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低温用膨胀珍珠岩绝热性能的实验研究
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 王忠建 焦安军< 点击:
摘要：本文以常用低温保温材料膨胀珍珠岩（珠光砂）为研究对象，实验测量了在稳态和非稳态传热条件下的导热性能、热扩散性能及其随温度的变化规律，并对两种传热条件下的绝热特性进行了分析和研究，为工程应用提供可靠的理论依据，也为低温绝热方案的选择及优化提供参考资料。
关键词：膨胀珍珠岩；低温工程；导热系数；绝热材料
1 引言
低温绝热是采用各种不同的绝热类型与结构，将通过热对流、热传导和热辐射等途径传递给低温系统的热量减少到尽可能低的程度，以保证低温设备的经济运行和低温产品储运。随着低温技术应用范围的不断推广，对低温绝热技术的研究也在不断加强。目前，除加强对新型保温材料和新保温方法的研究外，如何对传统绝热方法进行优化组合经及对保温材料性能进行更深入地研究也是低温绝热技术的重要内容之一。
长期的实践证明：低温容器和低温设备的绝热系统，采用真空层屏蔽、真空多层屏蔽加粉末（珠光砂）的绝热方式效果较佳[1]。珠光砂作为常用的低温绝热材料，不仅绝热性能好，而且具有重量轻、化学性质稳定、阻然、防霉、无毒无味、价格低廉、使用范围广等优点。珠光砂是一种无机物多孔体绝热材料，有天然的也有人工生产的，其主要成分是SiO2和A1203，是熔岩经快速加热后膨胀而获得的质轻色白的粉末。
目前，珠光砂的物理性质已有广泛的研究，其中作为绝热材料的主要技术参数是有效热导率，有效热导率通常采用稳态导热方法测定。事实上，用稳态导热方法测定其热导率的过程中，存在着自非稳态到稳态的变化过程，在这一过程中珠光砂的导热性能也在发生着变化，自非稳态到稳态所需要的时间由于各种因素的影响而不同。在低温系统或低温液体容器的设计过程中往往不考虑工作系统从非稳态到稳态过渡这一过程。事实上，对非稳态传热情况下材料绝热性能的深入研究，对精确计算系统的起始运行以及系统的运行效率和低温储运容器的预冷冷量，均具有重要的实用意义。
鉴于珠光砂在低温绝热技术中的广泛应用，本文对其热导率等物理性能进行了测定，并对其在非稳态状态下的有关特性进行了分析和研究。本文的研究结论对使用珠光砂的低温系统具有重要的工程意义。
2 实验系统及原理
2．1 实验系统
实验系统见图1。试验中采用专用球形稳态导热仪，导热仪由内、外球组成，内球外径60mm，外球内径200mm。内、外球中间由绝热材料珠光砂充填，形成绝热层；热源由电加热丝组成，固定在内球内，由恒流／恒压源提供电源。改变电源输出电压，可获得不同的加热功率。内球壁温的测量采用经严格标定的铜一康铜热电偶实现；冷源由液氮提供，实验中应确保外球壁内流动的是液氮，以便于形成恒温壁。2．2 实验原理及测量误差分析
本文对珠光砂性能的研究，主要是稳态导热时的有效导热系数和非稳态条件下的热传输性能。研究中认为内、外球表面维持均匀恒壁温，热量自内球向外球径向传输是一维导热问题。然而如何保证内、外球表面的恒壁温是保证一维导热的关键，为此在壁面的不同位置布置了四对热电偶以确定不同地点的温度差异。铜一康铜热电偶预先进行了不同温区的标定，首先排除在手工制作过程中所造成的个体差异，同时考虑到在低温条件下铜一康铜热电偶的非线性误差问题。
通过标定和筛选，得到了精确的分度关系，保证了测温精度。热电偶电势的测量仪表和提供电加热的恒流／恒压源精度可达到μV级(美国Keithley公司产品)[2]，确保测量结果准确可靠。功率测量精度可达μW级，由此产生的误差很小。对系统进行的重复性实验也表明，由仪表导致的测量误差可以忽略不计。已知铜—康铜热电偶的灵敏度是16～38μV／K，二次仪表的显示误差为1～3μV，因此温度测量误差不大于0．2K。通过以上措施提高了系统的测量精度，保证了测量结果的可信度。
