热物性测试2011-讲义资料
基于无限长圆柱热响应的岩土体热物性测试方法
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。
材料热分析讲义
（4）温度控制系统
——以一定的程序来调节升温或降温的装置 ——1~100K/min，常用的为1~20K/min
（5）记录系统
STA449c
2. 差热分析曲线
差热分析曲线是将试样和参比物置于同一环境中进行程序温度 变化，将两者间的温度差对时间或温度作记录所得曲线。
ΔT
t
（1）差热曲线中的吸/放热峰的形成
（3）热电偶
v 产生较高温差电动势，随温度成线性关系的变化； v 测温范围宽，长期使用稳定，高温下耐氧化、耐腐蚀； v 电阻率小、导热系数大； v 电阻温度系数较小。
铜-康铜（350℃/500 ℃ ）、铁-康铜（600/800 ℃ ） 镍铬-镍铝（1000/1300 ℃ ）、铂-铂铑(1300/1600 ℃) 铱-铱铑（1800/>2000 ℃ ）
在样品的熔融过程中，样 品端的温度保持恒定，而 此时参比端的温度仍在升 高。以参比与样品的温度 差对时间作图，就得到了 差热曲线。
reference signal
m
sample signal
TM
el(e~cttermicppeortaetnutriea)l [V]
ΔT=Ts-Tr
0
time [s]
SR T=T-T
TSC
dipole alignment/relaxation
DEA
dielectric permittivity/loss facto
EGA
TOA
optical properties
热分析四大支柱 差热分析、热重分析、 差示扫描量热分析、热机械分析
——用于研究物质的晶型转变、熔化、升华、吸附等物理 现象以及脱水、分解、氧化、还原等化学现象。
岩土热物性测试要求
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。
热物性测试课件
• 开拓性 • 经济性
节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认识新领域
应用举例
• 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关；
• 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率；
• 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体 缺陷相互作用的大量信息。
2. 比热容经典理论及测试方法
2.1 热容概述 2.2 热容经典理论 2.3 测试方法
2.1 热容概述
• 单位质量物体温度升高1K所必需的热量，J/(kg.K)。
• 定容比热容 • 定压比热容
cv d T q v dud T pdv v T u v
cpd T qpdhd T vdpp T hp
E3NAkTE0
E0—固体原子处于平衡位置时的能量，为固体的结合能。 则定容比热容
cv T E v3NAk3R2.9 4J4.m 1.K o 1l
适用范围：常温、高温。但无法解释温度趋于0K时Cv→0
➢ 爱因斯坦比热容理论（基于量子理论，晶格振动具有相 同频率）
将NA个将晶格振动看成3NA个具有相同频率ν的孤立 简谐振子，应用普朗克量子理论，每个原子在一个自由
度上的平均振动能量为
h
2
ehhkT1
c v T E v 3 N A T v 3 N A e ET x 2 E eT p x E 1 2 T p
➢ 爱因斯坦比热容理论
c v T E v 3 N A T v 3 N A e ET x 2 E eT p x E 1 2 T p
k波尔兹曼常数?1摩尔理想气体所具有的能量rtiktnie??22热容经典理论?则定容比热容定压比热容表述为??11kmolj2c???rivrtktnea22??rip????????12c2固体比热容适用于原子晶体?成组成晶格振动热激发贡献晶格中自由运动的电子贡献对于铁磁体材料还应包含磁的贡献晶格中自由运动的电子贡献对于铁磁体材料还应包含磁的贡献变变居有分?变峰值与突变相变居里点有序无序转变分子旋转变化顺磁盐的自旋状态间或电子激发态间的转变?晶格比热容经典理论?杜隆铂替定律能量均分原理比热容与温度无关一个含有能量均分原理比热容与温度无关一个含有na个原子的固体具有3na6个自由度由于nagt
钻井液热物性参数测量及其对井筒温度场的影响
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。
土壤源热泵地下岩土热物性测试研究
