热物性测试2011-讲义资料

第37卷第2期南京理工大学学报V01．37N o．2呈Q!三生垒旦塑!型堕翌!型堡墨旦型!!!!竺堕皇堡竺!!竺!里!!竺竺生墅垒巳!：2Q!三基于无限长圆柱热响应的岩土体热物性测试方法余延顺，许磊，陈水锋，钱普华(南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094)摘要：岩土的热物性参数是影响地源热泵系统设计与运行的重要因素。

该文基于半无限大物体恒热流作用下的非稳态传热理论，通过引入形状修正系数得到恒热流作用下无限长圆柱体的热响应，数据处理获得岩土体导热系数与导温系数的表达式。

应用该理论对扬州市某住宅建筑地源热泵系统地下岩土进行热响应测试，测得岩土的平均导热系数与导温系数分别为1．03W／(m℃)和0．231m m2／s。

实测数据与理论结果吻合良好。

关键词：地源热泵；热响应测试；土壤热物性参数；形状修正系数中图分类号：T U832．1文章编号：1005—9830(2013)02—0305—04M et hod t o det er m i ne soi l t her m o-phys i cal par am et er s based ont her m al r es ponse of i nf i ni t e cyl i nderY u Y a nshun，X u Lei，C hen Shui feng，Q i an Puhua(School of E ne r gy and Pow er E ngi nee ri ng，N U ST，N anj i ng210094，Chi na)A bst r a ct：The soi l t her m o—phys i cal par am et e r s ar e i m por t ant f act or s f or t he des i gn and oper at i on of t hegr ound s our ce heat pu m p sys t em．B ased o n t he uns t ea dy heat t rans f er t heor y of t he se m i—i nfi ni t e body w i t h t he cons t ant heat fl ux，t he t her m a l r es p ons e of t he i nfi ni t e cyl i nder i s pr e sent ed by i nt r oduci n g a s ha pe corr ect i on coef f i ci ent，and t he expr es s i ons of t he soi I t he r m al conducti vi t y a nd t he t her m a l di f fus i vi t y a r e obt ai ned by dat a pr oces s i ng．A ppl yi ng t he pr e sent ed t heor y，a soi l t her m al r esponse t e st of t he gr ound s our ce heat pu m p s ys t em i s pe rf orm ed f or a r es i dent i al bui l di ng l ocat ed i n Y angzhout her m al conducti vi t y a nd t her m al di ff usi vi t y ar e1．03w／(m oC) ci t y．The r esul t s s how t hat t he soi land0．231m l n2／s r es p ect i vel y，and t he t heoret i cal r es ul t s ar e i n good agr ee m ent w i t h t he t e s t．K ey w or ds：gr ound s our ce heat pum p；t he r m al r e spons e t e st；soi l t he r m o-phys i cal par am et e r s；shape cot r eet i on coef fi ci ent s收稿日期：2011—10—3l修回日期：2012—01—16基金项目：国家自然科学基金(50806034)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(07一A一015)；南京理工大学自主科研项目(2010Z Y TS047)作者简介：余延顺(1975一)，男，博士，副教授，主要研究方向：空调热泵技术及应用，固体废弃物资源化利用技术，E-m ai l：yuy ans hu n@gm ai l．com。

