基于多孔介质的热测量系统设计及传热分析

摘要

多孔介质在力学、声学及热学等呈现出独特的性能，在建筑、航空航天、微电子、化学工程、医学等领域都有很广阔的应用前景。尤其是其独特的热学性能，对于孔隙封闭的多孔介质，它可以达到非常低的有效热导率，而对于内部孔隙之间以及孔隙与外部环境之间相连通的多孔介质，由于高比表面积的原因可以极大地提升与外界环境的对流换热以达到强化传热的效果。在实际工程应用及材料设计中，多孔介质的有效热导率的测量存在一些难点。由于多孔介质的有效热导率是一种宏观特性，由其内部成分以及内部结构所决定，故必须是对多孔介质的整体进行测量，样品必须具备显现宏观特性的条件。因此，很多适用于薄层或对材料表面的测量方法不适用。 为了克服多孔介质有效热导率测量的限制，本文主要考虑一般多孔材料有效热导率的宏观性以及其值通常较低的情况，进行了针对多孔介质有效热导率的测量装置的设计及实验验证。该装置不仅可以测量多孔介质的有效热导率，还可以对多孔介质与其他介质相接触时对其接触热阻进行测量。通过对已知热导率的标准试件的测量，验证了实验装置的可靠性。选取了与热能工程方向密切相关的常见多孔介质:锅炉烧结煤渣材料开展了热物性测量实验验证。分别对两种不同的锅炉烧结煤渣进行了有效热导率的测量，测得有效热导率分别为1.79W·m-1·K-1与2.85W·m-1·K-1，考虑到多孔材料内部结构的不确定性，测量结果在合理范围之内。此外，也研究了烧结煤渣与金属之间的接触热阻，发现两种样品与金属黄铜之间的接触热阻在10-3K·m2·W-1数量级，如此高的接触热阻对锅炉管壁传热有较大阻碍。 多孔介质热物性测量除以上特点外，由于多孔介质内部存在大量孔洞，众多多孔介质具有可压缩的性质，在不同的压缩率下表现出传热性能的差异。为此，本文针对可压缩多孔介质对实验装置进行了优化设计。在原测量装置的基础上增加了压缩系统，可以针对多孔材料在不同的压缩程度下对其热物性进行测量。

目录

声明

摘要

1．1多孔介质及应用

1．2锅炉结渣的简介

1．3烧结现象的介绍

1．4本论文的主要内容

2热物性基本量分析及传热基本原理

2．1固体传热基本原理

2．1．1热传导基本原理

2．1．2接触热阻原理

2．2多孔介质传热特点

2．2．1多孔介质的定义及分类

2．2．2多孔介质传热

2．3本章小结

3．1设计目的

3．2热物性测量原理及设计思路

3．2．1热导系数测量原理

3．2．2接触热阻测量原理

3．3组件加工及系统构成

3．4本章小结

4热物性测量实验

4．1验证实验目的及思路

4．2热导率测量验证

4．2．1对黄铜试件的热导率测量

4．2．2对锅炉烧结煤渣的热导率测量

4．2．3导热系数测量的误差分析

4．3接触热阻测量验证

4．3．1对黄铜试件的接触热阻测量

4．3．2对锅炉烧结煤渣的接触热阻测量

4．3．3接触热阻测量误差分析

4．4对烧结煤渣测量的的讨论分析

4．5对实验装置的讨论

4．6本章小结

5针对可压缩材料的热物性测量方案

5．1设计目的

5．2针对可压缩材料测量装置的优化设计方案

5．3针对可压缩材料测量装置的讨论

5．4本章小结

6．1全文总结

6．2对未来研究的展望

参考文献

致谢