热流密度

热流密度
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概述
热流密度、温度和热传递
热流密度的测量仪器
热流密度（Heat Flux，Thermal Flux）
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概述
也称热通量，一般用q表示
定义为：单位面积（1平方米）的截面内单位时间（1秒）通过的热量
q=Q/(S*t) ——Q为热量t为时间S为截面面积
热流密度与热流的关系：
热流密度q=热流J/S ——S为截面面积
热流密度与导热系数的关系：
材料热流密度q=∧(T1-T2)/d
——∧--表示材料导热系数T1--表示热表面的温度T2--表示冷表面的温度d--表示材料厚度
热流密度是考察器件或设备散热性能的重要指标
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热流密度、温度和热传递
虽然温度测量可通用并容易接受，但热流密度（热通量）测量常常需要考虑。

温度是物质的基本属性之一。

此外，由于温度可以通过人类的感官测定，多数人熟悉其含义。

相反，热流密度（热通量）是一种不易感测的导出量。

然而，只在大多数热系统中测量温度是不够的。

通常，热能流通方式和位置与温度的流通方式和位置同等重要，或比温度的流通方式和位置更重要。

例如，人类皮肤的温度可显示人体的舒适程度，但与分散到环境中的能量有少许关系，尤其是在同时发生蒸发的情况下。

除了气温之外，风冷因素是对流传热重要性的另一常见例子。

热量的传递（转移）与科研、工农业生产和日常生活息息相关：
1、针对居住者的最大舒适度加热和冷却生存空间的观点已开始被接受；
2、通过测量大地热流，发现各地生态环境以及城市气候的优劣与区域大地热流的高低有密切的关系。

（在农业气象学中为了优化作物灌溉——特别是缺水区域——，在描述表面温度、露的形成或结霜条
件、以及土壤热平衡的重要部分：热存储等的产生方式中，正确地土壤热流测量是非常重要的。

）
3、许多工业制造过程需要紧密控制材料整个加工过程的温度，以建立所需的特性和质量控制。

（例如，
陶瓷和薄膜中的热应力控制、等离子体沉积、玻璃和金属的退火、许多材料的热处理、塑料纤维纺
丝、薄膜干燥、电子薄膜和晶体的增加以及激光表面处理。

）
4、材料的温度控制需要用已知的控制方式将能量传递到固体和液体中，或从固体和液体中传出。

因此，
设备（如干燥器、热交换器、锅炉、冷凝器和热导管）的合理设计变得至关紧要。

（电子、推进力和
发电设备中更高的功率密度恒定驱动器不断挑战相关冷却系统的极限。

）
因此，在现代社会材料与过程的热管理正成为一门高精的学科。

在许多系统中最大化或最小化热能传递对于发挥系统最佳性能至关重要。

因此，可用于直接感测热流密度（热通量）的传感器（仪器）极其重要。

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热流密度的测量仪器
用于测量热流密度的传感器称为热流密度传感器，简称热流传感器。

用于测量热流密度的仪器称为热流密度计（热通量计），简称热流计。

临界热流密度
critical heat flux
此时，有更多的汽泡生成。

但热流密度增至c点后，如果继续增加热流密度，则由于汽泡密度太大，以致联成汽膜。

这种汽膜将加热面与冷却剂隔开，从而使传热能力急剧下降，壁温将由c点急剧上升到。

‘点.。

点的热流密度(亦即c‘点的热流密度)即定义为临界热流密度。

达到临界热流密度时出现的壁温急剧升高，可能造成释热元件表面过热，甚至烧毁。

所以临界热流密度有时也被称作烧毁热流密t01卿l伽执j[0仪专屯1 八r.丫、沸腾工况下热流与沮压的关系a以下是液体自然对流工况.a一b是自然对流和泡核沸璐混合的工况;b- 。