按照一维球坐标的近似假定，热量传导的数学描述如下：
根据实际的工作条件和测试系统的精度，利用式(3)，分析确定导热系数的相对误差不大于1.4%。
3 分析与讨论
3．1 稳态导热下的绝热性能研究
实验中使用的珍珠岩(珠光砂)材料由河南洛 阳珍珠岩厂生产，实验条件如下：所选样品体积为 4．076× 10-3m3，材料含水率为0．98％，充填密度 为46，5kg／m3。环境温度290K，空气相对湿度 81％，检测温度范围78～320K：
利用稳态法测定珠光砂的有效导热系数，实验 中先向外球壳内缓慢充冷氮气使其逐渐降温，观察 外球壁面温度变化，控制冷氮气的气流量，维持壁 面温度的恒定；同时对内球进行加热并观测温度的 变化趋势，通过微调加热功率，使内、外球的壁温 趋于恒定，达到一维稳态导热。由于内外球间珠光 砂的绝热作用，从调整壁温到全面稳定需要很长时 间，每一测点达到稳态需要数小时。到达稳态之 后，记录内外壁面温度和加热功率，通过计算确定 珍珠岩的有效导热系数。表1示出了实验测量的代 表性测点及其相关的传热数据。图2表示出珠光砂 在一定的含水率和充填密度的条件下，其有效导热 系数随温度的变化规律。关系式如下：
λ(T)=1．741×10-2+4．458×10-5T+2．294×10-7T2(4)
3．2 非稳态传热下的绝热性能研究
事实上热量传递过程经常处在非稳态条件下，因此研究绝热材料在非稳态传热条件下的传热特性更具实用意义。非稳态导热过程对球坐标的数学描述，其一般形式如下：在实验中将外球壳注人液氮并保持恒定压力， 以控制外球壁面温度的恒定，内球体利用电加热以 保证输入功率的恒定，改变电功率大小可以调节加 热负荷，当加热功率一定时，就可反映出温度场随 时间的变化规律。图3示出在不同加热功率下的 内、外球壁温随时间变化规律，两球壁温之间曲线 揭示了在非稳态传热情况下绝热层的温度分布。
实验中还测定了当内球不加热时内外球壁温的 降温规律，由于外球白始至终保持在液氮温度下， 通过绝热材料的热扩散，内球壁温下降速度很快， 最终趋于外球温度。图4是实测的无内热源非稳态 导热内外球壁温的变化情况。根据非稳态条件下的 测量值计算确定珠光砂的热扩散特性。图5示出了 热扩散系数。随温度的变化曲线，可以看出随温度 的降低珠光砂的热扩散系数减小，即在低温下的热 扩散能力减弱。特别是在室温 250K区间，热扩散系数(导温系数)下降迅速，而在低温段变化相 对平缓，保持较小的数值。
本文对珠光砂在稳态和非稳态传热条件下的绝 热性能进行了深入的分析和研究，分析结果表明：
①在稳态传热的情况下，珠光砂的导热系数与 温度的关系曲线说明：珠光砂的导热系数随温度降 低而降低，导热系数与温度的拟合关系式如下：λ(T)=1．741×10-2+4．458×10-5T+2．294×10-7T2
该关系式对工作在低温设备的绝热层设计具有 重要意义。
②在非稳态传热情况下，珠光砂热扩散系数随 着温度的降低而减小，尤其在常温到250K区间内 导温系数下降迅速，低于250K后其导温系数较为 平滑稳定，在低温下热扩散能力降低。
③本文实验测量精度高，数据可靠，测得的珠 光砂绝热特性参数随温度的变化关系，可作为相关 研究和工程设计的依据。
参考文献：
[1]徐烈，方荣生，马庆芳编．绝热技术．北京：机械工 业出版社，1999年
[2]Keithley Muhimeter 2000-20 Calibration User Manual，2000
[3]杨世铭．传热学．北京：高等教育出版社，1987年
[4]陈国邦，林理和编．低温绝热与传热．杭州：浙江大 学出版社，1989年
