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稳态保护热板法热导率测试技术应用护热板法导热系数测定仪加热板加热方式的有限元分析和优化设计上海依阳实业有限公司上海依阳实业有限公司摘要针对保护热板法热导率测试中的加热板加热方式采用有限元动态热分析技术模拟计算了加热板加热方式和过程对保护热板法热导率测试中温度恒温时间的影响由此提出了相应的加热方式优化方案从而为保护热板法热导率的测试效率提高提供指导前言在护热板法热导率测试过程中根据测试温度的要求一般是依照经验给中心加热板施加一定功率的直流加热电流并保持恒定不变在此加热电流使得中心加热板温度上升过程
稳态保护热板法热导率测试技术应用——Application Note :005 护热板法导热系数测定仪 加热板加热方式的有限元分析和优化设计 上海依阳实业有限公司 上海依阳实业有限公司—— 摘要:针对保护热板法热导率测试中的加热板加热方式,采用有限元动态热分析技术模拟计算了加热 板加热方式和过程对保护热板法热导率测试中温度恒温时间的影响,由此提出了相应的加热方式优化方 案,从而为保护热板法热导率的测试效率提高提供指导。 1. 前言 在护热板法热导率测试过程中,根据测试温度的要求,一般是依照经验给中心加热板施加一定功率的 直流加热电流并保持恒定不变。在此加热电流使得中心加热板温度上升过程中,护热加热器会跟踪中心加 热板的温度变化,当达到稳态条件时,中心加热板和护热加热器基本都能达到设定温度的范围。达到稳态 条件后的恒定温度尽管基本上不会是整数值(如整 10℃或整 100℃的倍数),但这并不影响测量精度,只 是测量结果数据的美观性差些。 这种从一开始就输入恒定电功率的方法称之为恒功率加热法,它的特点是操作步骤简单且容易操控, 而且加热功率的稳定性和精度高。针对某一特定的护热板法热导率测试设备,只要摸索出一系列不同测试 温度时的直流电功率,就可以比较容易的实现不同对应温度下的热导率测试,因此目前绝大多数护热板法 热导率测量装置基本上都采用这种加热方法。但这种加热方式的缺点是耗时很长,这也是稳态法测量热导 率的主要特点之一。 本研究就是通过有限元热分析计算,设计另外一种分段式加热方式,即把整个加热过程分为两部分, 第一部分采用较大加热功率,第二部分采用较小加热功率,由此设法缩短加热板的热平衡时间,提高测试 效率。 2. 有限元模型相关参数 整个测试模型是圆形结构,为了提高分析计算 效率,将测试模型简化为如图 2-1 所示的四分之一 圆结构。测试模型中相关部件的参数设定如下: (1)被测试样相关参数 试样尺寸:φ100mm ×20mm 。试样的横截面积: 0.05 ×0.05 ×π 7.854 =×10−3 m2 。试样材质:PC 高粘度。 热导率:0.189 W / mK 。密度:1190kg / m3 。比热: 1535J / kgK 。 (2 )加热板板相关参数 尺寸:φ100mm ×10mm 。材质:红铜。热导率: 390 W / mK 。密度:8900kg / m3 。比热:390J / kgK 。 (3 )冷板相关参数 冷板尺寸: φ100mm ×10mm 。冷板材质:AISI 304 图 2-1 稳态护热板法热分析模型 不锈钢。热导率:16 W / mK 。密度:8000kg / m3 。 比热:500J / kgK 。 以上热板热物性数据都是20 ℃时的数据,并认为在不大的温度范围内这些参数不发生变化。 在以上测试模型中,设定冷板的温度为 25 ℃,施加给加热板的加热功率希望能使加热板达到 45 ℃。 那么根据稳态热导率计算公式可以得到热量为: λA T −T 0.189×7.854×10−3 × 45 −25 ( hot cold ) ( ) Q 1.4844W L 0.02 那么对应于四分之一分析模型时,加热板的热功率应为上述热量的四分之一,即0
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