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一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410143838.6

申請日:

2014.04.10

公開號:

CN103954648A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):G01N 25/20登記生效日:20171221變更事項:專利權人變更前權利人:中國礦業大學變更后權利人:中國礦業大學變更事項:地址變更前權利人:221000 江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學南湖校區變更后權利人:221000 江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學南湖校區變更事項:共同專利權人變更后權利人:徐州中礦大礦山安全技術與裝備研發中心|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 25/20申請日:20140410|||公開
IPC分類號: G01N25/20 主分類號: G01N25/20
申請人: 中國礦業大學
發明人: 秦波濤; 賈玉威; 魯義; 李方磊; 史全林
地址: 221000 江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學南湖校區
優先權:
專利代理機構: 徐州支點知識產權代理事務所(普通合伙) 32244 代理人: 李中華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410143838.6

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.01.09|||2016.03.23|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,包括裝置部分(1)和監控部分(2);裝置部分(1)的內層半球容器(107)嵌于下層絕熱墊(105)內,并與上層絕熱墊層(106)疊放在底座(101)上;使用六對緊固螺栓(103)和緊固螺母(104)將測量容器上蓋(102)與底座(101)連接,電阻加熱絲(108)通過導線(203)直流穩壓電源(204)與相連;測溫點處熱電偶通過導線(203)穿過上層絕熱墊(106)及測量容器上蓋(102)與溫度采集模塊(201)相連;同時還提供利用上述裝置進行導熱系數的測量方法;利用本裝置和方法,可對液體,泡沫流體及顆粒狀固體等易形變物體的導熱系數進行有效測試。

權利要求書

權利要求書
1.  一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,包括裝置部分(1)和監控部分(2);其特征在于, 
裝置部分(1)包括底座(101)、測量容器上蓋(102)、緊固裝置、下層絕熱墊(105)、上層絕熱墊(106)、內層半球容器(107)和電阻加熱絲(108);下層絕熱墊(105)呈圓環狀態,并對稱地出現一段凹槽,用于安裝固定內層半球容器(107),內層半球容器(107)外層至內層依次為待測材料腔(111)、標準材料腔(110)和內腔(109);上層絕熱墊(106)覆蓋于內層半球容器(107)之上,并與下層絕熱墊(105)外周對齊,緊固裝置將測量容器上蓋(102)與底座(101)相連接,并將下層絕熱墊(105)、上層絕熱墊(106)、內層半球容器(107)和電阻加熱絲(108)固定在測量容器上蓋(102)和底座(101)之間; 
監控部分(2)包括溫度采集模塊(201)、計算機控制模塊(202)、導線(203)和直流穩壓電源(204);溫度采集模塊(201)輸入端通過導線(203)連接至標準材料腔(110)測溫點a、測溫點b和待測材料腔(111)的測溫點c和測溫點d處的熱電偶,輸出端則與計算機控制模塊(202)相通;直流穩壓電源(204)通過導線(203)對電阻加熱絲(108)通電加熱。 

2.  根據權利要求1所述的一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,其特征在于,所述的內層半球容器(107)嵌于下層絕熱墊(105)中間;下層絕熱墊(105)嵌于底座(101)半球容器中;上層絕熱墊(106)為圓柱形,其截面半徑與下層絕熱墊(105)外徑一致。 

3.  根據權利要求1或2所述的一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,其特征在于,所述的內層半球容器(107)半球壁面厚度均勻,內層半球容器(107)內用于分隔內腔(109)和標準材料腔(110)的球面厚度亦均勻,且兩層球面使用橋接連接,形成一側完全開放的內腔(109)和標準材料腔(110)。 

4.  根據權利要求3所述的一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,其特征在于,所述的內層半球容器(107)由高導熱材料制成,內腔(109)內充填的低熱容材料為環氧樹脂;所述的上層絕熱墊(106)及下層絕熱墊(105)均由石棉制成。 

5.  根據權利要求4所述的一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,其特征在于,所述的緊固裝置為緊固螺栓(103)和緊固螺母(104),數量均為6個且相互配合連接。 

6.  根據權利要求1或2所述的一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,其特征在于,所述待測材料腔(111)外側設置散熱肋板。 