关键词：膨胀珍珠岩；低温工程；导热系数；绝热材料
1 引言
低温绝热是采用各种不同的绝热类型与结构，将通过热对流、热传导和热辐射等途径传递给低温系统的热量减少到尽可能低的程度，以保证低温设备的经济运行和低温产品储运。随着低温技术应用范围的不断推广，对低温绝热技术的研究也在不断加强。目前，除加强对新型保温材料和新保温方法的研究外，如何对传统绝热方法进行优化组合经及对保温材料性能进行更深入地研究也是低温绝热技术的重要内容之一。
长期的实践证明：低温容器和低温设备的绝热系统，采用真空层屏蔽、真空多层屏蔽加粉末（珠光砂）的绝热方式效果较佳[1]。珠光砂作为常用的低温绝热材料，不仅绝热性能好，而且具有重量轻、化学性质稳定、阻然、防霉、无毒无味、价格低廉、使用范围广等优点。珠光砂是一种无机物多孔体绝热材料，有天然的也有人工生产的，其主要成分是SiO2和A1203，是熔岩经快速加热后膨胀而获得的质轻色白的粉末。
目前，珠光砂的物理性质已有广泛的研究，其中作为绝热材料的主要技术参数是有效热导率，有效热导率通常采用稳态导热方法测定。事实上，用稳态导热方法测定其热导率的过程中，存在着自非稳态到稳态的变化过程，在这一过程中珠光砂的导热性能也在发生着变化，自非稳态到稳态所需要的时间由于各种因素的影响而不同。在低温系统或低温液体容器的设计过程中往往不考虑工作系统从非稳态到稳态过渡这一过程。事实上，对非稳态传热情况下材料绝热性能的深入研究，对精确计算系统的起始运行以及系统的运行效率和低温储运容器的预冷冷量，均具有重要的实用意义。
鉴于珠光砂在低温绝热技术中的广泛应用，本文对其热导率等物理性能进行了测定，并对其在非稳态状态下的有关特性进行了分析和研究。本文的研究结论对使用珠光砂的低温系统具有重要的工程意义。
2 实验系统及原理
2．1 实验系统
实验系统见图1。试验中采用专用球形稳态导热仪，导热仪由内、外球组成，内球外径60mm，外球内径200mm。内、外球中间由绝热材料珠光砂充填，形成绝热层；热源由电加热丝组成，固定在内球内，由恒流／恒压源提供电源。改变电源输出电压，可获得不同的加热功率。内球壁温的测量采用经严格标定的铜一康铜热电偶实现；冷源由液氮提供，实验中应确保外球壁内流动的是液氮，以便于形成恒温壁。2．2 实验原理及测量误差分析
本文对珠光砂性能的研究，主要是稳态导热时的有效导热系数和非稳态条件下的热传输性能。研究中认为内、外球表面维持均匀恒壁温，热量自内球向外球径向传输是一维导热问题。然而如何保证内、外球表面的恒壁温是保证一维导热的关键，为此在壁面的不同位置布置了四对热电偶以确定不同地点的温度差异。铜一康铜热电偶预先进行了不同温区的标定，首先排除在手工制作过程中所造成的个体差异，同时考虑到在低温条件下铜一康铜热电偶的非线性误差问题。
通过标定和筛选，得到了精确的分度关系，保证了测温精度。热电偶电势的测量仪表和提供电加热的恒流／恒压源精度可达到μV级(美国Keithley公司产品)[2]，确保测量结果准确可靠。功率测量精度可达μW级，由此产生的误差很小。对系统进行的重复性实验也表明，由仪表导致的测量误差可以忽略不计。已知铜—康铜热电偶的灵敏度是16～38μV／K，二次仪表的显示误差为1～3μV，因此温度测量误差不大于0．2K。通过以上措施提高了系统的测量精度，保证了测量结果的可信度。
按照一维球坐标的近似假定，热量传导的数学描述如下：
根据实际的工作条件和测试系统的精度，利用式(3)，分析确定导热系数的相对误差不大于1.4%。
3 分析与讨论
3．1 稳态导热下的绝热性能研究
实验中使用的珍珠岩(珠光砂)材料由河南洛 阳珍珠岩厂生产，实验条件如下：所选样品体积为 4．076× 10-3m3，材料含水率为0．98％，充填密度 为46，5kg／m3。环境温度290K，空气相对湿度 81％，检测温度范围78～320K：
