CN102128856B - 海冰导热系数测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海冰导热系数测量仪，其主要包括：泡沫绝热筒、热敏电阻及读数仪表、加热器（盘状康铜丝及加热电源）、外接设备（循环水系统、恒温腔等）。本测量仪测量方法是：通过对被测海冰一端保持恒温，另一端采用康铜丝进行微加热。用热敏电阻测量海冰预设点的温度，通过间距算出温度梯度，再结合加热量Q和加热面积A，从而求得被测海冰的导热系数：λ=-Q/[A(dt/dx)]。本测量仪与传统的模型经验公式和物理方程求解的方法相比的优点是：采取直接测量方式；泡沫绝热筒的引入解决了利用不锈钢筒作为样品容器而导致的最后数据处理的难题；扩展性强，将康铜丝换成半导体制冷片即可通过制冷的方式测得被测海冰的导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及测量仪，特别是一种海冰导热系数测量仪。
背景技术
海冰导热系数的研究是传热学领域里无论在国内外都是一个尚未开发的研究领域。目前，对海冰导热系数的求解主要有三种途径。
第一种通过建立海冰模型，借用已知的纯水、海水、纯冰的热物理性质（如：比热容，密度，导热系数等），通过物理分析和简化假设，推导出海冰导热系数求解的一些经验公式。一个具有代表性的海冰模型是“海冰水泡模型”，它将空气、海水等物质以气泡的形式引入海冰中加以分析。这种方式的不足之处在于模型普遍过于简化，且只能在特定海冰（如一年海冰，多年海冰）的特定地方（如20cm~45cm处）适用。因此，采用这种方法需要大量的经验公式或经验数据，十分繁琐。
第二种是利用热平衡方程，在建立平衡方程之后，通过在某些特定条件的简化下，求得未知系数K—导热系数。这种方法的代表是，Malmgren的一维热流分析法。Malmgren通过建立热平衡方程：
式中：K1和K2分别为冰柱顶部和底部的导热系数，
分别为高度、平均密度和平均比热容。当随着时间t的增加而温度T不在发生变化时，即T1=T2时，热平衡方程可简化为：
从而求得导热系数K。这种方法的不足之处在于分析方法较粗糙，选取的样品冰柱长，由于温度计是独立安放在测量孔中的，所以要求一维热流必须水平的通过2m，而当冰柱表面不平整时，假设不成立，因此具有一定的局限性。
第三种则是运用一些温度测量器件，通过对定位点的温度的测量，在通过相应的数据处理，最后运用傅里叶导热定律最终求得导热系数K，也称为直接测量法，这属于一种新型的测量方法。例如：维多利亚大学采用一个直径为6.35mm的薄壁（0.3mm）的不锈钢管，外面放一个聚氯四氟乙烯罩，外罩上定位了YS155031热敏电阻测量固定点海冰温度，外罩与钢筒缝隙用绝热胶填充。这种方法的不足之处在于：往往引入了能导热的金属外筒来作为样品冰的容器，导致计算时需要去掉金属筒对导热的影响，从而给数据处理带来了麻烦。此外，有的设备没有自带微加热装置，而靠自然的热量（如日照）使冰柱温度发生变化，这样导致实验时间长、加热量Q难以计算等问题。有的设备加入真空系统，虽然一定程度上提高了精度，但实验设备成本往往高达十几万。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种海冰导热系数测量仪，以便通过直接测量的方式得到被测海冰的导热系数，从而为海冰复合结构、海冰导热机理的研究和新型海冰模型的提出提供数据和参考。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的海冰导热系数测量仪是由实验装置和外接设备两大部分组成。
所述实验装置主要由热敏电阻、钢制外筒和加热设备组成，其中：钢制外筒的顶部有以密封螺栓相连的钢制顶盖，钢制外筒的内腔放有塑料泡沫绝热筒，钢制外筒的底部由支架支撑。热敏电阻的探头测量端穿过钢制外筒后伸入塑料泡沫绝热筒的中心孔处，与该中心孔所装的样品海冰冰柱壁面接触。在钢制外筒底部外面中心处安装加热设备，该加热设备包括盘状康铜丝及加热电源。
