热线法测量材料热导率

122010,No.7收稿日期:2010-01-28;修回日期:2010-06-03基金项目:国家粮食局科学研究院,基本科研业务费专项ZX0708作者简介:张来林(1955-),男,教授,粮油储藏技术与仓储工艺设计。

用热线法测定粮食的导热系数张来林1,李岩峰1,毛广卿1,曹 阳2,郭 漾3,朱庆芳1(1.河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052; 2.国家粮食局科学研究院,北京 100037; 3.郑州同创科技有限公司,河南郑州 450001)摘 要:采用热线法测定了小麦、稻谷的导热系数。

室温条件下,小麦水分在719%~2014%的状态下,导热系数的变化范围为011420~011627W/(m #e ),并且与水分呈正线性相关;温度在5196~33133e 时,导热系数的变化范围为011336~011605W/(m #e )。

籼稻中优218水分在616%~2011%时,导热系数的变化范围为010998~011223W/(m #e );广东早籼在6151~35103e 时,导热系数的变化范围为010826~011166W/(m #e )。

不同品种粮食的导热系数不同,籼稻的导热系数大于粳稻的导热系数,但不同品种小麦的导热系数值变化范围不大。

关键词:粮食;热线法;导热系数中图分类号:T S210.1 文献标识码:A 文章编号:1003-6202(2010)07-0012-05Deter mination of thermal conductivity of grain by ho-t wire methodABSTRACT:T he t hermal conduct ivity of wheat and paddy rice w as measured by hot -w ire met hod in this paper.U nder room temperat ure and wheat moist ure cont ent 7.9%~20.4%,the thermal conduct ivity changed w it hin the range of 0.1420~0.1627W/(m #e )and had a posit ive linear correlat ion w it h moist ure cont ent.At a t empera -t ure of 5.96~33.33e ,t he t hermal conductivit y changed within t he range of 0.1336~0.1605W/(m #e ).When t he moisture cont ent of milled long -grain nonglut inous rice Zhongyou 218was 6.6%~20.1%,thermal con -ductivity changed w ithin the range of 0.0998~0.1223W/(m #e ).When t he temperat ure of Guangdong early -season milled long -grain nonglutinous rice was 6.51~35.03e ,thermal conductivit y changed w it hin t he range of 0.0826~0.1166W/(m #e ).T hermal conduct ivities of the dif ferent kinds of grains w ere different:it was high -er in milled long -grain nonglutinous rice,but lower in japonica rice;how ever,it didn't change signif icant ly among dif ferent w heat variet ies.KEYWO RDS :grain;hot -wire met hod;thermal conductivity导热系数是粮堆的基本热物理特性之一,它表明粮食传递热量的能力,是研究粮堆通风降温、控制冷却时间、粮食干燥计算及干燥过程的计算机模拟以及粮食储藏过程中吸收或放出热量等传热计算及干燥效率的重要基础数据之一[1~2],也是粮食加工过程,如制粉、压榨、混合以及烘烤中不可缺少的重要设计依据。

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。

导热系数（热线法）检测方案1 检测方案目的本检测方案是为了规范非金属固体材料的导热系数（热线法）的检测。

2 适用范围本标准适用于导热系数小于2W/(m·K)的各向同性均质非金属固体材料导热系数的测定，不适用于导电的非金属材料(如碳化硅)。

3 编制依据GB/T 10297-2015《非金属固体材料导热系数的测定热线法》4 使用设备导热系数使用设备：热线法平板导热仪5 试验方法5.1 试验环境5.1.1 在室温下测定时，用隔热罩将试样与周围空间隔离，减少周围空气温度变化对试件的影响。

在高于或低于室温条件下测定时，试样与测量探头的组合体应放在加热炉或低温箱中。

5.2 样品制备5.2.1 试样为两块尺寸不小于40mm×80mm×114mm的互相叠合的长方体或为两块横断面直径不小于80mm，长度不小于114mm的半圆柱体叠合成的圆柱体；5.2.2 试样互相叠合的平面应平整，其不平度应小于0.2%，且不大于0.3 mm，以保证热线与试样及试样的两平面贴合良好。

