mm-200mm,宽度为3mm-5mm,厚度为10um或更小。
热带法温度响应的理论公式或模型如下
△T(t)={erf(-1)-[1-exp(--2)]-Ei(--2)}(13)
式中:=,wh--热带宽度;erf(z)--误差函数;q--热带每单位长度的加热热流。
当加热一定时间,即>>wh时,可得简化公式
△T(t)=[lnt+ln](14)
对于热电阻式的热带法,温度响应是通过测量热带上的电压变化来获得
△U(t)=[lnt+ln](15)
如果画出温升△T(t)或电压△U(t)随对数时间的变化曲线,曲线呈线性变化趋势,直线的斜率为m=,截距为n=mln,根此可以得到被测试样的热导率和热扩散率
=a=exp()(16)
由式可见,热扩散率的测量精度比热线法要好,因为wh的数值(1mm-10mm)比热线的半径大的多,可保证热扩散率值达到满意的精度。
3.存在的问题
综前所述,门窗玻璃作为典型固体材料,适用的测试方法较多,稳态法及非稳态法均在玻璃热物性测试中得到了应用。目前针对玻璃热物性测试的主要有稳态法和非稳态平面热源法,实际使用过程中均存在一定的优缺点。
3.1稳态法
稳态法具有原理简单、易于实现等优点,在固体材料热物性测试得到了广泛应用,玻璃导热系数测试国家标准就是基于此撰写的。但稳态法测试时间长且对实验环境要求较高,例如要求保证试件侧向绝热条件,否则将直接影响测试精度。如图3所示为试件侧向绝热与不绝热条件下的温度场变化情况。由图可以看出,侧向绝热条件对玻璃内的温度变化影响是明星的,如图(a)和(b)所示,分别为侧向不绝热和绝热情况下,底部用50w/m的平面热源加热时玻璃内的稳态温度场分布,可以看出区别明显。侧向不绝热时,玻璃侧向存在热传递过程,温度场受侧向热流影响明显。而侧向绝热时,面热源加热热流只在垂直方向传递,温度场均匀。由此可见,基于稳态法原理测玻璃导热系数时,侧向绝热条件直接影响测试精度。
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