所述外接设备包括恒温腔、制冷设备、泵循环系统，其中：恒温腔通过其外壳上的冷却液进/出管与外接的制冷设备和冷却液连通，该外壳的底部放在钢制外筒的顶盖中心孔处，且紧压在塑料泡沫绝热筒的顶部上。
在所述塑料泡沫绝热筒的外壁包有石棉层。
在所述钢制外筒底部外面中心处，向外依次有盘状康铜丝、绝热泡沫加热垫与紫铜片，紫铜片通过松紧螺母与钢制外筒底部相连。
在紫铜片和盘状康铜丝之间放置绝热泡沫加热垫。
所述恒温腔外壳的内部设有恒温腔温度传感器。
所述恒温腔外壳的顶部装有绝缘层。
所述绝缘层为石棉层。
所述冷却液为乙二醇/水/异丙醇混合的溶液，它们以40/40/20的体积比例混合。
本发明提供的上述海冰导热系数测量仪，其用于测量海冰的导热系数。
本发明在用于测量海冰的导热系数过程中，可以采用包括以下步骤的方法：将装有样品海冰的塑料泡沫绝热筒放入钢制外筒中，热敏电阻在预设位置从钢制外筒插入与样品海冰相接触，恒温腔放在海冰导热系数测量仪的上端，与样品海冰上端紧密接触，在紫铜片上垫上绝热泡沫并放上盘状康铜丝；将恒温腔外接循环水泵，该水泵将制冷设备的冷却液抽进或排除恒温腔，使恒温腔与海冰温度一致；然后打开加热器电源，使康铜丝对海冰冰柱的加热端进行微加热。观察3个热敏电阻的外接读数仪表，待冰柱加热稳定后（仪表读数不再变化），读取仪表读数（即测量点的温度值）；最后测量观测点间距d、加热量Q和加热面积A，根据λ=-Q/[A(dt/dx)]，计算出导热系数λ。
本发明设计的原理是：由傅里叶定律可以知道导热量与导热系数、温度梯度和导热面积成正比，其表达式为Q＝-λA(dt/dx)。若知道导热量Q，导热面积A和温度梯度dt/dx，即可求得相应的导热系数λ w/(m2 *k)。本实验中，样品冰柱一端紧贴在绕成盘状的康铜丝上，康铜丝外接电源，由电源向康铜丝提供10μA的电流对康铜丝进行微加热；样品冰柱的另一端与恒温腔接触，保持其温度不变。在样品冰柱的竖直方向上每隔（热敏电阻中点间距）50mm安放一个热敏电阻，一共3个，用以采集样品冰柱上3个点的温度，这样dt/dx =（tb-ta）/（b-a）。从而求得冰的导热系数：λ=-Q/ [A(dt/dx)]。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
1.测量方法优越，以热敏电阻为测量元件，采用直接测量方式。根本上解决了利用传统方法进行求解时，受样品冰年份和深度的影响的难题。没有做过多的假设简化，保证关键影响因素尽量全部保留，因此拥有更高的适用性和精确度。
2.可控性好，实验效率高。本测量仪自带微加热装置（盘状康铜丝和加热电源FLUKE 743B DOCUMENTING PROCESS CALIBRATOR）能够更好的控制实验加热温度和实验时间，大大提高了实验效率。
3.实验数据处理更简单、方便。与现有的直接测量装置相比，泡沫绝热筒的引入解决了利用钢筒作为样品冰容器而导致的最后数据处理的难题。本实验装置中的泡沫绝热筒（8）既起到绝热作用（相当于前文的聚氯四氟乙烯罩），又起到样品筒的作用（相当于前文的不锈钢管）。由于没有引入其他传热介质，所以结果处理时，只要测得各个待测点的温度，求得温度梯度，利用加热量Q和导热面积A，即可得到导热系数K。
4.具有更强的扩展性。可以对仪器底部稍作修改，将康铜丝加热设备换成制冷设备（半导体制冷片）即可通过制冷的方式测得被测海冰的导热系数。值得一提的是，以制冷方式进行测量目前还没有类似设备和实验，其好处在于采用制冷方式测量时，可以突破温度差的局限，而不必担心加热时由于加热温度过高导致样品冰柱融化的困扰。可以说，这是一部多功能的海冰导热系数测量仪。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为热敏电阻3的结构示意图。
图3是测量仪箱体底部未放紫铜片时的图。
图4是测量仪箱体底部放上紫铜片的图。
图5为塑料泡沫绝热筒外观及测量点。
图6为箱体顶盖图。
图7为海冰整体模型成分分布图。
图8为复合式海冰冰柱整体外观温度云图。
