稳态圆筒壁法自动测量颗粒导热系数的改进

稳态圆筒壁法自动测量颗粒导热系数的改进

第5 6卷第 4期 2004年 11月

有色金属No fro sM eas ne r u tl

Vo . 6. NO. 15 4No e b r 2 0 0 4 v m e

稳态圆筒壁法自动测量颗粒导热系数的改进张建智，孑民，周章世斌(中南大学能源与动力工程学院，沙长 4 0 3 1 8) 0

摘要：依据稳态圆筒壁法测量导热系数的原理，导出颗粒导热系数测量公式，推通过试验确定颗粒粒径、材料密度、料温材度与导热系数的关系。采用将细热电偶丝的两极拉成直线，接固定在圆筒上下端面的测温方法，持了物料中温度场的真实直保性。采用单片机简化了检测电路，少了过多元件的器件噪音，统的可靠性和稳定性高。减系

关键词：冶金技术；导热系数；稳态圆筒壁法；颗粒

中图分类号： F6 .; F 5文献标识码：文章编号：01 0 1(040— 16 4 T 082 T 3 5 B 10— 2 12 0 )4 0 4—0

导热系数是材料重要的热物性参数之一，征表

生的热流为一维稳态热流，温面为同轴的圆柱面。等 选定半径为 r处厚度为 d r的环状薄层，根据则 F ui定律，位时间通过这一薄层的热量如式 or r e单() 1所示。Q=一 2 r td ￣ Ld/ r () 1

物质热传导的能力。颗粒材料和粉末材料的应用十分广泛，别是对绝热和保温性能有严格要求的地特方 (冶金中的炉窑衬料或者结晶器保护渣等 )热如，物性性能对生产工艺过程和产品质量有着重要影响。因此测定颗粒和粉末材料的导热系数以及通过实验确定颗粒粒径、料密度及材料温度与导热系材数之间的关系就显得尤为重要。 自 J B.. o r r1 2 . J F ui 8 2年提出导热系数的物理 e

分离变量并积分得式 ( ) 2。t=一 Q/ 2 L) n (丌 l r+ C () 2

代人边界条件 r= r时， 1 t= t, 1 r= r时，2 2 t= t得式 ( )式 ( ) 2 3和 4。t 1=一 Q/ 2 L) n 1 C (丌 lr+ t 2=一 Q/ 2 L) n 2+ C (丌 lr () 3 () 4

意义之后…,研究者设计

了一系列的导热系数测试方法。测试材料的导热系数应该根据材料的特点和

测试要求，取合适的测试方法。而颗粒的热物性选与其相对应的大体积固体材料有明显的差异，导其

将式() 3一式 ( ) 4得式 ( ) 5和式 ( ) 6。

Q= ( 1 t )[ ("/ 1/ L] t一 2/I r,) 2 n 2-=

() 5 () 6

热系数不能用相应大体积固体的导热系数来代替， 必须通过试验测定。传统的测量方法使用电位差计、电压表、流表手动测定实验中的相关参数，电测量精度比较低，此，计一种基于 P C 6 8 6单因设 I 1F 7片机的自动测量颗粒材料导热系数的装置。

Ql( 1 r )[￣ t一 t) n r/ 2/2 L( 1 2]

中心热源用电热器加热，时假设圆筒轴向热同流可忽略， L长度上径向的热流 Q即为电热器的则

总发热率。以用伏特表和安培表分别测量电热器可的电压 (和电流 (, Q= U×J故有式 ( ) U) )则， 7。

1实验设计 1 1基本原理 .

= Uln r/ 1/2 L( 1 t) l( 2r)[￣ t一 2]

() 7

式 ( )即为测试装置计算导热系数的基本公 7式。只需测得工作端电流 (、 )电压 (、径 r与 u)半， r处的温度 t与 t和电热器的总长 L,可以计算 2 1 2就出材料的导热系数。1 2试验装置 .

根据 F ui导热微分方程 q=一 ga TE, orr e rd 设一长径比很大的圆筒壁的长度为 L,热系数为导,

均匀分布的热源处于圆筒的中心轴线上，径为半

r和 r处的温度分别对应于 t和 t,时沿径向产 1 2 1 2这收稿日期：0 4 8 1 20—0— 7基金项目：国家自然科学基金资助项目( 9 7 0 5 5663 )

系统主要由测试容器、热系统、温热电偶和加测数据采集与处理 4个基本单元组成。测试仪的简易装配如图 1所示。容器的上下端面为导热系数很小

作者简介：张建智 (9 7,, 1 7一)男福建永安人，师，士，讲硕主要从事检测技术研究与自动化装置设计。

的耐温绝热材料，防止轴向热损失。电热器要保以

证热量沿长度方向的均匀性，以保证一维稳态径向

导热。采用 K分度镍铬一硅热电偶作为感温元件镍

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来测量粉末材料温度。要求热电偶丝较细，量点测小，且将热电偶丝正负极分开拉成直线沿轴向安并装，分别固定在圆筒上下端面，持一定的张力，保然

