張冬冬 王玉玨 何錦錦 王松慶 * 張宇杰 趙偉杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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人工巢箱不同形式制作原料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究★

張冬冬 王玉玨 何錦錦 王松慶 * 張宇杰 趙偉杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過縱向和橫向試驗(yàn)，比較了不同形式木材原料的導(dǎo)熱系數(shù)大小，并研究了原料種類相同但形式不同的人工巢箱的保溫性能，為減少人工巢箱的制作成本并保證其保溫性能，提出應(yīng)使用木材的邊腳廢料作為其制作原料，對于不夠?qū)挼牟糠謶?yīng)進(jìn)行嚴(yán)密膠粘。

人工巢箱，木材，導(dǎo)熱系數(shù)，保溫性能

0 引言

人工巢箱作為一種簡單易行、收效迅速的研究工具和保護(hù)手段，可以有效提高目標(biāo)物種的群落豐富度[1]。為降低人工巢箱的原料成本，國內(nèi)有學(xué)者建議使用木材的邊腳廢料作為人工巢箱的制作原料[2]。為探究該做法的可行性及木材的拼湊對人工巢箱保溫性能的影響，本文擬對不同形式木材原料的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值大小進(jìn)行比較，綜合評判使用不同形式木材原料制作的人工巢箱保溫性能。為日后對人工巢箱的木材原料形式的選擇提供理論依據(jù)。

1 導(dǎo)熱系數(shù)測量方法

作為導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)法測量的主要方式，防護(hù)熱板法具有測量精確度高、測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等特點(diǎn)[3]，是保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)測量的首選方案[4]。防護(hù)熱板法導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置以傅里葉定律為基本測量原理[5]。圖1是單試樣防護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀的裝置構(gòu)造示意圖。當(dāng)背護(hù)熱板、外護(hù)熱板、內(nèi)護(hù)熱板與計(jì)量熱板的溫度完全相同時，計(jì)量熱板加熱器所產(chǎn)生的熱量會在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的條件下，垂直通過樣品的中心區(qū)域流向冷板[6]。

傅里葉定律的數(shù)學(xué)描述如下：

(1)

則在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下，導(dǎo)熱系數(shù)可按下式計(jì)算:

(2)

在一定厚度具有平行表面的均勻板狀試件中，建立以兩個平行均溫平板為界的理想狀態(tài)下無限大平板一維恒定熱流導(dǎo)熱模型，通過測定計(jì)量熱板加熱器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后所產(chǎn)生的熱量Q，按照一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算式(2)，即可求得試件的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 測量樣本相關(guān)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)所使用的木材均為制作人工巢箱常用的松木，其具有價(jià)格低廉，不易變形、翹裂的特點(diǎn)。為保證本次對比測試實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果準(zhǔn)確，試樣可以覆蓋中心量熱器和內(nèi)保護(hù)裝置的整個表面，所有受測試樣均被加工成長×寬為300mm×300mm，厚度為30mm的統(tǒng)一大小。

2.2 測試樣本分組及測試結(jié)果分析

1)第一組縱向?qū)Ρ葴y試實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)首先對同一塊樣本(記為板1)做第一組縱向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)。定義未進(jìn)行分割的板1完整形式為工況1，板1鋸開后再直接拼接的形式為工況2，鋸開后使用環(huán)氧樹脂膠水嚴(yán)密膠粘的形式為工況3。工況1～3下板1的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 工況1下板1導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

表2 工況2下板1導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

表3 工況3下板1導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

通過上述對比分析，得到三種工況下板1導(dǎo)熱系數(shù)大小比較的折線圖(如圖2所示)。

由圖2可知，板1在工況1下導(dǎo)熱系數(shù)最小，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中熱量主要以熱傳導(dǎo)形式從高溫側(cè)經(jīng)過木板傳向低溫側(cè)，實(shí)驗(yàn)測得的是木板本身的導(dǎo)熱系數(shù)。

板1在工況2下導(dǎo)熱系數(shù)最大，這是由于將板1鋸開再直接拼接時會不可避免地出現(xiàn)接縫處不嚴(yán)密，接縫處會留存有大量空氣。實(shí)驗(yàn)過程中熱量不僅會以熱傳導(dǎo)形式傳遞，還會通過接縫以接縫中空氣的對流傳熱形式傳遞。

板1在工況3下導(dǎo)熱系數(shù)比工況1的大但比工況2的小。這是由于使用環(huán)氧樹脂膠水將兩塊木板拼接處進(jìn)行了嚴(yán)密膠粘，大大減少了接縫處存留的空氣，阻斷了通過接縫進(jìn)行的對流傳熱過程，導(dǎo)致工況3下導(dǎo)熱系數(shù)比工況2的小。而又由于凝固膠水的導(dǎo)熱系數(shù)比木板的大，所以導(dǎo)致工況3下導(dǎo)熱系數(shù)比工況1的大。

