门窗玻璃热物性参数实验室测试方法(3)
(a)侧向不绝热时玻璃内的温度场分布
(b)侧向绝热时玻璃内的温度场分布
图3侧向绝热条件对玻璃内温度场分布影响情况
除了对实验条件要求较高外,原理上稳态法也仅能测玻璃导热系数,可测参数单一,从而一定程度上限值了其推广。
3.2非稳态平面热源法
针对稳态法存在的问题,近年来非稳态平面热源法在玻璃热物性测试中得到应用,如图4所示为某公司基于脉冲法和恒流法原理设计生产的热物性测试仪,适用于玻璃等固体材料,测试时间短且效率高。
图4非稳态平面热源法热物性测试系统
平面热源法原理公式假设设面热源与被测试样间接触良好,也即不存在接触热阻,而实际上热源与被测试样间是存在接触热阻的,且对面热源及试件内的温度场变化影响明显。如图5所示为面热源加热条件下,考虑接触热阻与不考虑接触热阻时,面热源与试件内(导热系数为0.7695)的温度变化情况。面热源加热功率50w/m,参照有关资料接触热阻设定为0.01k*m2/W,初始温度293K。
(a)考虑接触热阻影响玻璃及热源温度场
(b)不考虑接触热阻影响玻璃及热源温度场
图5侧向绝热条件对玻璃内温度场分布影响情况
如图6所示为面热源温升对比曲线图。
图6面热源温升对比曲线图
由图5可以看出,接触热阻对面热源温升及玻璃内温度场影响明显,同样加热条件下,热源温升相差近10℃,从而对热物性参数测试精度的影响是不可忽视的。
4.发展趋势
随着计算机技术的不断发展,物理参数自动测试、处理进而得到被测材料的热物性参数已成为现实,材料热物性测试精度更多取决于原理模型、实验条件、基本参数测试精度。针对门窗玻璃热物性测试需求,稳态法在原理上仅能获取导热系数,已无法适应现代门窗玻璃质量监督检验要求,能够同时测玻璃导热系数、热扩散率的非稳态法将成为发展趋势。而随着建筑节能技术的发展,对门窗玻璃的热物性测试精度必然提出更高的要求。完善原理模型、提高参数测试精度和寻求新的测试技术将是进一步提高玻璃热物性参数测算精度的可行手段:
1)研究试件与加热热源间的接触热阻问题。如前所述,试件与热源间客观存在接触热阻,无论是热线法、平面热源法,接触热阻的存在均会对热物性参数测试精度带来影响。对试件与热源间的接触热阻问题进行研究,并在测试原理模型中有效表征是提高热物性参数测试精度的有效途径。
2)寻求更适合的测试方法。如前所述,目前应用于玻璃热物性测试的稳态法与非稳态平面热源法,受原理模型及热源温度均匀度影响,测试精度不高。热线法由于受加热丝直径影响较大,同时测温热电偶布置不便,应用受到一定限制,解决极细热丝与测温传感器连接问题,将可能应用于玻璃热物性测试。近年来,热带法在材料热物性测试中得到广泛应用。热带法使用范围广泛,不仅可测液体、松散材料、多孔介质及非金属固体材料,还可用于金属热物性测试。且与线状(圆柱状)热源相比,薄带状热源更易与被测材料保持良好的接触状态。而与平面热源法相比,热带夹持在被测试件中间,受侧向热流的影响较小,实验条件较易控制。故热带法更适于测固体材料导热系数,同时热扩散率的测量结果也较为准确。设计适用于玻璃热物性测试的热带法装置,将是可行的研究方向之一。
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