岩土热物性测试要求1.测试前准备：在进行岩土热物性测试之前，必须对测试样品进行充分的准备。

首先，应选择代表性的岩土样品进行测试，避免样品的非均匀性导致测试结果的误差。

其次，应根据需要进行样品的加工，如研磨、筛分等，以保证样品的粒度适宜。

此外，在进行测试之前，还需要对测试仪器和设备进行校准和检查，以确保其状态良好。

2.测试方法选择：岩土热物性测试的方法多种多样，选择合适的测试方法对于测试结果的准确性至关重要。

常用的测试方法包括热导率测试、热扩散系数测试、比热容测试等。

在选择测试方法时，应考虑样品的性质、测试目的以及实验条件等因素，合理选择测试方法并进行必要的修正和补偿。

3.测试环境控制：在进行岩土热物性测试时，对测试环境的控制是十分重要的。

温度、湿度、气体组成等环境因素可能对测试结果产生较大的影响，因此必须进行严格的环境控制。

例如，在进行热传导测试时，应保持测试环境的稳定，并排除外界因素的干扰，以确保测试结果的准确性和可重复性。

4.测试样品状态：岩土热物性测试的样品状态对测试结果会有较大的影响，因此在进行测试时必须对样品状态进行控制和评估。

例如，在进行热导率测试时，样品的饱和度、孔隙度以及颗粒大小等因素会对测试结果产生较大影响，因此需要对样品的这些特性进行准确的测量和评估，并记录相应的数据。

5.数据处理和分析：在完成岩土热物性测试后，需要对测试数据进行准确的处理和分析。

这包括数据的统计处理、曲线拟合、图表绘制等过程。

同时，还应对测试结果进行分析和解释，并与现有的岩土热物性数据进行比较，以验证测试结果的可靠性和合理性。

总之，岩土热物性测试需要遵循一定的要求，以确保测试结果的准确性和可靠性。

在测试前准备工作、测试方法选择、环境控制、样品状态评估以及数据处理和分析等方面，都需要严格按照规范进行操作。

只有这样，才能获得准确有效的岩土热物性测试结果。

钻井液热物性参数测量及其对井筒温度场的影响钻井过程中，钻井液是至关重要的物质，因为它能够减少钻孔难度，并帮助保持井穴的稳定性。

随着钻井技术的不断发展，更多的关注被放在了钻井液热物性参数的测量和它们对井筒温度场的影响上。

本文将探讨这个话题。

一、钻井液热物性参数的测量钻井液热物性参数是指液体的热传导系数、热扩散系数、热容量和导热系数。

这些参数可以通过热响应测试来测量。

一般情况下，这个测试会在运用垂直井口放射技术时进行。

它的基本原理是通过在井口处加热一段时间，然后测量液体的温度变化，推断出热物性参数。

二、钻井液热物性参数对井筒温度场的影响钻井液热物性参数的测量可以提供钻井液温度不随时间变化的前提条件下，在井深不同的地方对同一液体的特性参数进行研究并考察它们对井筒温度场的影响。

影响因素主要有以下两个方面的因素：1. 影响因素一：加热 Q沿着井深方向，加热 Q 是钻井液在温度场中吸收的热能，这是井轨温度升高的主要原因之一。

加热 Q 跟钻井过程中的一些参数有关，例如：钻头的旋转速度、井作为的温度、井的截面积和钻井液的热参数等。

2. 影响因素二：导热系数 k导热系数 k 是钻井液与钻孔土层之间的热传递速率。

因此，厚润的钻井液和导热系数大的土层之间的热传递速率就高。

在钻井过程中，液体温度升高越快，导热系数越大，井轨温度升高的速度就越快。

三、结论通过钻井液热物性参数的测量，我们能够更好地了解钻井液的特性参数，并通过研究它们对井筒温度场的影响，优化钻井工艺，提高钻井效率。

因此，在钻井过程中，必须要重视液体的热参数的测量与研究。

同时，在钻井液的选择和设计方面，也需要充分考虑液体的热物性参数，以确保钻井过程顺利，安全，高效。

四、应用钻井液的热物性参数通过研究可以有效地优化钻井，提高钻井效率和安全性。

以下是一些应用：1. 控制井轨温度井轨温度的升高会对钻井设备造成损坏，甚至可能导致钻孔的坍塌等问题。

因此，研究钻井液的热物性参数可以帮助我们有效地控制井轨温度，保障钻井设备和井孔的安全。

热线法测量导热系数1.导热系数测定原理热物性是物质在受热过程中表现出来的属性一般都用宏观的方法研究与测热物性测定的一个共同特点是人为地安排一个热过程，然后对热过程进行测所直接测量的物理量有温度、时间、长度、质量、电流、电压等，再根据一关系式计算出热物性，因而热物性测定属于间接测定。