7.  一種基于半球面熱源穩態法導熱系數測量方法,其特征在于,包括以下步驟: 
1)旋松緊固螺母(104),取下緊固螺栓(103),打開測量容器上蓋(102),取下上層絕熱墊(106),取出內層半球容器(107); 
2)將已知導熱系數的標準試樣注入并裝滿標準材料腔(110);將內層半球容器(107)放置在下層絕熱墊(105)上,使得內層半球容器(107)兩端嵌在下層絕熱墊(105)上預留的凹槽中;向待測材料腔(111)內注入待測試樣,注入速度應當緩慢穩定,最終待測試樣上表面與內層半球容器(107)上表面平齊;在內層半球容器(107)上方,放置上層絕熱墊(106),并使其與下層絕熱墊(105)對齊; 
3)在標準材料腔(110)的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點a和測溫點b,在待測材料腔(111)的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點c和測溫點d;測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d上布置熱電偶,并通過導線(203)穿過上層絕熱墊(106)及測量容器上蓋(102)上的走線孔與溫度采集模塊(201)相連接;在內腔(109)中布置電阻加熱絲(108),并通過導線(203)穿過走線孔與直流穩壓電源(204)連接; 
4)蓋上測量容器上蓋(102),并裝上緊固螺栓(103),旋緊緊固螺母(104),使得整個裝置部分(1)組裝成一個整體; 
5)打開直流穩壓電源(204),加熱電阻加熱絲(108),同時打開溫度采集模塊(201)及計算機控制模塊(202),通過熱電偶實時監測測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,等到溫度不再變化(熱平衡狀態)時,采集測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,并分別記為Ta,Tb,Tc和Td,待測材料的導熱系數為: 

式中:λw——待測試驗的導熱系數,單位W/(m·K);Ta,Tb,Tc和Td——熱平衡狀態下,測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,單位K;ra,rb,rc和rd——測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d距離裝置球心的距離,單位mm;λs——標準試驗的導熱系數,單位W/(m·K); 
6)記錄計算機控制模塊(202)顯示的計算結果,斷開直流穩壓電源(204);待冷卻 半小時后,拆卸緊固螺栓(103)和緊固螺母(104),取下測量容器上蓋(102)及上層絕熱墊(106),將內層半球容器(107)取出;清洗內腔(109),標準材料腔(110)和待測試樣腔(111);將各部分烘干,裝配,以便下次使用。 

