传热设备

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对传热学三类边界条件目前常见的定义，本文从导热、对流和辐射三种传热机理出发介绍了三类边界条件的物理意义及其拓展。另外，本文重点介绍了三类边界条件更直观的温度形式的定义，以及这些边界条件温度形式在热物性测量中的实际应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 传热学三类边界条件的常规定义[/b][/color][/size][size=16px] 在常规条件下，固体物体的热传递有导热、对流和辐射三种形式。依据热传递的这三种基本形式，现有教科书和网络资料对物体传热过程中的三类边界条件定义，可以归纳为：[/size][size=16px] （1）第一类边界条件：规定了物体边界上的温度值。[/size][size=16px] （2）第二类边界条件：规定了物体边界上的热流密度（也称之为热通量）。[/size][size=16px] （3）第三类边界条件：规定了物体边界与周围流体间的表面传热系数和周围流体的温度。[/size][size=16px] 三类边界条件下物体内部的温度变化和传热形式如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.三类边界条件传热示意图,690,223]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739128668_1088_3221506_3.jpg!w690x223.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 物体的三类边界条件及其内部温度变化形式[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于第一类边界条件很容易理解，就是物体在边界处的内外温度相同。[/size][size=16px] 同样，依据能量守恒定律，对于第二类边界条件，则是物体在边界处的热流密度相同，即进入物体表面单位面积上的热量等于在物体内部（边界内）单位面积上传导的热量。由于物体中进入热量并进行热传导，自然会形成温度梯度，这样就会与物体的导热系数发生关系，而这种热流密度与导热系数之间的关系则在很多热计算和导热系数测量中得到应用。[/size][size=16px] 从图1所示的三类边界条件可知，第一和第二类边界条件实际上是对物体导热传热时的描述，而第三类边界条件是对辐射或对流传热时的描述。这里之所以将辐射与对流归为一起，是因为辐射传热可以进行线性化处理近似为对流形式。[/size][size=16px] 当有流体通过或热源辐照物体边界，会使用对流或辐射边界条件，这在许多热工程应用中非常普遍，如散热器、热交换器、发动机和涡轮机等，这种第三类边界条件也会常被用来在对流和辐射条件下对物体的换热系数和热辐射系数进行测量。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 传热学三类边界条件的温度形式定义[/b][/color][/size][size=16px] 在传热学的实际应用中，无论是哪一种边界条件的实现和测量，最基本、最简单也是最直观的是物体边界的温度变化。因此，我们就以温度形式来对这三种边界条件进行说明和补充。[/size][size=16px] （1）第一类边界条件[/size][size=16px] 当物体在恒定的介质温度（T=常数）条件下进行加热时，物体表面温度随时间变化是一条直线，如图2所示，这一类加热（或冷却）的边界条件就是第一类边界条件，也称之为第一类正规工况。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.以温度形式表达的三类边界条件示意图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739299894_6022_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 以温度形式表达的三类边界条件示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （2）第二类边界条件[/size][size=16px] 如果介质温度按线性规律变化，物体以恒定的速率被加热或冷却，或者物体是以恒定的热流加热或冷却，此时物体内任一点的温度是时间的线性函数，如图2所示，这就是第二类边界条件，也称之为第二类正规工况。[/size][size=16px] 在第二类边界条件下，经过短暂的初始时间后，物体内部任意点温度会呈线性变化，这使得物体内任意两点之间的温差始终保持不变，这种动态形式称之为准稳态，因此第二类边界条件也称为准稳态边界条件或准稳态工况。[/size][size=16px] 由于第二类边界条件的这种准稳态特性以及简便易操作，只需对物体进行线性加热或冷却就可实现，从而使得这类准稳态边界条件在热物性测试中得到较多应用。通过对被测样品加载恒定的升降温速率，理论上可用于测量任意温度范围内的高低温热物理性能参数，如ASTM E2584量热计法 。这种方法也常被用于各种热分析仪器，如差热量热仪（DTA）、差热扫描量热仪（DSC）和绝热量热仪等。[/size][size=16px] （3）第三类边界条件[/size][size=16px] 常规定义的第三类边界条件，是对实际对流和辐射传热的一种描述，但在传热性能试验测试中较难实现。这是由于第三类边界条件的实验模拟，很难获得稳定的对流环境，特别是实现高低温对流环境的准确控制更为复杂和困难。[/size][size=16px] 为此，可以将第三类边界条件同样转换成温度形式，温度变化呈正弦波形式，如图2所示。这种正弦波形式温度变化的第三类边界条件可以有两种基本形式，一种是纯正弦波变化形式，另一种是在纯正弦波上叠加一个现象变化，即温度在正弦波变化的同时还在线性升温，而温度的线性拟合曲线为一直线。[/size][size=16px] 这种温度形式的第三类边界条件在实际应用经常可以看到，如对于各种薄膜材料的热物性参数测量中，如Angstrom法、ISO 22007-3温度波法、ISO 22007-6温度调节比较法、3Omega法和交流量热法等。这种第三类边界条件在热分析中的重要应用是温度调制式差示扫描量热仪（MTDSC），这是一种在线性温度程序上叠加一个正弦波形式的温度程序，形成热流速率和温度信号的非线性调制的差示扫描量热法。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过以上描述和分析可以看出，传热学中的三类边界条件其背后的物理意义分别代表了物体的导热、对流和辐射三种传热机理，但在实际应用中，特别是在材料的热性能测试分析过程中，可将这三类边界条件分别转换为不同的温度变化形式，这将非常便于三类边界条件的工程实现。[/size][size=16px] 实际应用中采用温度形式的第二和第三类边界条件时，尽管测试模型的数学求解相对比较复杂，但除了工程实现简单之外，更重要的优势是可以保证测量的准确性和宽泛的温度范围，这是很多其他方法很难具备的测试能力。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，其中的真空压力和温度控制是有效实施MHS技术的关键因素，为此本文提出了相应的解决方案。解决方案的核心内容是同时为MHS工作液体提供准确的高压压力控制和为MHS沸腾蒸发提供低压真空度控制，另外解决方案还包含了MHS隔膜的渗透性测试方法和测试装置结构，包含了MHS冷却能力和传热系数测量装置。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]============================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 高功率密电子设备的激增催生了高性能计算及其数据中心的发展，由此带来的需求是开发高性能的散热器。目前，普遍都采用比空气冷却效果更好的水冷和浸没式液冷的单相散热技术，而随着功率密度的快速增加和电子设备的小型化要求更高的冷却效率。当前高效冷却的研究领域之一是具有更高传热系数的相变散热，这样每单位工作流体质量流量可移除更多热量，且可以提高散热面积上的温度均匀性。[/size][size=16px] 目前出现一种膜辅助相变散热器（MHS）技术，其沸腾冷却工作原理如图1所示，水作为冷却过程的工作流体，采用薄膜将液体和蒸汽分离。蒸汽空间压力（P蒸汽）为16kPa，对应于饱和温度55℃。此冷却技术的临界热流极限（CHF）随着传热面积比和液体空间压力（P水压）的增加而增加，据报道在具有3.45的增大面积比的表面上的最大CHF为670W/cm2，获得的传热系数高达1MW/m2K。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图,550,167]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758191124_9322_3221506_3.jpg!w690x210.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，与具有液体入口和两相流出口的传统散热器不同，MHS仅包含一个液体入口，工作液体通过该入口以压力P水压供应到散热面。放置在散热面上方的疏水蒸汽渗透膜允许蒸汽从液体池中排出。[/size][size=16px] MHS这种独特的设计将沸腾的液体限制在散热器内表面，并对气泡产生全方位的压力。随着气泡的足够生长，在加热器内表面和膜之间建立了蒸汽桥，导致膜上的液体接触线减少（由于膜的疏水性），将气泡从加热器表面拉出和排出。由此可见，膜的渗透性和压差决定了蒸汽流过膜的速率，而压差太大则会导致膜破裂，这样使得MHS工作机理及其散热能力的研究评价主要内容是膜渗透性测量装置和膜辅助散热器装置的搭建，其中关键涉及到真空压力和温度的精密控制技术。为此本文针对压力和温度的准确控制提出了完整的解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px][color=#990000][b]2.1 膜渗透性测量装置[/b][/color][/size][size=16px] 薄膜渗透性测量装置如图2所示，测量装置包括测试腔室、调压器、质量流量控制器、压力计、真空计、电动针阀、双通道真空压力控制器和真空泵。测试腔室由不锈钢制成，由上腔室、下腔室和观察窗组成。被测薄膜固定在下室上，测试流体进入上腔室，穿过隔膜流入下部腔室，通过真空泵抽气流出下腔室。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=薄膜渗透性测量装置结构示意图,600,316]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758468846_1005_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 薄膜渗透性测量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在每次测试中，通过双通道真空压力控制器，并结合相应的压力传感器和真空度传感器，自动调节腔室入口处的调压器使上腔室恒定在设定压力，自动调节下腔室出口处的电动针阀使下腔室恒定在设定真空度，由此使得被测隔膜两侧达到所需的测试压差，根据压力、真空度、压差和流速可计算得到薄膜的渗透率。[/size][size=16px][color=#990000][b]2.2 膜辅助相变散热器试验装置[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器试验装置的作用是用来研究不同散热器微结构、薄膜特性和真空压力等条件下的散热能力以及对传热系数进行测量，整个装置的结构如图3所示。MHS放置在一个不锈钢耐压腔室内，腔室两侧相对的法兰上安装有光学观察窗。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助相变散热器试验装置结构示意图,650,359]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201759137821_6145_3221506_3.jpg!w690x382.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 膜辅助相变散热器试验装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] MHS结构与图1近似，只是在散热面处布置了薄膜加热器和温度传感器，加热器和温度传感器引线连接到腔室外的温度控制器上以控制散热面温度和热流密度。[/size][size=16px] 真空压力控制原理和结构与图2近似，即往腔室内通入高压气体使腔内压力按照设定值进行控制，MHS内的真空度也同样进行自动控制以使内部液体处于饱和条件（如16kPa绝对压力）。[/size][size=16px] 冷却过程中采用去离子水作为工作液体，液体通过腔室内的压力被压入MHS中，从MHS排出的蒸汽流经帕尔贴TEC蒸汽冷却器成为液体后再流回腔室，由此形成工作液体的循环。此蒸汽冷却器采用了专用的TEC控制器进行温度控制。