析地下岩 土的热 响应情 况 推算 出岩 土热物 性参数 ；同时 计算了地埋管换热器 与周围土壤之 间的换热状况 确定 了该
地源热 泵系统 地埋管 换热器 的冬 夏季取放 热工况下 的实际 换热量 ． 为此土壤源热泵空调系统 的设计提供了依据 。
２ 地 下岩 土热 响应 测 试 装 置
测试 采用 自主设计 的地下岩 土热 响应 测试 系统 。该 系
统 既 能 进 行 放 热 工 况 试 验 ．又 能 进 行 取 热 工 况试 验 。 图 １ 给 出 了地 源 热 泵 岩 土 热 物 性 测 试 装置 的 示 意 图 。 整 个 系 统
测试孔 为 ２个 ，分 别采 用双 Ｕ２ ５型 Ｐ Ｅ管下管 埋管深度
１０ｍ，采用 ５ 膨润土 和 ９ ％ 黄沙 回填 。在埋管上每 隔 ０ ％ ５ １ 绑定 温度探头 ，用来测量地下土壤的初始温度分布。 ０ｍ 整个 测试分 ２个阶段进 行 ：首先是岩 土热响应测 试 ， 采 用恒功 率加热 ，采集地埋 管换热器 进 出口温度随 时间的
５ ６绿色建筑
２０１ ２年 第 ４期
Ｅ ｅｇ Ｓ ｖ ｇｉ ｕｄｎ 建 筑 节 能 ｎ ｒｙ ａ ｉ ｎＢ ｉｉ ｎ ｌ ｇ
下岩土的原始温度 （ １ 。 表 ）
表 １ 地下岩 土原始温度
ｌ
ｌБайду номын сангаас
温 度
ｌ ２井 该 地 岩 平 温 ≠ ｝ ≠ 地区 下 土 均 度 井 ｝
热 器冬夏季工况下 的实际单位延米换热量 ，为该地区地源 热泵 系统 的设计施工提供了依据 。
关键词 ：热响应测试；岩土热物性；单位延米换热量
相变材料热物性测试方法
（ ＤＳ Ｍ Ｃ）ａｅｕ ｉｅ ｓｌａ ｒｓｎ ． Ｏｔ ｅ ｎ ｌｅ ｔ Ｉｍｅｈ ｄ ｎ ｌｄ ｈ ｓｏ ｙ ｍｅｈ ｄ ａ ｄ ａ ｓｌ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｏ ｏ ｒ ｎｖ ｒａ ｔｐ ｅ ｅ ｔ ｈ ｒｉｆ ｎ ｉ ｔｏ ｓｉｃｕ ｅＴ－ ｉｔ ｒ ｔ ｏ ｎ ｅｆ ｅｉｎ ｄ ｍｅｈ ｄ ｆ ｒ ｕ ａ －
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ
ｐ ａｅｃ ａ ｇ ｔｒ ｌ ，ｔ ｅｍａ ｒ ｐ ｒｙ ｅｔｎ ｈ ｓ ｈ ｎ ｅｍａｅｉ ｓ ｈ ｒ ｌ ｏ ｅｔ ，ｔ ｓｉｇ ａ ｐ
热线法测量导热系数
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。
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主要内容
1. 热物性测试方法概述 2. 物质的比热容与规律性 3. 比热的测试方法和装置 4. 物质的热导率及其规律性 5. 热导率测试方法和装置 6. 热扩散率的测试方法和装置 7 热膨胀系数测定方法
参考文献
• 胡芃 ，陈泽韶. 量热技术和热物性测定【第二版】[M]. 合肥：中国科 学技术大学出版社. 2009.
• 比热（specific heat): c，值大，蓄热多，如热风炉；值 小，升温快，如轻质炉衬
• 热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE)： , 值大，热应力大: 双金属测温，热失配现象；
• 表面发射率（emissivity)： 值大，辐射传热多，炉内 壁加涂料,外壁涂银粉隔热，无惰性炉
• 高密度电子封装传热过程的计算机仿真与优化及无铅焊料 和导电胶的热物性测定.中瑞政府间科技合作项目
• 高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测 试.高等学校博士学科点专项科研基金
• 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法.国家自然 科学基金项目
• 利用相界面移动速率测定热物性的研究. 国家教委回国人员 基金项目
• 热物性的影响因素： 化学成分，物质形态, 结构，晶格振动，分子热运动，
杂质分布，气孔率，气孔大小及分布
• 热物性学研究内容： 宏观热物性与微观结构的联系； 不同工作状态下的变化规律； 热物性测定方法（包括测试方法的物理模型、测试原理、 试验装置、数据处理、误差分析）
（4） 热物性测试的重要性
• 普遍性 能源动力工程、机械工业、化工工业、电力输运、电子 技术、石油热采与输运、服装、农林、食品、建筑、航 空航天、生命科学与工程、人体科学
Methods. New York：plenum Press , 1984 • J .E.Parrott, A.D.Stuckes. Thermal Conductivity of solids. London,1975 .