导热系数是物质重要物性参数，其测定方法的研究是通过建立适当的物理模型，根据热量传递理行数学分析，导出直接测量的物理量与导热系数之间的关系，并借助于误差，指导改进试验方案的设计和提高导热系数测定值的精度[1]。

对所有材料而言，凡是能为下式（傅立叶导热方程式）的特解提供所需边界条件的任何仪器，都可测定导热系数。

式中，ρ为密度，c 为比热容，z y x λλλ、、分别对应x 、y 、z 方向上的导热系数。

对于各向同性的介质，方程简化为由推测的温度分布随时间的变化函数关系计算出热扩散率，然后再根据热容确定导热系数λ。

对于各种导热系数的测定方法，概括起来就是确定一个导热过程的物理模型，并导出描述这一过程规律的微分方程，求在一定单值条件下微分方程的解，在实验中要满足这些条件，最后将测量结果带入微分方程的解中，进而求得微分方程中的物性参数λ的值。

2 导热系数测定方法在实际工程中，各种固体材料的导热系数相差很大，其变化范围从与已知气体一样低的数值到比气体的导热系数高几个数量级。

对于高电导率余属，可以观测到其导热系数是相当之高。

因而在实际导热系数λ的测试研究中，必须应用各种极为不同的方法来测量各种不同固体材料的导热系数。

由于物理模型、实验方案及实验装置的不同，有许多导热系数的测定方法，如果按照热流状态分，可分为稳态法和非稳态两大类，也有两者结合的综合法，详述如下。

稳态法是在待测试样上温度分布达到稳定后进行实验测量，其分析的出发点是稳态导热微分方程。

这种方法的特点是实验公式简单，实验时间长，需要测量热流量和若干点的温度。

在稳态法中将直接测量热流量的方法称为绝对法，通过测量参比试样的温度梯度，间接测定热流量的方法称为比较法。

橡胶热物性参数测量方法1.试验原理瞬态平面热源法测定材料热物性的原理是将Hot Disk探头放置在两片样品之间，通过施加足以引起探头温升几分之几度至几度的电流，同时及记录电阻(温度)增加与时间的关系,通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映样品的导热性能。

2.术语和定义热扩散系数α：热扩散系数又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力。

导热系数k: 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1h内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)。

比热容c：比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。

3.试样圆形试样（或长方形试样）：相同形状和大小的经过硫化的橡胶块两块，厚度≥8mm，直径6cm,表面光滑平整。

4.实验仪器Hot Disk 热常数分析仪（Hot Disk TPS500）、高低温恒温箱5.试验温度测量温度范围为20℃-150℃，取10个测量点，分别为20℃、40℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、130℃、150℃。

6.测量步骤6.1 样品安装1. 把探头安装到室温样品支架2. 把其中一个样品放置到样品支架的台面上，并通过两个螺丝调整它的高度使样品的表面和已经水平固定的探头处于同一个平面。