[/size][size=16px] 在实验过程中，首先对MHS内的真空度进行控制，然后通过加热器向MHS散热面供热，同时将腔室内部的工作压力保持恒定，在此压差恒定条件下测量得到相应的冷却温度和热流密度。如果施加的热流以步进或线性方式逐渐增加，直到观察到温度突然升高，那么该温度点时的热流就是此特定压差下的临界热流极限CHF（critical heat flux limit）。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，本文提出的解决方案为MHS的研究提供了宽范围真空压力和控温精密控制的可能性，为MHS的深入研究和冷却性能考核评价提供了有效的技术支撑。[/size][align=center][b][color=#990000][/color][/b][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[b][color=#cc0000]摘要[/color][/b]：常用的真空隔热材料主要包括真空玻璃和真空绝热板（VIP），针对真空隔热材料热性能的在线检测技术，本文综述了国内外的研究现状，讨论了各种在线检测技术的特点和存在问题，并在国内外现有技术基础上提出了一种新型的动态热流法测试技术，介绍了一种便携式探头结构的快速在线检测技术方案。[color=#cc0000][b]关键词[/b][/color]：真空玻璃、真空绝热板、传热系数、导热系数、U值、在线检测[hr/][b][color=#cc0000]1. 引言[/color][/b] 隔热材料（或保温材料）的热传递主要有对流换热、接触导热和辐射传热三种途径，前两种途径都需要传热介质。在真空环境下，由于气压的降低，气体密度随之降低，气体分子平均自由程将增大，气体分子间和气体分子与真空容器壁的碰撞频率和强度相对减弱，从而使得真空环境阻止了对流和接触这两种传热形式的发生，由此达到隔热效果。如果在真空环境的内壁上涂覆低辐射系数涂层，还可以阻止辐射传热实现绝热效果。 在传统隔热材料中，热辐射占热传递中的20～30%，接触材料占热传递中的5～10%，而隔热材料中气体的对流换热则占剩余的约65～75%。因而，隔热材料中减少这些热传递途径中最重要的一环就是空气传递热量，即通过将隔热系统抽成真空来减少热量传递，目前这种真空型隔热材料比较成熟的产品主要有真空玻璃和真空绝热板两类： （1）真空玻璃（Vacuum Glazing）是一种玻璃深加工产品，是基于保温瓶原理制作而成。真空玻璃的结构与中空玻璃相似，其不同之处在于真空玻璃空腔内的气体非常稀薄，几乎接近0.1 Pa的真空。真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来，将其间隙抽成真空并密封排气孔，两片玻璃之间的间隙为0.1～0.2 mm，真空玻璃的两片一般至少有一片是涂覆低辐射系数涂层的低辐射玻璃（Low-E玻璃），由此可将通过真空玻璃的导热、对流和辐射方式散失的热量降到最低。 （2）真空绝热板（Vacuum Insulation Panel——VIP）是由轻质芯材与专用复合阻气膜通过抽真空封装技术复合制成，其内部真空度约为10 Pa能有效地避免气体对流引起的热传递，可大幅度提高绝热效果。 真空隔热材料可广泛应用于建筑节能墙体和门窗、冷链冷藏设备、温室、太阳能和空调型运输工具等领域。在业内评价真空隔热材料一般采用两个技术参数，一个是传热系数（Wm-2K-1），另一个是导热系数（Wm-1K-1），业内也会将传热系数用K值或U值来定义。通常对于真空玻璃采用传热系数K值来评估，对于真空绝热板采用导热系数进行评估。 传热系数和导热系数测试技术是真空隔热材料的关键技术之一，相应的测试技术至少要实现两个功能，第一是需要检测证明真空隔热材料确实含有隔热功能的真空，第二是因为真空空间内存在支撑物和残留气体的导热传热以及辐射传热，有必要检测验证真空隔热材料的传热理论模型，并了解这些不同传热形式之间的相互作用方式。目前常规测试技术一般为成熟的稳态技术，主要包括保护热板法、保护热流计法和保护热箱法。尽管这三种常规方法可以从计量和质量层面可以对真空隔热材料进行准确的测试评价，但它们存在的明显劣势则是要求制作标准尺寸样品和测试周期漫长，无法用于大批量制造生产过程中逐件产品质量的在线检测，因此需要解决真空隔热材料的在线检测技术。 在线检测技术的目的是在真空隔热材料的生产制造过程中，实时验证每个真空隔热材料产品的质量都在规定范围内。在在线检测过程中，因为可以与标准合格产品或样品进行比较，在线检测并不一定需要绝对准确，重要的是生产过程中能保证检测工序可以快速进行，并且检测仪器具有很好的测量重复性。在线检测技术的另外一个目的是可以证明真空绝热材料产品在实际安装过程和使用条件下还能长期保持相应的真空度，即对处于生命周期内的真空隔热材料产品进行实时检测或监测。 针对真空隔热材料热性能的在线检测技术，本文综述了国内外的研究现状，讨论了各种在线检测技术的特点和存在问题，并在国内外现有技术基础上介绍了一种便携式快速的新型在线检测技术方案。[b][color=#cc0000]2. 在线检测真空隔热材料热性能的技术挑战[/color][/b] 真空隔热材料的最大特点就是具有超低的传热系数和导热系数，如果再考虑实现在线检测，这就给测量真空隔热材料热性能带来了以下几方面的严峻挑战： （1）所谓在线检测，就是要求采用很小面积尺寸的探头对板状真空隔热材料进行实时检测，同时又因为真空隔热材料的传热系数和导热系数极低，致使只有很少热流能够流经隔热材料。这就意味着在线检测只能检测很小面积的真空隔热材料，而且检测探头还需具有非常高的探测分辨率才能检测到此小面积上的热流变化（毫瓦量级）。 （2）真空隔热材料并非是均质材料，真空隔热部分一般被外部高导热材料（如玻璃或复合铝膜等）夹持在中间，真空隔热部分和外部高导热材料的导热系数相差五个数量级以上，因此在检测过程中非常容易产生沿隔热材料板材表面流动的寄生热损，在检测表面上形成面内温度梯度，这就对小面积在线监测提出了非常高的技术要求。 （3）既然是在线检测，就要求在线检测作为一道流水作业工序，能在真空隔热材料生产线上对每件产品进行实时快速检测，单件产品检测时间小于1分钟，最好能实现10～30秒这样的快速检测能力。 由此可见，真空隔热材料热性能测试对在线检测提出了两个层面的要求，一个层面是具备快速在线检测和判断产品质量是否合格的能力，这就要求在线检测仪器既要具有高分辨率和快速检测能力，还需具备很好的测量重复性。另一个层面是要实现高准确度的测量，准确测量出产品的传热系数和导热系数，与防护热箱法等标准方法测试结果相比要在允许偏差范围内。[b][color=#cc0000]3. 国内外测试方法研究[/color][/b] 面对上述真空隔热材料热性能在线检测的技术挑战，国内外开展了大量研究和探索。下面将对国内外的研究报道进行汇总，并对各种检测方法的优缺点进行讨论。[color=#cc0000]3.1. 稳态法：小面积保护热板法3.1.1. 澳大利亚Collins团队的研究工作[/color] 保护热板法是一种经典的板式样品材料热阻和导热系数稳态测试方法，对被测样品有严格的尺寸要求，样品尺寸一般都大于300×300 mm2的测试面积，而且测试周期至少4个小时以上，同时隔热性能越好则测试时间越长。但由于保护热板法是一种绝对测量方法，测试准确度高，因此常被用来作为标准测试仪器和计量溯源测试仪器，计量机构和检测认证机构通常都会配备这种保护热板法仪器以及相同原理的更大样品尺寸的保护热箱法设备来对真空玻璃和真空绝热板进行质量评估。 澳大利亚Collins团队基于经典的保护热板法开发了一种小面积尺寸的保护热板法用于真空玻璃热性能的测试和研究，其测量原理如图3-1所示。一个小的热导体，这里称为测量块，被放置在被测样品一侧并具有良好的热接触，测量块的所有其它侧面被一个保持恒定温度的等温防护装置包围，该热防护装置也与被测样品保持良好的热接触，由此使测量块上的热量只能在样品方向上传递而周围的热损近乎为零。被测样品的另一侧保持在恒定的低温下，热流从热防护装置流经样品到对面的冷板，热量也从热防护装置流到测量块，测量块热流通过样品流到冷板。 [align=center][img=,600,369]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191121404416_7563_3384_3.png!w600x369.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-1 小面积防护热板法测量装置结构示意图[/color][/align] 测量块与热保护装置之间的温差由嵌在这些元件中的温度传感器进行检测。测量块中的热量由内部电加热器产生并同时升高测量块温度，当测量块温度正好等于热保护装置温度时，这两个部件之间不会发生热流，在这个零温差条件下测量块中所产生的所有能量都流经样品形成所谓的一维热流。按照稳态一维热流傅立叶传热定律，利用测量块的已知面积，最终可以得到样品传热系数的绝对测量值。 澳大利亚Collins团队专门开发了小面积形式的保护热板法测试仪器用于测量真空玻璃中不同的热流传递过程，这些仪器可用来识别真空空间中由于辐射和气体传导而对热传递的单独贡献，其中就包括通过支撑柱进行的热传导。为了做到这一点，测量块所选择的尺寸很小，测量块截面积约为1 cm2，周围保护装置的面积约为100 cm2。由于测量是小面积和真空绝热样品，此仪器必须能够检测非常小的热量变化。 与保护热板法测量装置一样，小面积保护热板法测试仪器研制过程中的关键技术是最大限度减少测量块热损到可忽略的水平，并证明这种热损确实被有效消除。为了验证此测试仪器的热损确实被有效消除，需要测量的微小热量需要检测测量块和热保护装置之间极小温差。分别采用了两种真空玻璃进行了测量，一种是由两片没有内部涂层的浮法玻璃板（float glass）制成（FL-FL），另一种是由一片内表面热分解沉积低发射率涂层玻璃片和一个未涂覆的浮法玻璃片制成（FL-LE），图3-2显示了小面积保护热板法测试仪器所获得的典型实验数据。[align=center][img=,600,514]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124054860_7131_3384_3.png!w600x514.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-2 小型保护热板法测试仪器获得的典型数据[/color][/align] 为了进行精确的绝对测量，必须使用已知传热系数的样品来校准测量块的有效面积。两片未涂覆玻璃片之间的真空空间为这种校准测量提供了非常方便的样品，因为这种玻璃表面之间的辐射传热速率可以从这种玻璃已知的红外光学中计算得到非常高的准确度。 有限元模型分析可以用于确定玻璃薄板等温外表面上每个支撑柱所引起的热流横向扩散程度，这些数据可用于确定与单个支撑柱相关联的热流比例，这时的测量块的中心线与支撑柱轴线距离不远，而且支撑柱与测量块的圆形区域相交。如果要忽略掉流经支撑柱热流的影响，从这些结果可以计算出与测量块相交的支撑柱需要远离测量块的距离。对于正常尺寸的支撑柱阵列（支撑柱间距约20~30 mm），如果测量块位于支撑柱阵列单元的中心位置，那么支撑柱对热流的测量仍然有一个很小但明显的贡献。为了使得测量忽略掉支撑柱热流的影响，悉尼大学在真空玻璃研究项目中采用了一些缺少一个支撑柱或无支撑柱区域直径约50 mm的真空玻璃样品，用这些样品做的测量为通过真空玻璃的辐射和气体热传递提供了非常准确的信息。 流经单个支撑柱的热流扩散建模分析结果也可以用来计算当测量块直接位于支撑柱上方时此热流在测量值中所占比例，通过减少辐射和气体传导引起的已知热流，可以确定流经支撑柱本身的热流速率，这些测量都已经被用来验证流经单个支撑柱的热流理论模型。在某些情况下在真空玻璃中使用了粗糙表面的支撑柱，这时的测量也可以用来提供关于这些支撑柱热流减少的定量信息，因为支撑柱表面和玻璃板之间的热接触不完整。 综上所述，澳大利亚Collins团队详细研究了在采用保护热板法仪器测量流经真空玻璃热流量，并对小面积保护热板法仪器操作和标定有影响的几个小效应进行了深入研究，由此证明小面积保护热板法装置是一个非常强大的工具来验证通过真空玻璃的热辐射和通过支撑柱热传导的理论模型，该仪器也被用来证明这两个热流过程之间的相互作用足够小而可以被忽略。同时，这种小面积尺寸的保护热板法也可以用于研究真空玻璃内部真空的稳定性及对真空玻璃寿命周期内的性能进行评价。 然而，因为这种小面积保护热板法通常需要大约1小时来进行一次完整测量，此外由于有必要保持热保护装置的温度在一个非常精确的恒定值，并且在室温或室温附近只能使用这个装置来测量样品，这种保护热板法测试仪器的使用实际上仅限于实验室研究用，无法应用于真空玻璃的在线监测。[color=#cc0000]3.1.2. 北京新立基公司研究工作[/color] 北京新立基公司的唐健正老师曾是澳大利亚Collins团队的成员之一，回国后针对真空玻璃的传热系数测试开展了大量研究，基于上述小面积尺寸保护热板法原理研制了精密热导仪和快速热导仪两种热导仪，建立了建材行业“真空玻璃”的传热系数测试标准方法。其中精密热导仪的量程为0~10 Wm-2K-1，标称精度高达0.1 Wm-2K-1，测量时间为30 min，体积小，重量小于15 Kg。快速热导仪量程为0~25 Wm-2K-1，标称精度为0.2 Wm-2K-1，测量时间小于5 min，同样具有体积小、重量轻的特点。与精密热导仪不同的是，其测量精度略低，但测量时间短。 精密热导仪的特点是精度高，能够鉴别出真空度是否达标，但必须有足够的热测量时间。而快速热导测量仪则放宽了精度要求，把测量时间缩短6 倍。