說明書

說明書一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置及方法
技術領域
本發明涉及一種物體導熱系數的測量裝置及方法,具體是一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置及方法。
背景技術
導熱系數是描述物質導熱能力的主要參數,對工程熱設計有重要作用,因此準確地測量導熱系數一直是傳熱領域研究的重要課題。目前,導熱系數的理論研究已經得到充分發展,導熱系數的測試方法也有很多,根據測試過程的宏觀機理不同,可將其分為穩態法和非穩態法:其中穩態法由于可以得到可靠的結果且計算簡單是目前應用廣泛的測定方法。穩態法測定導熱系數的一般過程為:在待測試樣一端加熱,另一端冷卻,使整個體系形成近似一維導熱的模型,然后根據一維導熱系數的計算公式來測量計算待測材料的導熱系數。
穩態法進一步可分為兩類,一類是按上述方法直接測定,另一類則是使用已知導熱系數的標準試樣,控制標準試樣的熱流密度與待測試樣相同,再測定等溫面間的溫差和相關的幾何尺寸,最終通過化簡計算得到待測試樣的導熱系數。但是,無論哪一類穩態法,在測量材料導熱系數的過程中,都要求對待測試樣周邊進行隔熱處理,以保證測量結果的正確性。同時,這些方法的測試對象一般是固體材料,并將其制備成規則的柱體,以方便計算。而對于液體,泡沫流體及顆粒狀固體,其狀態易于變化,不受容器形狀限制,故其導熱系數難以測試。
發明內容
針對上述現有技術存在的問題,本發明提供一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置及方法,可對液體,泡沫流體及顆粒狀固體等易形變物質的導熱系數進行有效測試。
為了實現上述目的,本發明采用的技術方案是:一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,包括裝置部分和監控部分;
裝置部分包括底座、測量容器上蓋、緊固裝置、下層絕熱墊、上層絕熱墊、內層半球 容器和電阻加熱絲;下層絕熱墊呈圓環狀態,并對稱地出現一段凹槽,用于安裝固定內層半球容器,內層半球容器外層至內層依次為待測材料腔、標準材料腔和內腔;上層絕熱墊覆蓋于內層半球容器之上,并與下層絕熱墊外周對齊,緊固裝置將測量容器上蓋與底座相連接,并將下層絕熱墊、上層絕熱墊、內層半球容器和電阻加熱絲固定在測量容器上蓋和底座之間;
監控部分包括溫度采集模塊、計算機控制模塊、導線和直流穩壓電源;溫度采集模塊輸入端通過導線連接至標準材料腔測溫點a、測溫點b和待測材料腔的測溫點c和測溫點d處的熱電偶,輸出端則與計算機控制模塊相通;直流穩壓電源通過導線對電阻加熱絲通電加熱。
內層半球容器嵌于下層絕熱墊中間;下層絕熱墊嵌于底座半球容器中;上層絕熱墊為圓柱形,其截面半徑與下層絕熱墊外徑一致。
內層半球容器半球壁面厚度均勻,內層半球容器內用于分隔內腔和標準材料腔的球面厚度亦均勻,且兩層球面使用橋接連接,形成一側完全開放的內腔和標準材料腔。
內層半球容器由高導熱材料制成,內腔內充填的低熱容材料為環氧樹脂;所述的上層絕熱墊及下層絕熱墊均由石棉制成。
緊固裝置為緊固螺栓和緊固螺母,數量均為6個且相互配合連接。
待測材料腔外側設置散熱肋板。
本發明還同時提供了利用上述裝置所進行的半球面熱源穩態法導熱系數測量方法,其特征在于,步驟為:
1)旋松緊固螺母,取下緊固螺栓,打開測量容器上蓋,取下上層絕熱墊,取出內層半球容器;
2)將已知導熱系數的標準試樣注入并裝滿標準材料腔;將內層半球容器放置在下層絕熱墊上,使其穩嵌在下層絕熱墊上預留的凹槽中;向待測材料腔內注入待測試樣,注入速度應當緩慢穩定,最終待測試樣上表面與內層半球容器上表面平齊;在內層半球容器上方,放置上層絕熱墊,并使其與下層絕熱墊對齊;
3)在標準材料腔的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點a和測溫點b,在待測材料腔的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點c和測溫點d;測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫 點d上布置熱電偶,并通過導線穿過上層絕熱墊及測量容器上蓋的走線孔與溫度采集模塊相連接;在內腔中布置電阻加熱絲,并與直流穩壓電源相連接;
4)蓋上測量容器上蓋,并裝上緊固螺栓,旋緊緊固螺母,使得整個裝置部分組裝成一個整體;
5)打開直流穩壓電源,加熱電阻加熱絲,同時打開溫度采集模塊及計算機控制模塊,實時監測測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,等到溫度不再變化時,采集測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,并分別記為Ta,Tb,Tc和Td,單位K。
