利用便攜式熱流計測量不良導體導熱系數

蓋雙旗

(梧州學院 數理系,廣西 梧州 543002)

利用便攜式熱流計測量不良導體導熱系數

蓋雙旗

(梧州學院 數理系,廣西 梧州 543002)

摘要：將工程測量中使用的便攜式熱流計引入到大學物理的測量不良導體導熱系數實驗中，設計了使用便攜式熱流計測量墻體的導熱系數和測量人體的傳導散熱功率等實驗，以此為例介紹了引入實際工程測量技術手段設計大學物理實驗項目的方法.

關鍵詞：便攜式熱流計；導熱系數；熱阻；散熱功率

1測量不良導體的導熱系數實驗簡介

測量不良導體的導熱系數實驗是基礎學生實驗，該實驗的實驗方法以穩態法為主，其具有物理原理簡單明晰、實驗操作簡單、測量精確度較高的優點. 以梧州學院數理系為例，實驗測量儀器為FD-TC-B導熱系數測定儀，如圖1所示. 實驗中先將加熱盤設定溫度后加熱樣品，達到穩態傳熱時，可認為加熱盤通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤向周圍環境的散熱量相等，通過測出穩態傳熱時樣品上下表面的溫度散熱盤在該溫度下的散熱速率、樣品的厚度等就可以計算出該樣品的導熱系數[1].

圖1　FD-TC-B導熱系數測定儀

考慮到導熱系數是物體熱性質中經常需要進行實際工程測量的重要參量，而工程上測量物體導熱系數采用的主要是熱流計法，其物理原理也是傅里葉導熱定律，學生很容易理解掌握，因此可將價格便宜、使用方便的便攜式單點熱流計引入到測量不良導體的導熱系數實驗中，這樣既可以拓展實驗內涵，開拓學生視野，又增長了學生實用技術的訓練，做到把課堂教學和工程實踐有效結合. 從實驗的實踐價值和學生興趣出發，增設了2個與生產生活實際聯系緊密的實驗項目：“用便攜式熱流計測量墻體的導熱系數”和“用便攜式熱流計測量人體的傳導散熱功率”.

2實驗項目的設計

2.1　實驗目的和要求

學習使用便攜式熱流計測量待測物的熱流密度和導熱系數，了解便攜式熱流計的使用方法和測量要求.

2.2　實驗器材

圖2為MW8-JTR0I便攜式單點熱流計.

圖2　MW8-JTROI便攜式單點熱流計

2.3　實驗原理

熱流計，全稱熱流密度計，用來測量通過熱流計的熱流密度. 因為熱流傳感器很薄，不考慮熱流向四周擴散的情況，該熱流即是通過被測對象的熱流，并且該熱流平行于溫度梯度方向，即通過熱流傳感器的熱流為一維導熱[2].

根據溫差電效應, 當熱流傳感器兩側存在溫差時，傳感器就有熱電勢輸出，而且輸出的熱電勢E與溫差ΔT成正比. 由傅里葉定律可知，通過傳感器的熱流密度q與溫差ΔT也成正比，即q=CE，其中比例系數C為熱流傳感器的轉換系數.

熱流計測量示意圖如圖3所示，待測物的熱阻R和導熱系數λ的計算公式為

(1)

(2)

其中，T1為冷端溫度，T2為熱端溫度，q為熱流密度，d為待測物的厚度.

圖3　熱流計檢測示意圖

2.4　實驗內容

1)測量墻體的導熱系數

a.選取實驗室的一處墻體，測出其厚度d. 把便攜式熱流計的溫度傳感器貼在墻體兩側表面上，一端粘貼在外墻上，一端粘貼在內墻對應處；把熱流傳感器粘貼在緊靠溫度傳感器的內墻上.

b.使用便攜式熱流計每隔1 min記錄1次墻體內外側的溫度值T1和T2，墻體傳熱的熱流密度值q.

2)測量人體的傳導散熱功率

a.選取人體軀干的某個部位，把便攜式熱流

計的溫度傳感器一端粘貼在人體體表皮膚上， 一端粘貼在衣服外側的對應處；把熱流傳感器貼在衣服外側的溫度傳感器旁邊.

b.使用便攜式熱流計每隔1 min記錄1次衣服外內側的溫度值T1和T2，人體傳導散熱的熱流密度值q.

2.5　實驗數據處理

1)由(2)式可以計算墻體導熱系數λ，墻體厚度為d.

2)計算人體傳導散熱功率Wq=qA，其中人體表面積計算公式為A=0.006 1h+0.012 4m-0.009 9，式中h為身高(cm)，m為體重(kg).

2.6　實驗注意事項

a.熱流傳感器與被測物粘貼的緊密程度，對熱流密度的測量有很大影響. 粘貼越緊密，達到穩定的狀態，測量偏差越小.

b.墻體內外、人體衣服內外的溫差最好保持在10 ℃左右. 測量處注意不受加熱、制冷裝置的直接影響，且應避免陽光直射和風速的影響[3].

c.人體傳導散熱的受測者應感覺溫度舒適，靜坐在座椅上,保持身體溫度且無出汗現象.

2.7　實驗思考題

a.墻體的傳熱是非穩態傳熱，在同一時刻所測得的溫度值和熱流密度值，實際上兩者在時間上并不吻合. 同時由于墻體的蓄熱作用，由外表面進入墻體內部的熱流密度值與同一時刻由墻體內部流出的熱流密度值并不相同[4]. 要想得到較為準確的墻體的導熱系數實驗數值，可以采取哪些辦法？

b.人體的傳導散熱情況與環境溫度和人體穿著有關，同時人體各部位的傳導散熱情況也并不相同，要想全面和準確地測量人體的傳導散熱功率，可以采取哪些辦法？

c.穩態法測量不良導體導熱系數實驗中的實驗方法對你使用便攜式熱流計測量墻體導熱系數和人體傳導散熱功率實驗有何借鑒和啟示？

3實驗結果的分析和說明

以下為學生實驗數據，測量時間為2014年6月初16時左右，實測實驗室室內空氣溫度為24 ℃，室外空氣溫度為36 ℃左右.