这样，在线监测时，后者先把关，把真空度肯定达标的和肯定不达标的筛选出来，把剩下少量的难以判断的由前者作精密判断，这样构成在线热导检测线。 通过对北京新立基公司相关报道的研究，北京新立基公司所研制的热导仪还存在以下不足： （1）随着科学的发展，真空玻璃的传热系数已经小到0.3 Wm-2K-1，如此小的数值就需要精度更高的热导仪才能够测量，这就需要进一步提高热导仪的精度。 （2）热导仪能够测量真空玻璃整体的热导，是支撑物热导、辐射热导和内部真空度共同作用的结果，目前新立基公司研制的热导仪还不能够将这三种热导分别测量。如果能够分别测量出支撑物热导、辐射热导和内部真空度，就可以有目的的改善支撑物材质、改善玻璃表面辐射率或者提高内部真空度。 [color=#cc0000]3.2. 非稳态法3.2.1. 瞬态法[/color] 为了提高真空玻璃在线测试能力，澳大利亚Collins团队提出了一种瞬态测试方法，其测量原理如图3-3所示。温度传感器附着在真空玻璃样品的一侧，通常位于支撑柱阵列单元的中心位置，在真空玻璃板的另一侧放置一个与玻璃板热接触良好内部镶有电加热器和温度传感器的小面积（约10 cm2）导热板。[align=center] [img=,600,287]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124330000_7261_3384_3.png!w600x287.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-3[/color][color=#cc0000] 真空玻璃瞬态法测试原理图[/color][/align] 整个样品的初始温度恒定和均匀，并且记录几分钟温度传感器的输出以证实温度确实恒定。然后将已知数量的电功率加载到电加热器上，使电加热器快速升温，升温幅度通常为20~30℃。玻璃板的内表面产生的温差导致热量流经真空夹层，与电加热器相对的样品一侧温度会缓慢增加，该温度的初始速率测量结合真空玻璃热容（由玻璃厚度、比热和密度的乘积给出）和台阶温度升高的幅度，可以得出温度传感器周围区域样品的传热系数。 同样采用了两种真空玻璃进行了瞬态法测量，一种是由两片没有内部涂层的浮法玻璃板（float glass）制成（FL-FL），另一种是由一片内表面热分解沉积低发射率涂层玻璃片和一个未涂覆的浮法玻璃片制成（FL-LE），所有玻璃片厚度都为3 mm，图3-4显示了用瞬态技术获得的典型实验数据。[align=center][img=,600,499]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124513950_3062_3384_3.png!w600x499.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-4[/color][color=#cc0000] 用瞬态技术获得的典型数据[/color][/align] 如果真空玻璃样品冷面上的温度传感器位于支撑柱阵列单元的中心点，则在台阶式升温后的最初几分钟内，几乎所测的温度缓慢变化都是由于真空夹层内的热辐射和气体传导所造成，流经附近支撑柱上的热量需要很长时间才能到达温度传感器，因为它必须沿试样的冷面横向扩散到玻璃片上。这就使得这项技术可以用来测量玻璃的辐射和气体传热系数，并认为热流通过支撑柱的贡献微不足道，即使是标准支撑柱阵列（支撑柱间距约20~30 mm）的真空玻璃也是如此。 瞬态技术也可用于测量高温下真空玻璃样品的传热系数，因此这种技术在真空玻璃长期存储在室温以上时可能导致真空降解的机制研究方面被证明非常有用，该技术已被用来检测真空玻璃在高温老化过程中会释放出大量气体，而当冷却到室温后玻璃表面会发生气体再吸收现象。质谱仪实验表明，在这样的条件下释放出来的气体几乎完全是水蒸气。已证明在制造过程的抽真空阶段充分烘烤真空玻璃可以消除这些真空玻璃数十年使用寿命中的任何显著热释气现象。 瞬态技术不是真空玻璃传热系数的绝对测量方法，所获得的数据必须与样品冷面上的玻璃片热容以及步进温度的增加幅度相结合才能给出热流流经真空玻璃的传热系数。理想情况下，在这个计算中应使用随时间变化的有限元模型分析过程，因为导热板热量需要大量时间通过玻璃板热面来扩散，这就会使得冷面温度的上升初期具有相应的延迟。当采用有限元分析瞬态法时，测量玻璃板冷面温度随时间变化给出了与其他方法吻合很好的传热系数数据。这样，通过测量已知传热系数的相同几何尺寸样品来对瞬态法进行校准就非常简单，即在瞬态法测试过程中，在经历指定时间后（如2分钟）可将被测玻璃冷面温度的总变化与已知样品中获得的相似数据进行比较。 用瞬态法所检测得到的数据具有很好的重复性，此外该技术易于使用、可自动化和可校准，实际测量时间相当短——一般为几分钟。因此，该方法非常适合于真空玻璃批生产中的质量保证测试。瞬态法的缺点是样品温度在测量开始之前必须非常稳定，因此有必要在测量前将样品储存在稳定环境条件下一段时间。[color=#cc0000]3.2.2. 动态冷却法[/color] 为了进一步提高真空玻璃在线测试能力，澳大利亚Collins团队还提出了一种高温动态冷却测试方法，其测量原理如图3-5所示。在冷却法中被测真空玻璃整个样品最初处于高温，然后在被测样品的一侧放置并接触第二块已知传热系数的真空玻璃标准样品形成绝热边界条件，这个标准样品的起始温度可能是高温或是室温，将直径约0.1 mm的细丝热电偶放置在这两个真空玻璃样品的接触面之间。该组件中两块真空玻璃接触面之间的小间隙确保它们有良好的热接触，从而使她们的温度相当迅速的趋于均衡，室温空气在此组件中的两块真空玻璃外表面吹过。与这种强制对流所对应的传热系数相当高，因此两个样品的外玻璃片温度很快就会相对接近室温。从真空玻璃内部玻璃板流出的热量会以两个独立的流动方向分别流经两个样品的绝热真空空间到外部玻璃片，然后再经外部玻璃片流到空气中，因此内玻璃片温度会随着被试样品和标准样品的传热系数以相应速度而缓慢降低。[align=center][img=,600,322]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191125181660_9521_3384_3.png!w600x322.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-5[/color][color=#cc0000] 瞬态法测试中所采用的仪器示意图[/color][/align] 由于标准样品的传热系数已知，因此可以计算被测样品的传热系数。对于由3 mm厚玻璃片制成真空玻璃被测样品和标准样品，图3-6显示了用冷却法获得的真空玻璃中心处的测试结果。对于这些数据，两个样品在测量开始之前都处于高温。外玻璃片温度的初始降低速率可用于确定与这些玻璃板材外表面传热有关的传热系数与流动空气的关系，接触内玻璃板的热量损失率受此外部传热系数的影响，但相对于样品本身的玻璃-玻璃传热系数这个影响程度较小，在较长时间内两个外玻璃板之间的温差与流经各样品的不同热流速率有关。[align=center][img=,600,526]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191126140880_4604_3384_3.png!w600x526.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-6[/color][color=#cc0000] 动态冷却法测试得到的典型数据[/color][/align] 与瞬态法一样，冷却法不是测量通过真空玻璃热流值的绝对方法，然而该方法的校准可以使用瞬态法中所用到的任何一种技术——通过依赖时间的有限元模型分析，或者更简单地通过对具有已知传热系数的相同几何尺寸标准样品进行测量。由于两块真空玻璃组件中与内部玻璃板指数冷却形式相关的时间常数可能相当大，通常约为60分钟，这种相对缓慢的冷却速率可确保通过支撑柱的热流足够来沿着玻璃板进行扩散，而内部玻璃板的温度横向变化则是相当小。因此，冷却法能形成真空玻璃总传热系数（辐射+气体+支撑柱）的测量。 由此可见，冷却法可能会用于真空玻璃生产线上，特别是刚刚完成了抽真空过程，在那里它们经受高温下的脱气处理，此时的真空玻璃制品通常处于高温状态。与采用其他在线测试技术相比，将冷却法监测集成到真空玻璃生产线的末端可节省大量的时间和劳动力。[color=#cc0000]3.3. 国内外相关在线测试仪器3.3.1. 德国耐驰公司便携式复合玻璃 Ug 值测量仪[/color] 德国耐驰公司基于改进的动态热源法开发了一种瞬态在线测试技术和相应的便携式复合玻璃传热系数测试仪Uglass，如图3-7所示。此测试仪器通过两个带加热功能的温度传感器，根据一维传热差分模型和软件来测量真空玻璃的传热系数。这种测试技术是一种相对比较法，配备了中空玻璃标准样品。由于测试技术的探测器相对较小，可用于实验室检测，也可用于现场评估，对于普通真空玻璃整个测试过程约为10～15分钟，每次测量之间的时间间隔约 10 分钟。 [align=center][img=,600,643]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191126433070_5719_3384_3.jpg!w600x643.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-7 耐驰公司便携式复合玻璃传热系数测量仪[/color][/align] 如图3-8所示，测试过程中通过抽气泵将探测器真空吸附在被测玻璃两侧。安装完成后，将其中的一侧探测器加热到高于另一侧探测器温度7～8℃范围，并同时检测另一侧探测器温度的变化ΔT。[align=center][img=,600,263]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127021708_286_3384_3.jpg!w600x263.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-8[/color][color=#cc0000] 传热系测量仪安装布置和测量示意图[/color][/align] 通过分析短暂的不同温度变化过程，可测定真空玻璃的传热系数，其中传热系数测量范围为0.5～40 Wm-2K-1，操作温度范围为-10～60℃，探测器加热温度范围为室温～150℃。 采用Uglass测量仪Kim等人在常温常压下对内部不同间隔的中空玻璃进行了测量，如图3-9所示，分别得到了中空玻璃内部和外部的传热系数随间距的变化结果。[align=center][img=,600,357]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127235359_4034_3384_3.jpg!w600x357.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-9 中空玻璃内部和外部传热系数随中空间距的变化测量结果[/color][/align] 从图3-9所示的测试结果可以看出，随着间隔宽度的增加，内部和外部的双层中空玻璃板的传热系数呈线性减小而无视真空玻璃的内部还是外部。由此可见，双层中空玻璃的传热系数不受周围环境的影响，也就是说，没有边框的双层中空玻璃绝热性能，即使在不同环境下也可以解释为具有相同的绝热性能。 除了普通中空玻璃之外，Kim等人还对中空玻璃内部表面涂覆Low-E涂层对绝热性能的影响进行了对比测量，测量结果如图3-10所示。[align=center] [img=,600,386]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127453461_8401_3384_3.jpg!w600x386.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-10 带Low-E涂层和无Low-E涂层中空玻璃传热系数随中空间距的变化对比[/color][/align] 从图3-10所示的测试结果可以看出，随着间隔宽度的增加，涂覆了Low-E涂层的中空玻璃传热系数随间距增大而更加快速的减小，随间距减小的斜率为-150.4 ×103 Wm-3K-1，要比无Low-E涂层时随间距减小的斜率-68.8 ×103 Wm-3K-1快了将近2倍多，当中空玻璃内部间距为15 mm左右时，增加Low-E涂层后的传热系数减小了将近一半，由此证明Low-E涂层在中空玻璃和真空玻璃中所起的重要作用。 从耐驰公司的相关报道可以看出，耐驰公式这款传热系数测试仪器整体尺寸偏大，测量覆盖面积将近400×400 mm2，可以满足中空玻璃的传热系数测试。尽管仪器测量精度标称可以达到±0.1 Wm-2K-1，但并没有看到对小于1 Wm-2K-1的真空玻璃传热系数的测试报道，也没有看到对真空绝热材料（VIP）的导热系数测量结果报道。同时十几分钟的测试时间，以及被测样品两侧夹持测试方法根本无法满足真空绝热材料生产过程中的在线质量监测要求。[color=#cc0000]3.3.2. 日本EKO公司导热仪[/color] 为了真正实现真空隔热材料的在线监测，日本EKO公司开发了HC-10快速导热系数测试仪，如图3-11所示。考虑到在线测试，测试仪采用了单端探头这种最佳的探测模式，只需将探测头放在各种被测材料上，可在1分钟内得到导热系数测量结果。