有关热物理性能测试的科研项目
• 熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法研究.国家自然科学基 金项目
冶金工业出版社. • 曹玉璋，邱绪光.实验传热学[M].北京：国防工业出版社.1998. • 刘静.微米/纳米尺度传热学[M].北京：科学出版社.2001. • 材料热物性测试实验指导书 . 杭州精科仪器有限公司。 • [美] Y.S. 杜洛金著. 奚同庚 王梅华等译: 固体热物理性质导论—理论和
测量[M].中国计量出版社.1987 . • K.D. Magic et al. Compendium of Thermophysical Property Measurement
• 基础性 一切热设计和研究具体热过程的基础；工程热物理专业 基础课程
• 开拓性 • 经济性
节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认识新领域
应用举例
• 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关；
• 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率；
• 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体 缺陷相互作用的大量信息。
• 黄 素 逸 ， 周 怀 春 . 现 代 热 物 理 测 试 技 术 [M]. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社.2008.
• 张靖周.高等传热学[M].北京：科学出版社.2009. • 奚同庚. 无机材料热物性学[M] . 上海科学技术出版社.1981. • 蔡明忠. 金属低温热学和电学性质[M]. 北京: 冶金工业出版社.1990. • 中国金属学会，中国有色金属学会.金属物理性能及测试方法[M].北京：
• 有色金属及合金熔点温度下导热系数测定方法和装置.中国 有色金属工业总公司
1. 序言
（1）什么是热物理性能（热物性） ？
材料的热物理性能 (thermophysical property) 是指材 料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性 的参数的总称，它系统地反映了材料的载热能力和 热输运能力。
（5） 热物性测试的特点 • 属于传热逆问题 • 影响热物性的因素很多，很复杂 • 不能进行精确计算，主要依靠实验测定
（6）微纳米材料热物性参数
对于块状材料，其热物性与几何参数无关，是材料的本质属性。但在 微纳米尺度范围，随着尺度和维度的减少，表面（界面）、缺陷和杂质 等因素对材料特性的影响已不能忽略，微纳米材料的热物性如比热、热 导率、热扩散系数、熔点、热膨胀系数等往往与宏观体系存在显著差异。 比热容：量子尺寸效应将导致内部声子色散关系由连续变为离散，使德 拜关于固体比热容在低温时遵守的T3规律不再适用；近邻原子数目通常 小于内部原子的配位数，使得表面原子的振动存在软化现象，即振动频 率衰减。块状材料表面原子所占百分数可忽略不计，振动软化现象不明 显。但对于纳米尺度的晶体，表面原子所占的百分比较大，甚至占据了 主要地位，因此必须考虑表面原子振动软化因素的影响。 热导率：傅里叶定律不适合分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和 厚度区域内的热传导问题，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导 表现为辐射传热形式。oltzmann输运理论被公认为是最具普适性和最有 效的工具（几乎所有宏观输运方程如傅里叶定律、Ohm定律、Fick定律 均可由该方程导出） 表面原子具有的相对较高的表面能使纳米材料处于亚稳状态，热稳定性 降低，表现为德拜温度降低，熔点降低，超导温度升高，晶格振动比热 增加。
（2） 为什么要研究热物性参Fra bibliotek？目标：揭示物质的载热能力和热输运能力。
意义： 评价、衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据； 对热过程进行研究、计算和工程设计的关键参数； 揭示与研究材料的相变、缺陷、微裂纹和晶化等微观
结构变化的重要手段。
（3）什么是热物性学？
热物性学是研究物质的热物理性质的理论。
密度、比热、热导率、热扩散率、熔解热、热膨胀 系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点
热物性举例
• 热导率（导热系数，thermal conductivity): , W/(m.K), （经验感知）其值小，隔热，节能，如炉壁
• 导温系数 （热扩散率，thermal diffusivity): a ,m2/s，其 值大，均温快，温差小
• 比热容是研究晶格振动、电子分布、磁性材料能级以及分 子中有序-无序的有力工具。
• 比热容和热膨胀出现的异常，为研究包括超导相变、磁导 相变、铁电相变和部分有序-无序相变在内的二级相变提供 了重要的判据。
热物性异常研究意义
• 铁电体导热系数在居里点出现不连续突变（发生铁电 相变），故导温系数与导热系数可作为研究铁电性能 材料铁电相变和确定相变温度（居里点）的一种新方 法。