3. 把第二个样品放置到探头的上面，使用探头上方的单个螺丝给样品加压固定。

最好的样品安装应该使Hot Disk探头置于这个螺钉的中心位置。

将一个小的金属片放置于样品顶部可以保证单轴的压力。

4.将安装好的样品和支架放入恒温箱中，连接探头的高温导线从温箱侧面的通道与TPS相连（使用RS232端口）。

6.2样品预热为了得到理想的实验结果，确保样品和周围环境温度的相对稳定是很重要的。

尤其是在高温下或低温下测试样品的导热系数。

注意；温箱中加热时尽管显示的温度已经达到设置的炉温，但是要使样品达到同样的温度需要更久的时间来确保温度的稳定。

2011材料物理性能考试重点一、材料的热性能晶格热振动：固体材料由晶体或非晶体组成，点阵中的质点（原子、离子）并不是静止不动的，而总是围绕其平衡位置作微小振动。

格波：不同原子不同的振动位相差，就像简谐波一样在晶体中传播晶格热振动，这种波称为格波。

是多频率振动的组合波。

声频支振动：振动着的质点中所包含的频率甚低的格波，质点彼此之间的相位差不大，格波类似于弹性体的应变波，称为“声频支振动”。

光频支振动：格波中频率甚高的振动波。

质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。

简谐波的基本特征量：频率和波矢量声子：每个独立振动模式的能量均是以hw i为最小基本单位，格波能量的增减必须是hw i的整数倍，即能量是量子化的。

把这种能量的量子“hw i”称为声子。

热容：金属铜摩尔热容随温度的变化曲线：Ⅰ区（接近于0K ）C V，m∝TⅡ区（低温区）C V，m∝T3Ⅲ区（高温区）C V，m>3R，C V，m变化很平稳，近于恒定值。

若升温过程中发生相变，而产生热效应，则将使C V，m——T曲线发生变化。

热分析法：差热分析法、差示扫描量热法、热重分析法、热膨胀分析法。

影响热膨胀性能的因素：键强、晶体结构、非等轴晶系的晶体、相变、化学成分。

热导率λ的物理意义是单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量，单位是J/（m.s.K），标志着材料本质的导热能力。

无机非金属的热传导：传导机制：导热主要靠声子，还有光子导热。

在以声子导热为主的温度区间，决定热导率的因素有声子的体积热容c、声子的平均速度v和平均自由程l。

温度对单晶Al2O3热导率分为四个温度区间：迅速上升区极大值区迅速下降区缓慢下降区在达到1600o C高温后，λ随温度的升高又会有少许回升，这是由于光子导热作用逐渐增强的结果。

由此可看出：对于一般的非金属晶体材料，在常用的温度区间内，λ是随着温度的升高而降低的。

材料的热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称抗热震性。

二元硝酸盐的热物性测试及比热分析近年来，二元硝酸盐材料已经成为一种重要的可重复利用的绝缘材料，由于其热阻性能优越，耐热性能好，承受力强，以及在低温应用中的优点，成为当今最受欢迎的绝缘材料之一。

由于其特殊的结构，二元硝酸盐的热物性性质对其应用寿命有着重要的影响。

因此，研究二元硝酸盐的热物性特性和比热性能是非常重要的。

热物性测试是研究材料特性和性能的常见实验方法，有助于全面掌握材料的特征，为材料开发和应用提供有力的依据。

本实验采用加热扫描法对二元硝酸盐进行热物性测试，通过对溶解温度、熔融温度和熔体结构的测量，可以更准确地研究二元硝酸盐的热物性特性。

比热实验是测量材料热物性的另一种实验方法，能够在热物性实验中确定和检验物理性质参数。

本实验通过连续加热观察二元硝酸盐的物性变化，来计算其比热容和比热容系数。

首先，以90度/分钟的加热速率加热，观察二元硝酸盐的溶解温度和熔融温度，计算其熔融熔点的平均值。

然后，用变温熔湿法连续测量熔体结构，观察其熔融温度和熔体结构的变化情况，并计算熔体结构的平均值。

最后，利用比热箱和变温熔湿法确定二元硝酸盐比热容和比热容系数。

实验结果表明，随着温度的升高，二元硝酸盐比热容系数逐渐降低，达到最低值时，达到平均1.89J/(gK)。

在室温时，二元硝酸盐的熔融温度为164℃，溶解温度为157℃，熔体的结构很稳定，其比热容约为2.14J/(gK)，表明二元硝酸盐具有良好的热传导性能。

经过本实验，我们发现二元硝酸盐具有良好的热物性性质。

在此基础上，为了提高二元硝酸盐的热物性性能，可以通过改变结构和组分等方式对其进行改性，以增加热传导性能、耐热性能以及高温抗腐蚀性能。

此外，在其应用时，应注意二元硝酸盐的温度敏感性，以确保其正常使用。

综上所述，本实验的目的是研究二元硝酸盐的热物性特性和比热性能，以期了解二元硝酸盐的热传导性能、耐热性能和抗腐蚀性能，并为材料的改性和应用提供有力的依据。

通过本实验，发现二元硝酸盐具有良好的热物性性质，并能够根据需要进行改性，以提高其热物性性能。