[align=center][img=,600,450]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128042740_1715_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-11 日本EKO公司HC-10型快速导热系数测试仪[/color][/align] 这种快速导热系数测试仪的测量原理如图3-12所示，首先将探头加热到高于室温的一恒定温度，同时使被测样品处于室温条件下并达到热平衡。然后将探头放置在被测样品表面，如果样品导热系数低，探头上的热量Q将会缓慢的流经样品而散失，相应的探头表面温度快速上升；如果样品导热系数较高，探头上的热量Q将会快速流经样品而散失，相应的探头表面温度缓慢上升。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,484]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128201186_3226_3384_3.png!w600x484.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图3-12 HC-10型快速导热系数测试仪基本原理[/color][/align] 由此可见，这种快速导热系数测试仪中探头加热器的热损失大小与样品的导热系数有关，如果使用已知导热系数的标准样品进行校准，则可以实现样品导热系数的自动测量。日本EKO公司开发的HC-10快速导热系数测试仪已用于各种材料的导热系数测量，其中包括真空绝热板（VIP）的导热系数测量，测试仪的主要技术指标为： （1）导热系数测量范围：1～5000 mW/mK （2）测量精度：+/- 5 % （3）样品尺寸：边长150 ～760 mm，厚度5～50 mm （4）测试时间：60秒 专门针对真空绝热板（VIP），基于HC-10快速导热系数测试仪日本EKO公司还开发了多探头形式的在线HC-121 VIP监测仪，如图3-13所示。 HC-121 VIP监测仪主要用于在线监测真空绝热板质量是否合格，即在1分钟内实时检测真空绝热板（VIP）导热系数是否小于规定数值，通过一个主机可以同时连接最多5个探头进行在线监测。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,199]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128367430_3462_3384_3.jpg!w600x199.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-13 日本EKO公司HC-121 VIP监测仪[/color][/align] 与HC-10快速导热系数测试仪不同，HC-121 VIP监测仪只能进行相对测量，探测头需要用户自己进行单独校准，用户需要根据VIP材料生产的实际特征来进行使用。HC-121 VIP监测仪的技术指标与HC-10快速导热系数测试仪基本相同，只是导热系数测试范围基本只针对真空绝热板材料，为1～15 mW/mK。 有关日本EKO公司开发的这两种在线监测仪器，我们并没有看到实际应用方面的报道和测试数据，更没有看到在真空玻璃上的测试应用。从测试原理上来看，这两种仪器完全适合均质材料的超低导热系数测试，但对于真空隔热材料这类非均质复合结构材料而言，可能存在以下问题： （1）真空绝热板（VIP）表面一般都包裹一层高导热金属保护热，测试过程的初期探头上的热量会通过表面金属膜快速散失，所得到的温度变化曲线并不一定能完全代表真实的低导热材料测试过程中的温度变化。类似的情况也会发生在使用了真空绝热板的冰箱生产线上的在线质量监测，因为冰箱的隔热结构也是金属材料包裹真空绝热板。 （2）同样，对于真空玻璃而言，也是高导热系数玻璃板与真空绝热层的复合结构，玻璃的导热系数接近1 W/mK，也是远大于真空隔热层的导热系数，测试过程中也会发生类似的问题。[color=#cc0000]3.3.3. 内部真空度测试仪器[/color] 真空隔热材料的一种重要特点就是材料内部是真空，因此在线测试技术中实时监测真空度的变化也是一种在线监测技术手段。 从目前的各种真空隔热材料内部真空度检测技术的发展来看，大多数是谐振式真空传感器，即将事先标定好的MEMS结构的LC微型传感器植入真空隔热材料中，通过外部探测仪器对谐振传感器进行外部激励得到谐振频率与内部真空度的关系数据。 内部真空度测试技术的最大优势是可以在几秒钟内实现对真空隔热材料内部真空度的检测，但最大的问题是要将标定好的传感器植入产品中。[b][color=#cc0000]4. 现有技术总结[/color][/b] 目前国内外常用于表征真空型隔热材料的标准方法，如保护热箱法和大面积保护热板法，主要是用来测量通过真空型隔热材料的热流速率，这两种测试技术都提供了有关真空型隔热材料的整体热流过程的信息。然而它们在测试过程中相对较慢，同时无法对真空隔热材料中不同传热机理而引起的热流分量进行单独评估。 为了对真空型隔热材料局部热流进行测量，以及适应工业生产和工程应用的需要，目前国内外提出了几种特别设计的测试方法： （1）小面积保护热板法测试装置提供了非常精确的流经真空玻璃的局部热流测量，该装置可用于验证由于辐射、气体热传导和通过支撑柱热传导而引起的不同热流过程的理论模型，也证明了该小面积保护热板法测试装置在考核真空玻璃内部长时间真空稳定性方面非常有用，同样这种方法也可以应用于真空绝热板的热性能测试和评估。小面积保护热板法是目前测试精度最高的方法，但这种方法是一种被测样品双面探测结构，测试时间最快也要好几分钟，比较适合实验室研究使用，但还是不能很好的满足在线测试需求。 （2）瞬态法提供了一种测量真空绝热材料传热系数和导热系数的快速方法，该方法可通过测量已知传热系数和导热系数的标准样品对测试装置进行标定。该方法快捷、易于使用并具有很高的测量重复性，并可在较高温度条件下对真空玻璃的气释过程研究中的作用非常明显。目前国外相关测试仪器基本都是基于这种方法，可见这种方法得到了基本认可。尽管采用这种方法有德国耐驰公司的中空玻璃双面测试结构的便携式测试仪器，也有日本EKO公司的真空绝热板单面探头结构的便携式测试仪器，但目的都是为了满足真空绝热材料传热系数和导热系数的在线测试需求，而我们认为单面探头结构更适用于在线测试，这将是今后这方面测试仪器的一个发展方向。 （3）冷却法提供了真空玻璃整体传热系数的测量。虽然这种方法在实践中不一定实用，但在将来可能将其集成到真空玻璃生产过程中，与其他方法相比，冷却法的成本和时间可能会有很大节省。[color=#cc0000][b]5. 上海依阳公司在线快速检测技术[/b][/color] 上海依阳实业有限公司基于瞬态法，提出了一种新型快速测试方法——动态热流法。动态热流法与日本EKO公司导热仪的测量原理类似，也是采用单面探头结构形式，但不同于日本EKO公司导热仪是测量加热器表面的温度变化，新型测试方法测量的是比温度变化更灵敏的热流密度变化，如图5-1所示为分别测量正常和非正常真空绝热板时的热流密度随时间变化曲线对比。 在动态热流法测量的初期，单面测量探头处于以恒定温度，探头未接触被测样品（真空玻璃或真空绝热板）之前，热流密度测量值较低。但将探头与被测样品表面接触后，探头上的热量经真空绝热材料表面（玻璃或金属保护膜）而迅速散失，材料表面的高导热材料表面的作用而产生较大的热流密度，即使得测量的初期热流密度测量值迅速升高。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,433]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128571173_5310_3384_3.png!w600x433.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图5-1 正常和非正常真空绝热材料热流密度随时间变化测量曲线[/color][/align] 随着探头与样品表面接触时间的增大，流经表面材料的热流受到内部绝热层的阻隔，测量的热流密度会逐渐降低，从而反映出绝热层的低导热特性。由此可知，热流密度曲线降低的速率可以作为衡量样品绝热性能的测量指标，即如果被测样品处于正常真空绝热状态，热流密度下降变化曲线就如图5-1中的“正常绝热状态”那样，向较低的热流密度值进行收敛；如果被测样品处于非正常真空绝热状态，热流密度下降变化曲线就如图5-1中的“非正常绝热状态”那样，向较高的热流密度值进行收敛。 通过上述热流密度变化曲线可以看出，这种动态热流法可以很好的解决真空绝热材料表面高导热层对测试所带来的影响，解决了日本EKO公司在线监测仪器所存在的不足，绝热材料表面的高导热层只会使得初期的热流密度升到很大幅度，并不真正影响热流密度下降速率随内部绝热性能的变化。 动态热流法的整个测试时间主要取决于绝热材料表面的材质和厚度而定，对于普通真空绝热板的测试，测试时间一般为10~15秒；对于普通真空玻璃测试，测试时间一般为20~30秒，这样的测试速度已经完全可以满足在线测试需求。 动态热流法测试得到的热流密度并不能直接用来得到被测样品的导热系数，但因为导热系数与热流密度是线性关系，可以通过测量多个已知导热系数的标准样品来建立导热系数与热流密度的校准曲线，如图5-2所示。此校准曲线存储在测试仪器内，由此根据这种关系曲线通过热流密度测量值可以得到相应的导热系数和传热系数。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,363]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191129342020_253_3384_3.png!w600x363.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图5-2 校准测试曲线[/color][/align] 校准用标准样品的制作基于真空绝热材料内部真空度与传热系数和导热系数的关系，标准样品可以是固定厚度的真空绝热材料，通过精确控制材料内部真空度并采用保护热板法或保护热箱法等仪器进行测量，得到标准样品不同真空度下所对应的传热系数和导热系数关系曲线，这样在采用标准样品进行动态热流法探头校准时，只要调节真空度就可以得到不同的传热系数和导热系数。 动态热流法作为一种高灵敏测试方法，可以用来快速的在线检测和判断真空绝热材料是否具有正常范围内的传热系数和导热系数，可以在30秒时间内检查真空绝热材料是否正常工作。另外，由于动态热流法测量装置是小型单面探头结构，实际测量操作时只需将探头与被测绝热材料表面接触，测试完毕后探头脱离绝热材料，通过机械结构很容易实现自动化测试，完全可以应用到真空绝热材料生产流水线上进行自动化实时监测。同时，动态热流法的检测探头非常小巧，可以实现一台主机配备多个探头对多个绝热材料的同时监测，而且还可以实现不同方向和位置上的测量，如探头放置在冰箱的顶部和侧面监测冰箱内部不同部位真空绝热板是否工作正常，监测窗体上已直立安装的真空玻璃是否工作正常。由于标准绝热材料样品由真空度的精确控制来确定，从而保证了动态热流法探头可以非常方便的进行定期校准。[b][color=#cc0000]6. 参考文献[/color][/b]（1）Collins R E，Davis C A，Dey C J，et al. Measurement of local heat flow in flat evacuated glazing. International Journal of Heat & Mass Transfer，1993， 36(10):2553-2563.（2）Simko T M， Elmahdy A H， Collins R E. Determination of the overall heat transmission coefficient (U value) of vacuum glazing. Ashrae Transactions， 1999.（3）张金维, 王立国. 真空玻璃在线测量技术// 2013全国玻璃科学技术年会论文集. 2013.（4）唐健正. 真空玻璃传热系数的计算// 2006中国玻璃行业年会暨技术研讨会. 2006.（5）唐健正， 朱亚勇， 卫正纯. 真空玻璃传热系数相关参数的测量// 2007'中国玻璃行业年会暨技术研讨会（6）中华人民共和国建材行业标准，JC/T 1079-2008，真空玻璃（7） Turner G M, Collins R E. Measurement of heat flow through vacuum glazing at elevated temperature. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1997, 40(6):1437-1446.（8） Ng N， Collins R E， So L. Thermal conductance measurement on vacuum glazing. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 4877-4885.（9） Kim I, Frenzl A, Kim T, et al. Determination of Thermal Transmittance of Insulated Double Low-E Glazing Panel Using Portable Uglass, Measuring Technique. International Journal of Thermophysics, 2018, 39(1):19.