图9为竖直截面的温度云图。
图中：1.恒温腔； 2.冷却液进/出管接口； 3.热敏电阻； 4.松紧螺母；5.密封螺栓；6.钢制外筒； 7.石棉层； 8.塑料泡沫绝热筒； 9.恒温腔温度传感器； 10.盘状康铜丝； 11.绝热泡沫加热垫； 12.支架； 13.探头测量端； 14.热敏电阻的主体； 15.连接线； 16.弹簧保护端； 17.钢制外筒底部； 18.紫铜片； 19.钢制顶盖； 20.塑料泡沫绝热筒中心孔； 21.钢制外筒底部孔； 22.箱体测量点孔； 23.第一1年海冰层；24.第一海水层；25.第二1年海冰层； 26.气泡形式空气； 27.第二海水层； 28.气泡形式海水； 29.空气； 30.第三海水层； 31.多年海冰层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
一.海冰导热系数测量仪
如图1所示：海冰导热系数测量仪由实验装置和外接设备两大部分组成。
实验装置的结构是：设有钢制外筒6，其顶部有以密封螺栓5相连的钢制顶盖19，其内腔放有塑料泡沫绝热筒8，其底部由支架12支撑。所述塑料泡沫绝热筒8，其外壁包有石棉层7。设有热敏电阻3，其探头测量端13依次穿过钢制外筒6、石棉层7后伸入塑料泡沫绝热筒8的中心孔处，与该中心孔所装的样品海冰柱壁面紧密接触。在钢制外筒6底部外面中心处，向外依次是盘状康铜丝10、绝热泡沫加热垫11与紫铜片18，紫铜片18通过松紧螺母4与钢制外筒6底部相连。
所述热敏电阻3可以采用WZP—100型的热敏电阻，工作温度在-50℃~450℃，显示仪表精度为0.1℃。其形状和结构如图2所示：在热敏电阻的主体14的右端有与之相连的弹簧保护端16和连接线15，该连接线与外接数据显示仪的输入端相连。热敏电阻的主体14的外伸长度为210mm，或者依据实际情况而定。热敏电阻的主体14的左端为探头测量端13，其直径d=5mm，或者依据实际情况而定。
热敏电阻3安装时是分别插入在塑料泡沫绝热筒8上预先做好的箱体测量点孔22中（图5）。3个箱体测量点孔22的位置在同一个垂直直线上，与塑料泡沫绝热筒底部的位置从下往上分别为15mm、65mm、115mm（即ΔZ=50mm），这些孔的位置设计在塑料泡沫绝热筒的中下方，是为了将测温点尽量设计在样品冰柱受康铜丝加热影响较大的地方，提高实验的精确度。
所述塑料泡沫绝热筒8为中空的圆柱筒，其中：中空部分即中心孔20可以用来放置样品海冰柱，起样品筒的作用；外面圆柱部分起绝热作用。为了保证测量结果的准确性，泡沫绝热筒8厚度应稍大，例如厚度为200mm，高度为150mm；中心孔20直径Φ=60mm，这些参数也可以依据实际情况而定。
如图3所示：在钢制外筒底部17中心开了一个钢制外筒底部孔21，该孔直径Φ=120mm，或者依据实际情况而定。紫铜片18（Φ>120mm）和松紧螺母4配套使用，安装在壳体底部的环形面上，在做加热实验时调节松紧螺母，将紫铜片下放一定距离，上面放置一块绝热泡沫，泡沫上表面放置盘状康铜丝，康铜丝外接加热电源。由于实验的加热过程为缓慢的微加热过程，因此加热电源为FLUKE 743B DOCUMENTING PROCESS CALIBRATOR，提供10μA的微弱电流。康铜丝和加热电源整个构成一个加热器，而紫铜片18和松紧螺母4起支撑作用，应保证放上绝热泡沫后，其泡沫高度应与底部壳体等高，康铜丝应和底端冰柱紧密接触而使冰柱加热端能够被康铜丝均匀加热。
所述石棉层7厚度为25mm，或依据实际情况而定，主要起绝热和固定泡沫筒的作用。
盘状康铜丝10的直径为60mm，理论上应与样品冰加热端大小相同。盘状康铜丝10与电源相连，构成加热设备，加热器电流I=10μA，加热最大温差为5℃，即加热稳定后，加热端温度为-5℃。这些参数也可以依据实际情况而定。
外接设备的结构是：包括恒温腔1、制冷设备、循环泵。
恒温腔1的外壳设有冷却液进/出管接口2，该外壳的底部放入钢制外筒6的钢制顶盖19的处中心孔，并与塑料泡沫绝热筒8的顶部紧密接触，目的是使外壳底部与被测海冰恒温端紧密接触，该外壳的内部设有恒温腔温度传感器9。该外壳的顶部及四周装有绝缘层，例如采用石棉层。该恒温腔预设温度为-10℃，与海冰温度相同。
