[發(fā)明專利]一種半球面熱源穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103954648A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設計）人: 秦波濤;賈玉威;魯義;李方磊;史全林
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 徐州支點知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 32244
• 代理人: 李中華

技術領域

本發(fā)明涉及一種物體導熱系數(shù)的測量裝置及方法，具體是一種半球面熱源穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)測量裝置及方法。

背景技術

導熱系數(shù)是描述物質導熱能力的主要參數(shù)，對工程熱設計有重要作用，因此準確地測量導熱系數(shù)一直是傳熱領域研究的重要課題。目前，導熱系數(shù)的理論研究已經(jīng)得到充分發(fā)展，導熱系數(shù)的測試方法也有很多，根據(jù)測試過程的宏觀機理不同，可將其分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法：其中穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)法測定導熱系數(shù)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(jù)一維導熱系數(shù)的計算公式來測量計算待測材料的導熱系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)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(shù)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(shù)。但是，無論哪一類穩(wěn)態(tài)法，在測量材料導熱系數(shù)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(guī)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(tài)易于變化，不受容器形狀限制，故其導熱系數(shù)難以測試。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種半球面熱源穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)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(shù)進行有效測試。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種半球面熱源穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)測量裝置，包括裝置部分和監(jiān)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(nèi)層半球容器和電阻加熱絲；下層絕熱墊呈圓環(huán)狀態(tài)，并對稱地出現(xiàn)一段凹槽，用于安裝固定內(nèi)層半球容器，內(nèi)層半球容器外層至內(nèi)層依次為待測材料腔、標準材料腔和內(nèi)腔；上層絕熱墊覆蓋于內(nèi)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(nèi)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(jiān)控部分包括溫度采集模塊、計算機控制模塊、導線和直流穩(wěn)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(wěn)壓電源通過導線對電阻加熱絲通電加熱。

內(nèi)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(nèi)層半球容器半球壁面厚度均勻，內(nèi)層半球容器內(nèi)用于分隔內(nèi)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(nèi)腔和標準材料腔。

內(nèi)層半球容器由高導熱材料制成，內(nèi)腔內(nèi)充填的低熱容材料為環(huán)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(shù)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(fā)明還同時提供了利用上述裝置所進行的半球面熱源穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)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(nèi)層半球容器；

2)將已知導熱系數(shù)的標準試樣注入并裝滿標準材料腔；將內(nèi)層半球容器放置在下層絕熱墊上，使其穩(wěn)嵌在下層絕熱墊上預留的凹槽中；向待測材料腔內(nèi)注入待測試樣，注入速度應當緩慢穩(wěn)定，最終待測試樣上表面與內(nèi)層半球容器上表面平齊；在內(nèi)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(nèi)腔中布置電阻加熱絲，并與直流穩(wěn)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(wěn)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(jiān)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T_a，T_b，T_c和T_d，單位K。