墙体材料蓄热系数测量方案

实验方案 墙体材料蓄热系数测试方案设计成员 谷志燕麦恩于庆杰江文叶斌王小林 实验目的 1 用稳态双平板法测定墙体材料的导热系数 确立导热系数和温度之间的依变关系 并根据s 0 51 c 1 2求出墙体材料的蓄热系数 2 学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术 材料蓄热系数 S 顾名思义是指某种材料储蓄热量的能力 当某一足够厚度的单一材料层一侧受到谐波热作用的时候 表面温度将按同一周期波动 通过表面的热流波幅与表面温度波幅的比值 单位为 w m2 k 导热系数测量方法简介 1 物体的导热系数与材料的组成 结构 温度 湿度 压强以及聚集状态等许多因素有关 用实验方法测定导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径 2 目前在实验室中普遍还是采用稳态法 从理论上看 稳态法可以利用足够简单且可靠的计算方程 对于几何形状简单的物体 导热系数的表达式常常可以用显函数表示 因而稳态法得到极为广泛的应用 3 此法具有原理清晰 可准确 直接地获得导热系数等优点 并适于较宽温区的测量 4 缺点是比较原始 双平板法测量建筑双平板法测量建筑测定时间较长和对实验装置 如测量系统的绝热条件 测量过程中的温度控制 以及样品的形状尺寸要求高 实验用仪器及材料 双试件导热率测定装置 双路直流稳压电源恒温水浴测试系统游标卡尺烘箱 根据原理可建造两种型式的防护热板装置 双试件装置和单试件装置 在双试件装置中 两个几乎相同的试件中夹一个加热单元 试件的外侧各设一个冷却单元 热流由加热单元分别经两侧试件传给两侧的冷却单元 见图1 单试件装置中加热单元的一侧用绝热材料和背防护单元代替试件冷却单元 绝热材料的两表面应控制温差为零 即无热流通过 实验原理 在热板与冷板之间各放置相同的两块试样 主加热器周围环有护加热环板 当主加热器的热量不能沿护加热环板方向传入和传出时 只能沿试样方向导出 随时间不断延长 热面的温度t和冷面的温度t不再随时间变化时 此状况为一维导热状态 根据傅立叶定律得 Q 流过计算截面积A的热流量 瓦 A 平板计算截面积 米2 d 平板厚度 米 T1 T2 平板两侧表面温度 度 I 通过计量热板加热器的电流U 通过计量加热器的电压 在测得试样的尺寸和利用高精度数字电压表测得主加热器的功率及温度之后 由 1 式可求得材料在tm t1 t2 2温度时的导热系数 1 热板2 冷板3 副加热板4 保温层5 保温套16 绝热层17 背防护加热层18 湿度传感器6 测力传感器20 厚度测量传感器 8 漕轨9 防护套驱动电机10 热板驱动电机 11 循环水进 出口12 水泵13 恒温水槽14 控制柜15 显示仪表19 机箱 7 被测材料 测导热系数实验步骤 5 1 用烘箱烘干试件至湿度 2 测量2块一定形状试样的厚度 每个试样分别沿四周测量8个点 取平均值 2 设定冷 热面板的温度 一般采用20 的温度 3 试样安装完毕后 接通恒温水浴电源 调整电接点温度计控温点 此时冷板开始升温 4 控制柜接通电源 使数字电压表显示随机数字 并打开温度跟踪控制器电源开关 分别旋动主加热器和护加热器电压选择开关 此时热板开始升温 5 通过数字电压表观察热面或冷面热电势值上升情况 当冷面热电势值达到预设定值时 锁紧冷面温度 6 当热面热电势值超出预先设定的某个值时 将主加热器电压下调 继续观察热板的温度变化 当热电势值又开始上升时 继续下调主加热器 经过几次下调电压后 热电势值基本不再上升 此时观察1h内热电势值变化值 一般当变化值小于2 V时 即认为热面数据稳定 可读数 7 试验完毕后 根据所取得的数据进行导热系数的计算 双平板法按照公式 1 进行计算 试验结果以每组试样的算术平均值表示 测比热容 Q cm t cm t t1 c Q m t Q m t C 单位质量的物质升高或降低低单位温度所吸收或放出的热量 cm t t1其中c为比热 m为质量 t为末温 t1为初温 c q mt 3 试验结果蓄热系数s可用以下公式计算S 2 c T 1 2S24 2 c 1 2 0 51 c 1 2式中 S 材料的蓄热系数 W m2 K S24 波动周期为24h时 材料的蓄热系数 W m2 K T 温度波动周期 