太阳能热水系统检测设备能效等级检定太阳能空气集热器在准稳态下照射到太阳能空气集热器上的太阳能辐射量等于工质带走的热量和集热器散失到环境周围热量之和。根据这个基本原理，建立太阳能空气集热器测试条件下的热平衡方程。在稳态条件下运行的太阳能空气集热器的瞬时效率定义为集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比。太阳能热水系统检测设备试验条件在试验期间，集热器采光面上的总日射辐照度应不小于700W/m2；实验期间总太阳辐照度变化应不大于50W/m2。集热器采光口上的直接日射入射角应保持在该入射角±2.5。的范围内。集热器周围环境的平均风速应在2-4m/s之间。当集热器进口温度等于室外环境温度时，空气流量应根据集热器总面积设定在约0.01m3/（m2?s）。在每个试验周期内，流量应稳定在设定值的±1%以内。[img=太阳能热水系统检测设备,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205110921091413_9131_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能热水系统检测设备测试方法如下：1）在被测集热器安装到集热器试验台架上之前，测量集热器的长度和宽度，并测量集热器采光口的长度和宽度；2）按照集热器试验台架操作规程对试验台架进行操作；3）按照太阳热水器热性能试验系统的操作步骤打开计算机控制程序，预设系统各控制点参数，观察室外各控制点参数情况，确定满足2.3中规定的实验条件；4）具体操作步骤：用遮阳布遮住集热器，调节集热器试验台架，使集热器的太阳入射角在整个瞬时效率试验期间始终为零；合上风机开关，调节空气风量至要求值；开启电加热，控制太阳能空气集热器的进口温度到规定值，移去集热器上的遮阳布；5）太阳能热水系统检测设备需要记录的参数：集热器采光口上的总日射辐照度；集热器采光口上的漫射日射辐照度；环境空气速度；环境空气温度；集热器进口工质温度；集热器出口工质温度；空气流量。在稳态测量期内测得的参数若满足表１规定的范围，则本工况的试验可结束。若不满足规定的范围，则继续进行试验，直至满足规定的范围要求。上一工况试验结束后，调节电加热器，控制太阳能空气集热器的进几温度到下一工况规定的值，进入下一工况的试验，步骤和要求同上一工况。4个工况的试验都完成后结束试验。[img=太阳能热水系统检测设备,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205110923023655_1907_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]太阳能热水系统检测设备结论1）按照本测试条件和要求，完全可进行太阳能空气集热器热性能的测试，得出的实验结果符合太阳能空气集热器的基本传热规律；2）与液体为传热工质的太阳集热器相比，太阳能空气集热器的效率截距较低，比一般的液体集热器低20%以上，这是因为空气的比热容小于液体的比热容，太阳能空气集热器工质（空气）带走有效热量少，太阳能空气集热器的效率截距较低；3）与液体为传热工质太阳集热器相比，太阳能空气集热器的瞬时效率随入口空气温度增加下降更快，即空气集热器的热损系数较大，当集热器归一化温差达0.067时，太阳能空气集热器的热性能已经为零，所以，太阳能空气集热器的工作温度不宜过高，否则，集热效率很低，甚至为负值；4）从2）、3）分析可知，太阳能空气集热器的工作温度不宜过高，对于太阳能空气集热器研究与开发，应重点放在优化集热器结构、加强集热器保温方面，而不应放在提高集热器瞬时效率截距方面。

[color=#cc0000][size=18px]摘要：本文特别针对圆柱形锂离子电池的径向导热系数，开展了测试方法研究。在不破坏电池和只有电池圆周外表面的边界条件下，分别采用了恒温和恒流两种测试方法建立了相应的测试模型和解析表达式，并通过有限元仿真来验证了测试模型和解析表达式的准确性，为测试仪器的设计提供了有效指导，为在其他规格锂电池热性能测试中的推广有重大意义。[/size][/color][hr/][size=24px][color=#cc0000]1. 问题的提出[/color][/size][size=18px]　　锂离子电池有多种规格和外形尺寸，所以锂电池的热性能参数测量会涉及多种测试方法和测试仪器设备。我们首先选择圆柱形锂离子电池的热性能测试开展研究，特别是针对圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术开展研究，主要出于以下几方面的考虑：[/size][size=18px]　　（1）圆柱形锂离子电池是目前最常见的电池类型之一，应用十分广泛，而圆柱形锂电池径向导热系数测试技术并未成熟，国内外都还处于阶段，所报道的各种测试方法误差较大，无法满足电池热模型和热管理的需求。[/size][size=18px]　　（2）锂电池的圆柱形结构非常特殊，特别在径向方向上只有一个圆周面，在不破坏电池条件下进行热性能测试，则只有一个圆周外表面能用来进行产生相应的测试边界条件，这往往是热性能参数测试技术中难度最大的测试。如果能够在圆柱形电池径向方向实现热性能参数测试，并能够达到满足的测量精度，则可以将测试技术很容易推广应用到棱柱形和袋装电池。[/size][size=18px]　　（3）圆柱形锂离子电池中的自热热量通常是最低的，要低于棱柱形和袋装电池中的热量。同样，所研究的测试方法如果能够在热量较低的圆柱形锂电池上获得满意的测量精度，则可以在棱柱形和袋装电池的高热量测量中得到更高的测量精度。[/size][size=18px]　　（4）另外，通过圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术的研究，可以尝试实现锂电池热性能测试仪器的多功能化、模块化、快速化和低造价。[/size][size=18px]　　本文将特别针对圆柱形锂离子电池的径向导热系数，开展测试方法研究。在无损电池和只有电池圆周外表面的边界条件下，建立相应恒温和恒流两种测试模型和解析表达式，并通过有限元仿真来验证测试模型和解释表达式的准确性，预期为测试仪器的设计提供有效指导。[/size][size=24px][color=#cc0000]2. 圆柱形锂电池径向导热系数测试解析模型[/color][/size][size=18px]　　根据圆柱形锂电池的内部结构和传热方向，圆柱形锂电池的径向传热方式都是一个典型的径向圆周四散方式，因此采用柱坐标形式来描述圆柱形电池的测试模型，如图2-1所示，而其他形式的测试模型都无法准确描述圆柱形电池的传热方式。对于一个半径为R、高度为H的圆柱形锂电池，其径向导热系数测试的边界条件只能产生在r = R处的圆周外表面上。[/size][align=center][size=18px][img=,250,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070846574960_9557_3384_3.png!w533x664.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图2-1 圆柱形锂电池径向导热系数测试模型[/color][/size][/align][size=18px]　　如果假设圆柱形电池的上下两个端面为绝热面，那么电池外表面上的边界条件无外乎传热学中的三类边界条件，即恒定温度、线性升温和交变温度。由于被测电池尺寸相对较大，而且交变温度这种第三类边界条件的较难实现和解析模型非常复杂，因此我们只针对恒定温度和线性升温这第一和第二类边界条件开展相应的测试方法研究。[/size][size=18px]　　对于图2-1所示的柱坐标径向加热情况，热量仅沿径向流动。因此，温度分布在空间上是一维的，热流也是一维热流，并假设径向导热系数是均匀的，并且在较小的温度区间内与温度无关。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]2.1. 第一类边界条件：恒温测试解析模型[/b][/color][/size][size=18px]　　第一类边界条件是表面温度恒定，也就是在测试过程中，起始温度为T0的电池突然放置在温度Ts的环境中，而且此环境温度要高于起始温度T0，并保持恒定不变，由此热量通过电池径向进行传递，而在电池两个端部处于绝热状态。[/size][size=18px]　　以第一类边界条件进行的恒温测试，这里假设圆柱形电池是一个无限长棒传热模型，电池内的热传导方程为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,128]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070851382180_6133_3384_3.png!w690x128.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　其中T(r,t)是电池内坐标r处在时刻的温度，ρ、kr和Cp分别是电池的密度、径向导热系数和比热容。那么方程(1)的解为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,100]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070852022891_578_3384_3.png!w690x100.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　特征值λn由方程J0(λn)的根获得，J0表示第一类0阶贝塞尔函数。[/size][size=18px]　　当加热时间足够长之后，方程(2)可以简化为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,75]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070852313819_8684_3384_3.png!w690x75.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　其中αr=kr/(ρCp)为径向热扩散系数。对方程（3）两端去对数后，得：[/size][align=center][size=18px][img=,690,69]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070853086401_7706_3384_3.png!w690x69.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　由此可见，方程（4）是一个随时间变化的线性方程，通过其斜率m中包含着感兴趣的径向热扩散系数。对于圆柱形电池这种柱状坐标内的热传递，此时A1=1.6021，λ1=2.4048，那么方程（4）的斜率为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,53]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070853455432_5404_3384_3.png!w690x53.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　由此，可以通过测量获得内部温升变化数据，经过对数转换后得到一条直线，由此直线的斜率就可以通过方程（5）计算得到电池的径向热扩散系数。[/size][size=18px]　　在测试过程中不允许破坏圆柱形锂电池，因此在实际测试中并不能在电池内部上插入温度传感器获得T(r,t)测量值，但可以采用热流传感器在电池外表面获得热流随时间变化曲线。同样，通过对此恒温加热过程中的热流密度变化曲线取对数，其对数随时间的变化曲线也是一条斜率为方程（5）的直线。具体推导过程不再详述。[/size][size=18px]　　在此恒温测试过程中，电池比热容随温度的变化为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,39]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854129544_7533_3384_3.png!w690x39.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　其中A代表电池圆周侧面受热面积，q(t)代表热流计检测的热流密度，m代表圆柱形电池的质量，dT/dt代表升温速率。