含濕多孔介質(zhì)傳遞研究的熱線探針法

1、中國教育學(xué)會工程熱物理專業(yè)委員會第十一屆全國學(xué)術(shù)會議 編號 B-05040 含濕多孔介質(zhì)傳遞研究的熱線探針法張揚 彭曉峰(清華大學(xué)熱能工程系相變與界面?zhèn)鬟f現(xiàn)象實驗室,北京,100084,pxf-dte摘 要:本文探索并發(fā)展含濕多孔介質(zhì)傳遞現(xiàn)象研究的熱線探針法,測量不同含濕量多孔介質(zhì)在有熱源作用下,表觀導(dǎo)熱系數(shù)的變化。實驗結(jié)果展示出多孔介質(zhì)表觀導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量和加熱過程的變化,初步認(rèn)識和揭示含濕多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱機理。關(guān)鍵詞:熱線探針,傳熱,多孔介質(zhì),濕分遷移1 前言含濕多孔介質(zhì)內(nèi)的傳遞現(xiàn)象普遍存在,包括煤炭的儲運與煅燒、地下冷熱水勘探與開發(fā)、石油開采、建筑與保溫材料中的傳熱傳濕、物品干燥,食品保

2、鮮、植物體內(nèi)及植物與土壤間的水分、養(yǎng)分傳遞、甚至于動物或人體血液和組織液、水分、養(yǎng)分的擴散與輸送等等。對含濕多孔介質(zhì)內(nèi)的傳遞現(xiàn)象進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實和理論意義1。在不飽和多孔介質(zhì)中,存在溫度、壓力、溶質(zhì)滲透壓和溶質(zhì)濃度梯度時,熱量、水分和溶質(zhì)會發(fā)生傳遞2。在一定的條件下,多孔介質(zhì)內(nèi)還會發(fā)生自然對流3,4。本文主要研究溫度梯度下,含濕多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱機理。熱線探針法是一種精度高、對樣品損傷小、適應(yīng)性廣、響應(yīng)快的測量導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散率的方法。已經(jīng)有許多學(xué)者對利用線熱源測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法進(jìn)行了改進(jìn)和誤差修正5,6。本文首先發(fā)展適用于含濕多孔介質(zhì)傳遞現(xiàn)象研究的熱線探針,利用其進(jìn)行不飽和含濕多孔介質(zhì)的

3、表觀導(dǎo)熱性能分析,試圖認(rèn)識和揭示傳遞基本現(xiàn)象和規(guī)律。2 熱線探針測量原理與設(shè)計2.1原理二十世紀(jì)六十年代,熱線探針技術(shù)成形。它利用放置在樣品中間的一根細(xì)長金屬加熱絲,通電加熱樣品,根據(jù)加熱絲溫度的升高確定樣品的熱物性。設(shè)樣品可近似看作無限大的各向同性均勻介質(zhì),初始溫度均勻,且與環(huán)境溫度相同,其表觀導(dǎo)熱系數(shù)k和其它物性均為定值,金屬加熱絲為無限長線熱源,外半徑為r0,加熱絲外表面的熱流密度為q,時間t為0時接通加熱絲,如果滿足半徑相對于加熱時間足夠小,則加熱絲表面升高的溫度與時間t有以下關(guān)系(0ln A ln A 2qr t t k=+= (1 在測量中得到ln t 和間的線性關(guān)系,可求得材料的

4、表觀導(dǎo)熱系數(shù)2qr k =(2 本文將拓展熱線探針的應(yīng)用范圍,將其應(yīng)用到變導(dǎo)熱系數(shù)的測量上。為了敘述的方便,假設(shè)表觀導(dǎo)熱系數(shù)改變時,其它物性不發(fā)生改變,即A 不變,則:(ln d t t d t=(3 0(2(qr k t t =(4 由(t 求得的k (t 是綜合指標(biāo),它的變化包括了其它各個物理量的變化對傳熱的影響。經(jīng)過這樣的處理后,在計算傳熱時,其它的物理量可看作是不變的。本文將加熱絲布置在探針內(nèi),使用電加熱。設(shè)探針長度為l ,外徑為2r 0,探針內(nèi)布置有n 股電阻率為加熱絲,電路總電阻為R ,恒壓電源輸出電壓U ,可計算出探針表面的熱流密度q 。22200122U n U q n l R

5、 r l r R =××=(5 代入式(4,可計算出導(dǎo)熱系數(shù)k ,或222U k R = (62.2 探針設(shè)計使用設(shè)計的探針測量了壓緊的面粉和導(dǎo)熱系數(shù)為0.192-1-1Wm K 的標(biāo)準(zhǔn)件的導(dǎo)熱系數(shù),以驗證探針測量的重現(xiàn)度和準(zhǔn)確度,表1是連續(xù)三次的測量結(jié)果。表1 熱線探針測試數(shù)據(jù)表樣品 k 1/-1-1Wm K k 2/-1-1Wm K k 3/-1-1Wm K面粉 0.129 0.132 0.129 標(biāo)準(zhǔn)件(橡膠0.164 0.169 0.169標(biāo)準(zhǔn)件的測量值比標(biāo)稱值偏低,理論和多次的測量都說明,這主要由接觸熱阻引起。對探針進(jìn)行多次測試,證明使用自行設(shè)計的熱線探針進(jìn)行測量

