CN100454009C - 纳米流体导热率测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米流体导热率测试装置。在底座上安装有4个量热器，量热器上端设有压紧盖，并用压紧螺杆、紧锁螺母固定；量热器具有样品容器，在样品容器上端设有上端盖、上端盖密封圈，在样品容器下端设有下端盖、下端盖密封圈，上端盖上设有两个接线柱，接线柱上端接有引出导线，接线柱下端经细铜丝与铂丝相接，铂丝缠绕在云母片上。本发明利用惠斯通电桥作为测试电路。测试时把整个装置置于恒温油槽中，用精密数据采集器测得两根铂丝的电压差，根据液体导热率公式，即可得纳米流体的导热率。该装置结构紧凑扎实、操作方便，效率是一般装置的两倍。

Description

纳米流体导热率测试装置

技术领域

本发明涉及新材料基础热物性测试领域，尤其涉及一种纳米流体导热率测试装置。

背景技术

纳米流体，即把纳米级(0.1～100nm)的金属、化合物或非金属单质以一定方式和份额分散到水、乙二醇、机油等传统换热介质中，形成一类均匀、稳定、高导热能力的新型冷却介质。与纯液体相比，纳米流体可以显著增加导热率，并且由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近分子，液体分子的布朗运动使得纳米粒子能保持稳定悬浮，从而不易在管路中产生磨损和堵塞现象。自1995年Choi提出“纳米流体”的概念以来，纳米流体因其良好的导热性能，使得其在强化传热领域有着广阔的应用前景，引起了全球学术界和工程应用的广泛关注。近年来对纳米流体传热特性的研究屡见不鲜，在基础研究和应用研究上都有取得了一定的进展。

导热率是研究纳米流体导热性能必备参数之一。由于纳米流体的研究尚处于初步阶段，包括导热率在内的许多物性参数都没有经验公式可考，而许多关于微米/毫米级的固液混合物的导热率公式又不适合纳米级的固液混合物，是因为微米/毫米级粒子的传热规律和纳米粒子存在较大差异。纳米流体的导热率与颗粒浓度、颗粒粒径、温度、分散剂浓度等诸多因素有关，这就需要大量的数据来定性分析因素之间的关系，以便形成一套适合纳米流体导热率的经验公式；而且，纳米流体中的纳米粒子和基液的组合多种多样，各自的导热率也不同，因此，需要有一套高效、快速的装置来测试纳米流体的导热率。

精确测量液体导热率的主要困难在于如何将液体的导热从对流换热中隔离出来，而只要流体内部存在温度梯度，就会不可避免的引起自然对流，所以在液体中实现纯导热过程很困难。为避免流体自然对流引起的误差，通常采用瞬态法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效快速纳米流体导热率测试装置。

在底座上安装有4个量热器，量热器上端设有压紧盖，并用压紧螺杆、紧锁螺母固定；量热器具有样品容器，在样品容器上端设有上端盖、上端盖密封圈，在样品容器下端设有下端盖、下端盖密封圈，上端盖上设有两个接线柱，接线柱上端接有引出导线，接线柱下端经细铜丝与铂丝相接，铂丝缠绕在云母片上。

本发明利用惠斯通电桥作为测试电路。测试时把整个装置置于恒温油槽中，用精密数据采集器测得两根铂丝的电压差，根据液体导热率公式，即可得纳米流体的导热率。该装置结构紧凑扎实、操作方便，效率是一般装置的两倍。

附图说明

图1是高效快速纳米流体导热率测试装置结构示意图；

图2是本发明上端盖、压紧盖和密封圈结构示意图；

图3是本发明下端盖、底座和密封圈结构示意图；

图4是本发明测试电路原理图。

图中：引出导线1、压紧盖2、上端盖密封圈3、恒温油槽4、样品容器5、细铜丝6、铜丝铂丝焊点7、铂丝8、云母片9、底座10、下端盖密封圈11、下端盖12、压紧螺杆13、接线柱15、上端盖16、紧锁螺母17。

具体实施方式

本发明的4个量热器，设计承受压力10bar，工作温度可达200℃。可采用瞬态双热线法同时测试2组样品，也可利用瞬态单热线法同时测试4组样品。

本发明采用瞬态双热线法，可以消除电路内阻和流体导电所消耗电量影响，而且试验中除了铂丝端部导线吸收一定量的热量，纳米流体是导体，样品容器等都是金属，这些都会吸收一定的热量。采用双热线法同样可以消除这些损失带来的误差。

纳米流体导热率测试装置在底座10上安装有4个量热器，量热器上端设有压紧盖2，并用压紧螺杆13、紧锁螺母17固定；量热器具有样品容器5，在样品容器上端设有上端盖16、上端盖密封圈3，在样品容器5下端设有下端盖12、下端盖密封圈11，上端盖16上设有两个接线柱15，接线柱上端接有引出导线1，接线柱下端经细铜丝6与铂丝8相接，铂丝8缠绕在云母片9上。所述的样品容器5的材料为铜，上端盖16的材料为聚四氟乙烯。本发明中：

1)材料：底座与上压紧盖为不锈钢；试样容器为黄铜，导热率大，能较快达到温度平衡；上端盖为聚四氟乙烯，电绝缘材料，避免接线柱与容器盖导电；接线柱为不锈钢；压紧螺杆为铸铁。

2)密封：样品容器靠绕在上、下两个端盖上的橡胶密封圈密封(见附图2和附图3)，接线柱处的密封靠橡胶垫片密封，压紧螺杆保证密封的可靠性，防止浸在油浴中有油渗漏进容器中。

