CN103983660B - 一种室内岩样导热系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石导热系数测试装置，属于测试仪器类。测试装置由下底座、冷极冷却装置、外绝热管、内绝热管、内护热保温层、热极电热板、上支撑板、绝热层、发热器等组成。内护热保温层、内绝热管、外绝热管均固定在上支撑板下端面，内护热保温层、内绝热管、外绝热管由内而外环绕于在热极电热板外侧，形成封闭的保温腔，测试试样安置在保温腔中，试样下端有冷极冷却装置，保持试样下端温度为一恒定的低温。本发明能够测量岩样的轴向导热系数和径向导热系数，并且与参考试样进行对比，可以进一步验证测量的准确性。本发明设计合理，结构简单，操作使用方便。

Description

一种室内岩样导热系数测试装置

技术领域

本发明涉及一种岩石导热系数测试装置，属于测试仪器类。

背景技术

导热系数是岩石的一项重要的热力学参数。如何准确的测量岩石的导热系数，对于岩石的多场耦合研究有着重要的意义。然而，在成岩和长期的地质构造的作用下，岩石为多种矿物集合而成的非均质体。此外，岩石由于沉积层面或微裂纹的影响，岩石的导热系数常常表现为各向异性。现有的大部分导热系数测试仪器大多针对均质材料，例如发明专利“一种测定导热系数的方法及装置”(公开号：CN1601262A)只能测量均值材料，而不适用于测量岩石的导热系数，仅有的几种导热系数测试仪器，有些测量方法比较复杂，测量结果存在较大的误差。此外，目前的测试仪器仅仅能测量岩石某一个方向上的导热系数，无法准确描述岩石整体的导热特性，在进行大型计算分析的时候也会出现较大的误差。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的是在于提供了一种结构简单、使用方便、实用性强的测试岩石导热系数的装置，可对岩石两个方向上的导热系数进行测量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种岩石导热系数测试装置，所述测试装置由下底座、冷极冷却装置、立柱、外绝热管、内绝热管、内护热保温层、上参考试样、热极电热板、上支撑板、升降机、伸缩杆、绝热层、第一热电偶、第二热电偶、固定夹具、发热器、下参考试样组成；下底座通过立柱和上支撑板连接，冷极冷却装置位于下底座上方，冷极冷却装置呈凸台状，冷极冷却装置下平台两侧分别设置有进水口、出水口，下参考试样设置在冷极冷却装置上平台上方，下参考试样上端面上设置有发热器；上支撑板上方设置有升降机，伸缩杆活动贯通上支撑板，伸缩杆上端与升降机固定连接，伸缩杆下端与绝热层上端面固定连接，固定夹具固定于绝热层下端面，固定夹具内设置有热极电热板、上参考试样，热极电热板位于绝热层和上参考试样之间，上参考试样的上、下端面上分别设置有第一热电偶和第二热电偶；外绝热管、内绝热管、内护热保温层上端分别固定在上支撑板的下端面上，内绝热管环绕于内护热保温层外侧，外绝热管环绕于内绝热管外侧，外绝热管的下端位于冷极冷却装置下平台台面上，内绝热管底端内壁面与冷极冷却装置的上平台外壁吻合，内护热保温层内壁与绝热层吻合，内护热保温层下端位于内绝热管底端的上端面上。

所述发热器为点钨丝热源发热器。

下底座、冷极冷却装置、下参考试样、发热器、上参考试样、热极电热板、升降机、伸缩杆、绝热层的中心均位于同一中心线上。

由于采用了以上技术方案，本发明的岩石导热系数测试装置有以下优点：

本发明外绝热管环绕于内绝热管外侧，内绝热管环绕于内护热保温层外侧，内护热保温层内壁与绝热层吻合，外绝热管、内绝热管、内护热保温层与绝热层形成封闭的保温腔，可以避免测试试验过程中的热量耗散。

由于岩石具有非均质性，本测试装置与已知导热系数的参考试样进行对比。本发明的测试装置采用参考试样和测试试样同时加热的方式，通过分别测试参考试样和测试试样的导热系数，将所得到的参考试样的导热系数和其已知的导热系数进行对比，可以确定测试试样导热系数的测量精度。

考虑到岩石的非均质性，本测试装置可测量轴向和径向的导热系数。本发明的测试装置包括两种热源，可以拆卸，发热器采用点钨丝发热源发热方式，可以根据所测量的参数，将热极电热板和发热器位置对换，测试过程中，测试试样的上下端面和侧面分布有多个测温热电偶，能够准确测量出测试试样的温度分布情况，方便通过计算得到测试试样的轴向导热系数，并且可以根据表面温度代入数值模拟软件进行反分析，得到测试试样的径向导热系数。

附图说明

图1为本发明测试装置的使用示意图。

图2为本发明测试装置的结构示意图。

图3为测试试样表面测温热电偶分布。

图4为试样表面测温热电偶分布俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

见附图。

一种岩石导热系数测试装置，所述测试装置由下底座1、冷极冷却装置2、立柱3、外绝热管4、内绝热管5、内护热保温层6、上参考试样7、热极电热板8、上支撑板9、升降机10、伸缩杆11、绝热层12、第一热电偶13、第二热电偶14、固定夹具15、发热器17、下参考试样18组成；

下底座1通过立柱3和上支撑板9连接，冷极冷却装置2位于下底座1上方，冷极冷却装置2呈凸台状，冷极冷却装置2下平台两侧分别设置有进水口、出水口，通过控制水循环，控制下参考试样18的下端面保持一较低的温度，下参考试样18设置在冷极冷却装置2上平台上方，下参考试样18上端面上设置有发热器17，发热器17可以根据测试参数的不同进行拆卸。