对于致密、坚硬的试样，需在其叠合面上铣出沟槽，用来安放测量探头。

沟槽的宽度与深度必须与测量探头的热线和热电偶丝直径相适应。

用从被测量试样上取下的细粉末加少量的水调成粘结剂，将测量探头嵌粘在沟槽内，以保证良好的热接触。

粘好测量探头的试样，需经干燥后方能测试，有面层或表皮层的材料，应取芯料进行测量。

5.3 试样干燥处理欲测定干燥状态的导热系数，应将试件在烘箱中烘至恒重，然后用塑料袋密封放入干燥器内降至室温(一般需8h)。

待试件中内外温度均匀一致后，迅速取出，安装测定探头，在2h内完成测定工作。

5.3.1 粉末状和颗粒材料对粉末状和颗粒材料的测定，使用两个内部尺寸不小于80 mm×114 mm×40 mm的盒子。

其下层是一个带底的盒子，将待测材料装填到盒中，并与其上边沿平齐，然后将测量探头放在试样上。

上层的盒子与下层的内部尺寸相同，但无底。

热传导的实验研究材料的热导率与传热速率热传导是热能在物质中传递的过程，它在众多的工程应用和科学研究中起着重要的作用。

了解材料的热导率和传热速率对于设计高效的热传导设备以及解决传热问题非常关键。

本文将介绍一些常用的实验方法和材料测量热导率以及传热速率的技术。

一、材料的热导率实验测量材料的热导率是指单位时间内通过单位面积的热量传递量与温度梯度之比。

常见的热导率实验测量方法主要有热板法、热线法和热流计法。

1. 热板法热板法是一种常见的测量材料热导率的方法。

实验中，将待测材料夹在两块热平衡的金属热板之间。

通过加热一个热板并保持另一块热板的温度恒定，可以通过测量温度差和加热功率来计算材料的热导率。

2. 热线法热线法也是一种常用的测量热导率的方法。

它使用一个细丝状的热源在待测样品中产生热，然后通过测量样品的温度分布以及热源功率来计算材料的热导率。

3. 热流计法热流计法是一种直接测量热导率的方法。

它利用热流计对待测材料施加一个恒定的热流，通过测量温度差和热流来计算材料的热导率。

这种方法适用于具有较高热导率的材料。

以上三种方法都有各自的优缺点，实验者在选择时需要考虑材料的特性以及实验条件。

二、材料的传热速率实验测量材料的传热速率是指热量在单位时间内通过单位面积的传递量。

常用的材料传热速率实验测量方法有传热系数测量法和热阻测量法。

1. 传热系数测量法传热系数测量法是一种常用的测量传热速率的方法。

实验中，将待测材料放置在热源和冷源之间，通过测量热源和冷源温度差以及给定的热流量来计算传热系数。

2. 热阻测量法热阻测量法是一种测量传热速率的方法。

实验中，将待测材料置于两个热平衡的热源之间，测量热源温度差和传热功率，通过计算热阻来得到传热速率。

传热速率的测量方法根据实际需求和实验条件进行选择。

综合来说，热导率和传热速率的测量方法多种多样，每种方法都有其适用的材料和条件。

在实验过程中，需要注意控制温度梯度和热平衡以确保测量结果的准确性。

凝胶导热系数测试方法
凝胶导热系数测试方法主要有以下几种：
１．热线法。

通过添加金属针作为温度传感器，使用激光
功率计来测量热量传递，这种方法可以精确地测定材料在特定方向上的电导率。

如果热凝胶被用作散热器或电子设备的冷却剂时，可以使用此方法测试其导热性能。

２．面接触传热仪。

根据对流传热的经验公式，在氮氛条
件下控制平板间腔体的总发热量与上板接点面区域的流量相等，以保持上下板的恒温。

３．DSC（差示扫描热量分析）。

这是一种常用的表征物质在不同温度下的物态变化和相关转变的方法，从而间接获得材料的热传导值。

此外，还有石英晶体振动模式改变的热膨胀实验、通过有限元模拟技术进行分析预测等方法。

以上仅供参考。

热线法测导热系数原理导热系数是描述材料导热性能的重要参数，它反映了材料在单位时间内传导热量的能力。

为了准确测定材料的导热系数，科学家们提出了多种方法，其中热线法是一种常用且有效的测量方法。

热线法是通过在材料中引入一个加热元件和一个测温元件，利用热传导原理来测量材料的导热系数。

具体而言，热线法通过在材料中夹入一个细长的电热丝或热电偶作为加热元件，然后再夹入一个测量温度的热电偶作为测温元件。

当电热丝通电时，会在材料中产生一条热线，热量会沿着热线方向传导，并逐渐散布到周围的材料中。

在热线法测量中，首先需要根据热传导原理建立热传导方程。

根据传热学基本原理，热量在导热体中的传导可以用傅立叶热传导方程来描述。

傅立叶热传导方程是一个二阶偏微分方程，其中包含了导热系数、温度分布和热源分布等物理量。

通过求解这个方程，可以得到具体的温度分布情况。