恒温腔1通过冷却液进/出管2与外接的制冷设备和冷却液相通制冷设备为压缩机和冷却水箱，通过压缩机将冷却水箱里的制冷剂制冷到预设温度后，通过循环水泵将制冷液送入/抽出恒温腔，使恒温腔的温度恒定在-10℃。因为恒温腔的温度要求达到-10℃，因此制冷剂应选用乙二醇/水/异丙醇以40/40/20的体积比例混合的冷却液。
恒温腔1的外壳底部与样品海冰柱的顶端应紧密接触，之所以在外面加入钢制外筒6是为了通过法兰与温控装置进行法兰连接而不破坏泡沫绝热筒。
外接设备还设有冷却水箱，在其上面加上绝缘层（石棉层）。
本发明提供的海冰导热系数测量仪，其工作过程是：样品海冰放入泡沫绝热筒8的中心通孔后，将绝热筒放入金属外筒6中，热敏电阻3在预设位置从金属外筒6插入与被测海冰相接触，恒温腔1放在仪器上端，与海冰上端紧密接触，下端在紫铜片18上垫上绝热泡沫11并放上盘状康铜丝10。恒温腔的进出孔2外接循环水泵，水泵将冷却液箱里的冷却剂抽进/排除恒温腔。其中，泡沫绝热筒8起样品容器和绝热的作用；恒温腔1通过流入的冷却液起到对海冰一端恒温的作用（使其与海冰温度一致）；加热装置中的紫铜片18可根据松紧螺母4调节高度，它本身起到对康铜丝10的支撑作用。紫铜片18和盘状康铜丝10之间放置绝热泡沫加热垫11。
本发明使用的加热理论和海冰温度场理论可以由下述的仿真模拟实验进行验证。
二.对平行热流加热法温度场的仿真模拟实验
本测量仪的加热方式为平行热流加热法，即仅对海冰冰柱一端进行均匀缓慢加热，使其加热端的温度保持一致，热流方向与冰柱的竖直方向平行。由于作为实验对象的海冰高度为150mm，海冰高度十分短，因此要实现这样一种加热方式并不困难。在这种加热模式下，海冰竖直方向上同一高度的各个横截面上其温度可假设为是相同的。
为了证实这一假设，我们利用ANSYS软件，建立目前比较认可的“海冰水泡模型”即随机将海冰分为不同取样深度的海冰，其包括第一1年海冰层23（Deph0-10cm）、第二1年海冰层25（Depth45-55cm）、多年海冰层31（Depth0-10cm），不同海冰之间存在着第一海水层24、第二海水层27、第三海水层30和空气29。此外，在“海冰水泡模型”内部随机建立气泡，气泡被随机视为气泡形式海水28、气泡形式空气26等，以求尽可能接近现实的海冰。接着在模型上加载温度条件：上端（恒温端）加载海冰温度-10℃，底端（加热端）加载稳定后的温度-5℃，最后通过计算机计算求解得出温度场云图，证明了这种假设的合理性。仿真中运用到的各种海冰、空气及海水的导热系数由查取相关资料所得。
海冰整体模型成分分布见图7，复合式海冰冰柱整体外观温度云图见图8，海冰冰柱竖直截面温度云图见图9。
海水、空气、YF及MF海冰混合情况仿真实验：
加热方式：康铜丝加热。
加热后冰柱温度范围：-5℃~-10℃。
混合物包括：第一1年海冰层23、第二1年海冰层25、多年海冰层31、第一海水层24、第二海水层27、第三海水层30、空气29、气泡形式空气26、气泡形式海水28。
混合方式：海冰随机分为多种成分，包括一年海冰，多年海冰，海水和空气部分。此外部分海水和空气还以气泡形式随机存在于冰柱中；冰柱长为150mm，底面直径80mm，一共分为14个体。
混合冰柱各成分的导热系数：
Material 1海水：k=0.52 W·m-1K-1
Material 2空气：k=0.023 W·m-1K-1
Material 3海冰1（上）（FY Depth0~10cm）：k=2.18 W·m-1K-1
Material 4海冰2（下）（MY Depth0~10cm）：k=2.05 W·m-1K-1
Material 5海冰1（中）（FY Depth45~55cm）：k=2.22 W·m-1K-1