在標準材料腔內,沿球徑方向上,距離球心距離極小變化dr范圍內,其溫度變化dT滿足如下關系式:
λs=-qs2πr2drdT---(1)]]>
其中:λs——標準試樣的導熱系數,單位W/(m·K);qs——在標準材料腔內熱量傳遞的功率,其值即為由電阻加熱絲加熱后的內腔向外傳遞熱量的功率,單位W;r——標準材料腔內某一點距離球心的距離,單位mm;2πr2——標準材料腔內某一點所在半球球面的面積,單位mm2;
對上述的公式(1)進行移項變形,得到公式(2):
dT=-qsλs2πr2dr---(2)]]>
對上述的公式(2)兩側進行積分變形,得到公式(3)和公式(4):
∫TaTbdT=∫rarb-qsλs2πr2dr---(3)]]>
Tb-Ta=qs2πλs(1rb-1ra)---(4)]]>
其中:ra——測溫點a距離球心的距離,單位mm;rb——測溫點b距離球心的距離,單位mm。
同理,待測材料腔內存在相似的關系公式(5):
Td-Tc=qw2πλw(1rd-1rc)---(5)]]>
其中:qw——在待測材料腔內熱量傳遞的功率,其值即為標準材料腔向外傳遞熱量的功率,單位W;λw——待測試樣的導熱系數,單位W/(m·K);rc——測溫點c距離球心 的距離,單位mm;rd——測溫點d距離球心的距離,單位mm。
對上述的公式(4)和公式(5)進行約分變形,得到公式(6):
λw=qwqsTb-TaTd-Tc1/rd-1/rc1/rb-1/raλs---(6)]]>
在實際測量導熱系數的過程中,由于上層絕熱墊和下層絕熱墊的聯合絕熱作用,可以認為由電阻加熱絲產生的熱量全部經由層層球面向外均勻傳遞,所以公式(6)中qw與qs相等,待測試樣的導熱系數λw為:
λw=Tb-TaTd-Tc1/rd-1/rc1/rb-1/raλs---(7)]]>
6)記錄計算機控制模塊顯示的計算結果,斷開監測部分直流穩壓電源;待冷卻半小時后,拆卸緊固螺栓和緊固螺母,取下測量容器上蓋及上層絕熱墊,將內層半球容器取出;清洗內腔、標準材料腔和待測試樣腔;將各部分烘干,裝配,以便下次使用。
與現有的測量裝置和方法相比,具有以下優點:
1、本發明使用半球面熱源對液體,泡沫流體及顆粒狀固體等易形變態物體進行加熱,使得材料受熱均勻,熱量呈現從中心半球面熱源向外部半球面空間均勻傳遞;
2、本發明的測量方法屬于穩態比較法,標準試樣可以更替,以此可根據預判待測試樣的導熱系數,選擇與待測試樣導熱系數同一數量級的標準試樣,提高測量的準確性;
3、本發明的測量步驟簡單,操作簡便。
附圖說明
圖1是本發明測量裝置結構示意圖;
圖2是本發明測量裝置中內層半球容器的結構及位置示意圖。
圖3是本發明測量方法流程圖。
圖中:1、裝置部分,2、監控部分,101、底座,102、測量容器上蓋,103、緊固螺栓,104、緊固螺母,105、下層絕熱墊,106、上層絕熱墊,107、內層半球容器,108、電阻加熱絲,109、內腔,110、標準材料腔,111、待測材料腔,112、散熱肋板,201、溫度采集模塊,202、計算機控制模塊,203、導線,204、直流穩壓電源。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1和圖2所示,一種半球面熱源穩態法導熱系數測量裝置,包括裝置部分1和監控部分2;裝置部分1用來安裝待測材料,監控部分2用來控制裝置部分1并使其完成對待測材料導熱系數的測量,
裝置部分1包括底座101、測量容器上蓋102、緊固裝置、下層絕熱墊105、上層絕熱墊106、內層半球容器107和電阻加熱絲108;下層絕熱墊105呈圓環狀態,并對稱地出現一段凹槽,用于安裝固定內層半球容器107,內層半球容器107外層至內層依次為待測材料腔111、標準材料腔110和內腔109;上層絕熱墊106覆蓋于內層半球容器107之上,并與下層絕熱墊105外周對齊,緊固裝置將測量容器上蓋102與底座101相連接,并將下層絕熱墊105、上層絕熱墊106、內層半球容器107和電阻加熱絲108固定在測量容器上蓋102和底座101之間;
監控部分2包括溫度采集模塊201、計算機控制模塊202、導線203和直流穩壓電源204;溫度采集模塊201輸入端通過導線203連接至標準材料腔110測溫點a、測溫點b和待測材料腔111的測溫點c和測溫點d處的熱電偶;直流穩壓電源204通過導線203對電阻加熱絲108通電加熱,本發明的測量裝置提供持續穩定的熱源;其中計算機控制模塊202用于控制溫度采集模塊201對測溫點溫度采集的開始與結束,同時記錄、處理并顯示溫度采集模塊201通過導線203傳送的測溫點的溫度數據。
內層半球容器107嵌與下層絕熱墊105中間;下層絕熱墊105嵌于底座101半球容器中;上層絕熱墊106為圓柱形,其截面半徑與下層絕熱墊105外徑一致。
內層半球容器107半球壁面厚度均勻,內層半球容器107內用于分隔內腔109和標準材料腔110的球面厚度亦均勻,且兩層球面使用橋接連接,形成一側完全開放的內腔109和標準材料腔110,內腔109內填充低熱熔材料的填充物。
