单位文秘网 2021-08-31 09:00:45 点击: 次
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摘 要:为研究多孔材料的传热机理,采用实验测量验证理论模型的方式,利用瞬态热线法测量283~333 K范围内多孔保温材料挤塑式聚苯乙烯(XPS)的有效导热系数,并根据多孔材料各组成部分导热系数、密度以及结构特点,使用5种基本模型包括串联模型、并联模型、Kopelman isotropic模型、Maxwell-Eucken模型以及EMT模型,分别对其有效导热系数进行计算。结果证明:对于XPS,Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型更具适用性,其计算结果与实验结果最大偏差均小于0.5%,为进一步开展多孔材料的有效导热系数模型和实验研究提供理论依据。
关键词:瞬态热线法;多孔材料;有效导热系数;多孔结构模型
文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2016)05-0124-07
Abstract: The effective thermal conductivity of porous insulation materials XPS was measured by transient hot-wire method at the temperature ranging from 283 K to 333K. In particular, the effective thermal conductivity of the XPS was calculated with 5 basic models, viz., Series, Parallel, Kopelman isotropic, Maxwell-Eucken and EMT, according to the thermal conductivity, density and structural characteristics of each component of the material. The experimental results and calculations show that Kopelman isotropic model and the Maxwell-Eucken model are more suitable for the calculation of effective thermal conductivity of porous materials. The bias between calculation and experimental results was less than 0.5%.
Keywords: transient hot-wire; porous insulation material; effective thermal conductivity; porous model
0 引 言
以聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫、聚氨酯硬泡等多孔泡沫材料为主的保温材料以其优良的绝缘性能被广泛应用于生产、生活及科技发展的各个领域。在保温材料的应用中,多孔材料的传热特性是人们最为关心的问题。与常规材料不同,多孔材料内的热传导过程非常复杂,包括导热、对流以及辐射等多种传热模式。因此开展对多孔材料传热机理的理论分析和实验研究对多孔材料的热设计具有重要的理论指导意义,对于我国当前正在广泛进行的节能环保也具有重要的现实意义。
目前,国外对于多孔材料传热机理的研究很多[1-5],包括石墨泡沫、多孔陶瓷、金属泡沫等形成的各种多孔结构,赵长颖[6]汇总了目前国际上泡沫结构的研究进展,包括有效导热系数、自然对流、强制对流、热辐射等。我国在这方面的研究还相对不足,开展研究的机构较少,且多以模型的建立和计算为主[7-11],结合实验测量验证理论模型的研究相对较少,而针对多孔材料导热系数的高精度实验研究更是很少。
本文以多孔保温材料挤塑式聚苯乙烯(XPS)为例,分别研究了目前几种基本多孔结构模型的适用性,通过高准确度有效导热系数的实验测量和多孔材料模型计算结果比较,确定了Kopelman iostropic和Maxwell-Eucken模型更适合于多孔材料的计算研究,为进一步开展多孔材料的有效导热系数的模型和实验研究提供了基本的依据。
1 有效导热系数结构模型
对于多孔材料的导热来说,其导热性能一方面取决于固体骨架和孔隙内流体的固有(intrinsic)导热系数,另一方面还取决于固体骨架的空间结构(孔隙大小、形状和空间分布情况),因此常采用反映材料容积性质(bulk properties)的“有效导热系数”来表征多孔材料的导热性能。从热传导的角度进行分析时,多孔材料可以看作固相、气相两相的系统。多孔材料的有效导热系数不仅取决于其组成成分,还与材料的结构有关。根据多孔材料的孔隙率及其连续介质与孔隙中空气的导热系数,通过对材料结构进行分析,建立合适的计算公式来研究此类多孔材料的传热特性的方法称为有效导热系数法,该方法是研究多孔材料传热特性的常用方法。
一般多孔材料可分为两大类,一类是气孔分散于连续介质内的“内部多孔”材料,另一类是颗粒状物体堆积而成的“外部多孔”材料。本文所研究的作为保温材料的多孔材料属于“内部气孔”材料,即材料中的气孔内充满了导热系数较小的空气,气孔分散在导热系数较高的连续介质中。当材料上下两端存在温度梯度时,热传导的最佳途径应为:热流尽可能地绕过气孔,而在连续介质中传导。
迄今为止,研究者们提出了大量的分析模型来对多孔材料的有效导热系数进行预测。对于物理结构简单,只考虑热传导为唯一的传热过程的各向同性的非均匀多孔材料,其有效导热系数可以用5种已经建立的基本模型确定。
1.1 串联模型
图1为串联模型的示意图,该模型针对不同组分以层状结构叠加而成的非匀质材料,热流方向从上到下依次经过每一层。
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