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你了解过热扩散系数吗?酚醛泡沫保温板的又一特性

接触过保温隔热材料的朋友都了解过导热系数、蓄热系数这些衡量保温隔热材料性能指标的参数及意义。 

      但大家有了解过热扩散系数吗?了解过后你就会知道保温隔热材料的实际应用效果与热扩散系数也有着密不可分的关系。

  热扩散系数【英文】Thermal Diffusivity

 

  以物体受热升温的情况为例来分析。在物体受热升温的非稳态导热过程中,进入物体的热量沿途不断地被吸收而使局部温度升高,在此过程持续到物体内部各点温度全部相同为止。

α=k/(ρ*c)α称为热扩散率或热扩散系数(thermal diffusivity),单位为m2/s。式中:k:导热系数,单位W/(m·K);ρ:密度,单位Kg/m3;c:比热容,单位J/(Kg·K)。

物理意义
由热扩散率的定义α=λ/ρc 可知:
(1) 物体的导热系数λ越大,在相同的温度梯度下可以传导更多的热量。
(2) 分母ρc是单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。ρc 越小,温度升高1℃所吸收的热量越小,可以剩下更多热量继续向物体内部传递,能使物体各点的温度更快地随界面温度的升高而升高。

热扩散率α是λ与1/ρc两个因子的结合。α越大,表示物体内部温度扯平的能力越大,因此而有热扩散率的名称。这种物理上的意义还可以从另一个角度来加以说明,即从温度的角度看,α越大,材料中温度变化传播得越迅速。可见α也是材料传播温度变化能力大小的指标,因而有导温系数之称。

热扩散系数与导热系数:

导热系数(thermal conductivity)单位W/m·K,热传导系数表示的是流体或物体与物体之间,单位时间单位面积上的传热量;
而热扩散系数指的则是物体内部热量扩散能力,即物体内部温度趋向均匀的能力。

导热系数λ是表征传递热量的能力。
导温系数α是表征传递温度变化的能力。

热扩散系数与蓄热系数:

蓄热系数(thermal effusivity):当某一足够厚度单一材料层一侧受到谐波热作用时,物体表面温度将按同一周期波动。通过表面的热流波幅与表面温度波幅的比值是材料在周期性热作用下得出的一个热物理量即蓄热系数。通俗的讲就是材料储存热量的能力。

两者的区别:热扩散系数表现的是物体的温度扩散能力,即一个物体使自身达到稳态的能力。热扩散系数越小的物体局部的高温扩散到低温区的时间越长。而蓄热系数的大小表明了在物体和外部环境处于非稳态时物体能从外界环境吸收的热量值。比如外界环境温度突然升高时,蓄热系数越大的物体温度变化速率较小,吸收热量较多。因此热扩散系数表明的是物体内部传热的能力,蓄热系数表明的是物体保持自身温度的能力。 

应用:首先分析一下两者的联系。可猜测热扩散系数越大的物体蓄热系数就越大。因为热扩散系数越大,物体吸收或者放出热量后可以更快的将热量传递到或者传递出物体,从而减慢与外界接触的表面的温度变化速率,间接增大了蓄热系数。 

热扩散系数的应用: 

热扩散系数在众多科学领域有着重要的作用。例如,在地球科学方面,近地面层的热量交换,取决于净辐射,湍流扩散系数和土壤的热特征,特别是土壤的热特性决定着由地表面传递到土壤中的热通量和储存于土壤中的热量的多少。因此研究土壤的热扩散系数有着重要的意义。而在我们平常的生活中,各种控制温度的设备,比如空调、冰箱等无一不涉及到热扩散系数的使用。 

蓄热系数的应用: 

蓄热系数大表示材料储存热量的能力大,相应地要其发生温度变化就相对较难,说明物体的温度相对稳定,受外界的温差影响便较小。可以使用蓄热系数来选择保温或者隔热材料。

 

通俗的讲,如果保温隔热材料具有越低的热扩散系数,温度从一侧传递到另一侧需要更多的时间。所以对保温隔热材料而言,除了要求有较低的导热系数之外,也应该要求有更低的热扩散系数。

 

那各种保温隔热材料的热扩散系数又是多少呢?

由于目前保温隔热材料行业对热扩散系数研究较少,所以并没有现成的公开的各种保温隔热材料的热扩散系数数据可供参考。

为此福建天利高新材料有限公司专门从清华大学热流体实验室订购了一台热扩散系数检测仪。

 

目前我们已经对常用的各种保温隔热材料进行了一个全面分析测试,数据如下:

 

 

材料名称

密度(Kg/m3)

导热系数(w/(m.k))

热扩散系数(10-7m2/s)

岩棉

100

0.04

3.56

聚苯板

30

0.038

8.62

真金板

27

0.05

6.79

聚氨酯板

50

0.022

3.43

酚醛板

50

0.026

1.83

真空绝热板(短切丝芯材)

200

0.002

0.09


由此可以看出常见泡沫类保温隔热材料中酚醛泡沫的热扩散系数最低。另外,VIP真空绝热板的热扩散系数也非常低。

 

也就是说使用酚醛板或VIP真空绝热板时,温度从一侧传递到另一侧需要更长的时间,在应用到建筑保温时,隔热保温效果更明显,比如夏天,热量从室外传递到室内需要更长的时间。

 

希望通过此篇文章的介绍,让你在选择保温隔热材料的时候有一个更多的参考。

 

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