以24h为1个周期的热作用是基本的 即T 24 导热系数 W m K c 材料的比热容 J g 材料的密度 kg m3 密度计算 用游标卡尺测出试件尺寸试件密度按下式计算 g v kg m3 式中 g 试件重量 kg v 试件体积 m3 特点 双平板法可用于导热系数范围为0 01 1W m的测定 相对误差可控制在4 以内 重复性误差一般小于1 温度范围很广 且可用于测定低温导热系数 测量结果稳定可靠 缺点 稳定时间较长 一般需要7h才能达到系统稳定读数 不能测定自然含水率下的导热系数 试样是吸湿的 需先对样品进行干燥处理 试样的厚度和面积对结果精度有较大影响 试件表面要磨平到不平行度不大于试件厚度的1 同时 仪器的绝热条件也会影响到测量结果的准确性 影响导热系数的主要因素 1 温度2 含湿率3 容重4 分子结构5 热流方向 1 温度材料的导热系数随温度提高而增大 因为温度升高时 材料固体分子热运动增强 同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增强 这就促进了材料的导热系数增大 但这种影响在0 50 范围内并不明显 只有处于高温或低温下的材料才考虑温度的影响 2 含湿率所有的保温材料都具有多孔结构 容易吸湿 当含湿率大于5 10 材料吸湿后湿分占据了原被空气充满的部分气孔空间 由于水的导热系数为0 5818W mK 比静态空气的导热系数0 02326W mK大20多倍 必引导其有效导热系数明显升高 故在使用聚苯颗粒保温料浆作为外墙保温材料时 由于其吸水性较其他材料高 最好加做抗裂防水层 3 容重容重是材料气孔率的直接反映 由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数 所以保温材料都具有很大的气孔率即很小的容重 一般情况下 增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降 4 分子结构从材料的结构上看 当材料的表观密度降低 孔隙率增大 材料内部的孔隙为大量封闭的微小孔时 材料的导热系数是比较小的 因为这些材料的颗粒或纤维之间充满空气 此时气体的导热系数起重要作用 固体部分的作用就减少了 硬质聚氨酯泡沫塑料其特有的闭孔结构使其具有非常优越的绝热性能 它的导系数之低 0 025326W mK 是其他材料无法相比的 5 热流方向导热系数与热流方向的关系 仅仅存在于各向异性的材料中 即在各个方向上构造不同的材料中 传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些 同样 具有大量封闭气孔材料的绝热性能也比具有大量开口气孔的要好一些 气孔质材料又进一步分成固体物质中有气泡 和固体粒子相互轻微接触两种 纤维质材料从排列状态看 分为纤维方向与热流向垂直和纤维方向与热流向平行两种情况 一般情况下 纤维保温材料的纤维排列是前者或接近前者 同样密度条件下 其导热系数要比其它形态的多孔质保温材料的导热系数小得多 双平板法检测要点 1 减少热阻在试样表面和加热器的平表面之间 以及试样表面和冷板表面之间 都不能有空气空隙 这是决定导热系数精确度的一个重要条件 为了减少热阻 可采用压紧机构 对测试装置及试样表面进行精加工 以及采用导热系数高的中间材料 如石墨粉 铝粉等 2 试件选择与尺寸 采用双试件防护热板装置检测时 选用的两块试件应尽可能一样 厚度差小于2 试件尺寸应完全覆盖加热单元的表面 试件厚度是实际使用厚度或大于能给出被测材料热特性的最小厚度 3 试件制备试件的表面应加工平整 能与面板紧密接触 刚性试件表面应制作得与面板一样平整 且整个表面的不平行度在试件厚度的 2 以内 4 状态调节 检测前 必须将试件放在干燥器或通风烘箱中进行状态调节 若测量时间比试件从试验室空气中吸收显著水分所需的时间短 如混凝土试件 应在干燥结束时 快速将试件放入装置中以避免吸收水分 反之 例如低密度的纤维绝热材料或泡沫塑料试件 应把试件留在标准的试验室空气 293K 1K 50 10 RH 中继续调节 直至与室内空气平衡 5 过渡时间与测量间隔 为得到热性质的准确值 装置和试件必须有充分的热平衡时间 连续四组读数给出的热阻值的差别不得超过 1 并且不应单调地朝一个方向改变 当试件内部有传质现象时测定应至少持续24h 6 减少热