是泡核沸璐工况;c一d是泡核沸璐和膜态沸肠混合的工况.d一e是膜态沸肠工况.e一f是膜态沸腾加辐射的工况度。

由于在此热流密度下开始偏离泡核沸腾而向膜态沸腾过渡，故又叫偏离泡核沸腾热流密度。

临界热流密度与实际(或设计的)热流密度之比称为偏离泡核沸腾比。

设计上应保证偏离泡核沸腾比大于1。

影响临界热流密度的主要因素有冷却剂流速、压力和含汽量等。

通常液流中含汽量愈大、流速愈低、则临界热流密度愈小。

而压力的影响则不是单调的，低压下，临界热流密度随压力的增加而增大;高压下，则随压力的增加而减小。

实验的临界热流密度数据一般概括成经验公式的形式，其中的临界热流密度表示为各种自变t(有时还有一些因变量)的函数。

这些公式都只在严格规定的各自变t范围内是最佳的，不推荐外推到这个范围之外。

例如下述的W一3公式，临界热流密度qcr表示为叮。

，=3 .154Xlo‘〔(2.022一6.23sxlo一色P) +(0.1722一1.43xlo一吕P)exp(18.177 一5 .987xlo一’P)苏〕〔(0.1484一l.596x. +。

·1729苏.二})x些瓮黔+1·。

37〕X(1 .157一0.869浓)〔0.2664 +0.8357exP(一124D。

)〕(0.8258 +0.34lX10一8△H.)FW/mZ 式中p为冷却剂工作压力，Pa;G为冷却剂质t流密度，kg/(h·m，);从为当t直径，m;不为计算点处的含汽量;△月一H一H.。

为冷却剂在进口处的欠热焙差，H.为工作压力下冷却剂的饱和熔，J/kg;Hln为冷却剂在进口处的熔，J/kg，F为格架修正因子。

公式的适用范围为:P=(6.59~15·86)x 10‘pa;G，(4·88 ~24·41)X lo6kg/(h·mZ);De一(5·08~17·78)X 10一3m;X.簇o·15;H，。

)930·4 X 10，J/kg。

I一n]旧rel旧m一du 临界热流密度(eritieal heat flux)由泡核沸腾转变为膜态沸腾时的
单位表面积、单位时间内所传出的热t。

它是反应堆热工水力设
计中的一个限制t，即不允许热流密度达到或过分接近临界热流
密度，以防发生嫩料元件的过热或烧毁。

图中给出沸腾工况下
的热流与温压的关系.由图可见，在a一b段，随粉热流密度的
增加，壁温逐渐升高。

......
影响热流密度（强度）的因素有哪些
材料热流密度q=∧(t1-t2)/d ∧--表示材料导热系数t1--表示热表面的温度t1--表示冷表面的温度d--表示材料
材料热流密度q=∧（t1-t2）/d
∧--表示材料导热系数
t1--表示热表面的温度
t1--表示冷表面的温度
d--表示材料厚度
热流密度大，初生坯壳增长太快，会增加振痕... 3m/min，弯月面处的热流密度；普通结晶器2MMW/m2，热顶结晶器0.5MMW/m2。

热流量
热流量是一定面积的物体两侧存在温差时，单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。

通过物体的热流量与两侧温度差成正比，与厚度成反比，并与材料的导热性能有关。

单位面积的热流量为热流通量。

稳态导热通过物体热流通量不随时间改变，其内部不存在热量的蓄积；不稳态导热通过物体的热流通量与内部温度分布随时间而变化。

记为：Φ；
单位：瓦特（W）。

热流量可以理解为流量的变化率，Φ=KrAΔT
其中Kr为传热系数，A为物体的表面积，ΔT为物体两侧的温差。

热流计
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概述
热流计的构成
热流计的应用
热流计的发展进程
热流计的校准
热流计测量精度的影响因素
热流计选型指南
常见热传导测试用热流计比较
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概述
热流计（Heat Flow Meter）
也称热通量计，热流仪，其全称是热流密度计。