显示器上显示出来。所用仪表采用新型数码显示芯片 MA 2 9是带 8个 8段 L D或 6 X7 1, E 4个发光二极管的自动动态显示器件。加热供电系统和保护电路为控制加热器和防止单片机因系统断电和电压不足等引起软件故障而设计。 系统软件设计实现功能模块化，以便于调试、链接、移植和修改。运行状态实现标准化管理 _。单 4 J片机启动时，执行初始化程序，各个寄存器清先将零，后设置断口的输人和输出状态，开定时器设然打定中断时间， D转换通道和采样时间等等，且 A/并开始响应中断处理模块，动加热器控制单元，启进行试验数据采集、大、波、 D转换和计算、据放滤 A/数

后延伸至电位差计接线端子。数据处理采用计算机编程处理。测量点固定在圆筒长度方向的中间位置。定位卡以保证装料时测温点不发生偏移，位定

卡要薄，能耐高温。电源为交流可调恒压源。试且验中，用沙子作为测试对象，粒径大小分成 3选按

组。沙子属于硅酸盐物质，多材料中都要用到，很长时间处于高温下不产生成分变化。在加热测试过程中，同一测量点的温度在间隔 1 mi的变化小若 0 n内于 0 1,可认为系统已达到热平衡状态，始记 .℃则开录试验数据。

输出与上传等。

2试验结果与分析定位卡待测粉尘

2 1颗粒粒径和温度与导热系数的关系 .

测量点电热器

利用试验装置，沙子进行测量，制粒径及温对绘度与导热系数关系如图 3所示。

图 1测试装置简易装配图Fi 1 S h me o e t is r me ta s mbe g. c e ft s—n tu n s e l

【3 1 .

r逞———‘处0

0— r 1 _———— l—廑：I r0——00I 0 l垦——— I——感_值‘’01 0 l ——麴一——篮翻一l呈理电—I——-墅————.’—跷 _丞

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温度/℃

[鲤] U亘区一

图 3粒径及温度与导热系数的综合关系Fi . C m p e e sv ea i n h p b t e a i s t r— g3 o r h n ie r lt s i e we n r d u, e o np r t r n h r l o d c iiy o a t l e a u e a d t e ma n u tvt fp ri e c c

图 2检测装置硬件原理F g 2 S h meo a d r . rn i I o n p c e i . c e fh r wa e p i cp e n is e ts t

由图 3可知，同一温度下，粒的直径与导热系颗

系统的硬件构成如图 2所示。系统硬件是由测试容器、 I 1 F 7 P C 6 8 6单片机 LJ温度传感器、号处 3、 信理电路、热供电控制系统、机界面、加人电源模块、显示驱动和数字显示器以及保护电路等部分组成。 P C1 F 7 I 6 8 6单片机集成了上电复位电路、/引脚 IO上拉电路、门狗定时器、 D转换电路等模块，看 A/可以最大程度的减少外接器件，于开发，且减少了便并模拟电路带来的误差，而提高系统的测量精度。从由于热电偶分度表是以热电偶冷端温度等于零制定

数成线性关系。同一粒径下，度越高，温导热系数越

大。导热系数与物质结构有着密切关系，晶体的非导热系数随温度的升高而增大，晶体的导热系数而随温度的升高先增大，到峰值后，着温度的进一达随步升高，热系数随之减小…。沙子是含杂质的水导晶，天然硅酸岩石风化的产物，沙子中的非晶相是故

比较多，因而导热系数将随温度的升高而增大。另一

个原因是沙子中间有很多的空隙。欧根 ( uk n E ce )

和莱塞尔 ( usl…研究认为，隙对

导热系数的 R se ) 1空影响，主要由空隙所占的体积分数以及材料中固相和气相 (空气 )热系数之比/决定。由于沙子导。中存在大量空隙，而热辐射在颗粒空隙中热传递所占的比重，随温度的升高而急剧增大。根据洛勃将

的，以在系统中采用 AD 9成温度传感器对热所 5 0集电偶的测温电路进行冷端补偿。结合前置放大电路将信号输人单片机进行模数转换，片机内有 1单 0位A/ D转换通道。通过键盘可以进行参数设置，在并

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有色

金

属

第5 6卷

( o )导出来的计算有孔材料导热系数的方程式 Lb推：+ =+4 G (中 d一空隙或裂其

增大。前人研究证明：颗粒材料中每个温度下的在

某一密度范围内将出现一个导热系数的最小值，称该密度范围为最佳密度；温度升高，料的最佳密随材

缝在热流方向的最大长度； e一气孔辐射表面的热发射率；一斯蒂芬一玻尔兹曼常数；一气孔的平 T均温度；一几何因子 )由此可见，体的导热系数 G,气一

度也相应增大；温下对应于最佳密度的最小导热高系数值比低温下对应于最佳密度的最小导热系数大 _。由图 4可见，试结果符合以上规律。密度 1 J测增大，应的气孔体积就减小，相这样气孔的尺寸也减小。由计算气孔有效导热系数的一般数学式=4￣ T可知，粒中气相导热系数将减小， Gd a 颗因为气

般都是随温度升高而增大。同样尺寸的空隙，温度

越高，效导热系数越大。同样的温度下，隙尺有在空寸越大，效导热系数越大。有沙子的综合导热系数与和。以及材料中气相与固相的排列方式有关，沙

子中的气相与固相属随机排列，而其对整体导热因系数的影响可忽略。综合以上因素，以得出结论：可沙子粒径越大，隙尺寸就越大，空因而沙子的综合导热系数也就越大。试验结果与这一结论完全吻合。2 2颗粒密度与导热系数的关系 .

