蔣方樂 石衛(wèi)華 沈超群 朱慶霞 施 群

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)，333403)

0 引言

在建陶坯體干燥過程中，傳熱與傳質(zhì)過程同時發(fā)生且相互耦合，因此研究坯體在干燥過程中的傳熱性能是十分有必要的，有學(xué)者應(yīng)用平均體積法對坯體的干燥過程作了研究。胡國林[1]及朱慶霞[2]等導(dǎo)出一組關(guān)于液體飽和度、溫度和氣相壓力的支配方程，并對瓷質(zhì)磚坯干燥過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。孫恒[3]等建立了磚坯干燥的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)二維數(shù)值模擬，并得出了磚坯溫度上升和水分蒸發(fā)的曲線。但這些均未對磚坯在干燥過程中的傳熱性能變化做理論或?qū)嶒?yàn)研究。在已有的實(shí)驗(yàn)研究中，溫度及排水率都影響到坯體的導(dǎo)熱系數(shù)[4]，甚至有固相到液相的變化及化學(xué)變化的影響[5]，而建陶的實(shí)際干燥過程中不存在固相變化和化學(xué)變化過程。本實(shí)驗(yàn)對不同含水率下坯體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化進(jìn)行測定，以研究坯體在干燥過程中傳熱性能的變化，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 坯體干燥進(jìn)程界定

坯體的干燥過程是排除內(nèi)部水分的過程，排水引起了坯體含水量的變化?，F(xiàn)在，表示坯體中含水量的方法主要有兩種：干基含水率和濕基含水率。二者都是理想狀態(tài)下的含水率，實(shí)際情況下很難測量。濕基含水率與干燥過程排水量不呈線性關(guān)系，干基含水率雖表現(xiàn)出線性關(guān)系，但計(jì)算較復(fù)雜。因此引入坯體干燥過程排水率的概念，并定義為

式中，e為排水率，mp為相對初始狀態(tài)排除水分的質(zhì)量，G為干燥前坯體的總質(zhì)量，包括絕干坯體質(zhì)量和坯體含水質(zhì)量。干燥過程中水的質(zhì)量是守恒的，即坯體排水率的最大值與坯體初始濕基含水率相等，但某一時刻的排水率與濕基含水率之和不等于初始濕基含水率。

2 坯體傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用YBF-2型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，利用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱平板法進(jìn)行測量。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理圖，其中P為待測物，A、B為上下銅板，熱量由高溫銅板A通過待測物向低溫銅板B傳遞，若P很薄，可忽略P側(cè)面的散熱，而認(rèn)為傳熱是一維的。設(shè)上下銅板表面間的恒定溫差為ΔT，則在時間Δt內(nèi)，通過面積為S、厚度為h的待測物的熱量為：

則待測物的導(dǎo)熱系數(shù)為：

式中，ΔQ/Δt為待測物的導(dǎo)熱速率，根據(jù)熱平衡原理，導(dǎo)熱速率可以通過測量下銅盤的散熱速率得到，進(jìn)而得到待測物的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 Y B F-2型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀原理圖Fig.1 Principle of YBF-2 thermal conductivity meter

實(shí)驗(yàn)過程中干燥不同時間，分別制得排水率為0、1.11%、3.88%、5.63%和5.88%的實(shí)驗(yàn)樣品，分別設(shè)定上銅盤溫度為50℃至110℃（間隔10℃）時測量樣品導(dǎo)熱系數(shù)。為保證實(shí)驗(yàn)樣品與上下銅盤接觸良好，在樣品表面均勻涂以導(dǎo)熱膠。實(shí)驗(yàn)過程中水分會從樣品的側(cè)面散失，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，在上下銅盤及樣品側(cè)面貼以透明膠帶，減少水分蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)中得出導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)為導(dǎo)熱膠及樣品的綜合導(dǎo)熱系數(shù)，因此應(yīng)對導(dǎo)熱膠引起的誤差進(jìn)行處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在確定的排水率下，實(shí)驗(yàn)測量了不同溫度下的坯體的導(dǎo)熱系數(shù)。表1為排水率為0、1.11%、3.88%、5.63%及5.88%時的坯體在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2表示了不同排水率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。

2.3 討論

實(shí)驗(yàn)測定坯體導(dǎo)熱系數(shù)為坯體的有效導(dǎo)熱系數(shù)。從微觀結(jié)構(gòu)看，建陶坯體由固相、液相及氣相組成，其中液相及氣相充滿氣孔，則坯體可看作固相及氣液混合相組成。坯體導(dǎo)熱系數(shù)由固相導(dǎo)熱系數(shù)、氣液混合相導(dǎo)熱系數(shù)及相對含量決定，就實(shí)驗(yàn)對象，二者相對體積含量是確定的。根據(jù)陳永平[6]的研究，多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)可作簡化，建陶坯體也屬于多孔介質(zhì)。對文獻(xiàn)[6]中的結(jié)構(gòu)作變形可得到圖3所示的坯體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱過程等效熱阻，其中g(shù)表示氣液混合相，s表示固相。采用熱阻法可以推導(dǎo)出建陶坯體的導(dǎo)熱系數(shù)為

式中，λg為氣液混合相導(dǎo)熱系數(shù)，λs為固相導(dǎo)熱系數(shù)。對于確定的研究對象，L1與L2的相對大小是一定的，則坯體的導(dǎo)熱系數(shù)只與組成坯體的固相和氣液混合相的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。