6、,結(jié)果具有很好重現(xiàn)性和一定的準(zhǔn)確度,結(jié)果具有可比性。下文中將不加修正地使用測量結(jié)果。本文中測量中使用的探針有效長度約為7cm ,外徑2r 0=0.6mm ,用熱電偶測量其表面附近的溫度。探針內(nèi)布置有8股電阻率為=260.7m -1,名義外徑為0.05mm 的漆包康銅加熱絲,電路總電阻為R =178.5,調(diào)整恒壓電源輸出電壓U 以控制熱流密度q 。將有關(guān)參數(shù)代入式(6,有2222222260.7178.5191.98U U U k R ××=× (73 實驗實驗使用了四個樣品,樣品A 為新鮮的蛋糕,潮濕松軟,尺度大于40µm 孔隙體積占樣品體積的45.65

7、 %7。將樣品A 完全浸沒在水中大概5分鐘后取出,放置幾分鐘,讓其中的水在重力的作用下流出,得到樣品B 。在測量完成后,也即制成樣品B 的后約兩個小時,將樣品B 完全浸在水中,水面平靜后,得到樣品C 。另取的新鮮蛋糕在空氣中放置三天,并在太陽下直曬6小時至完全干燥,得到樣品D ,樣品D 在干燥的過程中,長度大概縮小了10%。對D 測量時的環(huán)境溫度約為27,其余約17。測量裝置如圖1,樣品大概尺寸如圖2,估算證明樣品可視作無窮大。用泡沫、鐵絲網(wǎng)和鋁絲骨架裹包樣品,防止浸水過程樣品散開。分別對樣品A 、B 和D 從X 、Y 和Z 三個方向進(jìn)行測量,對樣品C 從Z 方向測量。每隔1秒鐘采集一個溫度數(shù)

8、據(jù)。 圖1 測量裝置圖 圖2 樣品尺寸(標(biāo)注單位:cm 4 結(jié)果及分析圖3和圖4是對樣品A 從Z 方向測量,不同坐標(biāo)下溫度隨時間變化的曲線,它們的特點有代表性。從圖3可以看出到加熱后期,溫度升高的速度越來越慢。在圖4中,曲線不是一條直線,它的斜率在變化,這說明樣品的導(dǎo)熱系數(shù)在變化。在溫度-對數(shù)時間曲線上,取(t +20, t -20秒內(nèi)的數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性擬合,得到曲線在時刻t 的斜率 ,再由式(7,可計算得到 ,結(jié)果如圖5-8,曲線上的字母表示測量時熱線探針插入的方向。由實驗結(jié)果中導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律,可以分析探討測量過程中的傳熱機理。Z XY40t 40t k 05101520253035050

9、100150200t /s/K 05101520253035101001000t /s/K圖3 樣品A 溫度-時間曲線(Z 圖4 樣品A 溫度-對數(shù)時間曲線(Z 熱線探針的原理要求加熱時間要足夠長以達(dá)到正常工況,本實驗條件和擬合方法下,大概在40秒之后,滿足這個要求,本文稱所有的論述都針對正常工況。表2是根據(jù)實驗曲線的特征對測量過程中傳熱機理的分析推測。 圖5 樣品A 表觀導(dǎo)熱系數(shù)-時間曲線 圖6 樣品B 表觀導(dǎo)熱系數(shù)-時間曲線 圖7 樣品C 表觀導(dǎo)熱系數(shù)-時間曲線 圖8 樣品D 表觀導(dǎo)熱系數(shù)-時間曲線表2 不同樣品在加熱過程中的傳熱機理樣品表觀導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律加熱過程中可能發(fā)生的傳熱機理A

10、(圖5先快速下降,后趨于平坦。先同時發(fā)生濕分遷移、熱傳導(dǎo)和對流換熱。加熱后期,探針附近濕分蒸干殆盡,較遠(yuǎn)區(qū)域溫度梯度又很小,相變換熱減弱。傳熱主要靠骨架傳導(dǎo)和氣相對流換熱。B(圖6先略微升高,后持續(xù)下降,直到最小值(曲線Y 。傳熱先在水相和骨架中同時進(jìn)行,升高一定溫度后,水開始遷移,加熱后期,探針附近水分蒸干殆盡,較遠(yuǎn)區(qū)域溫度梯度又很小,相變換熱減弱。傳熱主要靠骨架傳導(dǎo)和氣相對流換熱。C(圖7 一直減小,但幅度比樣品A 和B 要小得多。傳熱在水相和骨架中同時進(jìn)行,溫度升高過程中水分略有遷移。D(圖8一直增加,但增加的速度越來越慢。熱傳導(dǎo)和對流換熱同時進(jìn)行,溫度升高后,氣相傳熱增強,導(dǎo)熱系數(shù)持續(xù)