1)實驗室墻體導熱系數測量數據見表1.

表1　5個學生小組墻體導熱系數測量數據對比表

分析：實驗室墻體的結構從內向外依次為20 mm混合砂漿、200 mm多孔磚、20 mm混合砂漿、面磚[5]. 從學生測量數據來看，各學生小組測量出的墻體內表面溫度數值相差不大. 但2，3，5組測出的墻體外表面溫度高于室外空氣溫度，墻體向外散熱，不符合設想的一維穩態傳熱的情況. 這時實驗測出的熱流密度q值要大于墻體一維穩態傳熱時的熱流密度，而且根據實驗數據計算出的墻體導熱系數λ要大于實際墻體的導熱系數. 同時由于選取了實驗室不同方位的墻體作為測量點，因此2，3，5組和1，4組學生測量出的熱流密度值相差很大.

2)人體傳導散熱功率測量數據，見表2.

表2　5個學生小組人體傳導散熱測量數據對比表

分析：人體皮膚溫度的舒適范圍為31.5~34.5 ℃[6]. 從學生測量數據來看，體表溫度和衣服表面溫度基本相同，即基本上都達到了穩態傳熱. 但測量的熱流密度值相差較大，這與學生穿著的衣物有關，也與學生的測量狀態有關. 同時在實驗中由于測量部位只限于軀干部位，并不能全面反映身體其他部位的傳導散熱情況.

值得指出的是，對于這種從實際工程測量技術中轉化而來的實驗項目，學生興趣是很濃厚的. 但是由于測量時間短，實驗環境不嚴格，實驗方法較粗糙，學生不可能得出準確的實驗結果. 只要學生小組把自己測量出的實驗數據相互比較，就會發現彼此相差很大，如果教師再提供一些參考數值，學生會更加驚訝. 而正是這種差異和驚訝，會促使學生去思考實驗誤差出現的原因. 有興趣，有思考，學生就有了進行下一步學習和研究的動力和方向，實驗思考題的設立就是為了讓學生在下一步的學習和研究方向上得到有針對性的指引. 以前許多學生做這個實驗只是為了得到準確的測量數據，而現在重新設計后的實驗項目讓學生總能發現一些自己感興趣的、想要深入研究下去的內容.

4構建實驗項目的思考

在“測量不良導體的導熱系數”實驗中增設上述2個實驗的目的主要在于讓學生了解到實際工程測量技術手段，并對物理原理如何在實際工程測量中應用產生直觀認識，合理補充和有效提高原有學生實驗的價值. 這種借用實際工程測量技術手段來重新設計大學物理學生實驗的方式實用有效，操作性強，并可激發學生學習的積極主動性. 學校的各個專業實驗室，甚至社會企事業中一些更新替換下來的工程測量儀器都可以接收過來，引入到相關的大學物理實驗中，根據實際工程測量過程和方法重新設計大學物理實驗項目. 這樣做不僅可以解決現實大學物理實驗教學中理論難以聯系實際的問題，還可以針對高校中不同的理工科專業建設滿足不同培養目標的特色大學物理實驗項目[7].

參考文獻：

[1]覃以威. 大學物理實驗Ⅱ[M]. 南寧：廣西師范大學出版社，2010：49-52.

[2]田斌守，楊永恒，孟淵，等. 應用熱流計現場檢測建筑物傳熱系數[J]． 新型建筑材料，2004，30(8)：59-61.

[3]吳玉杰，趙志愿，李玉娜. 熱流計法在建筑節能現場檢測中的應用[J]． 建筑節能，2008，36(3)：73-75.

[4]龍贛生，熊國華，潘陽，等. 熱流計法檢測墻體熱阻的影響因素分析及處理措施[J]． 能源管理與研究，2012，28(3)：40-42.

[5]馮小平，張鵬飛，黃偉民，等. 在非采暖地區應用熱箱-熱流計法檢測建筑圍護結構熱阻的探討[J]． 新型建筑材料，2010，36(8)：61-64.

[6]王宏亮. 測試人體散熱量與服裝隔熱值的實驗設計與研究[J]. 物理實驗，2000，20(6)：11-13.

[7]俞熹，樂永康，冀敏，等. 美國大學物理教學和管理考察報告[J]. 物理實驗，2013，33(4)：14-20.

[責任編輯：郭偉]

Measuring thermal conductivity of poor conductor using

portable heat-flow meter

GAI Shuang-qi

(Department of Mathematics and Physics, Wuzhou College, Wuzhou 543002, China)

Abstract:From the point of improving students’ application ability, the portable heat-flow meter used in engineering was introduced into measurement of thermal conductivity coefficient of poor conductor in university physics experiment. Experiments of measuring the thermal conductivity of wall and the heat dissipation of human using portable heat-flow meter were designed. The ways of designing college physics experiments using engineering survey technology were discussed in general.

Key words:portable heat-flow meter; thermal conductivity; thermal resistance; thermal design power

中圖分類號：O551.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)03-0025-03

作者簡介：蓋雙旗(1973-)，男，河北石家莊人，梧州學院數理系講師，從事大學物理實驗的教學和研究.

收稿日期：2014-04-07；修改日期：2014-07-01

資助項目:廣西高等教育教學改革工程A類項目(No.2012JGA214)；梧州學院教改項目(No.Wyjg2013A009)