2)兩組間橫向測試實(shí)驗(yàn)?？紤]到人工巢穴在實(shí)際制作過程中，可能遇到需要多塊木板拼湊的情況，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)探究試樣的分割塊數(shù)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。第二組實(shí)驗(yàn)采用的試樣(記為板2)進(jìn)行如第一組類似的測試實(shí)驗(yàn)，但在工況2下將板2分割為三塊板測試。板2在三種工況下導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)分別見表4～表6。

表4 工況1下板2導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

表5 工況2下板2導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

表6 工況3下板2導(dǎo)熱系數(shù)的測定數(shù)據(jù)

對兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整理對比(如表7所示)，并得到兩組實(shí)驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)平均值大小比較的折線圖(如圖3所示)。

表7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后結(jié)果

通過圖3可知，工況1下兩組木板導(dǎo)熱系數(shù)有些許差異，這是由于木材本身的材質(zhì)不同以及實(shí)驗(yàn)測量誤差所致。工況2下表明鋸成的塊數(shù)越多，木塊間的接縫就越多，實(shí)驗(yàn)過程中以對流傳熱形式傳遞的熱量所占的比重就越大，所以導(dǎo)熱系數(shù)值更大。工況3下兩組木板的接縫處都用膠水嚴(yán)密膠粘。由于凝固膠水的導(dǎo)熱系數(shù)與木板接近，而且接縫所占面積很小，所以兩組木板的導(dǎo)熱系數(shù)基本相同。

3 結(jié)語

1)從第一組縱向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)，得到板1三種不同工況下的導(dǎo)熱系數(shù)大小比較:分割后直接拼接的木板>分割后進(jìn)行嚴(yán)密膠粘的木板>未進(jìn)行分割的完整木板。因此得出結(jié)論，在制作相同人工巢箱時，如果僅從保溫效果考慮，應(yīng)盡量采用完整的木材作為制作原料。但如果還需考慮到其制作成本，則可以使用木材的邊腳廢料作為人工巢箱制作原料，但對于不夠長的部分，應(yīng)推薦使用膠水將木板拼接處嚴(yán)密膠粘，以提高其保溫性能。

2)從第二組橫向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：當(dāng)不同塊數(shù)木板進(jìn)行直接拼接時，其導(dǎo)熱系數(shù)值會隨著所拼接木板的塊數(shù)增加而顯著增加。但在統(tǒng)一膠粘后，其導(dǎo)熱系數(shù)值均會大大降低且接近相同。這進(jìn)一步說明了利用膠粘代替木板間的直接拼接可以有效提高其保溫性能，而與需要拼湊的邊腳廢料的塊數(shù)關(guān)系不大。

3)綜合上述結(jié)論，在制作人工巢箱時應(yīng)推薦使用木材的邊腳廢料作為制作原料，對于邊腳廢料不夠?qū)挼牟糠謶?yīng)利用膠水將木板拼接處進(jìn)行嚴(yán)密膠粘。這不僅可以大大減少人工巢箱的制作成本，促進(jìn)其廣泛推廣，而且可以保證人工巢箱的保溫性能。

[1] 魏頤凊.人工鳥巢設(shè)計(jì)方法初探[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2014.

[2] 宋 杰.人工巢箱的制作和使用[J].生物學(xué)通報(bào),1994(4):25-27，49.

[3] 高鶴明,郝建新,高現(xiàn)文.智能型高精度防護(hù)板法導(dǎo)熱儀的設(shè)計(jì)[J].自動化儀表,2008(6):56-58.

[4] 張 濤,朱春玲,蔡玉飛,等.防護(hù)熱板法測量中絕熱層厚度分析[J].低溫建筑技術(shù),2015(3):11-13.

[5] 楊惠林,徐駿華.高準(zhǔn)確度防護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1994(2):259-262.

[6] 劉運(yùn)傳,孟祥艷,王 康，等.一種防護(hù)熱板法導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置研制[J].中國測試,2016(3):64-66，72.

Experimental study of thermal conductivity of artificial nest boxes who’s materials in different forms★

Zhang Dongdong Wang Yujue He Jinjin Wang Songqing* Zhang Yujie Zhao Weijie

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This paper explored the insulation performances of artificial nest boxes who’s materials in same types but different forms by longitudinal and lateral contrast tests of the thermal conductivity of wood materials in different forms. This paper proposes that to reduce the cost of making artificial nest boxes and ensure its insulation performance, leftover wood should be used as raw materials, the part not wide enough should be tight glued.

artificial nest box， wood， thermal conductivity, thermal insulation properties

1009-6825(2017)05-0200-03

2016-12-07★：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610225063)

張冬冬(1994- )，男，在讀本科生

王松慶(1982- )，男，博士，講師

TU502.4

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