导热系数验证方案

DRPL-Ⅰ导热系数测试仪测试导热系数验证编制：日期：审批：日期：江苏中设集团试验检测中心有限公司用DRPL-Ⅰ导热系数测试仪测试导热系数验证确认一、概述DRPL-Ⅰ导热系数测试仪基于稳态平板法测试原理，在热面加入稳定的热面温度，热量通过试样传递到冷面，测量传递的热流，再根据试样的厚度和传热面积可计算导热系数。二、验证目的为确认DRPL-Ⅰ导热系数测试仪测试岩土材料导热系数结果的可靠性。三、验证依据1、《导热系数测试方法》Q/JZJC012、DRPL-Ⅰ导热系数测试仪使用说明书四、验证方法A、样品的选取选取试样（土样编号G1-10）B、样品的制作试样制备按《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）第3.1.4条的规定进行，其中环刀直径按样品杯（塑料杯）的直径选取。将带有试样的环刀刃口向上对准样品环(塑料环)，用透水板将试样压到样品环内；在样品环内土样两端面均匀地涂少量导热硅脂；C、样品的测试1、打开仪器电源开关（观察加热器温控表下显示框是否Stop闪动，否则按“▲”键，停止运行升温程序），开启电脑，启动DRPL导热系数测试仪程序。2、在程序主界面“设定温度”文本框中输入热面温度值45℃，按“确认设置”键，此时，加热温控表下显示框出现上显示框的数值与Stop交替闪动，否则重按“确认设置”键。再控“加热启动”键，此时，加热温控表下显示框出现上显示框的数值并向上增加，打开仪器“加热开关”，仪器进入升温状态。再打开“风扇开关”。3、装样：将试样冷热面涂上少量导热硅脂后，试样放冷热面正中间，压紧试样。4、输入试样厚度和试样截面积数据后，按“确认”键。5、输入自动数据记录的时间间隔和次数数据后，按“确认”键。6、按“自动测试”键，仪器进入自动测试状态，完成后自动生成报表，提供测试结果。五、测试结果不确定度分析（1）测试原理为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出：如果热量是沿着Z方向传导，那么在Z轴上任一位置Z0处取一个垂直截面积dS（如图1）以表示在Z处的温度梯度，以表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积dS的热量），那么传导定律可表示成：(S1-1)式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相dtdsdzdTdQZ0)(dzdTdtdQ反）。式中比例系数λ即为导热系数,可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量。利用（S1-1）式测量材料的导热系数λ，需解决的关键问题两个：一个是在材料内造成一个温度梯度，并确定其数值；另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率。1、关于温度梯度为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间（图2）使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2，就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。样品厚度可做成h≤D（样品直径）。这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温度T1、T2，就可以确定样品内的温度梯度度。铜板与样品表面的需紧密接触（无缝隙），否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。2、关于传热速率dtdQ单位时间内通过某一截面积的热量dtdQ是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度T2下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dtdT有关，其表达式为22TdtdTmcdtdQT（1-2）式中的m为铜板的质量，C为铜板的比热容，负号表示热量由高温向低温方向传递。因为质量容易直接测量，C为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳态温度T2（大约高出10℃左右），再让其在环境中dzdTdtdQdzdT加热传热散热上铜板下铜板样品（图1）图（2）自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T－t曲线（见图2），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。TC（）0T21T2T22K=ΔTΔtts（）t1t2图2散热盘的冷却曲线图应该注意的是，这样得出的dtdT是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，对于园铜板来说，其散热面积为2πRp2+2πRphp（其中Rp和hp分别是下铜板的半径和厚度），对于正方形的铜，其散热面积为L2+4Lhp（其中L和hp分别是下铜板的边长和厚度）然而，设样品截面半径为R，在实验中稳态传热时，铜板的上表面是被样品部分（RL）覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：若PRR，则dtdQ=－ppPppPhRRhRRdtdTmc22222（1-3）若RL，则dtdQ=－ppLhLLhRLdtdTmc4242222（1-3′）根据前面的分析，这个量就是样品的传热速率。将（1-3）式或（1-3′）式代入热传导定律表达式，考虑到dS=πR2，可以得到导热系数：λ=22121222TTppppdtdTTThRRhRhmc（1-4）或λ=221222214242TTPpdtdTTThRLhLLhRLmc（1-4′）式中的R为样品的半径、h为样品的高度、m为下铜板的质量、c为铜的比热容、Rp和hp分别是下铜板的半径和厚度，对于方铜板L和hp分别是下铜板的长度和厚度。各项均为常量或直接易测量，则λ与T1、T2有关。本测试方法选用铜一康铜热电偶测温度，温差为100℃时，其温差电动势约为4.277mV。由于热电偶冷端浸在冰水中，温度为0℃，当温度变化范围不大时，热电偶的温差电动势θ（mV）与待测温度T（℃）的比值是一个常数。（2）计算公式导热系数λ计算：λ=）T（TALQDA式中：TA：试样热面温度，kTD：试样冷面温度，kA：试样截面积（πR2），mm2L：试样长度，mmQ：热流，wQ=24242222TTPpdtdTLhLLhRLmc（4）误差分析误差分析：λ的误差由以下因素有关1）热流的误差：相对误差为3%2）试样长度的误差：ΔL为0.05mm3）试样面积的误差:ΔA为2mm24）试样热面温度误差:ΔTA为0.2℃5）试样冷面温度误差:ΔTD为0.2℃根据以上公式，可得到不确定度的计算公式为：222222QQTTTTAALLDDAA在这试验中：L样品厚度为20mm；样品面积为3000mm2;TA试样热面温度45℃;T2试样冷面温度27.3℃土样的导热系数由计算机输出为1.841W/m.K导热系数的相对误差为:2222210033.272.0452.03000222005.0=0.032故：△λ=λ•1.841×0.032=0.059因此：λ±△λ=(1.841±0.059)W/m.K六、验证结论本测试方法误差在5%以内,同无锡水文工程地质勘察院试验室对相同样品的比对结果误差在5%以内,(见附测试报告)本测试方法有效。江苏中设集团试验检测中心有限公司2011年5月25日