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稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)—概述

时间:2019-10-09来源:泰鼎恒业浏览次数:

主要内容引自GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法》。
叙述了使用防护热板装置测定板状试件稳态传热性质的方法以及传热性质的计算。本方法是测量传热性质的绝对法或仲裁法,只需要测量尺寸、温度和电功率。
GB 10294—2008 等同采用 ISO 8302: 1991《绝热——稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法》(英文版)。
概述
(1)原理
① 装置原理。在稳态条件下,在具有平行表面的均匀板状试件内,建立类似于以两个平行的、温度均勻的平面为界的无限大平板中存在的一维的均匀热流密度。
② 装置类型。根据原理可建造两种形式的防护热板装置:双试件式和单试件式。
a.双试件装置。双试件式装置中,由两个几乎相同的试件中夹一个加热单元,加热单元由一个圆或方形的中间加热器和两块金属面板组成。 热流量由加热单元分别经两侧试件传给两侧冷却单元(圆或方形的、均温的平板组件)[图24-2-1(a)]。
b.单试件装置。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和冷却单元[图24-2-1(b)]。绝热材料的两表面应控制温差为零。只要满足本标准中其他所有适用的要求,用单试件装置可以实现准确地测量和按本标准方法出报告,但报告中应详细说明与通常双试件装置的热板的变化。
③ 加热和冷却单元。加热单元由分离的计量部分和围绕计量部分的防护部分组成,它们之间有一隔缝,在计量部分形成一维均匀的稳态热流密度。冷却单元可以是连续的平板,但最好与加热单元类似。
④ 边缘绝热和辅助防护单元。边缘绝热和 (或)辅助防护单元的引入是必要的,尤其是当试验温度低于或高于室温时。
⑤ 防护热板装置的定义。“防护热板”术语应用于整个已装配的装置,因此,又叫做“防护热板装置”。装有试件的装置的总体特征见图24-2-1。
⑥ 热流密度的测量。当在计量单元达到稳定传热状态后,测量热流量Φ以及此热流量流过的计量面的面积A,即可确定热流密度q。
⑦ 温度差的测量。试件两侧的温度差ΔT,由固定于金属板表面和(或)在试件表面适当位置的温度传感器测量。
⑧ 热阻或传递系数的测量。当满足本小节中(3)①的条件,热阻R可由q、A 和ΔT计算得出,若已测定试件厚度d还可计算出传递系数T。
⑨ 热导率的计算。当满足本小节中(3) ②的条件,已测定试件的厚度d可计算出试件的平均热导率λ。
⑩ 装置的适用范围。本方法的应用范围,受装置在试件中维持一维稳态均匀热流密度的能力和以要求的准确度测量功率、温度和尺寸的能力所限制。
⑪ 试件的范围。本方法的应用亦受试件的形状、厚度和结构的均勻一致(当使用双试件装置时)、试件表面平整和平行度的限制。

