建筑门窗玻璃热物性参数的快速测试

1、建筑门窗玻璃热物性参数的快速测试建筑门窗玻璃的保温性能是决定门窗节能水平的重要因素， 一直以来玻璃保温检测主要以导热系数为主，我国与 1997 年就 制定了相关国家标准( JC/T 675-1997 )，采用稳态法测玻璃导 热系数， 但测试时间长且对装置绝热性能要求较高。 周孑民用非 稳态平板法测玻璃热物性参数， 效果良好， 但由于需要热端和冷 端温差为一定值时方可计算， 需要测试时间较长， 对侧向绝热性 能仍有较高要求。瞬态平面热源法是瑞典 Chalmer 理工大学的 Silas Gustafsson 教授在热线法基础上发展起来的一项技术， 由于具有测试速度快捷、 精度高等优点， 越来越多地

2、被应用于各 种类型材料的热物性测试。 本文探讨建筑门窗玻璃的热物性快速 测试方法，并研发了测试系统。1. 基本思想 导体电阻取决于其材料、几何结构、温度等因素，而在导体 的材料和几何结构确定后，其电阻与温度直接相关，且满足下面的关系式：R(?m) = R01+?Z ?a ( ?m) (1)式中R0为？m=0时刻，导体在初始温度？aO时的电阻，？Z为 导体的电阻系数， ?a (?m)为导体被加热时刻？m后的温升值。如若导体被放置于某介质中并保持良好接触， 导体的温度变 化会因介质传热性能不同而不同， 同样对于同一导体处于不同介质中， 同一时刻的温度和电阻值也会不同， 基于这种差异应可反 推导体材

3、料的导热系数和热扩散率等参数。2. 数学模型为了保证加热探头与被测介质的良好接触， 将探头做成薄膜 形状，由极细金属镍丝(0.08mm衬以绝缘底(0.025mm)制作， 厚度极薄，从而探头加热时可近似认为热量仅在一维空间传递， 从而构成了一维半无限大传热问题，为求其解析解提供了可能。 加热探头电阻与温度关系式可用下式表示：R( ?a) = a+b?a+c?a2( 2)式中相关系数 a， b， c 可通过实验标定获得。 探头通电后，其热流强度 q 可表示为： q= P/ ( ?ir2 ) = IU/ ( ?ir2 ) ( 3) 式中P为电源功率，I为电流，U电压。探头电阻值r(?m与所接触介质材

4、料的导热性能之间的关系可用下式表示 2 ：R(?m =R01+(?ZP / ( ?i2/3?dr= R0+ R0 (?ZP / ( ?i2/3?dr(4令 Y( ?m = ， B= ( ?ZP / ( ?i2/3?dr， ?=?Z/r2 ，则式( 4 可表示为：R( ?m =R0+B Y( ?m( 5由于探头半径 r 和热扩散率可视为定值，从而 Y( ?m 也是 常数，在探头尺寸不变的情况下，常数 Y( ?m 与导体材料的热扩散系数单值对应。试验条件一定的情况下， 探头和介质材料是一定的， 从而可 令：?a = r2 /a（ 6）因为探头半径是和热扩散率已经确定，?a 是一个具有时间量纲的常数

5、，称为特征时间常数， 且与材料热物理性能直接相关。由式（ 4）可知，测出 n 个不同时刻探头的电阻 R（ ?mi）（i=1n）,并与 Y（?mi） 一对应作图，可拟合得到一条直 线，进行试算寻找使R（ ?mi）对Y（ ?mi）线性相关系数最大的?值， 然后即由关系式？Z= r2/?求得导体材料的热扩散率？乙 进而可 由关系式 ?d= R0 ?ZUI/ （ ?i3/2 Br ）求得导热系数 ?d。3. 门窗玻璃测试系统设计3.1 关键技术1 ）稳压电源 测试原理要求加热探头恒定发热，从而需要提供稳定的电 源，系统选择 Agilent 6684A 型直流稳压电源，输出电压 0-40V 可调，波动

6、0.04%。2）加热探头根据测试理论模型 （一维无限大传热模型） 同时为了保证介 质与加热探头的接触紧密， 加热探头制作成薄膜形状， 由极细金 属镍加热丝与绝缘底构成。3）无限大边界条件实测中导体介质大小尺寸有限， 与理论条件有所差别， 需要 通过严格控制测量时间？m以使实验过程中热流前峰不会穿透样 品侧面， 影响测试精度。 为了实现瞬态同时测量样品导热系数和 热扩散率，测量时间？m应与特征时间?尽量接近，如果测量时 间过长， 以致与特征时间相差太多， 测试数学模型将接近于点热 源在无限大物体中加热的问题， 只能测算导热系数。 Gustafsson 对测试深度进行了具体定义，如式（ 7）所示：

7、=1.42 （ 7）也即被测样品厚度不能小于测试深度厶，而在样品厚度确定的情况下，测试时间不能过长，必须满足式（ 7）的条件。3.2 系统硬件构成 根据玻璃热物性测试设计要求， 进行系统硬件设计。 主要由 加热探头、可移动电源、PLC电脑等组成。为了保证测试精度 和实验操作简便性，系统采用西门子EM231RT模块采集加热探头电阻变化信号， 然后送入笔记本电脑处理换算成玻璃热物性参 数。如图 1 所示为系统硬件结构。实验时需制作两块玻璃试样， 把加热探头夹在中间位置， 通 电后随温度上升， 探头电阻值也会出现变化， 记录下一定时间段 段内的电阻变化情况， 即可获取被测试样的热物性参数信息。 需

8、要注意的是， 测试刚开始的阶段， 电阻变化过程会因绝缘层而受 到影响，出现一个电阻变化的滞后， 但持续时间很短。4.玻璃热物性测试实验收集了市场上常见的普通门窗平板玻璃两种、 钢化玻璃一种 和有机玻璃一种，进行热物性测试实验。普通玻璃厚度分别为4mmK 10mm钢化玻璃厚度6mm有机玻璃厚度为4mm为了保 证实验条件满足理论模型，也即保证测试深度比测试样品厚度 小，各试件测试时间参照式 =1.6设定。参见有关资料，普通 玻璃和钢化玻璃导热系数范围是 0.5-1.01/W/ （m.K） ，比热容 约700-1000kj/kg. °C ；密度约 2500kg/m3;有机玻璃的热物性 参数

9、推荐范围（导热系数0.2-0.3/ W/（m.K）,比热容1370-1470 kj/kg. C ），密度约1200kg/m3。各样品测试时间均控制在 5S。加热探头半径15mm在5-30C之间，加热探头的电阻与温 度关系式可用式/ 2）表示，系数a、b和c的值分别为9.7079、 0.049416 和 6.2528。供电电源为6V,初始实验环境温度20C。测普通玻璃与钢 化玻璃的初始电阻延时变化时间约为 0.5S，测有机玻璃时电阻 延时变化为 0.9S 。测量结果如表 1 所示。为了验证测试结果可靠性，用现有 Shotherm QTM-D理导热 系数速测仪对同种玻璃试样进行导热系数测试，结果如表 2 所 示。由表 2 数据可以看出，本测试仪测试结果与速测仪基本相 同，最大偏差不超过 5%，证明测试结果是可信的。相对于普通 玻璃，有机玻璃保温性能较好， 而玻璃经钢化后， 强度大大增加， 但传热性能并没有太多变化。5 结束语1）对基于瞬态平面热源法的玻璃快速热物性测试进行了研 究。原理上利用平面加热探头的电