[/size][size=18px]　　假设在此温度变化范围内比热容是一个与温度无关的常数，那么在圆柱形电池从起始温度投入到环境温度T0中并最终达到稳定，则有：[/size][align=center][size=18px][img=,690,58]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854434347_7090_3384_3.png!w690x58.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　这样，通过得到的径向热扩散系数和比热容，结合圆柱形电池密度ρ的单独测量值，则可以计算得到径向导热系数kr：[/size][align=center][size=18px][img=,690,39]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854588515_1777_3384_3.png!w690x39.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#cc0000][b]2.2. 第二类边界条件：线性升温测试解析模型[/b][/color][/size][size=18px]　　第二类边界条件是表面温度线性升温，也就是在测试过程中，电池外表面加载恒定热量来加热电池，并假设在整个加热过程中恒定热量不会随时间发生损失。另外由于圆柱形电池是轴心对称结构，电池四周侧面加热形式会使得电池轴心线上是一个绝热状态。由此，电池内的热传导方程和相应的边界条件为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,209]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070855152111_5660_3384_3.png!w690x209.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　其中θ(r,t)是高于起始温度T0的温升θ(r,t)=T(r,t)-T0，T(r,t)是电池内坐标r处在时刻t的温度，ρ、kr和Cp分别是电池的密度、径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]　　由于只有恒定热流进入系统，没有任何热损失，这个测试模型并没有一个稳定的解，从理论上讲，电池温度会随着时间不断上升。实际上，随着加热时间的增大，辐射等效应会限制电池温度的无限升高，而电池的热性能测试只在相对较低的温度范围内进行，辐射等效应可以忽略不计。因此，θ(r,t)的表达式可以通过电池的平均温度（用θm(t)表示）必须随时间线性上升而导出。已经证明，对于这种表面温度线性变化的瞬态问题，由θ(r,t)减去θm(t)得到的子问题有一个解，该解包括稳态分量s(r)和指数衰减瞬态分量w(r,t)。[/size][size=18px]　　平均温升θm(t)可通过考虑电池质量的总比热容来确定。通过使用线性叠加和特征函数展开来解决剩余的子问题，最终的解被导出为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,155]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070855468233_8537_3384_3.png!w690x155.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　方程（10）表明，在电池中任意处的温升有三个分量：第一即随时间线性增加的分量，其斜率与比热容成反比；第二是一个随时间不变的空间变化项，与径向导热系数成反比；第三是指数衰减项，其时间常数与径向热扩散系数成反比，当时间常数足够大之后，也就是说加热时间足够长，第三项的指数衰减项可以忽略不计，也就是说此时电池内部温度变化进入了准稳态过程。一般来说，对于第二类边界条件的传热问题，基本上都是一个准稳态问题。[/size][size=18px]　　在测试过程中探测的是电池表面（r=R）温度，在进入准稳态过程后，那么方程(10)可以改写为：[/size][align=center][size=18px][img=,690,63]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070856126333_2457_3384_3.png!w690x63.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　由此可见，在进入准稳态过程后，电池表面的温升随时间变化将是一个以时间为变量的线性函数。对于这种恒定热流径向加热的测量方法，如果电池密度可以单独测量，并假设在小的温度范围内密度不随温度发生变化，那么就可以利用此线性温升函数的斜率和截距同时测定电池的比热容和径向导热系数。[/size][size=24px][color=#cc0000]3. 有限元仿真模拟[/color][/size][size=18px]　　从上述获得的不同边界条件时的表面温度解析表达式，可以采用恒温和恒流两种不同测试方法来实现对电池径向导热系数和比热容的测量。依据测试方法进行测试仪器设计和实施具体测试试验前，还需进行有限元仿真模拟计算，一方面是验证测试模型的准确性，另一方面是确定被测电池样品之外其他辅助测量部件对测试模型的影响，由此对测试仪器设计、具体试验方法和校准修正进行指导。[/size][size=18px]　　在有限元仿真模拟中，选择了与电池热性能相近的各向同性塑料类材料。这样做的目的一方面是有准确和可溯源的材料，另一方面是可以采用其他测试方法（如瞬态平面热源法和热流计法等）对这些材料进行准确测量以便于对比。所选材料为ABS塑料，其密度为1020kg/m3，导热系数为0.2256W/mK，比热容为1386J/kgK。有限元仿真为随时间变化的瞬态形式，起始温度为20℃，总加热时间为600s。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]3.1. 恒温加热测试方法的模拟[/b][/color][/size][size=18px]　　在恒温加热测试的仿真模拟中，为缩小瞬态仿真的计算量，根据圆柱形电池的轴对称性取圆柱形电池的四分之一进行仿真。仿真对象完全按照18650圆柱形电池尺寸设计（直径26mm，高度65mm），考虑到要在电池表面安装薄膜热流计，设计了一个厚度为0.1mm的纯铜圆筒来代表实际测试中紧贴电池表面的绝缘膜和薄膜热流计等，最终设计的测试仿真模型如图3-1所示。[/size][align=center][size=18px][img=,200,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070848153976_8892_3384_3.png!w323x715.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-1 有限元仿真模型[/color][/size][/align][size=18px]　　当圆柱形电池从起始温度20℃开始在表面温度突然提升至25℃后，在电池整体达到温度稳定后降温至20℃。对于这个完整的加热过程，仿真结果如图3-2所示，显示了仿真计算得到的电池轴心温度和电池表面热流密度随时间变化曲线。图3-3显示了表面热流密度变化曲线及其对数形式的对比。[/size][align=center][size=18px][img=,690,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070848451495_7520_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-2 恒温加热方法有限元仿真结果：电池轴心温度和表面热流密度变化曲线[/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000][img=,690,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070849029885_9003_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-3 恒温加热方法有限元仿真结果：表面热流密度变化曲线及其对数形式[/color][/size][/align][size=18px]　　从图3-3可以看出，电池表面热流密度曲线的对数形式是一条直线，其斜率为0.005323。根据方程（5），则可以计算得到径向热扩散系数为1.556×10-7m2/s，与仿真计算的理论值1.596×10-7m2/s相差了2.5%。同样，对获得的表面热流密度按照时间进行积分，根据方程（7），则可以计算得到比热容为1378J/kgK，与仿真计算的理论值1386J/kgK相差了0.6%。根据仿真得到的热扩散系数和比热容，则可以计算的电池径向导热系数为0.2186W/mK，与理论值0.2256W/mK相差了3.1%。[/size][size=18px]　　从上述仿真结果可以明显看出，电池径向导热系数测量结果的误差主要来自径向热扩散系数，这是因为在仿真计算的测试模型中考虑了铜制薄膜所带来的影响。如果不考虑铜制薄膜而只对电池本身进行仿真，径向热扩散系数的相对误差为1.3%，比热容的相对误差为0.1%，径向导热系数的相对误差为1.3%。[/size][size=18px]　　通过以上恒定温度测试方法的仿真模拟，可以得到以下结论：[/size][size=18px]　　（1）证明了恒定温度测试方法的有效性，证明了用方程（5）可测量径向热扩散系数，用方程（7）可测量比热容，以及最终准确得到径向导热系数，并具有很高精度。由此可以实现只需检测圆柱形电池表面热流变化就可以同时测量电池的径向热扩散系数、径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]　　（2）恒定温度测试方法的一个显著特点是加热温度可以任意设定，即可以在一个较窄的温度区间内（如1℃范围）测试相应的导热系数和比热容，并通过温度的台阶式不断升高来覆盖较大温度范围导热系数和比热容的测量。另外，这个能力一方面可以用来测量整个被测样品内部相变过程中的热性能，另一方面可用来代替绝热量热计进行电池热失控测量。[/size][size=18px]　　（3）通过仿真发现，在测试仪器设计和实际测试过程中，要考虑除电池之外的其他部件（如薄膜热流计、加热膜、均热膜和绝缘膜等）对测量的影响。因此，在实际测试过程中，要进行修正和校准，以最大限度消除这些影响。[/size][size=18px]　　（4）恒定温度测试方法中，测量径向热扩散系数的误差较比热容的误差略大，虽然都可以获得较高的测量精度，而比热容的测量精度更高。[/size][size=18px]　　（5）这种恒定温度测试方法的另一个特点是测试时间较长，一个温度步长的测量就需要近40分钟，如果采用多温度步长来覆盖较宽的温度区间，则需要更长测试时间。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]3.2. 恒流加热测试方法的模拟[/b][/color][/size][size=18px]　　在恒流加热测试方法的仿真模拟中，同样采用图3-1所示的仿真模型，但边界条件是恒流加热方式。当设定加热功率为0.3W时，仿真结果如图3-4所示。[/size][align=center][size=18px][color=#cc0000][img=,690,468]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070849223050_1234_3384_3.png!w690x468.jpg[/img][/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-4 恒流加热方式有限元仿真结果[/color][/size][/align][size=18px]　　图3-4所示的仿真结果显示了电池中心轴线和外表面温度随时间的变化，为了便于观察还显示了内外温度差。从内外温差曲线可以看出，在开始加热的400s后，温差曲线开始保持恒定不再变化，完全进入了准稳态过程，400s以后的外表面温度随时间变化呈现出线性状态。线性拟合400s后的表面温升曲线，得到一个标准的线性方程θ(R,t)=0.0237t+3.0094。