CN101806760A - 几种用于瞬态热线法测量的热线固定结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了几种瞬态热线法导热系数测量装置的热线(线热源)固定结构及测量装置应用实例，其特征在于：实现了可靠稳定的热线固定结构，结合所示例的测量装置应用实例可实现不同温度和压力下流体导热系数的测量。本发明经过实验验证，证明其结构非常牢固，测量精度非常高。
Description
技术领域
本发明涉及流体热物性测试技术领域，尤其涉及流体导热系数实验测量领域，具体为几种用于瞬态热线法测量的热线(线热源)固定结构。
背景技术
导热系数作为物质的重要物理参数，在石油、化工、材料、能源、生物、制药、动力和制冷工程等领域有着重要的用途，是许多工业流程和产品设计中必不可少的基础数据。随着现代工业的快速发展，流体材料的导热系数测量日益受到人们的重视。物质的导热系数可以通过实验测量、理论推算或计算机模拟等方法来获得，但目前仍然以实验测量为主。根据导热系数的实验测量原理，其测量方法大致可以分为稳态法和非稳态法。非稳态法由于测量时间短，测量精度可以与稳态法相当，近年来得到了快速发展。而其中的瞬态热线法是目前测量流体导热系数精度最高的非稳态法。
瞬态热线法的理想模型为无限大介质中的径向一维非稳态导热问题，具体为无限长的热线在无限大介质中处于初始热平衡状态下受到瞬间加热脉冲而引起的热传导过程。瞬态热线法的测量时间极短，在流体发生自然对流之前就可以完成测量，可以避开对流的影响。此外，瞬态热线法的适用范围极宽，除了稀薄气体及临界附近外都可以进行测量。
热线是瞬态热线法测量导热系数的主要元件，按照理想模型的要求，该热线应为直径无限小、长度无限长、具有零热容的理想热源。为了尽量接近理想模型的要求，实际应用中应选择尽量细的加热丝作为热源，热线一般选用直径为1～500μm的铂丝、钽丝或钨丝等金属丝。热线法分为单热线法和双热线法，单热线法为1根热线，双热线法有2根热线。
国外对热线法研究具有一定权威的机构及专家主要有：美国国家标准技术局(NIST)、葡萄牙的C.A.Nieto de Castro、希腊的M.J.Assael、英国的W.A.Wakeham以及日本的Yugi Nagasaka等；国内吴江涛、张可、薛征欣等人在此方面进行了大量的研究，发表了多篇国际高水平的论文，目前在此方面的研究水平已达到国际先进水平。
虽然热线法是目前公认测量流体导热系数最好的方法，但由于为了满足理想模型而采用的热线非常细，难以固定且极易断裂，热线焊接也非常困难，热线结构非常脆弱，无法承受一般的振动，更无法进行运输，因此到目前为止基于瞬态热线法的流体导热系数测量仪器只是出现在实验室中，国内外专业生产导热系数测量仪器的公司均无商业化的热线法流体导热系数仪器。目前国内外所报导的热线固定方式主要存在两个问题：
(1)测量时要保证热线在不同的温度和压力下能够一直保持张紧状态。在实验室中，一般采用在热线端部悬挂金属重物或在热线与支架间安装弹簧的结构，使得热线非常容易断。
(2)瞬态热线法的原理要求在热线每个端部各引出两根导线与仪表或电路相连，因此单热线一般有4根引出线，双热线则需要8根引出线。对于单热线，国内外通常的做法是在热线两端部附近分别焊接与热线相似直径的引线，焊接难度非常大，焊接后也容易从焊点处脱落；对于双热线，一般是将热线先焊接在金属钩上，再从金属钩上引出两根导线，焊接点较多，导致热线可靠度较低。
经过资料检索，主要有以下相关文献：
[1]Ke Zhang，Jiangtao Wu，Zhigang Liu.Thermal conductivity of liquid dimethoxymethane and dimethoxymethane+diesel fuel at pressures to 30MPa.Journal of Chemical and Engineering Data，2006，51(5)：1743-1748.(SCI：083YQ，EI：064210186103)
[2]Jiangtao Wu，Zhigang Liu，Xiaogang Jin，Jiang Pan.The Thermal Conductivity of Some Oxygenated Fuels and Additives in the Saturated Liquid Phase.Journal of Chemical and Engineering Data，2005，50(1)：102-104(SCI：887UG，EI：05058814969)
[3]Yugang Wang，Jiangtao Wu，Zhengxin Xue，Zhigang Liu.The Thermal Conductivity of HFC-245fa from(243to 413)K.Journal of Chemical and Engineering Data，2006，51(4)：1424-1428(SCI：063FA，EI：063310064473)
[4]http：//fluidproperties.nist.gov
[5]M.J.Assael，E.Karagiannidis，W.A.Wakeham.Measurements of the Thermal Conductivity of Rll and R12in the Temperature Range 250-340K at Pressures Up to 30MPa.International Journal of Thermophysics，1992，13(5)：735-751
