余　東，王昆林

(楚雄師范學(xué)院，云南 楚雄　675000)

*通訊聯(lián)系人

不同金屬材料在不同熱源加熱下的熱傳導(dǎo)研究

余東，王昆林*

(楚雄師范學(xué)院，云南 楚雄675000)

摘 要：本文分別采用酒精燈火焰和CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線對(duì)銅、鋁、鐵正入射加熱，用DIS信息化系統(tǒng)測(cè)量各種情況下的溫升情況。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線正入射加熱時(shí)鋁、鐵出現(xiàn)反常溫升現(xiàn)象，從理論上進(jìn)行分析得到了正確的解釋。

關(guān)鍵詞：DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)；CO2激光器；銅、鋁、鐵；溫升；熱導(dǎo)率；吸收率

熱是能量存在的一種表現(xiàn)形式，溫度則是熱能的衡量尺度。不同溫度的物質(zhì)之間，根據(jù)能量守恒的原則進(jìn)行熱交換——熱傳導(dǎo)[1-3]。熱傳導(dǎo)是一種能量傳輸?shù)倪^程，但熱傳導(dǎo)的規(guī)律總是由溫度較高的物體把熱量傳給溫度較低的物體。在同一物質(zhì)之間也是如此，能量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳導(dǎo)，最后達(dá)到熱平衡，即穩(wěn)態(tài)。

金屬材料的熱傳導(dǎo)是一個(gè)值得研究的問題，不同的金屬材料熱傳導(dǎo)性是不同的，但應(yīng)該遵守同一基本原理，可用固體熱傳導(dǎo)微分方程：

(1)

選取3種不同的金屬材料銅、鋁、鐵作為研究對(duì)象，使用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)作為采集處理數(shù)據(jù)輔助工具對(duì)其熱傳導(dǎo)進(jìn)行研究，考慮到加熱熱源的不同情況，分別采用酒精燈直接加熱、CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線正入射加熱，以進(jìn)行比較性研究。

1研究方案的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在空氣中進(jìn)行金屬材料在受熱源加熱的同時(shí)，不可避免的要向空氣中散熱，為此設(shè)計(jì)在金屬材料的末端打一直徑為0.3cm深度為1.0 cm的小圓孔，將DIS信息化系統(tǒng)的傳感器插入其中這樣避免了金屬材料表面散熱對(duì)其實(shí)驗(yàn)的影響。采用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)、可方便的連續(xù)采集到材料內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)并作出其圖像。其基本過程是傳感器采集到金屬內(nèi)的溫度，由數(shù)據(jù)采集器采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)配合DIS-Lab專業(yè)軟件將不同時(shí)刻金屬內(nèi)的溫度變化曲線直接在屏幕上顯示出來。根據(jù)不同的金屬在不同的熱源下所生成的溫度圖像，分析金屬的熱傳導(dǎo)特性。選用銅、鋁、鐵三種金屬分別在酒精燈下加熱和CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線正入射加熱情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

2銅、鋁、鐵3種柱狀金屬材料在酒精燈加熱下的熱傳導(dǎo)研究

將尺寸相同高為3.20 cm，直徑為2.00 cm的柱狀銅、鋁、鐵3種金屬材料分別按圖1組裝好，采用酒精燈作為熱源，調(diào)節(jié)其高度使酒精燈的外焰其溫度為860.0 ℃直接對(duì)材料的底部加熱，同時(shí)啟動(dòng)DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)并自動(dòng)作出時(shí)間溫度圖像。

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

銅柱熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　 銅柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

鋁柱熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　鋁柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

鐵柱熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　鐵柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

2.2各種金屬材料熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，見圖2-4，可看出，在單位時(shí)間內(nèi)溫度的上升及溫度變化率為銅柱最大、鋁柱次之、而鐵柱最慢，如：當(dāng)加溫時(shí)間達(dá)到50 s時(shí)銅柱的溫度上升到120 ℃，鋁柱達(dá)到114.2 ℃鐵柱的為96.1 ℃。即在酒精燈外焰直接加熱的情況下銅柱的導(dǎo)熱最快鋁柱次之鐵柱最弱。也就是說銅的熱導(dǎo)率最大鋁的次之鐵的最弱。

圖2　銅柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

圖3　鋁柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

圖4　鐵柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

3銅、鋁、鐵3種柱狀金屬材料在CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線正入射加熱下的熱傳導(dǎo)研究