 
(2)由于装置产生的限制
① 接触热阻的限制。当试验硬质(材料非常硬,以至于在热板和冷板的压力下也不可改变形状)高热导率的试件时,即使试件和装置表面有很小的不均匀性(表面不完全平整),就可导致试件与热板、冷板之间的接触热阻分布不均。
这将造成试件内部热流分布不均勻和热场变形,且难于精确测量表面温度。当试件热阻低于0.1m2·K/W时,表面温度的测量需要使用特殊的方法。金属板的表面应机械加工或切削平整、平行且不能有应力。
② 热阻的上限。可测热阻的上限受供给加热单元的功率的稳定性、测量功率仪表的精确度以及试件和加热单元的计量部分和防护部分之间由于温度不平衡误差引起的热量损失(或吸热)程度的限制(见后面的分析)》
③ 温差的限制。如果热板和冷板表面温度的均匀性和稳定性,仪表的噪声、分辨率和精确度以及温度测量中的限制均能维持在本方法的稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)装置和校准稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)试验过程给出的限度内,只要满足稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)装置和校准中(1)④a(b)〜(d)的要求,采用温差法测量时,温差可低到5K。更低的温差应作为不满足本标准予以申明。
当使用独立参考点的热电偶测量每个金属板的温度时,每支热电偶标定的准确度可能是限制温差测量准确度的因素。此时,为使温差的测量误差最小,建议温差最少为10〜20K。
更高的温差仅受装置在维持所需的温度均匀性情况下能够提供的功率的限制。
④ 试件最大厚度。稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)装置和校准 [或稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)试验过程中(2)①]所叙述的任何一种构造形式的装置,由于受边缘绝热、辅助防护加热单元和环境温度的影响,试件边缘的边界条件将制约试件的最大厚度。对于非均质的、复合的或层状试件,每层的平均热导率应小于其他任何层的两倍。
这个要求是粗略的经验,只要求操作者进行评估,不一定要测量每一层的热导率。这种情况下,其准确度预期与均质试件的接近。当不满足这个要求时,没有评估测量准确度的指南。
⑤ 试件最小厚度。试件的最小厚度受本小节中(2)①指出的接触热阻的限制。当 要求测量热导率、表观热导率、热阻系数或传递系数时,还受到测厚仪表准确度的限制。
⑥ 计量面积的定义。理论研究表明,计量面积(由中心计量单元供给热流量的试件面积)与试件厚度和隔缝宽度有关。当厚度趋近零时,计量面积趋近于中心计量部分面积。厚试件的计量面积则为隔缝中心线包围的面积[见稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)装置和校准中(1)①c]。当试件的厚度至少为隔缝宽度的十倍时,为避免复杂的修正,可采用隔缝中心线包围的面积。特殊应用情况见稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)试验过程中 ⑴③。
⑦ 最高操作温度。加热和冷却单元的最高运行温度受表面氧化、热应力及其他能降低板面平整度和均质性的因素的限制,还受电绝缘材料的电阻率变化限制。绝缘材料的电阻率的变化影响所有电气测量的精确度。
⑧ 真空状态。在真空状态下使用防护热板装置时应格外注意。如在高真空条件下运行,应仔细选择装置使用的材料,避免材料过量释放气体。在安装加热器和温度传感器的引线时应非常细心,使附加的热流量和测温误差最小。否则, 在真空条件下,尤其是较低温度时会产生严重误差。
⑨ 装置尺寸。防护热板装置的总尺寸受试件尺寸控制。试件的尺寸(或直径)通常为0.2〜1m。小于0.3m的试件可能不代表整个材料的性质。当试件大于0.5m时,要维持试件和金属板的表面平整度、温度均匀性、平衡时间以及装置的总造价在可接受的限度内都将发生困难。
为便于实验室之间比较和总体上改进合作测量,推荐的标准尺寸系列如下:
a. 直径(或边长)为0.3m;
b. 直径(或边长)为0.5m;
c. 直径(或边长)为0.2m (仅用于测定均质材料);
d. 直径(或边长)为1.0m (用于测定厚度超过0.5m装置允许厚度的试件)。
(3)试件的限制
①热阻、热导率或传递系数
a.试件均勻性。测量非均质试件热阻或热导率时,试件内部和计量区域表面的热流密度可能既非单向又不均匀。试件中会存在热场变形,导致严重误差。试样靠近计量区域的部位,尤其靠近计量区域边缘时影响最大。在这种情况下很难给出本方法适用性的指南。主要问题是边缘热损失误差和不平衡误差等不能预测的误差,随着试件中不均匀性位置的变化以不能预料的方式变化,因而使稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)试验过程中(4)提出的所有检查可能受到系统误差的影响,系统误差会掩盖不同试 验的真实差别。
在某些试件中,在微小距离上可能会出现结构变化。这对于许多绝热材料是真实的。
另一些试件,在与热板和冷板接触的试样两个表面之间可能存在直接的热短路。当与试件两表面接触的导热较快的材料被热阻低的通道连接时,影响最大。
b.温差的影响。热阻或热导率经常是试件两侧温差的函数。在报告中必须说明报告值适用的温差范围或者清楚地注明报告值是用单一温差测定的。
②试件的平均热导率。为测定试件的平均热导率(或表观热导率),应满足本小节中①的要求。试件应是ISO 9251《绝热——传热条件和材料性能——词汇》中定义的均质或均质多孔体。均质多孔体试件内任何非均质性的尺寸应小于试件厚度的十分之一。此外,在任意平均温度,其热阻应与试件两侧的温差无关。
材料的热阻取决于所有相关的热传递过程。热传导、辐射和对流是主要机理,然而这三者之间相互作用会产生非线性影响。因此,尽管对这些机理研究得十分透彻,但实际分析或测量时仍很困难。
所有传热过程的程度与试件两侧的温差有关。许多材料、制品和系统在典型的使用温度差时,可能呈现复杂的关系。在这种情况下,使用一个典型的使用温度差进行测定,然后在一定温差范围内测定近似关系是合适的。在较宽的温差 范围内可能是线性关系。
某些试件虽然符合均质性的要求,但却是各向异性。如试件内平行于试件表面方向测定的热导率分量与垂直于表面的方向测定的热导率分量不同。对于这种试件,可能造成较大的不平衡误差和边缘热损失误差。如两个测定值的比值小于2,并在装置内对各向异性试件分别测定不平衡误差和边缘热损失误差,则可以按本标准方法出试验报告。
③材料的热导率、表观热导率或热阻系数
a.总则。为测定材料的热导率或热阻系数,必须满足本小节中(3)②的要求。此外,为保证材料是均质或均质多孔,且测量结果能代表整个材料、产品或系统,必须有足够的抽样。试件的厚度应大于当厚度进一步增加时材料、产品或系统的传递系数变化不大于2%时的厚度。
b.与试件厚度的关系。所有的传热过程中,只有传导产生的热阻与试件厚度成正比。其他传热过程具有较复杂的关系。试件越薄、密度越小,热阻与传导以外的传热过程越有关系。由于传递系数与试件厚度有关,所以不满足热导率和 热阻系数(两者都是材料的固有特性)定义的要求。对于这些材料,可能希望测定应用条件下的热阻。可以相信所有材料都有一个热传递系数与厚度有关的厚度下限。低于此厚度时,试件可能有独特的传热性质,但不是材料的性质。因此,需通过测量确定这个最小厚度。
c.可确定材料传热性质的最小厚度的确立。 如果不知道此最小厚度,则需要估计此最小厚度。
无确定的方法时,稳态热阻及有关特性的测定(防护热板法)试验过程中(4)②指出的粗略过程可用于确定最小厚度和观察材料在可能使用的厚度范围内是否出现最小厚度。
重要的是要区别测量时在面板下放置测温传感器引起的附加热阻、不良的试件表面引起的附加热阻和由试件内部传导与辐射传热模式结合引起的附加热阻。三者都能以同样方式影响测量结果,并且三者经常是叠加的。
④翘曲。对于热膨胀系数大的材料要特别注意,有温度梯度时将会过度翘曲,这将损坏装置和引起附加的接触热阻。后者造成严重的测量误差。测量这种材料,可能需要专门设计的装置。