为了简化热传导方程的求解过程，热线法通常采用一维传热假设。

在一维传热假设下，假设材料的导热性能沿热线方向是均匀的，即导热系数在整个材料中是恒定的。

这样，热传导方程可以简化为一维热传导方程，进一步简化了求解的过程。

根据热线法的原理，当电热丝通电后，测温热电偶可以测量到热线附近的温度变化。

通过测量不同位置的温度，可以得到不同位置处的温度梯度。

根据热传导方程，温度梯度与导热系数之间存在一定的关系。

通过测量温度梯度和施加的电热丝功率，可以计算出材料的导热系数。

热线法测量导热系数的过程中，需要注意一些实验条件的控制。

首先，加热元件和测温元件的位置应该合理选择，以确保能够准确测量到材料表面处的温度梯度。

其次，加热功率的选择也需要合适，过高的功率可能导致材料的温度过高，影响测量结果的准确性。

此外，环境温度的变化也可能对测量结果产生一定的影响，需要在实验过程中进行控制。

总结起来，热线法测量导热系数的原理是利用热传导原理，在材料中引入加热元件和测温元件，通过测量温度梯度和施加的功率来计算导热系数。

“热线法”测定气体热导率数据处理方法及Origin 软件应用的探究张孝栋 夏雪琴 C09建环2班 651911 （浙江海洋学院，浙江 舟山 316000）摘要：在分析“热线法”测定气体热导率原理的基础上, 以干燥空气为例对其热导率进行了测量,用“线性外推法”进行数据处理，并用Orig in7.0软件对测量结果进行了数据分析,可快捷精确地获得测量结果。

关键词：“热线法”；热导率；“线性外推法”；Origin 7.0软件1、引言热导率是气体热学物性的重要参数，在气相色谱分析中，气体热导率这一热学性质被用来鉴别不同的气体。

测量气体热导率的基本方法是“热线法”。

为了减少气体对流传热的影响，实验测量必须在低气压下进行，然后通过“线性外推法”进行数据处理时，巧用“origin 7.0软件”作直线拟合，并对数据进行综合分析，能快速、准确得到实验结果，从而达到综合性的实验训练。

图1 FB-202气体热导率测定仪2、“热线法”测定气体热导率的原理[1][2]“热线法”采用如图1的FB-202气体热导率测定仪，它的基本原理是将待测气体置于沿轴线方向有一根钨丝的圆柱形容器内，并给钨丝提供一定的电流使其加热，即为“热线”，加热钨丝升高温度的速度与气体实验材料的热导率有关，从而测出气体的热导率。

T 2图2是测量室（盛放待测气体的容器）的示意图，假设钨丝的半径为r 1，测量室的内半径为r 2，钨丝的温度为T 1，长度为l ，室温为T 2。

距热源钨丝r 处取一薄层圆筒状气体层，设其厚度为dr ，长为l (表面积ΔS = 2πrl )，内外圆柱面的温差为dT ，每秒钟通过该柱面传输的热量为tQ ∆∆，依傅里叶定律2Q dT dTS rl t dr drλλπ∆=-⨯∆=-⨯∆ 图2 测量室的示意图它可改写为 2πQ dr ldT t rλ∆⨯=-⨯∆两边积分，得2211/2πr r r r Q dr r l dT t λ∆⨯=-∆⎰⎰ 则 2112ln(/)2π()Qr r l T T t λ∆⨯=-∆2112ln(/)2πQr r t l T T λ∆∆=⨯- (1)3、用“线性外推法”处理实验数据的理论依据3.1二项修正（1）钨丝的热辐射与电极棒的热损失修正：用测量值UI 减去P U I =真空真空真空 即为() 1.2Q UI U I t'∆=-⨯∆低真真 （2） （一般P 低取1×10-3mmHg ，但由于气压计制作原因，可取热丝电压小于5V 即可）。

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。

热线法测量润滑油的导热系数
相比于固体，由于容易发生自然对流，液体的导热系数更难测量。

目前国际上公认的测量液体导热系数最好的方法为瞬态热线法。

TC3000L系列热线法导热系数仪专门针对液体导热系数的高精度测量，测量时间一般为1~2秒，可用于高精度测量气体和液体的导热系数，配合环境模块、压力模块等，其可以测量的温度和压力范围分别为240~470K和0~20 MPa。

利用TC3010L导热系数仪及相关环境模块，研究了某润滑油在不同温度下的导热系数，其中，中温-30~120度温区，采用中温液体环境模块和C3060高精度循环浴；高温100~200度温区，采用高温液体环境模块测量；同时，为了进行比较和验证，高温区与中温区测量点有重合(80度)。

采用升温测试，升温过程中注意阀门的开启，按照正常测试条件进行，获得如下实验结果；从中可以看到，随着温度的升高，润滑油的导热性能降低。

图1 某润滑油导热系数随温度变化曲线。