高溫高溫導(dǎo)熱儀中耐火纖維導(dǎo)熱系數(shù)的理論分析

0導(dǎo)電系數(shù)的定義耐火纖維是一種節(jié)能的絕熱材料，在許多行業(yè)都得到應(yīng)用。然而，由于對(duì)其熱穩(wěn)定性的研究較少，因此在應(yīng)用中無(wú)法使用適應(yīng)性強(qiáng)的參數(shù)來(lái)影響應(yīng)用的合理性和科學(xué)性。因此，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析，提出了抗火纖維材料的計(jì)算公式，該公式以平均溫度和材料密度為變量。1導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)用儀器為北京建筑材料所生產(chǎn)的穩(wěn)態(tài)平板高溫導(dǎo)熱儀.其性能指標(biāo)為:最高平均溫度1000℃,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量范圍0.041～1.98W/m·℃,標(biāo)定測(cè)量誤差8%.實(shí)驗(yàn)時(shí),將已知厚度δ的試樣預(yù)先放置于加熱爐爐膛內(nèi),并在試樣的上下表面中心處分別放置一支鉑銠-鉑和鎳鉻-鎳鋁熱電偶,用于測(cè)量?jī)杀砻娴臏囟?然后向量熱器輸入冷卻水并開(kāi)啟電源使加熱爐工作,通過(guò)控溫系統(tǒng)在試樣的冷、熱面之間維持一定的溫差.待爐內(nèi)溫度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,通過(guò)測(cè)溫系統(tǒng)將熱面及冷面的溫度t1及t2記錄下來(lái).根據(jù)流經(jīng)中心量熱器的水流量和水溫的變化,測(cè)出中心量熱器吸收的熱量q.最后將測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入傅里葉定律,即可計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù).2纖維導(dǎo)熱系數(shù)s實(shí)驗(yàn)試樣為普通針刺毯和高鋁針刺毯,其特性見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)表明這兩種纖維材料化學(xué)成分的差別對(duì)絕熱性能影響不大.實(shí)驗(yàn)是在常壓下進(jìn)行,平均溫度范圍為150℃～900℃.實(shí)驗(yàn)中,對(duì)纖維本身的導(dǎo)熱系數(shù)λs也做了測(cè)定.具體過(guò)程是,將高溫熔融的纖維原料注入預(yù)先制做的模子中,冷卻后,表面磨光置入導(dǎo)熱儀中,測(cè)得纖維本身的導(dǎo)熱系數(shù)為:λs=0.653+1.49×10-3Tm(1)纖維材料密度為ρ=2600kg/m3.導(dǎo)熱儀的冷、熱板為sic板,其發(fā)射率ε1=ε2=0.87.3結(jié)果雖然影響絕熱纖維材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素很多,但是,其主要影響因素是溫度和密度.3.1熱輻射與設(shè)備的結(jié)合硅酸鋁耐火纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖1.由圖中不難看出,密度不同的纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度的升高而增大.但是,亦應(yīng)看到,由于溫度對(duì)各種傳熱方式在總傳熱量中所占比重的影響,使導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律在不同溫度條件下具有不同的情況.比如,當(dāng)tm<200℃時(shí),纖維毯內(nèi)的換熱主要是空氣的導(dǎo)熱,而熱輻射作用較小,基于空氣導(dǎo)熱系數(shù)與絕對(duì)溫度近似成線性關(guān)系,因而纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化也表現(xiàn)為類似的規(guī)律.當(dāng)tm>200℃時(shí),由于熱輻射的貢獻(xiàn)同絕對(duì)溫度的三次方成正比,因而纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高明顯地增大,這種情況尤其在小密度下表現(xiàn)得更為突出.當(dāng)tm>800℃時(shí),無(wú)論纖維毯的密度大小,熱輻射的貢獻(xiàn)都上升為主導(dǎo)地位,因此,隨溫度升高,纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大.3.2密度對(duì)纖維毯導(dǎo)熱系數(shù)的影響硅酸鋁耐火纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增大而減小,其變化規(guī)律如圖2.由圖可以看出,對(duì)應(yīng)某一特定溫度,密度較小時(shí),纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的變化比較敏感,而且這種敏感性隨密度的增大而降低,隨溫度升高而增大.在一定密度范圍內(nèi),隨密度的增加,對(duì)流和輻射貢獻(xiàn)均減小,但氣固兩相的組合導(dǎo)熱貢獻(xiàn)則增加.因而總的效果是,盡管纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而減小,但變化幅度卻不大.對(duì)任一纖維材料,均存在一個(gè)溫度范圍,使其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值(范圍).這一密度范圍通常稱之為最佳密度.4層衰減系數(shù)k測(cè)試表明,試體的λqλs＜124,fv＜0.1λqλs＜124,fv＜0.1,材料熱、冷面發(fā)射率ε1=ε2>0.6,并假定試樣為光學(xué)厚.由于試樣的纖維伸展方向絕大部分與熱流方向垂直,因此試樣的有效導(dǎo)熱系數(shù)λeff可用下式表示:λeff=λq1?fv+16σT3m3kρ(2)λeff=λq1-fv+16σΤm33kρ(2)式中fv—纖維本身與纖維材料總體積之比K—纖維層衰減系數(shù)σ—玻爾茲曼常數(shù)理論研究表明,式中K與纖維直徑、溫度、纖維的折射率、絕熱層固相體積含量等因素有關(guān).對(duì)特定種類的纖維,其直徑和折射率變化不大,可取為常數(shù),故K=f(fv,Tm).K隨Tm變化不顯著,可用線性關(guān)系表示.從物理概念知,K與孔隙率φ=1-fv成反比.如φ=0,為固體材料,內(nèi)部無(wú)輻射,K=∞;如φ=1.輻射全部通過(guò),則K=0.故K的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可整理為下式:K=(14+0.0069Tm)/(1-fv)3(3)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λq與平均溫度的關(guān)系為:λq=0.0245(1+Tm/273)0.82(4)將式(3)和式(4)代入式(2)中可得有效導(dǎo)熱系數(shù)公式為:λeff=0.0245(1+Tm/273)0.821?fv+0.381σ(Tm+273)3(1?fv)3(1+0.000492Tm)ρ(5)λeff=0.0245(1+Τm/273)0.821-fv+0.381σ(Τm+273)3(1-fv)3(1+0.000492Τm)ρ(5)上式的應(yīng)用范圍為:平均溫度tm=150℃～900℃,纖維密度ρ=(116～270kg/m3.我們將由式(5)求得的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較,如圖3所示,可以看出兩者吻合良好.為工程應(yīng)用方便,將式(5)的關(guān)系用圖4表示.5對(duì)最佳密度的驗(yàn)證1)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了纖維材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式.此公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好.2)由