导热系数

导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米度 (W/(mK),此处为K可用℃代替)。

导热系数仅针对存在导热的传热形式,当存在其他形式的热传递形式时,如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系,该性质通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数(thermal transmissivity of material)。

此外,导热系数是针对均质材料而言的,实际情况下,还存在有多孔、多层、多结构、各向异性材料,此种材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现,也称之为平均导热系数

导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米度 (W/(mK),此处为K可用℃代替)。

导热系数是建筑材料最重要的热湿物性参数之一,与建筑能耗、室内环境及很多其他热湿过程息息相关。 [1]

根据傅立叶定律,热导率的定义式为

其中,x为热流方向。

对于各向同性的材料来说,各个方向上的热导率是相同的。 [2]

不同物质导热系数各不相同;相同物质的导热系数与其的结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。同一物质的含水率低、温度较低时,导热系数较小。一般来说,固体的热导率比液体的大,而液体的又要比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致。现在工程计算上用的系数值都是由专门试验测定出来的。

随着温度的升高或含湿量的增大,所测5种典型建筑材料的导热系数都呈增大的趋势。下面从微观机理上对此加以分析。对多孔材料而言,当其受潮后,液态水会替代微孔中原有的空气;而在常温常压下,液态水的导热系数(约为0.59W/(mK))远大于空气的导热系数(约为0.026W/(mK)),因此,含湿材料的导热系数会大于干燥材料的导热系数,且含湿量越高,导热系数也越大。若在低温下水分凝结成冰,由于冰的导热系数高达2.2W/(mK)),因此材料整体的导热系数也将增大。

与受潮带来的影响不同,温度升高会引起分子热运动的加快,促进固体骨架的导热及孔隙内流体的对流传热。此外,孔壁之间的辐射换热也会因为温度的升高而加强。若材料含湿,则温度梯度还可能造成重要影响:温度梯度将形成蒸汽压梯度,使水蒸气从高温侧向低温侧迁移;在特定条件下,水蒸气可能在低温侧发生冷凝,形成的液态水又将在毛细压力的驱动下从低温侧向高温侧迁移。如此循环往复,类似于热管的强化换热作用,使材料表现出来的导热系数明显增大。 [1]

通常,物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。

理论上,从物质微观结构出发,以量子力学和统计力学为基础,通过研究物质的导热机理,建立导热的物理模型,经过复杂的数学分析和计算可以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制,而且随着新材料的快速增多,人们迄今仍尚未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程,因此对于导热系数实验测试方法和技术的探索,仍是物质导热系数数据的主要来源。 [2]

导热系数的测试分为动态法和稳态法,稳态法又分为热流计法和防护热板法。考虑到仪器精度以及控温范围,参照GB/T10294-2008标准,采用防护热板法进行测试。

实验仪器如图所示,包括主体、冷热源控制系统和智能测量仪3部分。

主体由热板、冷板和试件夹紧系统组成。热板包括主加热板、护加热板以及背护加热板3个主要部分。主加热板和护加热板由电阻加热器及智能测量仪控温,背护加热板由精密恒温水槽控温,使3块加热板的温度保持一致。冷板由铝板、半导体制冷体和冷却水套组成,可精确控制冷板温度在设定值。智能测量仪用于整个测试系统的温度测量及控制,以实现全自动的测试。

每种材料各制备3~6个尺寸为30cm×30cm×3~5cm的试件,在不同温度和含湿量下对导热系数进行12~35次测试。测试前先将试件培养至不同的含湿量,然后将试件的各面用4层塑料薄膜包裹起来。薄膜的水蒸气渗透阻Sd > 1.5m,可视为不透气。其厚度和热阻分别为0.0225mm和0.000537m2K/W,均可以忽略。 [1]

固体是由自由电子原子组成的,原子又被约束在规律排列的晶格中。相应的,热能的传输是由两种作用实现的:自由电子的迁移和晶格的振动波。当视为准粒子现象时,晶格振动子称为声子。纯金属中,电子对导热贡献最大,而在非导体中,声子的贡献起主要作用。 [2]

常用的固体导热系数见表1。在所有固体中,金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大,如含碳为1-的普通碳钢的导热系数为45W/m K ,不锈钢的导热系数仅为16 W/m K 。

表1 常用固体材料的导热系数

固体

温度,℃

导热系数λ,W/mK

300

230

18

94

100

377

熟铁

18

61

铸铁

53

48

100

33

100

57

100

412

钢(1-C)

18

45

船舶用金属

30

113

青铜

189

不锈钢

20

16

石墨

0

151

石棉板

50

0.17

石棉

0~100

0.15

混凝土

0~100

1.28

耐火砖

1.04

保温砖

0~100

0.12~0.21

建筑砖

20

0.69

绒毛毯

0~100

0.047

棉毛

30

0.050

玻璃

30

1.09

云母

50

0.43

硬橡皮

0

0.15

锯屑

20

0.052

软木

30

0.043

玻璃毛

--

0.041

85-氧化镁

--

0.070

TDD(岩棉)保温一体板

70

0.040

TDD(XPS板)保温一体板

25

0.028

TDD(真空绝热)保温一体板

25

0.006

TDD真空绝热保温板

25

0.006

液体分成金属液体和非金属液体两类,前者导热系数较高,后者较低。在非金属液体中,水的导热系数最大,除去水和甘油外,绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。一般来说,溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。表2列出了几种液体的导热系数值。

表 2 液体的导热系数

液体

温度,℃

导热系数λ,W/mK

醋酸

50-

20

0.35

丙酮

30

0.17

苯胺

0~20

0.17

30

0.16

氯化钙盐水

30-

30

0.55

乙醇

80-

20

0.24

甘油

60-

20

0.38

甘油

40-

20

0.45

正庚烷

30

0.14

水银

28

8.36

硫酸

90-

30

0.36

硫酸

60-

30

0.43

30

气体的导热系数随温度升高而增大。在通常的压力范围内,其导热系数随压力变化很小,只有在压力大于196200kN/m2 ,或压力小于2.67 kN/m2(20mmHg)时,导热系数才随压力的增加而加大。故工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。

气体的导热系数很小,故对导热不利,但对保温有利。常见的几种气体的导热系数值见表3 。

表 3 气体的导热系数

气体

温度,℃

导热系数λ,W/mK

0

0.17

二氧化碳

0

0.015

空气

0

0.024

空气

100

0.031

甲烷

0

0.029

水蒸汽

100

0.025

0

0.024

乙烯

0

0.017

0

0.024

乙烷

0

0.018

通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定,凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(mK)的材料称为保温材料),而把导热系数在0.05 W/(mK)以下的材料称为高效保温材料。

导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时,物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差,随导热系数增大而减小。比如:锅炉炉管在未结水垢时,由于钢的导热系数高,钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近,因此,管壁温差(内外壁温度平均值)不会很高。但当炉管内壁结水垢时,由于水垢的导热系数很小,水垢内外侧温差随水垢厚度增大而增大,从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大(一般为1~3毫米)后,会使炉管管壁温度超过允许值,造成炉管过热损坏。对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲,则要求导热系数越低越好。

一般常把导热系数小于0.2W/(mK)的材料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等。 [2]

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