[發明專利]一種固體材料熱擴散系數測試方法與系統

有效

• 申請號: 201410182384.3
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103954650A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 陳清華;龐立;黎賢東;董長帥;袁力;吳亮;徐曼曼
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 合肥順超知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 34120
• 代理人: 周發軍

技術領域

本發明屬于材料熱物性參數測試技術領域，具體涉及一種固體材料，特別是具有不滲水性固體材料的熱擴散系數測試方法與系統。

背景技術

熱擴散系數作為固體材料重要的參數，表征了材料的傳熱性能以及溫度均衡性能，是分析材料中導熱過程的重要指標；并且在材料、能源、建筑、國防、化工、制冷工程等領域有著重要的用途，隨著現代工業的發展其測試方法也一直是研究熱點之一。已有測試方法主要分為穩態法和非穩態法，穩態法是基于傅里葉導熱定律之上的，主要包括圓管法、熱流計法、防護熱板法等，但是穩態法往往因為實驗時間較長同時存在接觸熱阻而運用場合受到限制。非穩態法由于測試周期短，往往可同時獲取導熱系數，而被廣泛采用，主要包括閃光法、徑向熱流法、可動熱源法、Forbes棒法、周期熱流法等。但實際應用中仍存在一些問題，例如閃光法只能應用于不透光材料，徑向熱流法在熱源均勻度、功率波動、側向熱流損失等方面仍沒有得到較好解決，同時大多數采用固體熱源的方法對于熱源與被測物體間的接觸熱阻問題表征仍存在困難。

發明內容

針對現有測固體材料熱擴散系數測試方法存在的不足，本發明提出了一種新的固體材料熱擴散系數測試方法與系統。

為達到上述目的，本發明采用下列技術方案：

一種固體材料熱擴散系數測試方法，其特征在于，涉及水循環系統，溫度控制系統，溫度采集與分析系統，包括以下具體步驟：

產生循環水流，所述循環水流與平板狀試樣的一面接觸，進行對流換熱；所述循環水流與試樣表面間的對流換熱系數足夠大到使畢渥數Bi趨于無窮大；

控制循環水流的溫度，使其保持恒溫；

采集試樣絕熱側表面溫度變化，通過數學模型計算得到被測試樣熱擴散系數值。

本發明同時提出了一種上述的固體材料熱擴散系數測試方法的系統，包括水循環系統，溫度控制系統，溫度采集與分析系統；

所述水循環系統，用于產生循環水流，所述循環水流與平板狀試樣的一面接觸，進行對流換熱；所述循環水流與試樣表面間的對流換熱系數足夠大到使畢渥數Bi趨于無窮大；

所述溫度控制系統，用于控制循環水流的溫度，使其保持恒溫；

所述溫度采集與分析系統，用于采集試樣絕熱側表面溫度變化，并利用數學模型計算得到被測試樣熱擴散系數值。

優選的，所述水循環系統包括外箱體，內箱體，底部柱形通道，螺旋葉片裝置，聯軸器和電機；所述內箱體置于所述外箱體內，所述外箱體、內箱體的頂部分別開放，平板狀試樣放在外箱體的頂部、內箱體頂部上方，所述內箱體壁與外箱體壁之間形成水循環通道；所述底部柱形通道位于所述內箱體底與外箱體底部之間，所述螺旋葉片位于所述底部柱形通道內，通過聯軸器與電機連接，利用電機帶動旋轉，擠壓底部柱形通道中的水，產生循環水流，與平板狀試樣一面接觸產生對流換熱。所述螺旋葉片裝置為蝸片蝸桿裝置。

優選的，所述溫度控制系統包括溫度控制器和加熱棒，所述溫度控制器根據預先設置的溫度，通過加熱棒控制水的溫度和使其恒溫；

優選的，所述溫度采集與分析系統包括溫度測點，溫度采集和傳輸裝置，數據處理裝置；所述溫度測點采集試樣絕熱側表面溫度變化并轉化為電流信號，傳輸給溫度采集和傳輸裝置；所述溫度采集和傳輸裝置將采集信號傳輸給所述數據處理裝置，數據處理裝置利用數學模型計算得到被測試樣熱擴散系數值。

更優選的，平板狀試樣的寬度≤底部柱形通道的長度，以消除流體在過流斷面邊界處速度不均勻帶來的影響。

本發明主要適用于具有不滲水性的固體如金屬、玻璃等材料的熱擴散系數測量，具有以下有益效果：

1、利用高溫循環流動的水作為熱源，溫度均勻性好，且與被測試樣間不存在接觸熱阻，有利于保證足夠的測試精度。

2、通過電機控制蝸片蝸桿裝置旋轉使水循環流動，調整與試樣接觸的水流速度改變對流換熱系數，進而控制畢渥數Bi，使水與試樣表面間符合第一類邊界條件下的換熱過程，達到直接解算熱擴散系數的目標。

附圖說明

圖1為本發明的原理簡圖。

圖2為本發明具體實施方式的整體結構圖。

圖3為不同水循環流動速度u₀(m/s)時的平均換熱系數h_m變化關系圖。

圖4為圖2的部分俯視圖。

圖5為圖2的部分左視圖。

圖中，平板狀試樣1、加熱棒2、電機3、聯軸器4、蝸片蝸桿裝置5、底部柱形通道6、外箱體7、內箱體8、水循環通道9。

具體實施方式