CN104267070A - 一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，它涉及一种液体导热系数的测量装置。本发明的目的是要解决现有瞬态平面热源法测量液体的导热系数存在探头垂直放置，在探头表面形成自然对流换热，采用低的输出功率会导致数据离散率增加，导致液体导热系数的测量结果偏高的问题。装置包括计算机、试样架、阀门、样品仓、固体标准样品、探头、垫片、铝合金和液体池；样品仓内设有试样架，铝合金设置在试样架上；铝合金上端开设有液体池；液体池的上端面设有垫片，垫片上端面设有固体标准样品；在固体标准样品的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头设置在深度为25μm的凹槽内部。本发明可获得一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置。

Description

一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置

技术领域

本发明涉及一种液体导热系数的测量装置。

背景技术

导热系数是材料重要的热物性参数，是量化传热过程和评价材料热性能的基本参数，在涉及传热的工程领域有广泛的应用背景。液体材料导热系数测量值的准确性在工业应用中至关重要，尤其对于精确的热设计和具体热过程研究，不准确的液体导热系数可能导致对主导换热方式的判断出现失误，引发严重的错误。

根据传热特点分析，目前导热系数的测量方法大致可以归纳为稳态法和瞬态法。稳态法虽然操作简单，经济性强，但是它需要非常小心细致的准备工作来避免测量的不确定度，而且操作周期长，难以保持高精度的流体温度。而瞬态法测量耗时短，响应快，在测量过程中能够保持恒定的流体温度，故得到广泛应用。常用的瞬态测量方法有热线法、热盘法(也称为平面热源法)等，而热盘法可以测量普朗特数较大的液体，设备的安全性也较高。

瞬态平面热源法测量液体导热系数的传统方法是把探头垂直放置于液体池中，液体填充后分别位于探头两侧，通过给探头施加额定电功率，使探头升温的同时向液体内传输热量，然后基于探头材料电阻变化与温升的对应关系，获得液体的散热性能，通过假设液体传热过程只存在热传导而忽略对流换热，对曲线进行拟合与计算，得出被测液体材料的导热系数和热扩散系数。由于探头为镍丝形成的圆盘，虽然为了减少测量误差将加热圆盘尺寸限定在毫米级，但在测量加热过程中必然会在液体内部形成温差，有温差导致的密度差必然引起液体内部形成对流，而由于探头采用垂直放置形式，在几何结构上并未抑制探头表面的自然对流换热，影响液体导热系数的测量精度。为抑制自然对流，传统测量方法只是要求较低的输出功率和较短的测量时间。然而低的输出功率会导致数据离散率增加，导致测量结果偏高。较短的取样时间可能会增大探头与液体接触的界面热阻的影响。测量范围和精度都受到了很大的限制。

发明内容

本发明的目的是要解决现有瞬态平面热源法测量液体的导热系数存在探头垂直放置，在探头表面形成自然对流换热，采用低的输出功率会导致数据离散率增加，导致液体导热系数的测量结果偏高的问题，而提供一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置。

一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置包括计算机、试样架、阀门、样品仓、固体标准样品、探头、垫片、铝合金和液体注射器、液体池、第一塑料管和第二塑料管；

所述的样品仓内设有试样架，铝合金设置在试样架上；铝合金上端开设有液体池；液体池的两端池壁上设有第一小孔和第二小孔；第一塑料管的一端与第一小孔相连通，第一塑料管的另一端与阀门相连通；第二塑料管的一端与第二小孔相连通，第二塑料管的另一端与液体注射器相连通；

所述的液体池的上端面设有垫片，垫片上端面设有固体标准样品；在固体标准样品的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头设置在深度为25μm的凹槽内部；计算机设置在样品仓外面，且与探头相连接。

本发明的原理及使用方法：

计算机内安装了Hot Disk热常数分析软件；使用液体注射器向液体池内注入待测液体；当待测液体从第一小孔稳定流出，且第一塑料管内没有气泡，关闭阀门；通过总的测试时间和输出功率，通过计算机给探头施加额定电流对待测液体进行加热，同时探头表面产生温升，电阻增加，电信号反馈回计算机；通过材料电阻与温度的对应关系，得到温度随时间的变化曲线，通过对曲线的拟合与计算，得出待测液体的导热系数和热扩散系数。

本发明使用了Hot Disk热常数分析软件进行数据的收集和处理，提出采用单面法测量待测液体的导热系数方法和热设计结构；本发明选择Hot Disk热常数分析软件中单面法模块，设定特定的加热功率和加热时间，开始试验，探头一面与已知导热系数的标准固体样品接触，另一面与待测液体接触，Hot Disk热常数分析软件通过计算机给探头施加所设定的额定电功率，探头由于焦耳效应，表面温度升高，探头升温的同时向液体内传输热量，同时探头温度发生改变，然后基于探头的材料电阻变化与温升的对应关系，得到加热过程中探头的温度数据点，直到到达所设定的加热时间。计算机会自动记录200个数据点，然后通过Hot Disk热常数分析软件对数据进行回归、计算，从而得到待测液体的导热系数。