热流计是热能转移过程的量化检测仪器，是用于测量热传递过程中热迁移量的大小、评价热传递性能的重要工具。

既热流（密度）的大小表征热量转移的程度。

换句话说，热流计是测量在不同物质间热量传递大小和方向的仪器。

热流计须满足对热传导、热对流、热辐射的单独测量或上述两者或三者的综合测量。

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热流计的构成
由热流传感器、显示仪表及联接导线组成。

显示仪表可以是数字电压表，也可以是数据记录仪或数据采集系统。

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热流计的应用
热传导测试：
这是热流计最常用的一种应用，主要是对各种设备的保温性能测试，包括各种工业炉窑、热力输送管道、建筑物、冷库、纺织物和服装、人员输送工具（客车、客轮、客机等）、暖棚等，地热和土壤热流的测试，制造热流法热导率测试设备等等。

对于各种工业炉窑、热力输送管道、建筑物、冷库等的保温性能测试，通常被称为节能监测（节能检测或节能测试），对于此类测试我国已有相应的国家标准，如GB/T 4272-2008 设备及管道保温技术通则，GB/T 8174-2008 设备及管道保温效果的测试与评价，GB/T 10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计，GB/T 17357-2008 设备及管道绝热层表面热损失现场测定-热流计法和表面温度法。

热辐射测试：
包括辐射加热源，阳光辐射强度和太阳能设备，火灾的发生和防护，火药、炸药、推进剂的热强度和热分布，各种燃烧室的热强度和热分布，人工环境的热舒适测试和控制，高温风洞试验，等等。

在此类测试中有些项目可以需要考虑同时进行热对流的测试。

此类测试有些也有相应的国家标准，如：GB/T 11785-2005等。

热对流的测试：
强制对流换热设备的测试等。

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热流计的发展进程
因为热流传感器是热流计的一次敏感元件，因此热流传感器的发展进程决定的热流计的发展进程。

1914年，出现了最早应用于现场直接测量热流的热流传感器。

当时德国的Henky教授要测量通过啤酒厂内地板的热流，他用10 cm厚的软木板覆盖地板，测出软木板上下两面的温度差，和软木板的导热系数从而计算出热流密度。

是现在所用的热流传感器的雏型。

1924年，Schmidt设计了由绕在橡胶带上的热电堆组成的带状热流传感器用来测量带有保温层的管道的热流密度。

一般认为这是第一种实用的热流传感器。

当前广泛应用的热阻式热流传感器一直沿用了热电堆传感器这一基本型式。

Schmidt热流传感器上的热电堆是用焊接的方式制成的，工艺比较复杂。

1939年，为克服制作多点热电堆的困难，Gier和Boelter用在康铜丝上电镀银的方法制成了热流传感器用的热电堆（或称：线绕热阻式）。

以后这种方法就逐步推广到制作各种热流传感器。

这种线绕热阻式热流传感器的精度提不高的间题在于：一片板条上绕线圈只有板条的两个端头接触，无法定型规范，每一圈扁、圆不可能一致，而一个测头有几百圈，使得各个测头千差万别，另外线圈为了电镀必须是裸线，在制作过程中容易碰线从而改变性能，各线圈之间需要多点串连焊接，焊点状况也是各不相同焊点又多。

由于结构形式和加工方法决定了各个传感器性能的离散性很大。

为了确保各个传感器的线性，使其具有较高的精度，较窄的量程和使用温度范围。

由于是手工制作，因此各热流传感器的一致性（线长、电阻、电容、电感等）不是很高，分辨率较低，特别是在保证线性的基础上只能有较窄的量程。

1969年前后，随着对高精度热流测量的需求，提出了利用半导体材料制作热流传感器的感测元件：热电堆。

既采用集成电路工艺，以硅膜作介质，采用扩散和粒子注人、硅外延、阳极氧化、腐蚀多孔硅、物理或化学气相淀积绝缘介质等技术在硅膜上制备热电堆。

这类传感器具有具有线长一致、电阻、电容、电感一致等特点，因此具有更高的灵敏度、量程和工作温度范围。

为通用领域提供经济实用精度更高的热流检测仪器。

由于采用了半导体制造工艺，使的各热流传感器的一致性（线长、电阻、电容、电感等）和性能（如工作温度、量程、分辨率和响应时间）得以大幅提高，特别是使其可以在很大的量程内具有良好的线性。