利用稳态法测定珠光砂的有效导热系数，实验 中先向外球壳内缓慢充冷氮气使其逐渐降温，观察 外球壁面温度变化，控制冷氮气的气流量，维持壁 面温度的恒定；同时对内球进行加热并观测温度的 变化趋势，通过微调加热功率，使内、外球的壁温 趋于恒定，达到一维稳态导热。由于内外球间珠光 砂的绝热作用，从调整壁温到全面稳定需要很长时 间，每一测点达到稳态需要数小时。到达稳态之 后，记录内外壁面温度和加热功率，通过计算确定 珍珠岩的有效导热系数。表1示出了实验测量的代 表性测点及其相关的传热数据。图2表示出珠光砂 在一定的含水率和充填密度的条件下，其有效导热 系数随温度的变化规律。关系式如下：
λ(T)=1．741×10-2+4．458×10-5T+2．294×10-7T2(4)
表 1 稳态法测定珠光砂导热系数代表性测点数据表
可以看出，珠光砂的有效导热系数受温度影响 很大，温度越低有效导热系数越小，即珠光砂的绝 热性能越好，这对于低温绝热是十分有利的。考虑 到温度的影响，要精确计算低温绝热系统的漏热 量，应根据相应的工作温度区间引入平均导热系数 的概念，或直接把导热系数作为温度的函数代人热 量计算式中，求热量积分值。平均导热系数则应依 据绝热系统的结构类型和相应的温度区间求积分均 值，计算公式如下：实验证明，珠光砂的有效导热系数除受温度影 响之外，其充填密度、含水率等条件不同也会有很大的影响。
3．2 非稳态传热下的绝热性能研究
事实上热量传递过程经常处在非稳态条件下，因此研究绝热材料在非稳态传热条件下的传热特性更具实用意义。非稳态导热过程对球坐标的数学描述，其一般形式如下：在实验中将外球壳注人液氮并保持恒定压力， 以控制外球壁面温度的恒定，内球体利用电加热以 保证输入功率的恒定，改变电功率大小可以调节加 热负荷，当加热功率一定时，就可反映出温度场随 时间的变化规律。图3示出在不同加热功率下的 内、外球壁温随时间变化规律，两球壁温之间曲线 揭示了在非稳态传热情况下绝热层的温度分布。
实验中还测定了当内球不加热时内外球壁温的 降温规律，由于外球白始至终保持在液氮温度下， 通过绝热材料的热扩散，内球壁温下降速度很快， 最终趋于外球温度。图4是实测的无内热源非稳态 导热内外球壁温的变化情况。根据非稳态条件下的 测量值计算确定珠光砂的热扩散特性。图5示出了 热扩散系数。随温度的变化曲线，可以看出随温度 的降低珠光砂的热扩散系数减小，即在低温下的热 扩散能力减弱。特别是在室温 250K区间，热扩散系数(导温系数)下降迅速，而在低温段变化相 对平缓，保持较小的数值。
4 结论
本文对珠光砂在稳态和非稳态传热条件下的绝 热性能进行了深入的分析和研究，分析结果表明：
①在稳态传热的情况下，珠光砂的导热系数与 温度的关系曲线说明：珠光砂的导热系数随温度降 低而降低，导热系数与温度的拟合关系式如下：λ(T)=1．741×10-2+4．458×10-5T+2．294×10-7T2
该关系式对工作在低温设备的绝热层设计具有 重要意义。
②在非稳态传热情况下，珠光砂热扩散系数随 着温度的降低而减小，尤其在常温到250K区间内 导温系数下降迅速，低于250K后其导温系数较为 平滑稳定，在低温下热扩散能力降低。
③本文实验测量精度高，数据可靠，测得的珠 光砂绝热特性参数随温度的变化关系，可作为相关 研究和工程设计的依据。
参考文献：
[1]徐烈，方荣生，马庆芳编．绝热技术．北京：机械工 业出版社，1999年
[2]Keithley Muhimeter 2000-20 Calibration User Manual，2000
[3]杨世铭．传热学．北京：高等教育出版社，1987年
[4]陈国邦，林理和编．低温绝热与传热．杭州：浙江大 学出版社，1989年