孔的最大长度减小了。外，孔减小，射热传递另气辐就减小，能看出气孔有效导热系数将减小。颗粒

也将导热系数看成是由固相导热系数和气相导热系数。两部分组成，温度不变的条件下，的变化在

不是很大，由于气孔率降低了，但固体所占的体积增大了，以颗粒总的导热系数的变化情况就复杂了。所

以粒径为 0~0 6 mm的沙子为对象测得颗粒 .3

的密度与导热系数的关系，由测定数据作曲线如图

固相体积增大了，导热系数中固相导热系数所总占的比重也就增大了。果固相增加部分的导热系如数来不及抵消气相导热系数。的降低，总的导则热系数就降低，之总的导热系数就增大。而就出反因现了在同一温度下，粒在某密度范围内将出现导颗

4所示。约在 9℃左右，曲线两两相交， 5三这说明密度与导热系数没有呈现简单的曲线关系。7℃以 0下，度越大，密导热系数反而越小。7~1 0之间， 0 0℃ 密度最大的导热系数最小，度最小的导热系数并密不是最大。1 0以上，热系数随着温度的升高而 0℃导0- 4

热系数的最小值，即最佳值。于温度的升高，也由气相导热系数。增大，将固相导热系数也将增大，

;一.

一

一

一

总的导热系数必将增大，最佳密度也相应增大，故高温下对应于最佳密度的最小导热系数值比低温下对应于最佳密度的最小导热系数大。

E

≥

籁

3结论 用圆筒壁法测量颗粒导热系数，置结构简单、装

蒸曲

造价低廉，操作方便，稳定性好，合于测试各种热适颗粒的温度、粒径、密度与导热系数的关系。采用将

细热电偶丝的两极拉成直线，接固定在圆筒上下直图 4 0 .3 m直径颗粒密度与 ~0 6 r a导热系数的关系F g 4 R l i f at uae如~0 6 mm} i。 e t n o ri l ( ao p c t .3d n i o t em a c n u t iy e s y t h r l o d c i t t v

端面的测温方法，持了物料中温度场的真实性。保

采用单片机简化了检测电路，少了过多元气件的减器件噪音，系统的可靠性和稳定性高。

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I p o e e r i l e m a nd c i iy Au o a i e s r ngw ih St a lnd r M e h d m r v m ntofPa tce Th r lCo u tvt t m tcM a u i t e dy Cy i e t o

Z HANG Ja—hi HOU Jer i in z,Z i— n,Z NG S i i a HA h— n b

(nt ue fEnrya dP w r n ler g,C nrl o t U iesy,C a gh 10 3 hn ) Istt o i eg n o e gnei E n e t uh nvri aS t h n sa4 0 8,C iaAbsr c ta t

Th q a in f r me s rn h r lc n u t i f p rils i d rv d b s d o h rn i l o h r l ee u t o a u i g t e ma o d c i t o a t e s e i e a e n t e p i cp e f t e ma o v y c c n u t i a u i g wih s e d y i d rme h d o d c i t me s rn t ta y c l e t o .An h ea i n h p o h r l n u t i fp ri lst v y n d t e r l t s i f

e ma d c i t o a t e o o t o c v y c v r u a a t r,s c s r d u,d n iy e e au e i e t b ih d b x e i n a a a a i s p r me e s u h a a i s e st,t mp r t r s a l e y e p rme t l t .Th t ag t n d o s s d esrih e e o c mp n a ie la f t e mo u l s s tld t h i e wa l f t e c l d r 0 t e r aiy o h e p r t r e s t e d o h r c p e i e t o t e sd l o h y i e .s h e l f t e tm e a u e v o e n t f l se s r d i d i n u e .Th e ib l y a d sa i t ft eme s r g s se i i c e s d b sn ft emo o i i p o e e r l i t n tb l y o h a u i y tm r e y u i g o h n l h c r— a i i n sn a t

c so r e o i l iaino h eetn ic i a d t en i u p eso rm x e s ed vc . es ri o d rf rsmpi c t ft ed tcig crut n h os s p r in fo e c si e ie n f o e s vKe wo d:me al r ia e h o o y h r a c n u t i y rs t l g c l c n lg;t e m l u t d ci t o v y;se d y i d rme h d a t l t a y c l e t o;p ri e n c

(接第 11上 4页

C ni e o P.11 o t udf m 4 ) n r

3结论 漆酶在废纸脱墨中主要通过作用纸浆中残存木参考文献

质素实现脱墨目的。漆酶在 6",浆浓度 7 1, 5碎 C .% 时间 3 mi,H=9的条件下作用效果最佳， 0 np漆酶最佳用量为 8gt。 k/纸

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