图8和图9中A1~A9表示温度区间：A1为-10℃~-9.444℃；A2为-9.444℃~-8.889℃；A3为-8.889℃~-8.333℃；A4为-8.333℃~-7.778℃；A5为-7.778℃~-7.222℃；A6为-7.222℃~-6.667℃；A7为-6.667℃~-6.111℃；A8为-6.111℃~-5.556℃；A9为-5.556~-5℃；
仿真结果：图8为仿真海冰冰柱的整体外观温度场云图。从图8我们可以看出，其温度云图由下往上温度逐渐升高（加热底端温度为：-5℃，恒温端温度为：-10℃），其等温面除个别略有波动外，基本上与海冰冰柱横截面基本重合。图9为海冰冰柱竖直截面温度云图，图中的每一条等温线表明了海冰冰柱内部温度的分布情况，其等温线水平度越高则同一水平横截面上的温度就越相近，与理论假设越符合。
总之，由图8和图9可知，海冰温度场的分布无论是从整体外观温度云图（图8）还是竖直截面温度云图（图9）来看都基本符合假设的结果——在同一横截面上温度处处相等。从图中我们可以清楚地看出，温度云图从加热底端往上，温度逐渐降低（由-5℃逐渐降到-10℃），虽然由于内部“气泡”的存在，使得横截面上的等温线略有波动，但基本上与假设相符，由此可以说明将这一假设运用到该测量仪是可行的。
Claims (9)
1.一种海冰导热系数测量仪，其特征是由实验装置和外接设备两大部分组成，其中：
实验装置主要由热敏电阻（3）、钢制外筒（6）和加热设备组成，其中：钢制外筒（6），其顶部有以密封螺栓相连的钢制顶盖（19），其内腔放有塑料泡沫绝热筒（8），其底部由支架（12）支撑，该底部外面中心处向外依次是盘状康铜丝（10）、绝热泡沫加热垫（11）与紫铜片（18），紫铜片（18）通过松紧螺母（4）与钢制外筒（6）底部相连；热敏电阻（3）的探头测量端（13）穿过钢制外筒（6）后伸入塑料泡沫绝热筒（8）的中心孔处，与该中心孔所装的样品海冰冰柱壁面接触；在钢制外筒（6）底部外面中心处安装加热设备，该加热设备包括盘状康铜丝及加热电源；热敏电阻（3）为3个，观测点间距为d；
外接设备包括恒温腔（1）、制冷设备、泵循环系统，其中：恒温腔（1）通过其外壳上的冷却液进/出管（2）与外接的制冷设备和冷却液连通，该外壳的底部放在钢制外筒（6）的顶盖中心孔处，且紧压在塑料泡沫绝热筒（8）的顶部上；所述恒温腔外接循环水泵，该水泵将制冷设备的冷却液抽进或排除恒温腔，使恒温腔与海冰温度一致。
2.根据权利要求1所述的海冰导热系数测量仪，其特征是在所述塑料泡沫绝热筒（8）的外壁包有石棉层（7）。
3.根据权利要求1所述的海冰导热系数测量仪，其特征是在紫铜片（18）和盘状康铜丝（10）之间放置绝热泡沫加热垫（11）。
4.根据权利要求1所述的海冰导热系数测量仪，其特征在于所述恒温腔（1）外壳的内部设有恒温腔温度传感器（9）。
5.根据权利要求1所述的海冰导热系数测量仪，其特征在于所述恒温腔（1）外壳的顶部装有绝缘层。
6.根据权利要求5所述的海冰导热系数测量仪，其特征在于所述绝缘层为石棉层。
7.根据权利要求1所述的海冰导热系数测量仪，其特征在于所述冷却液为乙二醇/水/异丙醇以40/40/20的体积比例混合的溶液。
8.一种海冰导热系数测量仪的应用，其特征在于将权利要求1至7中任一权利要求所述海冰导热系数测量仪用于测量海冰的导热系数。
9.根据权利要求8所述海冰导热系数测量仪的应用，其特征是采用包括以下步骤的方法：将装有样品海冰的塑料泡沫绝热筒（8）放入钢制外筒（6）中，热敏电阻（3）在预设位置从钢制外筒插入与样品海冰相接触，恒温腔（1）放在海冰导热系数测量仪的上端，与样品海冰上端紧密接触，在紫铜片（18）上垫上绝热泡沫加热垫（11）并放上盘状康铜丝（10）；然后打开加热电源，使康铜丝（10）对海冰冰柱的加热端进行微加热；观察3个热敏电阻（3）的外接读数仪表，待冰柱加热稳定直至仪表读数不再变化，读取仪表读数即测量点的温度值，最后测量观测点间距d、加热量Q和加热面积A，根据λ=-Q/[A(dt/dx)]，计算出导热系数λ。
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