用CO2激光器替換酒精燈作為熱源，對(duì)3種金屬材質(zhì)的柱體進(jìn)行正入射加熱，對(duì)比研究。紅外線是一種波長(zhǎng)大于760 nm的不可見光。而CO2激光器所發(fā)出的CO2激光波長(zhǎng)10.6 μm屬于紅外線的范圍[5-6]。不同波長(zhǎng)的電磁波所載運(yùn)輻射能的差別很大，而在λ=0.1～1 000 μm之間的電磁波被物體吸收時(shí)可顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，也稱該范圍內(nèi)的電磁波為熱射線[1]。實(shí)驗(yàn)采用通用型CO2激光器，其窗口溫度為560 ℃。按圖1所示分別對(duì)銅、鋁、鐵柱體的底部近窗口正入射加熱，采用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)測(cè)量溫度隨時(shí)間的變化情況，進(jìn)行研究。

3.1CO2激光正入射加熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

銅柱熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)見表4。

表4　銅柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

續(xù)表4

鋁柱熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)見表5。

表5　鋁柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

鐵柱熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)見表6。

表6　鐵柱熱傳導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

3.2各種金屬材料熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

采用CO2激光正入射加熱，由于CO2激光器窗口溫度560 ℃小于酒精燈外焰溫度860 ℃，3種材質(zhì)的金屬柱體升溫較慢。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像(圖5-7)可看出，在單位時(shí)間內(nèi)溫度的上升及溫度變化率為銅柱最大、鐵柱次之、而鋁柱最慢，如：當(dāng)加溫時(shí)間達(dá)到500 s時(shí)銅柱的溫度上升到79.7 ℃，鋁柱達(dá)到45.3 ℃鐵柱的為62.9 ℃。即在CO2激光正入射加熱的情況下銅柱的導(dǎo)熱最快鐵柱次之鋁柱最弱。這與酒精燈加熱的情況下相比鋁材柱體的導(dǎo)熱情況發(fā)生了變化即出現(xiàn)了熱導(dǎo)率λ發(fā)生了變化。

圖5　銅柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖像

圖6　鋁柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖

圖7　鐵柱熱傳導(dǎo)溫度時(shí)間圖

酒精燈加熱情況下：λ銅> λ鋁> λ鐵

在CO2激光正入射加熱情況下：λ銅> λ鐵> λ鋁

從理論上來分析這是不可能的，金屬的熱導(dǎo)率λ與化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般來說在相同的環(huán)境下金屬的熱導(dǎo)率λ是固定不變的，見表7。

而與所加熱的熱源無關(guān)，出現(xiàn)這種情況是什么原因呢？從鋁材柱體進(jìn)行分析：實(shí)驗(yàn)采用的鋁柱體是純鋁做成的，表面有較好的光潔度。CO2激光器發(fā)出的是紅外光。不同的金屬材料對(duì)CO2激光是會(huì)有不同的吸收作用從而出現(xiàn)不同的情況。查詢相關(guān)文獻(xiàn)可得鋁、鐵金屬材料對(duì)波長(zhǎng)為10.6 μm的CO2激光正入射激光的吸收率見表8[7]。

表7　3種金屬材料熱導(dǎo)率表

表8　鋁、鐵材料對(duì)10.6 μm正入射CO2激光的吸收率

由表8可見鐵對(duì)10.6 μm正入射CO2激光的吸收率大于鋁的吸收率，故而采用CO2激光正入射加熱在相同時(shí)間的加熱情況下鐵的溫升大于鋁的溫升。也就是說金屬材料對(duì)CO2激光有反射作用，而且鋁的反射大于鐵的反射[8-10]。從而出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4結(jié)論

由上實(shí)驗(yàn)和理論分析可知采用CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線對(duì)銅、鋁、鐵正入射加熱和用酒精燈火焰對(duì)銅、鋁、鐵直接加熱情況是不同的。用酒精燈加熱銅、鋁、鐵材料的溫升顯示屬正常狀態(tài)情況；而用CO2激光對(duì)銅、鋁、鐵材料正入射加熱，在相同的加熱時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了鐵的溫升大于了鋁的溫升的反常情況，其主要原因是鐵對(duì)正入射CO2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外線的吸收率大于鋁的吸收率從而導(dǎo)致反常情況的出現(xiàn)。

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Different Metal Materials under Different Heat Source Heating of Heat Transfer Research

YU Dong，WANG Kun-lin

(Chuxiong Normal University,Yunnan Chuxiong 675000)

Abstract：It uses alcohol lamp flame and infrared ray produced by CO2 laser,which wavelength is 10.6μm to heat copper aluminum and iron,using DIS digital information system to measure the actually changing of temperature in different condition.According to this experiment we would find that using infrared ray which produced by CO2 laser and wavelength is 10.6μm to heat copper aluminum and iron will appear opposite phenomenon compared with the normal,we can get the correct explanation from theoretical analyzing.

Key words：DIS digital information system；CO2 laser；copper；aluminum,iron；temperature rise；thermal conductivity；the absorption rate

收稿日期：2015-11-20

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0021-05

中圖分類號(hào)：O 4-34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.006