固相導(dǎo)熱系數(shù)受到溫度的影響，隨溫度升高而增加，則坯體導(dǎo)熱系數(shù)增加。氣液混合相導(dǎo)熱系數(shù)受到溫度和排水率的共同影響，氣液混合相充滿氣孔，由含濕空氣及液相水組成。排水率一定時，溫度升高，含濕空氣和水的導(dǎo)熱系數(shù)增加，則氣液混合相導(dǎo)熱系數(shù)增加；溫度一定時，隨之排水率的增加，氣孔內(nèi)水分減少，而水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，氣液混合相的導(dǎo)熱系數(shù)減小。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出坯體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增加，隨排水率的升高而減小。

表1 不同排水率下坯體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results of building ceramic's thermal conductivity at different moisture elimination rate

圖2 不同排水率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.2 Comparison of experiment results at different moisture elimination rate

圖3 坯體結(jié)構(gòu)及等效熱阻Fig.3 Structure and equivalent thermal resistance

用最小二乘法擬合，可得到不同排水率下建陶坯體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。

排水率為0時

3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差主要由原理誤差及實(shí)驗(yàn)操作誤差造成。

3.1 原理誤差

3.1.1 設(shè)備原理誤差

實(shí)驗(yàn)設(shè)備以傅里葉導(dǎo)熱定律為原理制作，根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程求出被測對象的有效導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)坯體很薄或其厚度相比直徑很小時，可以忽略坯體側(cè)面的散熱損失，而認(rèn)為傳熱是一維的。實(shí)驗(yàn)不是通過測導(dǎo)熱量或熱流密度來求得導(dǎo)熱系數(shù)，而是通過測量導(dǎo)熱速率后計(jì)算得出。忽略坯體側(cè)面的散熱，對于式（3）中ΔQ，測量值小于理論值，則測量所得坯體導(dǎo)熱系數(shù)小于理論計(jì)算值。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)原理誤差

實(shí)驗(yàn)是采用穩(wěn)態(tài)法測量，為測定某一含水率下坯體的導(dǎo)熱系數(shù)，在坯體的四周涂以膠水以防止水分散失。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件后，在溫度梯度和濕度梯度的作用下，坯體內(nèi)水分處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，坯體在干燥窯內(nèi)行進(jìn)，水分不斷從內(nèi)部向外擴(kuò)散并傳遞至窯內(nèi)環(huán)境中。在干燥過程中，水分在坯體孔隙內(nèi)流動，同時也發(fā)生相變，這些都會對坯體的有效導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)未能體現(xiàn)相變及液相流動的影響，即實(shí)驗(yàn)只考慮了傳熱過程對坯體有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，而未考慮傳質(zhì)過程的影響，而造成了實(shí)驗(yàn)誤差。但試驗(yàn)結(jié)果可以反映坯體在某一含水率下的瞬時傳熱性能，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及操作誤差

環(huán)境及操作誤差主要體現(xiàn)在三方面：（1）環(huán)境溫度變化引起的誤差；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備周圍空氣流動引起的誤差；（3）涂抹導(dǎo)熱膠引起的誤差。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的測量原理，通過測量移去被測坯體后下銅盤的冷卻速率來標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程中下銅盤的冷卻速率，下銅盤的冷卻依靠自然冷卻。當(dāng)移去坯體前后環(huán)境溫度發(fā)生變化，或?qū)嶒?yàn)設(shè)備周圍因人員走動及其他原因引起空氣流動時，銅板的冷卻速率都會發(fā)生變化，而引起誤差。

涂抹導(dǎo)熱膠是為了降低坯體與銅板間接觸熱阻對實(shí)驗(yàn)的影響，這會引起兩方面的誤差。首先，由于導(dǎo)熱膠熱阻的作用，熱電偶測量溫度并不是坯體表面溫度，而是坯體上表面溫度低于上銅板熱電偶示數(shù)，下表面溫度高于下銅板熱電偶示數(shù)。當(dāng)導(dǎo)熱膠涂抹很薄時，這些影響可以忽略。其次，導(dǎo)熱膠無法與坯體表面完全緊密接觸，而產(chǎn)生接觸熱阻，但相對于無導(dǎo)熱膠時，接觸熱阻的影響要小。

4 結(jié)論

（1）坯體實(shí)際干燥過程中溫度和排水率同時變化，實(shí)驗(yàn)研究了不同排水率下坯體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。

（2）建陶坯體可看作由固相和氣液混合相組成。當(dāng)排水率一定時，坯體內(nèi)固相和氣液混合相的相對含量不變，但導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加，因此坯體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加，且呈線性關(guān)系。

（3）溫度一定時固相的導(dǎo)熱系數(shù)恒定，但相同溫度時氣液混合相導(dǎo)熱系數(shù)隨排水率不同發(fā)生變化。水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣導(dǎo)熱系數(shù)，排水率升高時氣液混合相內(nèi)水分減少，導(dǎo)熱系數(shù)減小，坯體導(dǎo)熱系數(shù)也隨之減小。

1胡國林,朱慶霞.瓷質(zhì)磚濕坯對流干燥的傳熱傳質(zhì)研究.硅酸鹽學(xué)報,2002,30(5):597～601

2朱慶霞,胡國林,蔣方樂等.大面積瓷質(zhì)磚坯體干燥過程的二維傳熱傳質(zhì)研究.陶瓷學(xué)報,2004,25(2):120～123

3孫恒,張潔,朱鴻梅等.磚坯干燥過程非穩(wěn)態(tài)二維數(shù)值模擬.化工學(xué)報,2003,54(8):1098～1103

4朱慶霞,胡國林,蔣鑒華.瓷質(zhì)磚坯體的導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素.中國陶瓷工業(yè),2001,8(4):16～18

5吳清仁,吳建青,駱建庭等.彩釉磚導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系的研究.硅酸鹽通報,1990,3:51～57

6陳永平,施明恒.基于分形理論的多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)研究.工程熱物理學(xué)報,1999,20(5):608～612