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.pdfVIP

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