高温高温导热仪中耐火纤维导热系数的理论分析

高温高温导热仪中耐火纤维导热系数的理论分析

0导电系数的定义耐火纤维是一种节能的绝热材料，在许多行业都得到应用。然而，由于对其热稳定性的研究较少，因此在应用中无法使用适应性强的参数来影响应用的合理性和科学性。因此，在实验的基础上，通过理论分析，提出了抗火纤维材料的计算公式，该公式以平均温度和材料密度为变量。1导热系数的测定实验用仪器为北京建筑材料所生产的稳态平板高温导热仪.其性能指标为:最高平均温度1000℃,导热系数测量范围0.041～1.98W/m·℃,标定测量误差8%.实验时,将已知厚度δ的试样预先放置于加热炉炉膛内,并在试样的上下表面中心处分别放置一支铂铑-铂和镍铬-镍铝热电偶,用于测量两表面的温度.然后向量热器输入冷却水并开启电源使加热炉工作,通过控温系统在试样的冷、热面之间维持一定的温差.待炉内温度分布达到稳定状态后,通过测温系统将热面及冷面的温度t1及t2记录下来.根据流经中心量热器的水流量和水温的变化,测出中心量热器吸收的热量q.最后将测得的各项数据代入傅里叶定律,即可计算出相应的导热系数.2纤维导热系数s实验试样为普通针刺毯和高铝针刺毯,其特性见表1.实验表明这两种纤维材料化学成分的差别对绝热性能影响不大.实验是在常压下进行,平均温度范围为150℃～900℃.实验中,对纤维本身的导热系数λs也做了测定.具体过程是,将高温熔融的纤维原料注入预先制做的模子中,冷却后,表面磨光置入导热仪中,测得纤维本身的导热系数为:λs=0.653+1.49×10-3Tm(1)纤维材料密度为ρ=2600kg/m3.导热仪的冷、热板为sic板,其发射率ε1=ε2=0.87.3结果虽然影响绝热纤维材料导热系数的因素很多,但是,其主要影响因素是温度和密度.3.1热辐射与设备的结合硅酸铝耐火纤维毯的导热系数随温度的变化规律见图1.由图中不难看出,密度不同的纤维毯的导热系数均随温度的升高而增大.但是,亦应看到,由于温度对各种传热方式在总传热量中所占比重的影响,使导热系数随温度变化的规律在不同温度条件下具有不同的情况.比如,当tm<200℃时,纤维毯内的换热主要是空气的导热,而热辐射作用较小,基于空气导热系数与绝对温度近似成线性关系,因而纤维毯的导热系数随温度的变化也表现为类似的规律.当tm>200℃时,由于热辐射的贡献同绝对温度的三次方成正比,因而纤维毯的导热系数随温度的升高明显地增大,这种情况尤其在小密度下表现得更为突出.当tm>800℃时,无论纤维毯的密度大小,热辐射的贡献都上升为主导地位,因此,随温度升高,纤维毯的导热系数急剧增大.3.2密度对纤维毯导热系数的影响硅酸铝耐火纤维毯的导热系数随密度的增大而减小,其变化规律如图2.由图可以看出,对应某一特定温度,密度较小时,纤维毯的导热系数随密度的变化比较敏感,而且这种敏感性随密度的增大而降低,随温度升高而增大.在一定密度范围内,随密度的增加,对流和辐射贡献均减小,但气固两相的组合导热贡献则增加.因而总的效果是,尽管纤维毯的导热系数随密度增加而减小,但变化幅度却不大.对任一纤维材料,均存在一个温度范围,使其导热系数达到最小值(范围).这一密度范围通常称之为最佳密度.4层衰减系数k测试表明,试体的λqλs＜124,fv＜0.1λqλs＜124,fv＜0.1,材料热、冷面发射率ε1=ε2>0.6,并假定试样为光学厚.由于试样的纤维伸展方向绝大部分与热流方向垂直,因此试样的有效导热系数λeff可用下式表示:λeff=λq1−fv+16σT3m3kρ(2)λeff=λq1-fv+16σΤm33kρ(2)式中fv—纤维本身与纤维材料总体积之比K—纤维层衰减系数σ—玻尔兹曼常数理论研究表明,式中K与纤维直径、温度、纤维的折射率、绝热层固相体积含量等因素有关.对特定种类的纤维,其直径和折射率变化不大,可取为常数,故K=f(fv,Tm).K随Tm变化不显著,可用线性关系表示.从物理概念知,K与孔隙率φ=1-fv成反比.如φ=0,为固体材料,内部无辐射,K=∞;如φ=1.辐射全部通过,则K=0.故K的实验数据可整理为下式:K=(14+0.0069Tm)/(1-fv)3(3)空气的导热系数λq与平均温度的关系为:λq=0.0245(1+Tm/273)0.82(4)将式(3)和式(4)代入式(2)中可得有效导热系数公式为: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)上式的应用范围为:平均温度tm=150℃～900℃,纤维密度ρ=(116～270kg/m3.我们将由式(5)求得的计算值与实验值进行了比较,如图3所示,可以看出两者吻合良好.为工程应用方便,将式(5)的关系用图4表示.5对最佳密度的验证1)本文通过实验给出了纤维材料有效导热系数的计算公式.此公式与实验结果吻合良好.2)由