[6]E.Charitidou，M.Dix，M.J.Assael，C.A.Nieto de Castro，W.A.Wakeham.A Computer-Controlled Instrument for the Measurement of the Thermal Conductivity of Liquids.International Journal of Thermophysics，1987，8(5)：511-519
[7]Yujl Nagasaka，Aklra Nagashlma.Precise Measurements of the Thermal Conductivity of Toluene and n-Heptane by the Absolute Transient Hot-wire Method.Ind.Eng.Chem.Fundam.，1981，20(3)：216-220
[8]吴江涛，靳晓刚，刘志刚.柴油/碳酸二甲酯混合物液相导热系数的实验研究.西安交通大学学报，2005，39(1)：79-82(EI：05118999572)
[9]王玉刚，薛征欣，吴江涛，刘志刚.甲基叔丁基醚饱和液相导热系数的实验研究.化学工程，2008，36(11)，47-49
发明内容
本发明提出的几种热线固定结构非常稳定和牢固，从根本上解决了热线易断、无法商业化的问题。使用本结构形式制作的热线法导热系数测量仪器具有如下优点：1、热线的固定非常牢靠；2、不怕振动和晃动；3、热线焊接非常容易；4、可测量很宽的温度和压力范围内流体的导热系数。以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明中第一种热线固定结构
图2是本发明中第二种热线固定结构
图3是应用本发明的一种结构设计的一套测试系统
图4是应用本发明的一种结构设计的另一套测试系统
图中符号说明：1.热线结构的固定体；2.金属丝支架；3.热线；4.热线容器；5.隔热材料；6.被测液体；7.恒温介质；8.恒温介质入口；9.恒温介质出口；10.恒温槽。
具体实施方式
本发明成功克服了影响热线结构可靠度的两个因素。
(1)使用与热线相同(或线膨胀系数非常接近)材料的金属丝或金属棒做支架，将热线拉直并保持一定的张力焊于支架上，可以保证热线在任何温度下都保持张紧状态。这种做法不需要悬挂重物或加弹簧，大大增强了热线的可靠性。
(2)将热线直接焊接在金属丝支架上，这样单热线仅需2个焊点，双热线仅需3个焊点，焊接也非常容易。在本发明的结构中，双热线仅需引出6根导线，简化了双热线的结构。
图1～2是本发明提出的三种热线固定结构图，
图1将与金属丝2弯成U型结构，将热线3焊接于U型金属丝上。金属丝直接引出作为导线与测量仪表相连。
图2是图1的一种简化形式，其特点是只使用图1一半的结构形式，仅需引出2根(单热线)或3根(双热线)L型金属丝，引出后可在每根金属丝端部分别连接2根导线接至测量仪表或电路，从而大大简化了热线结构。在图2的结构中，2根(单热线)或3根(双热线)金属丝的长度基本相同，由于金属丝支架2相对于热线的电阻非常小，因此忽略金属丝电阻随温度的变化率对导热系数的测量结果影响不是很大，可以满足一般的工业测量要求。
本发明中的焊接处均为热线与金属丝的焊接，焊接十分容易，U型金属丝结构大大增强了结构的抗震性，L型金属丝结构也能经受住较大的振动。
测量装置实例
将按照图1～2结构制作的热线支架结构悬于不锈钢或其它材料制作的容器中并密封，容器中充入待测液体，可以测量不同温度和压力下流体的导热系数。
图3是本发明的一种测量装置实例，控温装置为一绝热容器，容器内、外层采用不锈钢或其它金属材料，内外层之间填充聚氨酯、石棉等绝热材料或抽真空。测量本体置于容器中，控温时可通入经过外部恒温器恒温的液体或气体。
图4是本发明的另一种测量装置实例，将热线容器置于恒温槽中，可以通过控制恒温槽的温度来实现对流体温度的控制。
Claims (5)
1.几种用于瞬态热线法测量的热线(线热源)固定结构及导热系数测量装置应用实例，其特征在于，采用了可靠稳定的热线固定结构，可以测量不同温度和压力下流体的导热系数。
2.根据权利要求1所述的热线固定结构，其特征在于，如图1所示，热线固定结构采用U型及类似U型的金属丝(棒)结构。金属丝(棒)采用与热线相同(或线膨胀系数非常接近)的材料。对于双热线法，中间的焊点可代替一般双热线的两个焊点。
3.根据权利要求1所述的热线固定结构，其特征在于，如图2所示，热线固定结构采用2根(单热线)或3根(双热线)长度基本相同的L型金属丝(棒)结构。金属丝(棒)采用与热线相同(或线膨胀系数非常接近)的材料。对于双热线法，中间的焊点可代替一般双热线的两个焊点。
4.根据权利要求1所述的瞬态热线法导热系数测量装置应用实例，其特征在于，如图3所示，将依照本结构制作的导热系数测量本体置于绝热容器中进行测试，通过向绝热容器通入恒温介质来实现对待测流体的温度控制，从而可以对待测流体进行不同温度和压力下导热系数的测试。
5.根据权利要求1所述的瞬态热线法导热系数测量装置应用实例，其特征在于，如图4所示，将依照本结构制作的导热系数测量本体置于恒温槽中，通过控制恒温槽的温度对待测流体进行不同温度和压力下导热系数的测试。
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