[發明專利]變剪切率液體導熱系數測量儀及測量方法

無效

• 申請號: 201110316431.5
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102507640A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 李鳳臣;徐鴻鵬;陽倦成;周文武
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種變剪切率液體導熱系數測量儀及測量方法，屬于流體導熱系數的測量技術領域。

背景技術

對于流體，尤其是傳熱工質來說，導熱系數是一項重要的輸運特性，它直接影響到工質換熱性能的好壞。一種新型換熱工質在實際應用前，必須明確其導熱系數及影響導熱系數的因素，才能判斷該換熱工質在具體工況下的換熱性能。研究表明，對于牛頓流體，其導熱系數只與溫度有關，而對于非牛頓流體，由于其微觀結構復雜，不遵守牛頓內摩擦定律，使得其導熱系數不僅與溫度有關，還會受到剪切率的影響。剪切率是流體內部由剪切應力引起的應變對于時間的導數，即應變隨時間的變化率，它能影響流體內部的微觀結構，從而影響非牛頓流體的導熱系數。

隨著現代工業的發展，水作為傳統的換熱工質已經無法滿足換熱性能的需求，各種具有強化換熱效果的新型流體應運而生，如納米流體、含有添加劑的水等，這些換熱工質基本都是非牛頓流體，并且該流體在管道或者槽道等環境內流動時，都將不同程度上受到內壁摩擦和粘性內摩擦力的作用，從而導致流體內部存在一定的剪切應力，也就是說實際應用中流體內部剪切率不為零，非牛頓流體的導熱系數將發生變化，并且不同的非牛頓流體的導熱系數隨剪切率的變化往往呈現出不同的規律，目前，主流的導熱系數測量方法為瞬絲熱線法，大部分的液體導熱系數測量儀也是應用此方法，此方法準確，測量簡單，此外還有許多其他方法，但這些方法均是在靜態條件下測量液體的導熱系數，沒有考慮剪切率對導熱系數的影響，也尚沒有儀器能夠直接測量以獲得非牛頓流體在不同剪切率下的導熱系數，也就無法研究剪切率對液體導熱系數的影響，以及二者之間的關系，這對非牛頓流體熱物性的研究以及實際應用都造成了影響。

發明內容

本發明是為了解決目前只能在靜態條件下測量非牛頓流體的導熱系數，對于非牛頓流體在不同剪切率下的導熱系數無法進行測量的問題，提供一種變剪切率液體導熱系數測量儀及測量方法。

本發明所述變剪切率液體導熱系數測量儀，它包括同軸雙桶旋轉裝置、循環冷卻系統、步進電機、加熱棒、數據采集系統、計算機和水浴桶，

所述同軸雙桶旋轉裝置包括同軸設置的內桶和外桶，內桶和外桶之間具有容納待測液體的空間，外桶的內徑與內桶的外徑比值大于1.0小于1.1，加熱棒插入內桶的腔體內給待測液體加熱，加熱棒與內桶的桶壁間填充氧化鎂，同軸雙桶旋轉裝置居中放置于水浴桶內，內桶通過頂針與水浴桶的桶蓋固定，步進電機通過動力輸出軸帶動外桶旋轉，循環冷卻系統用來對水浴桶內的液體進行冷卻，

內桶內壁上設置有第一熱電偶，外桶的外壁上設置第二熱電偶，水浴桶內設置溫度計，

第一熱電偶的溫度信號輸出端連接數據采集系統的內桶溫度信號輸入端，第二熱電偶的溫度信號輸出端連接數據采集系統的外桶溫度信號輸入端，溫度計的溫度信號輸出端連接數據采集系統的水浴溫度信號輸入端，數據采集系統的溫度信號輸出端連接計算機的溫度信號輸入端，計算機的溫度采集控制信號輸出端連接數據采集系統的控制信號輸入端，計算機的電機控制信號輸出端連接步進電機的控制信號輸入端。

本發明所述基于上述變剪切率液體導熱系數測量儀的導熱系數測量方法，它包括以下步驟：

步驟一：設定水浴桶內的水浴溫度和步進電機的轉速ω，開啟循環冷卻系統和步進電機；同時，設置好可調功率加熱電源的加熱功率，給加熱棒加熱；

步進電機的轉速ω為：

ω=DΔr3,]]>

D表示待測液體的預設置剪切率，

Δ為容納待測液體的空間的徑向厚度，

r₃表示外桶的內徑；

步驟二：通過數據采集系統采集溫度計的溫度信號以及第一熱電偶的溫度信號，待水浴溫度達到預設值并且第一熱電偶采集的的溫度信號穩定后，將該溫度信號作為第一熱電偶的溫度信號t₁；

步驟三：關閉步進電機，同時采集第二熱電偶的溫度信號t₄；

步驟四：計算機通過下述公式計算獲得待測液體的導熱系數k₂：