由方程（11）可以得到：[/size][align=center][size=18px][img=,690,66]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070856479346_3131_3384_3.png!w690x66.jpg[/img][/size][/align][size=18px]　　根据已知的热流密度Q、电池半径R和密度ρ，则可以同时获得电池的径向导热系数和比热容，分别为0.2376W/mK和1400J/kgK。[/size][size=18px]　　将仿真模拟的计算结果与设定值比较可以发现，仿真结果得到的导热系数偏差约5%，比热容则偏差约1%。这种偏差主要是由于代入计算的0.3W加热功率并没有完全用来加热电池，部分功率用于加热了铜膜。[/size][size=18px]　　对仿真测试模型进行更改，去掉铜膜，使0.3W加热功率完全作用在电池上，此时得到的径向导热系数和比热容分别为0.2269W/mK和1380J/kgK，与设定值相比误差在0.5%左右，完全与设定值吻合。[/size][size=18px]　　通过上述恒定热流测试方法的仿真模拟，可以得到以下结论：[/size][size=18px]　　（1）证明了用方程（11）描述准稳态过程中电池表面温升是合理的，由此实现了只需检测电池表面温度变化就可以同时测量电池的径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]　　（2）需要注意的是，用方程（11）得到的径向导热系数和比热容，是整个温升范围内的平均导热系数和平均比热容，并不是某一个温度点下的热性能数值。由于整个温升区间较小，认为在此温度区间内导热系数和比热容是常数。[/size][size=18px]　　（3）测试仪器设计和实际测试过程中，要考虑除电池之外的其他部件（如加热膜、均热膜和绝缘膜等）对测量的影响，这些部件因自身热容会损耗掉一部分加热功率。因此，在实际测试过程中，要进行修正和校准，以最大限度消除这些影响。[/size][size=18px]　　（4）径向导热系数测试对上述其他部件的影响最为敏感，比热容测试则并不敏感，这就是径向导热系数准确测量的难度所在。[/size][size=24px][color=#cc0000]4. 结论[/color][/size][size=18px]　　特别针对圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术开展了研究，建立了简单易操作的测试方法，并用有限元仿真对测试方法进行了验证，整个研究工作得出以下结论：[/size][size=18px]　　（1）针对圆柱形锂离子电池径向导热系数，建立了恒温和恒流两种测试时模型和相应的测试方法。有限元仿真模拟证明了这两种测试方法都具有很高的测量精度，完全可以应用在实际测试中，这对锂离子电池的热性能测试有着重要意义。[/size][size=18px]　　（2）建立的两种测试方法，都可以通过一次升温试验就可以获得径向导热系数、径向热扩散系数和比热容数值。特别是恒温测试方法还可以进行宽温区范围的热性能参数随温度变化的测量，甚至可进行整个相变过程中的热性能测量。[/size][size=18px]　　（3）建立的等温测试方法，已经基本具有了常用的加速绝热量热仪的功能，可代替和补充加速绝热量热仪进行电池的热失控检测。[/size][size=18px]　　（4）建立的两种测试方法简单且易于实现，试验操作方便，非常适合电池性能考核中其他变量的加载，如电池充放电过程中的热性能检测。[/size][size=18px]　　（5）圆柱形锂电池径向导热系数测试方法上的突破，可将恒温和恒流两种测试方法推广应用到其它规格锂离子电池的热性能测试中，可进行各种加载条件和各个方向上的锂电池热性能测试。[/size][size=18px]　　（6）所研究的恒温和恒流两种测试方法原理简单，边界条件易于实现，非常有利于低价仪器化和模块化，以及与其他测试仪器的集成。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

干燥设备在医药上的发展领域 现在我国医药工业的飞速发展，在医药上的干燥设备技术在市场上也取得很大的进步。国内干燥设备不管是在结构、功能还是质量都有了显著的改善和提高。设备除了在国内制药企业需要外，还有一部分设备还走出国门，远销海外。这些都说明，中国医用干燥设备这个行业的潜力是很大的，中国的干燥设备技术正在逐步走向成熟，其中流化床干燥设备就是这样。 1 流化床的定义利用流态化技术对流体或固体颗粒进行物理或化学加工，如干燥、浸取、吸附和离子交换、颗粒混合等，流化床干燥就是其中之一。流化床干燥设备的工作原理：干燥时先将颗粒状的湿物料加入到多孔分布板上，热空气由多孔分布板的下部送入，控制速度，使颗粒松动并向上浮动，并部分悬浮于气流中。由此形成的气固混合物被热风加热至干燥状态。与其他干燥类方式相比，流化床干燥具有：颗粒原料可以轻易地流化、输送加工；对干燥热敏性产品可避免局部物料过热，适应性强。不降解产品的分子量，不破坏产品的物化特性；由于流化床能给物料和流体介质提供较大的接触面积，使物料均匀混合并进行充分的传热和传质，因此具有极高的热效率；流化床内可设管束型或平板型的热交换器，用于间接加热或冷却，能使物料在较低温度下得到较高的蒸发速度，明显节约能耗，减少废气净化设施；干燥和冷却能在一台组合式流化床中有效的进行，因而既节省投资又降低生产成本；自动采集各段干燥介质温度、床面负压等重要数据，实现电脑控制，满足干燥工艺的要求；流化床适用于平均粒度在50～5 000 um的粒状、粉状、块状的产品，故尤其适用于药品类物料的干燥作业。2 发展沿革我国流化床技术的发展经历过三个不同历史时期。改革开放前，我国基本上没有正规的工业化生产，个别生产企业、设计研究院（所）、大专院校等单位设计生产了一部分圆筒式或卧式多室流化床，并已开始接触振动流化床和惰性粒子流化床。据不完全的调查结果显示，到1971年，全国使用流化床的企业已有40多家，分布在化工、轻工、制药等行业，涉及到的物料有聚四氟乙烯、涤纶颗粒、氯化铵、水杨酸钠、无水亚硫酸钠、氨基匹林、土霉素、催化剂等数十种。但由于当时国内专业化生产水平有限，新技术的推广只能在行业内小范围进行，发展速度和规模均受到限制。改革开放初期，国家提倡鼓励引进先进技术，国内的化工、医药、食品等行业，引进了一大批代表当代先进水平的流化床干燥机，如黑龙江安达乳品厂引进的喷雾+振动流化床双级干燥系统，辽阳石化、燕山石化、齐鲁石化等引进的多室流化床和气流+流化床双级干燥装置，湖北应城盐矿、天津碱厂引进的振动流化床，营口盐场引进的内热流化床，北京药厂等引进的流化床制粒干燥设备，吉林盘石农药厂引进的搅拌流化床等。这些先进设备的引进，极大地开阔了国内干燥行业的视野，促进了产品的革新换代。与此同时，国内干燥行业的一些企业也迅速采取引进、横向联合、消化吸收等手段，加大新产品开发力度。3 药用流化床干燥设备产品市场概况我国药用干燥设备产品市场发展很快，就流化床干燥设备而言，目前国内绝大多数干燥设备生产厂家都能生产多种类型的流化床干燥设备，产品的技术水平则参差不齐，除了供应国内药厂使用外，还被广泛应用于食品、化工、轻工等工业领域。从生产厂家分布情况看，大致集中在江苏、浙江、上海、重庆和东北地区。其中尤以江苏常州地区为甚，这一区域集中了几百家干燥设备生产厂家，而且几乎家家都具有生产流化床干燥设备产品的能力。4 市场调研简况为了进一步了解国内药用流化床干燥设备产品及市场情况，近期，我们通过发调查函、电话咨询、网上查询及与一些业界人士的交流，对目前国内生产药用流化床干燥设备的企业、产品在用情况做了一些调查。从网上不完全搜寻到国内生产此类设备的厂家达150多家，其中江苏常州地区的干燥设备生产企业特别集中，占据了“半壁江山”，其他地区也有，如江苏靖江地区、浙江地区、上海地区、山东地区、东北地区等，但像常州地区集中度如此之高的绝无仅有。我们对国内的部分药厂（其中不乏知名药厂）的设备管理部门发放了一份简单的调查问卷，回复的结果涉及了15家药机生产厂家的41台药用流化床干燥设备。其中国产设备38台，进口设备3台。15家中既有常州地区和重庆地区的干燥设备制造企业，也有其他地区的厂家，另外还有德国GLATT公司、德国基伊埃公司。我们对用户反馈的流化床干燥设备在用情况（质量、性价比、售后服务）作了一个简单的综合评价。质量方面：“优”占16.67%，“中”占75%，“差“占8.33%；性价比方面：“高”占16.67%，“中”占75%，“低”占8.33%；售后服务方面：“优”占16.67%，“一般”占70.83%，“差”占12.5%。对进口设备的评价较高，国产设备中性评价的居多。具体评价有：（1）质量不错，性价比较高，设备带变频控制，可实现半自动和全自动控制。（2）质量还行，基本未出大问题，小问题时有但未影响生产。（3）质量还行，总体感觉不错，研发配合也不错，设备使用至今尚未遇过大修，等等。在不足之处方面，他们对一些设备也提出了一些建议，如产品的设计和制造方面还应作进一步的改进和提高、加强设备的节能设计。5 当前国内药用流化床干燥设备产品技术上还存在的一些亟待解决的问题药品生产工艺技术的快速发展带动了制药机械的空前繁荣，药用流化床干燥设备的产品技术也随之“水涨船高”。由于流化床干燥方式所固有的优势及设备技术的不断完善和提高，其在制药工艺中得到了越来越多的推广和应用，但是，其应用有一定的限止性，如：对被干燥物料的颗粒度要求较为严格，粒度太小易被气流夹带，粒度太大不易流化；当几种物料混在一起干燥时，则要求几种物料的相对密度应接近；一般不适用含水量过高易结团的物料，否则易发生结壁或堵床的现象，等等。但瑕不掩瑜，流化床干燥设备以其优良的性能已经越来越多的得到了认可，其在制药生产中的广泛使用也就不奇怪了。6 从流化床干燥设备看国内市场前景我国干燥设备的运用已有几十年的历史，但大规模地研究开发则只有短短的20多年。经过广大工程技术

原文来源：温湿度试验箱之温度均匀度的影响因素 编辑：林频仪器　　[b]温湿度试验箱[/b]的温度指标有温度范围、温度均匀度以及温度波动度，在试验进行温度调整时往往有着众多因素来影响着温度均匀度的平衡状态，为了达到数据的最小误差，小编在此文中为用户总结了几点常见的影响因素： [img=,310,350]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/06/201706050917_01_1037_3.jpg[/img]　　1)热负载因素→如果试验箱工作室内放置了足够影响内部整体热对流的试验样品，就必然会在一定的程度上来影响内部温度的均匀性，比如说放置LED照明产品，其产品自身就存在着发光发热的情况，成为热负载，那么对于温度均匀度的就存在很大的影响 　　2)热传递→由于工作室的箱壁前后左右上下6个面的传热系数不同，因有的有穿线孔、检测孔、测试孔等小细节的设计会导致局部有散热、传热，使设备箱体有温度不均匀现象，而使箱壁幅射的对流传热也会不均匀，影响温度均匀 　　3)热辐射→设计上的问题导致试验箱在内部结构、空间的设计很难达到均匀的对称结构，温湿度试验箱而不对称的结构必然会导致内部温度均匀度产生偏差，这个层面它最主要的是反映在钣金设计与它的处理两方面，比如风道的设计、发热管的放置位置、风机功率的大小等原因