優選,內層半球容器107由高導熱材料制成,可以為不銹鋼,內腔109內充填的低熱容材料為環氧樹脂;所述的上層絕熱墊106及下層絕熱墊105均由石棉制成,上述材料制作簡單,材料來源廣泛。
作為優選,緊固裝置為緊固螺栓103和緊固螺母104,數量均為6個且相互配合連接, 也可以是鐵絲等固定物。
進一步,為了加快散熱時間,待測材料腔111外側設置散熱肋板。
基于上述導熱系數測量裝置的測量方法,如圖3所示,通過下述步驟完成對待測試樣導熱系數的測定:
1)旋松緊固螺母104,取下緊固螺栓103,打開測量容器上蓋102,取下上層絕熱墊106,取出內層半球容器107;
2)將已知導熱系數的標準試樣注入并裝滿內層半球容器107中的標準材料腔110;將內層半球容器107放置在下層絕熱墊105上,使得內層半球容器107兩端嵌在下層絕熱墊105上預留的凹槽中;向待測材料腔111內注入待測試樣,注入速度應當緩慢穩定,最終待測試樣上表面與內層半球容器107上表面平齊;在內層半球容器107上方,放置上層絕熱墊106,并使其與下層絕熱墊105對齊;
3)在標準材料腔110的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點a和測溫點b,在待測材料腔111的高溫端和低溫端分別選取一個測溫點c和測溫點d;測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d上布置熱電偶,并通過導線203穿過上層絕熱墊106及測量容器上蓋102上的走線孔與溫度采集模塊201相連接;在內腔109中布置電阻加熱絲108,并與直流穩壓電源204連接;
4)蓋上測量容器上蓋102,并裝上緊固螺栓103,旋緊緊固螺母104,使得整個裝置部分1組裝成一個整體;
5)打開直流穩壓電源204,加熱電阻加熱絲108,同時打開溫度采集模塊201及計算機控制模塊202,通過熱電偶實時監測測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,等到溫度不再變化(熱平衡狀態)時,采集測溫點a,測溫點b,測溫點c和測溫點d的溫度,并分別記為Ta,Tb,Tc和Td。
在標準材料腔內,沿球徑方向上,距離球心距離極小變化dr范圍內,其溫度變化dT滿足如下關系式:
λs=-qs2πr2drdT---(1)]]>
其中:λs——標準試樣的導熱系數,單位W/(m·K);qs——在標準材料腔內熱量傳遞的功率,其值即為由電阻加熱絲加熱后的內腔向外傳遞熱量的功率,單位W;r——標準材料腔內某一點距離球心的距離,單位mm;2πr2——標準材料腔內某一點所在半球球面的面積,單位mm2。
對上述的公式(1)進行移項變形,得到公式(2):
dT=-qsλs2πr2dr---(2)]]>
對上述的公式(2)兩側進行積分變形,得到公式(3)和公式(4):
∫TaTbdT=∫rarb-qsλs2πr2dr---(3)]]>
Tb-Ta=qs2πλs(1rb-1ra)---(4)]]>
其中:ra——測溫點a距離球心的距離,單位mm;rb——測溫點b距離球心的距離,單位mm。
同理,待測材料腔內存在相似的關系公式(5):
Td-Tc=qw2πλw(1rd-1rc)---(5)]]>
其中:qw——在待測材料腔內熱量傳遞的功率,其值即為標準材料腔向外傳遞熱量的功率,單位W;λw——待測試樣的導熱系數,單位W/(m·K);rc——測溫點c距離球心的距離,單位mm;rd——測溫點d距離球心的距離,單位mm。
對上述的公式(4)和公式(5)進行約分變形,得到公式(6):
λw=qwqsTb-TaTd-Tc1/rd-1/rc1/rb-1/raλs---(6)]]>
在實際測量導熱系數的過程中,由于上層絕熱墊105和下層絕熱墊106的聯合絕熱作用,可以認為由電阻加熱絲108產生的熱量全部經由層層球面向外均勻傳遞,所以公式(6)中qw與qs相等,待測試樣的導熱系數λw為:
λw=Tb-TaTd-Tc1/rd-1/rc1/rb-1/raλs---(7)]]>
步驟6:記錄計算機控制模塊202顯示的計算結果,斷開監測部分2直流穩壓電源204;待冷卻半小時后,拆卸緊固螺栓103和緊固螺母104,取下測量容器上蓋102及上層絕熱墊106,將內層半球容器107取出;清洗內腔109,標準材料腔110和待測試樣腔111;將各部分烘干,裝配,以便下次使用。
本發明裝置使用半球面熱源對液體,泡沫流體及顆粒狀固體等易形變狀態物體進行加熱,使得材料受熱均勻,熱量呈現從中心半球面熱源向外部半球面空間均勻傳遞;
本發明的測量方法屬于穩態比較法,標準試樣可以更替,以此可根據預判待測試樣的 導熱系數,選擇與待測試樣導熱系數同一數量級的標準試樣,提高測量的準確性。

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