3)铂丝：长短两根铂丝分别置于两个样品容器中，铂丝由上至下缠绕在云母片上，上端与铜丝点焊连接，铜丝再与接线柱连接。云母片绝缘而且导热率低，是理想的铂丝支撑体。

4)样品容器：样品容器设计成两根上下均为通口的铜管，从上、下端盖取下后方便清洗，避免有样品交叉污染。

如图4所示，本发明测试电路为：惠斯通电桥电路，由一恒流电源供电，R₀为0.01级精密电阻，R₁和R₂为可变电阻，R₃和R₄为0.01级精密电阻，R_L表示为长铂丝，Rs表示为短铂丝。采用精密数据采集器测量长短铂丝的电压差，从而根据公式来计算纳米流体的导热率。

瞬态热线法测试液体导热系数的基本公式：

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\·{\left(\frac{\mathrm{dT}}{d\left(\ln t\right)}\right)}^{-1}---\left(1\right)$

铂丝吸收的热量为：

$q=4\mathrm{\π\λ}\·\frac{\mathrm{dT}}{d\left(\ln t\right)}---\left(2\right)$

考虑在测试过程中由于容器、导线的热传导和辐射引起的热损失，由于两个量热器的状况相同，唯一不同之处在于铂丝长度，但是由该差异引起的热损失微乎其微，所以近似认为测试中两个量热器热损失Δq相同，于是

对长铂丝R_L，

$q_L=q-\mathrm{\Δq}=I^2{R}_L-\mathrm{\Δq}=4\mathrm{\π\λL}\·\frac{d{T}_L}{d\left(\ln t\right)}---\left(3\right)$

对短铂丝R_S，

$q_S=q-\mathrm{\Δq}=I^2{R}_S-\mathrm{\Δq}=4\mathrm{\π\λS}\·\frac{d{T}_S}{d\left(\ln t\right)}---\left(4\right)$

对3、4式求差：

$I^2(R_L-R_S)=4\mathrm{\π\λ}(L-S)\frac{d{T}_L-d{T}_S}{d\left(\ln t\right)}---\left(5\right)$

$I^{2}R=4\mathrm{\π\λl}\frac{\mathrm{dT}}{d\left(\ln t\right)}---\left(6\right)$

整理得，

$\mathrm{\λ}=\frac{I^{2}R}{4\mathrm{\πl}}{\left(\frac{\mathrm{dT}}{d\left(\ln t\right)}\right)}^{-1}---\left(7\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{I^{2}R}{4\mathrm{\πl}}\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dT}}\·{\left(\frac{\mathrm{dV}}{d\left(\ln t\right)}\right)}^{-1}=\frac{I^{3}R}{4\mathrm{\πl}}\·\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dT}}\·{\left(\frac{\mathrm{dV}}{d\left(\ln t\right)}\right)}^{-1}---\left(8\right)$

式中，

I——铂丝的电流，A；

R——长短热线阻值差，Ω；

V——铂丝压降差，v；

L——长铂丝长度，m；

S——短铂丝长度，m；

l——铂丝长度差，m；

Δq——热损失，W；

λ——液体导热率，W/(m.k)；

t——通电时间，s。

本发明测试步骤

1)分别在两块云母片上缠绕两根长短不同的铂丝，长度差在150mm左右，铂丝两端用铜丝焊接，铜丝两端连接到上端盖上的接线柱。用万用表检测接线柱两端电阻，确认连接良好；

2)按照铂丝的长度，在样品容器中倒入高度不同的待测样品，样品的高度以刚好淹没铂丝为最佳，这样可保证铂丝的热量全部用来加热样品；将上端盖、压紧盖安装完毕；

3)连接好惠斯通电桥电路，并连接至上端盖上的接线柱，用万用表检测整个电路，确保电路连接无误；

4)连接数据采集器测点至惠斯通电桥相应位置以测试两根铂丝的电压差dV，并在PC机上安装数据采集程序，连接到测试仪器；

5)打开数据采集器，从恒流电源输入4mA电流至电路，调节电位器使得dV＝0，电桥平衡；

6)输入一恒定电流(30mA左右)，采集电压差dV，经大约6s后关闭电源，测试结束；

7)绘制dV和d(lnt)的关系曲线，选取线性度好的一段计算斜率

并把数据带入公式(8)中计算样品的导热率λ。

本发明测试实例

实例1：测定了蒸馏水(DW)、乙二醇(EG)、甘油在25℃下的导热系数，与文献值比较，相对误差在2.31％之内，如下表所示。

实例2：制备了以下5种纳米流体，用该装置测试其导热率，如下表所示。

*以上实例中导热率单位均为W/(m.K)。

Claims (2)

1.一种纳米流体导热率测试装置，其特征在于，在底座(10)上安装有4个量热器，量热器上端设有压紧盖(2)，并用压紧螺杆(13)、紧锁螺母(17)固定；量热器装有样品容器(5)，在样品容器上端设有上端盖(16)、上端盖密封圈(3)，在样品容器(5)下端设有下端盖(12)、下端盖密封圈(11)，上端盖(16)上设有两个接线柱(15)，接线柱上端接有引出导线(1)，接线柱下端经细铜丝(6)与铂丝(8)相接，铂丝(8)缠绕在云母片(9)上，长短两根铂丝分别置于两个样品容器中。

2.根据权利要求1的所述的一种纳米流体导热率测试装置，其特征在于，所述的样品容器(5)的材料为铜，上端盖(16)的材料为聚四氟乙烯。

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