[size=16px][color=#339999]摘要：在传热学第三类边界条件下进行的热物性测试方法中，如Angstrom法、ISO 22007-3温度波法和ISO 22007-6温度调节比较法，会要求边界温度严格按照正弦波形式进行变化，但采用正弦波加热电流方式的现有技术很难实现准确稳定的正弦温度波输出，且给测量带来较大的随机误差。为此本文提出了相应的解决方案，方案的核心是采用具有远程设定点功能的PID控制器，并配套外置正弦波信号发生器或过程校验仪，通过不断改变PID控制器设定值来实现正弦温度波的准确输出。[/color][/size][align=center][size=16px][img=热波法导热系数测试中的正弦波温度控制解决方案,550,386]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303140940316764_4110_3221506_3.jpg!w690x485.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在一些导热系数或热扩散系数的热物理性能测试方法中，常会用到第三类正规热工况的边界条件，即边界温度按照相对恒定的平均值以正弦波周期规律变化。在实际应用中，采用这种第三类正规工况的测试方法主要有以下几种：[/size][size=16px] （1）经典的Angstrom法。[/size][size=16px] （2）ISO 22007-3-2008 ：塑料 导热系数和热扩散系数的测定 第3部分 温度波分析法。[/size][size=16px] （3）ISO 22007-6-2014：塑料 导热系数和热扩散系数的测定 第6部分 采用温度调制技术的比较法用于低导热系数测量。[/size][size=16px] Angstrom法是一种经典的稳态测试方法，如图1所示，对线状或薄片状样品的一端进行周期性加热和冷却形成温度正弦波形式的温度波，并以一维热流方式进行传递。在达到稳态后通过样品上两个位置的温度波形关系，可根据测量公式得到样品长度或面内方向的热扩散系数。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=Angstrom法原理图,550,410]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303140943064205_5246_3221506_3.jpg!w690x515.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 Angstrom法原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] ISO 22007-3温度波分析法也是一种稳态热扩散系数测试方法，如图2所示，在一维热传导模型中，薄样品夹持在两块半无限大厚度的背板之间。当在样品的前表面生成一个正弦温度波时，温度波将沿着样品厚度方向传播，并在样品的背面被检测到。通过所检测的样品前后两表面的温度波形关系，可根据测量公式得到样品厚度方向的热扩散系数。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=ISO 22007-3温度波分析法原理图,550,300]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303140949566551_1344_3221506_3.jpg!w690x377.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 ISO 22007-3温度波分析法原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] ISO 22007-6温度调制比较法同样是一种稳态测试方法，如图3所示，其测量原理是采用具有一定厚度且热物性参数已知的探测材料与半无限大的样品材料进行对比测量。同样，也是通过所检测的样品前后两表面的温度或热流波形关系，可根据测量公式得到样品厚度方向的导热系数。[/size][size=16px][/size][align=center][size=14px][img=,400,413]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303140953560634_9437_3221506_3.jpg!w664x686.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 ISO 22007-6 温度调制比较法原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从上述三种不同的测试方法可以看出，其共性都是需要加载正弦波形式的温度变化，并在满足稳态一维热流的条件下进行线材、膜材和板材的热扩散系数和导热系数测试，而此正弦波温度实验条件的实现则是这些方法准确测量的关键技术。[/size][size=16px] 正弦波温度这一实验条件实际上是上述测试方法的重要边界条件，正弦波温度的波形准确性和稳定性决定了这些测试方法的测量精度，如何形成准确和稳定的正弦波温度具有很大的技术难度，还未见得相关的研究报道。目前常用的比较简陋的正弦波温度实现方法有以下两种：[/size][size=16px] （1）采用正弦波形式的加热电流来使得加热温度也具有正弦波形式，但这种纯电流加热形式只能在较高温度下实现，以在高温下利用自然（或强制）冷却降温来形成正弦波温度，由此所形成的温度波形存在很大的畸形和不规则性。[/size][size=16px] （2）采用具有加热和制冷功能的TEC半导体制冷技术进行温度交变控制，虽然输出的温度波形具有很好的一致性和稳定性，但同样存在较大的畸形和不规则性，很难实现正弦温度波输出。[/size][size=16px] 由此可见，目前的正弦波温度的形成存在很大问题，这是造成上述测试方法存在较大误差的主要原因。为了解决这些问题，实现正弦温度波的准确稳定输出，本文提出了以下解决方案。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 解决方案[/color][/size][/b][size=16px] 分析正弦波温度形成的机理以及现有技术存在的问题，若想实现准确、稳定、可任意设定和调节的正弦波温度输出，需要解决以下三方面的问题：[/size][size=16px] （1）直接对温度进行控制，能按照所设定幅度和频率变化直接输出正弦形式的温度波。[/size][size=16px] （2）对于具有自然冷却和强制冷却（如水冷和风冷）的热环境，由于冷却功率基本为恒定值，这就需要具备正弦波温度输出过程中的反馈控制，能根据设定的正弦温度波曲线以及反馈信号自动调节加热功率，使输出的温度变化与设定曲线一致。[/size][size=16px] （3）对于具有主动加热和制冷能力的热环境，如TEC半导体制冷器，同样需要具备正弦波温度输出过程中的反馈控制，能根据设定的正弦温度波曲线以及反馈信号自动调节加热和制冷功率，使输出的温度变化与设定曲线一致。[/size][size=16px] 针对上述三方面的问题，我们提出的解决方案包括以下几项技术内容：[/size][size=16px] （1）采用具有PID自动调节功能的闭环控制技术和相关仪器，能根据设定波形和测量得到的温度或热流传感器信号进行反馈控制，同时具有PID参数自整定能力。[/size][size=16px] （2）PID自动调节技术和相关仪器除了具备单通道调节功能以实现纯加热控制之外，还采用了双通道调节技术以能对加热和制冷进行独立控制，以实现对TEC半导体制冷器进行控制。[/size][size=16px] （3）关键技术是采用了具有外部设定点功能的PID调节器，即PID调节器能接收外部任意波形信号作为设定值，使得PID调节器能始终按照随时间快速变化的设定值（如正弦波）进行控制而形成准确和稳定的正弦温度波。 [/size][size=16px] （4）为配合具有外部设定点功能的PID控制器，还配套了一个函数信号发生器，以外置形式为PID控制器提供和传输所需的正弦波信号。[/size][size=16px] （5）对于PID控制器和外置函数信号发生器，配套有相应的计算机软件，可通过上位机以通讯方式操作软件进行各种参数设置和运行操作。[/size][size=16px] 具有上述技术内容的解决方案如图4所示，其相关部分的详细内容如下。[/size][align=center][size=16px][img=正弦波温度发生器结构示意图,690,248]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303140945326913_2524_3221506_3.jpg!w690x248.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图4 正弦波温度发生器结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]2.1 具有远程设定点功能的PID控制器[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案中所用的VPC 2021-1系列PID控制器，是一种符合上述1、2和3条技术要求的同时具有内部设定值和外部远程设定值功能的PID控制器，可通过软件或外部开关进行内部和远程设置值功能之间的切换，通过此远程设定值功能使得PID控制器的能力更加强大。[/size][size=16px] 这种具有远程设定点功能的PID控制器配置有两个输入通道，第一主输入通道作为测量被控对象的传感器输入，第二辅助输入通道用来作为远程设定点输入。与主输入信号一样，辅助输入的远程设定点同样可接受47种类型的输入信号，其中包括10种热电偶温度传感器、9种电阻型温度传感器、3种纯电阻、10种热敏电阻、3种模拟电流和12种模拟电压，即任何信号源只要能转换为上述47种类型型号，都可以直接接入第二辅助输入通道作为远程设定点源。[/size][size=16px] 与两个输入通道相对应的有两个输出通道，如果仅用第一输出通道则仅能单独实现加热功能，而如果同时采用两个输出通道分别作用于TEC半导体制冷片，则通道1作为加热的正向控制，通道2作为制冷的反向控制，由此可实现加热和制冷的自动控制。[/size][size=16px] 需要注意的是，远程设定点功能只能在单点设定控制模式下有效，即具有远程设定模式的高精度PID控制器不具备内部设定值的可编程程序控制功能，只能进行内部设定值的单点控制和外部设定值控制。当然，外部设置值控制也基本相当于一种周期信号的程序控制。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.2 函数信号发生器[/b][/color][/size][size=16px] 对于函数信号发生器的配置，除了需要具备正弦波信号输出功能之外，还满足以下要求：[/size][size=16px] （1）对于采用热电偶作为温度传感器的温控系统，可直接采用普通的函数信号发生器即可，只是需要将发生器输出的电压值转换为相应的热电偶测温所对应的热电势。[/size][size=16px] （2）对于采用热电阻作为温度传感器的温控系统，同样需要将信号发生器的电阻输出值转换为相应的热电阻测温所对应的电阻值，一般可选择用于热电阻校准的过程校验仪。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.3 接线、参数设置和操作[/b][/color][/size][size=16px] 在如图4所示的正弦温度波发生器中，主输入通道连接温度传感器，辅助输入通道连接函数信号发生器或过程校验仪，两路输出通道分别连接双向电源驱动器，电源驱动器连接TEC半导体制冷片。由此传感器、电源驱动器、PID调节器和TEC半导体制冷片组成标准的闭环控制回路，由此实现各种参数的正弦波形式的温度变化输出。[/size][size=16px] 完成上述外部接线后，在进行正弦温度波控制输出之前，需要对PID控制器的辅助输入通道相关参数进行设置，需要满足以下几方面要求：[/size][size=16px] （1） 接入辅助输入通道的远程设定点信号类型要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （2） 辅助通道的显示上下限也要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （3） 显示辅助通道接入的远程设定点信号大小的小数点位数要与主输入通道保持一致。[/size][size=16px] 完成上述辅助输入通道参数的设置后，开始使用远程设定点功能时，还需要激活远程设定值功能。远程设定值功能的激活可以采用以下两种方式：[/size][size=16px] （1） 内部参数激活方式：在PID控制器中，设置辅助输入通道的功能为“远程SV”。[/size][size=16px] （2）外部开关切换激活方式：如图4所示可连接一个外部开关进行切换来选择远程设定点功能。同时，还需在PID控制器中设置辅助输入通道的功能为 “禁止”，然后设置外部开关量输入功能DI1为“遥控设定”。通过这种外部开关量输入功能的设置，就可以采用开关实现远程设定点和本地设定点之间的切换，开关闭合时为远程设定点功能，开关断开时为本地设定点功能。[/size][size=16px] 需要注意的是，无论采用哪种远程设定点激活和切换方式，在输入信号类型、显示上下限范围和小数点位数这三个参数选项上，辅助输入通道始终要与主输入通道保持一致。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案，可以彻底解决正弦波温度输出中存在的问题，而且使用简便和门槛较低，无需再进行复杂的程序编写。[/size][size=16px] 另外，本解决方案还配备了相应的计算机软件，采用具有标准MODBUS协议的RS485通讯，通过计算机运行软件可非常方便的远程运行PID控制器以及进行控制器的各种参数设置，同时还可以采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]