上支撑板9上方设置有升降机10，升降机10可采用电动式、机械式或者手动式，伸缩杆11活动贯通上支撑板9，伸缩杆11上端与升降机10固定连接，伸缩杆11下端与绝热层12上端面固定连接，固定夹具15固定于绝热层12下端面，固定夹具15内设置有热极电热板8、上参考试样7，热极电热板8位于绝热层12和上参考试样7之间，固定夹具15外侧设置有紧固螺钉，热极电热板8、上参考试样7通过紧固螺钉固定在固定夹具15内，热极电热板8可以根据测试参数的不同，使用发热器17替换，上参考试样7的上、下端面上分别设置有第一热电偶13和第二热电偶14，试验中伸缩杆11伸长，控制上参考试样7下降与测试试样16接触，发热器17和热极电热板8外接电源。

外绝热管4、内绝热管5、绝热层12均为中空的不锈钢材料，内护热保温层6采用石棉板材料。

内护热保温层6、内绝热管5、外绝热管4由内而外环绕于在绝热层12外侧，内护热保温层6、内绝热管5、外绝热管4固定在上支撑板9下端面，形成封闭的保温腔，测试试样安置在保温腔中，外绝热管4的下端位于冷极冷却装置2下平台台面上，内绝热管5底端内壁面与冷极冷却装置2的上平台外壁吻合，内护热保温层6内壁与绝热层12吻合，内护热保温层6下端位于内绝热管5底端的上端面上。

所述发热器17为点钨丝热源发热器。

下底座1、冷极冷却装置2、下参考试样18、发热器17、上参考试样7、热极电热板8、升降机10、伸缩杆11、绝热层12的中心均位于同一中心线上。

本发明的工作原理：

(1)将测试试样16上下端面分别安置2个测温热电偶，侧面按照高度梯度安置6个测温热电偶，见图3、图4。

(2)若选择测量轴向导热系数，则在上参考试样7上端安置热极电热板8；若选择测量径向导热系数，则在上参考试样7上端安置发热器17。

(3)由升降机10控制伸缩杆11伸长，将上部的绝热层12、热极电热板8(或发热器17)、上参考试样7下降，与测试试样16接触。

(4)根据(2)中需要测量参数，控制热极电热板8(或者发热器17)进行加热，启动冷极冷却装置2，通过两侧的进水口、出水口的水循环，控制下参考试样18的下端面保持一较低的温度。

(5)若测量轴向导热系数，则取热极电热板8恒定加热功率q(W)与上参考试样7表面积S(m^2)之商为热流密度Q(W/m^2)，即

Q＝q/S

由试样表面安置的测温热电偶，可以测量不同高度梯度下试样表面温度分布，进一步得到试样的温度梯度，

$\▿T=\mathrm{\Δ}T/l$

ΔT为不同高度试样表面温差，l为试样高度。

进一步得到，轴向导热系数k

$k=-Q/\▿T=-\frac{ql}{S\mathrm{\Δ}T}$

若测量径向导热系数，根据在上参考试样7、下参考试样18和测试试样16上安置的多个测温热电偶的温度，得到试样表面温度，将各点的温度代入数值模拟软件进行反分析，即可得到试样的径向导热系数。

所得的结果均可与参考试样进行对比，方便准确。

Claims (3)

1.一种岩石导热系数测试装置，其特征在于：所述测试装置由下底座（1）、冷极冷却装置（2）、立柱（3）、外绝热管（4）、内绝热管（5）、内护热保温层（6）、上参考试样（7）、热极电热板（8）、上支撑板（9）、升降机（10）、伸缩杆（11）、绝热层（12）、第一热电偶（13）、第二热电偶（14）、固定夹具（15）、发热器（17）、下参考试样（18）组成；下底座（1）通过立柱（3）和上支撑板（9）连接，冷极冷却装置（2）位于下底座（1）上方，冷极冷却装置（2）呈凸台状，冷极冷却装置（2）下平台两侧分别设置有进水口、出水口，下参考试样（18）设置在冷极冷却装置（2）上平台上方，下参考试样（18）上端面上设置有发热器（17）；上支撑板（9）上方设置有升降机（10），伸缩杆（11）活动贯通上支撑板（9），伸缩杆（11）上端与升降机（10）固定连接，伸缩杆（11）下端与绝热层（12）上端面固定连接，固定夹具（15）固定于绝热层（12）下端面，固定夹具（15）内设置有热极电热板（8）、上参考试样（7），热极电热板（8）位于绝热层（12）和上参考试样（7）之间，上参考试样（7）的上、下端面上分别设置有第一热电偶（13）和第二热电偶（14）；外绝热管（4）、内绝热管（5）、内护热保温层（6）上端分别固定在上支撑板（9）的下端面上，内绝热管（5）环绕于内护热保温层（6）外侧，外绝热管（4）环绕于内绝热管（5）外侧，外绝热管（4）的下端位于冷极冷却装置（2）下平台台面上，内绝热管（5）底端内壁面与冷极冷却装置（2）的上平台外壁吻合，内护热保温层（6）内壁与绝热层（12）吻合，内护热保温层（6）下端位于内绝热管（5）底端的上端面上。

2.根据权利要求1所述的一种岩石导热系数测试装置，其特征在于：所述发热器（17）为点钨丝热源发热器。

3.根据权利要求1所述的一种岩石导热系数测试装置，其特征在于：下底座（1）、冷极冷却装置（2）、下参考试样（18）、发热器（17）、上参考试样（7）、热极电热板（8）、升降机（10）、伸缩杆（11）、绝热层（12）的中心均位于同一中心线上。