11、增加。圖中曲線的振蕩,表示樣品的不均勻性。在加熱進(jìn)行到一定程度后,樣品A 和D 都是依靠骨架和氣相對流傳熱。但樣品A 的表觀導(dǎo)熱系數(shù)最后趨為定值,基本不隨時間變化,D 的表觀導(dǎo)熱系數(shù)卻一直隨時間增加。作者認(rèn)為隨著溫度的升高,自然對流不斷加強,所以樣品D 表觀導(dǎo)熱系數(shù)不斷降低。而在A 中,濕分遷移逐漸減弱,這削弱了自然對流增強對傳熱的貢獻(xiàn),在加熱后期,表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。表3以 為依據(jù),即取(80,120秒內(nèi)的數(shù)據(jù)計算加熱100秒時樣品的表觀導(dǎo)熱系數(shù),分析含水量對表觀導(dǎo)熱系數(shù)的影響。隨著水分含量增加,樣品的表觀導(dǎo)熱系數(shù)增加。實驗中樣品C 的表觀導(dǎo)熱系數(shù)接近于水的導(dǎo)熱系數(shù)(30下飽和水的導(dǎo)熱系

12、數(shù)為0.62Wm -1K -1,樣品D 的表觀導(dǎo)熱系數(shù)量級與空氣導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)(30下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027Wm -1K -1。這表明,在類似蛋糕的較高孔隙率的多孔材料中,如果固體骨架導(dǎo)熱系數(shù)相對彌散相不大,彌散相對導(dǎo)熱的影響很大。表4給出了加熱后期樣品A 、B 和D 的表觀導(dǎo)熱系數(shù)(k 的取值可從圖5-8讀取,它們相差不大。這證實了表1中的分析:在溫度梯度完成對水分遷移的驅(qū)動后,各樣品的熱量傳遞基本通過一種機理進(jìn)行通過固體骨架導(dǎo)熱和氣相對流換熱。表3 蛋糕導(dǎo)熱系數(shù)表 表4 蛋糕導(dǎo)熱系數(shù)比較表U/V /Wm -1K -1 A (Z 向 11.70 7.804 0.091 A (X 向 11.

13、75 8.076 0.089 A (Y 向 11.78 9.015 0.080 B (Z 向 14.45 4.369 0.249 B (X 向 15.38 4.608 0.267 B (Y 向 15.55 4.847 0.260 C (Z 向 20.07 3.8430.546D (Z 向 8.50 6.520 0.0578 D (X 向 8.57 6.343 0.0603 D (Y 向8.55 .6.510 0.0585k /Wm -1K -1 A (X 向 0.065 A (Y 向 0.063 B (Y 向0.074D 0.06840100k 4010040100k5 結(jié)論 類似蛋糕的較高孔

14、隙率的多介質(zhì)， 表觀導(dǎo)熱系數(shù)受彌散相影響很大， 隨濕分的增加而顯 著增加， 含水量很高的情況下導(dǎo)熱系數(shù)與水接近， 完全干燥情況下導(dǎo)熱系數(shù)量級與空氣相同。 有熱源存在的時， 不飽和含濕多孔傳質(zhì)的表觀導(dǎo)熱系數(shù)是變化的。 在溫度梯度完成對水 分遷移的驅(qū)動后， 傳熱依靠固體骨架導(dǎo)熱和氣相對流換熱進(jìn)行， 此時的表觀導(dǎo)熱系數(shù)大大減 小。 致謝：本課題受國家自然科學(xué)基金資助（50136020） 。 參考文獻(xiàn) 1 2 林瑞泰.多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)引論.北京：科學(xué)出版社.1995.1-2 I. N. Nassar, Robert Horton. Heat, Water, and Solute Transfer in

15、 Unsaturated Porous Media: I Theory Development and Transport Coefficient Evaluation. Transport in Porous Media, 1997, 27: 1738 3 N. Boutana, A. Bahloul, P. Vasseur. Soret and double diffusive convection in a porous cavity. Journal of heat transfer, 2004, 7 (1: 41-57 4 K.A. Yih, Gangshan, Kaohsiung.

16、 Viscous and Joule Heating Effects on Non-Darcy MHD Natural Convection Flow Over a Permeable Sphere in Porous Media with Internal Heat Generation. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2000, 27 (4: 591-600 5 J.J Healy, J, J, de Groot, Kestin. The theory of the transient hot-wire me

17、thod for measuring thermal conductivity. Physica, 1976, 82C: 392-408 6 M. J. Assael, L. Karagiannidis, N. Malamataris, W. A. Wakeham. The Transient Hot-Wire Technique. International Journal of Thermophysics, 1998, 19 (2: 379-389 7 張揚，彭曉峰，多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微 CT 掃描儀分析.中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué) 術(shù)會議論文集.2004，1047-1050 Stud

18、y on the transport phenomena in moist porous media by the hot-wire probe method ZHANG Yang, PENG Xiao-feng (Dept. of Thermal Engineering, Tsinghua Univ., Beijing 100084, China Abstract: The hot-wire probe method was explored to investigate the transport phenomena in moist porous media. The variation of the apparent thermal conductivity was recorded in porous media with different water co