2002年，出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器，以满足航空航天和军事科学的更高精度测量需要，使对微小热量变化的测量成为了可能。

它是新的专利（EU patent：PCT/FR02/04033）技术：是由位于中间的低导热材料金属薄片和被涂覆在其两面的高导热材料沉积层构成的器件。

涂覆材料的一面被能量照射，而另一面的背面覆盖有热屏障。

照射的能量流量差引起一个电势能，它能容易地产生微小的电流。

这个电流比例于能量流量。

由于采用新的专利技术，使的薄膜热流传感器非常的薄，典型厚度为0.4mm；各热流传感器的一致性（线长、电阻、电容、电感等）和性能（如量程、分辨率和响应时间）更高，特别是可确保其在很大的量程内具有良好的线性；其响应时间的典型值为25ms，因此它们能被用于不稳定热流或探测如突发的辐射热流等瞬态测量；超薄的厚度，也使其当被安装在表面时，它们与常规的传感器相比，是不敏感于空气缝隙的。

上述是用于测量热传导的热阻式热流传感器的发展进程。

在欧美等发达国家，线绕热阻式热流传感器已经被更高性能的半导体热电堆式热流传感器和薄膜式热流传感器所取代。

塞式（Schmidt Boelter）和其它形式的辐射热流计也正在逐渐被由快速响应型薄膜热流传感器构成的辐射热流传感器所取代。

但是用于高速瞬态快速测量（10～20ms）的圆箔式（Gardon）热流传感器一直沿用至今。

这是因为最新的快速响应型薄膜热流传感器的响应时间还不能超过20ms。

热流计的显示仪表从最初的毫伏计、数字电压表也已经发展到使用高精度的数据记录仪和数据采集系统。

热流计在我国的发展：
用于瞬态快速测量（10～20ms）的圆箔式辐射式热流传感器一直在我国的军工企业制造和使用。

80年代初，为了配合我国节能工作的需要，由国家投资、北京自动化技术研究所（现为北京自动化技术研究院）承担了仿制日本昭和电株式会社的HFM-101和HFM-115型热流计及配套线绕式热流传感器，国产后的型号为CHF并一直生产销售至今。

近几年，我国的一些科研院所也进行过薄膜热流传感器的研制并取得了成功，但遗憾的是至今没有形成工业化生产。

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热流计的校准
热流计在使用一段时间后（通常是一年左右），应该进行必要的重新校准，以确保其测量的准确性。

校准热流计应该对其热流传感器和显示仪表分别予以单独的校准。

热流传感器的校准方法有二：一是绝对法校准，依据国标GB/T 10294（国际标准化组织ISO/DIS 8302）；二是比较法校准，依据国标GB/T 10295（国际标准化组织ISO/DIS 8301），但是必须要求计量机构提供其使用的标准热流传感器的检定证书。

显示仪表的校准方法：依据所使用显示仪表的不同，参照相应的国家标准即可。

一般至少要进行直流电压输入通道的校准，如果热流传感器带有热电偶温度传感器还应进行热电偶输入通道的校准。

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热流计测量精度的影响因素
由于热流传感器是热流计最为关键的一次敏感器件，因此其测量精度将直接关系到热流计的测量精度。

热流传感器与被测物粘贴紧密程度对热流测量精度的影响：紧密粘贴或使用导热硅脂
热流传感器与被测物粘贴的紧密程度，对热流的稳定时间有着非常大的影响。

粘贴越紧密，稳定越快，测量偏差越小；反之，测量偏差越大。

因此，在瞬态热流传感器的使用过程中，要尽量保证热流热流传感器能够紧密地粘贴被测物体，这样才能减少测量时间，提高测量精度。

导热胶（导热硅脂）的应用，为解决这个问题提供了非常好的条件。

热流传感器厚度对热流测量精度的影响：越薄越好
当热流传感器厚度为0.1mm时，被测物表面热流稳定非常快，从开始到稳定只用了约0.5s的时间，通过热流传感器的热流值与实际值相差2.92%。

当热流传感器厚度增加到1mm时，稳定时间达到了8s，为原来的16倍，热流值的偏差达到了6.2 6%。

这主要是由于热流传感器厚度的增加，加大了热流传感器引入的热阻，使通过热流传感器的热流值产生了较大偏移。

热流传感器边长对热流测量精度的影响：越长越好，最优值20mm～30mm
热流传感器边长的改变并没有给热流的稳定时间造成太大影响，却给稳定值带来较大的偏差。

边长从5mm变成10mm时，稳定热流值减小了8.4%，与实际值相差6.51%；边长从10mm变为20mm时，热流减小了4.3%，与实际值相差1.94%；边长从20mm变为30mm时，热流仅仅减小了0.4%，已经和真实值基本重合。

这说明，热流传感器边长越长，稳定值越准确，且边长一定存在着一个最优值。

这个最优值既能保证热流传感器尽可能小，又能保证所测热流的准确性。

从本文的计算来看，这个最优值约为20mm。

当被测物表面近似认为半无限大时，20mm可能是测量精度和热流传感器尺寸的最佳结合点。

（主要内容摘自《热流计测量精度影响因素的数值分析》，节能，2005年第2期）
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热流计选型指南
由于热流传感器是热流计的一次敏感元件，因此其性能优劣决定了热流计的性能。

所以在选择热流计时，必须注重热流传感器的性能指标。

热流计的主要技术指标包括：
1、热流量程：
决定了可以测得的最大热流值。

由所配热流传感器的热流量程和热流计主机的电压量程决定。

越大越好，以满足更多的测量需求。

2、热流分辨率（热流灵敏度）：
决定了可以测得的最小热流值。

由所配热流传感器的灵敏度和热流计主机的电压灵敏度决定。

分辨率越小越好（灵敏度越高越好）。

特别是对于节能、建筑节能保温和其它保温性能测试，选择高灵敏度的热流计可以最大程度的适应将来严格的节能检测和节能监测标准要求，以及保温性能在日益提升的保温材料的测试要求。

3、精度：
由所配热流传感器的精度和热流计主机的电压测量精度决定。

4、温度量程：
如果传感器带有内置的热电偶。

5、采样速率：
由所配热流传感器的响应时间和热流计主机的采样速率决定。

对于辐射热流计是必须考虑的。

6、其它：如存储容量，显示更新速率，通讯接口和软件等。

在此需要特别指出的是，日本KYOTO公司的HFM-201和HFM-215型热流计在其产品资料将显示量程写为了测量量程，这将严重的误导购买者。

如热流量程写为：0～±9999 w/m2或kcal/m2h，但其所能配置的全部热流传感器均不能达到这个范围；温度量程写为：铬-铝热电偶-99.9～999.9℃/铜-镍热电偶-199.9～400.0℃，但其所配置的所有传感器的使用温度均小于这个范围，如常用的TR2型热流传感器的热流量程仅为10～3000kcal/m2h（约11.6～3500 W/m2）/工作温度-40～150℃，T500型热流传感器的热流量程仅为300～15000 kcal/m2h（约0.35～17.38 kW/m2）/工作温度70～500℃。

因此，购买者在选择热流计时，必须关注和仔细阅读其热流传感器的相关技术指标，以确保购买到适合的热流计。

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常见热传导测试用热流计比较
说明：
1、日本KYOTO-KEM的热流计量程、分辨率依据制造商资料中给出的kcal/m2h单位换算得到
（1 kcal/m2h=1.1587 w/m2）。

2、CHF各传感器的热流量程和分辨率制造商没有给出，由于其是仿制于日本KYOTO-KEM公司的早期型号HFM-101和HFM-115，所以依据日本KYOTO-KEM的热流计量程、分辨率给出。