本发明的优点：

一、本发明基于瞬态平面热源法，本发明采用单面法装置测量待测液体的导热系数，待测液体受热升温形成密度差，具有有向上流动的趋势，探头位于待测液体的上方，且探头上方设有固体标准样品，这种设计有效限制了该流动趋势，从而有效抑制待测液体内部的自然对流；与传统测量液体导热系数的方法相比，本发明可以承载更高的输出功率和更长的加热时间，测量准确度更高，操作简便，且可靠性高；

二、传统hotdisk测量方法测量液体的平均偏差为14％～16％，本发明测量液体的平均偏差为7％～9％。

本发明可获得一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置包括计算机1、试样架2、阀门3、样品仓4、固体标准样品5、探头6、垫片7、铝合金8和液体注射器9、液体池12、第一塑料管13和第二塑料管14；

所述的样品仓4内设有试样架2，铝合金8设置在试样架2上；铝合金8上端开设有液体池12；液体池12的两端池壁上设有第一小孔10和第二小孔11；第一塑料管13的一端与第一小孔10相连通，第一塑料管13的另一端与阀门3相连通；第二塑料管14的一端与第二小孔11相连通，第二塑料管14的另一端与液体注射器9相连通；

所述的液体池12的上端面设有垫片7，垫片7上端面设有固体标准样品5；在固体标准样品5的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头6设置在深度为25μm的凹槽内部；计算机1设置在样品仓4外面，且与探头6相连接。

图1为具体实施方式一所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置的结构示意图；图1中1为计算机，2为试样架，3为阀门，4为样品仓，5为固体标准样品，6为探头，7为垫片，8为铝合金，9为液体注射器，10为第一小孔，11为第二小孔，12为液体池，13为第一塑料管，14为第二塑料管。

本实施方式的原理及使用方法：

计算机1内安装Hot Disk热常数分析软件；使用液体注射器9向液体池12内注入待测液体；当待测液体从第一小孔10稳定流出，且第一塑料管13内没有气泡，关闭阀门3；通过总的测试时间和输出功率，通过计算机1给探头6施加额定电流对待测液体进行加热，同时探头6表面产生温升，电阻增加，电信号反馈回计算机1；通过材料电阻与温度的对应关系，得到温度随时间的变化曲线，通过对曲线的拟合与计算，得出待测液体的导热系数和热扩散系数。

本实施方式使用了Hot Disk热常数分析软件进行数据的收集和处理，提出采用单面法测量待测液体的导热系数方法和热设计结构；本实施方式选择Hot Disk热常数分析软件中单面法模块，设定特定的加热功率和加热时间，开始试验，探头6一面与已知导热系数的标准固体样品5接触，另一面与待测液体接触，Hot Disk热常数分析软件通过计算机1给探头6施加所设定的额定电功率，探头6由于焦耳效应，表面温度升高，探头6升温的同时向液体内传输热量，同时探头6温度发生改变，然后基于探头6的材料电阻变化与温升的对应关系，得到加热过程中探头6的温度数据点，直到到达所设定的加热时间。计算机1会自动记录200个数据点，然后通过Hot Disk热常数分析软件对数据进行回归、计算，从而得到待测液体的导热系数。

本实施方式的优点：

一、本实施方式基于瞬态平面热源法，本实施方式采用单面法装置测量待测液体的导热系数，待测液体受热升温形成密度差，具有有向上流动的趋势，探头6位于待测液体的上方，这种设计有效限制了该流动趋势，从而有效抑制待测液体内部的自然对流；与传统测量液体导热系数的方法相比，本实施方式可以承载更高的输出功率和更长的加热时间，测量准确度更高，操作简便，且可靠性高；

二、传统hotdisk测量方法测量液体的平均偏差为14％～16％，本实施方式测量液体的平均偏差为7％～9％。

本实施方式可获得一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式二不同点是：所述的深度为25μm的凹槽的长度与探头6的长度相等。其他步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的探头6的顶端位于液体池12的中心上方。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的使用定位销对固体标准样品5和铝合金8进行定位。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：使用拧紧螺钉将固体标准样品5、探头6、垫片7和液体池12固定连接。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的固体标准样品(5)为塑料泡沫、石棉砖、硅砖、软木板或低导率金属；液体池(12)为圆柱形，液体池(12)的高为2mm～4.5mm，半径为10mm～20mm。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置整体水平放置。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：所述的探头6为hotdisk探头7577或hotdisk探头5465。其他步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：所述的计算机1内安装了Hot Disk热常数分析软件。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置包括计算机1、试样架2、阀门3、样品仓4、固体标准样品5、探头6、垫片7、铝合金8和液体注射器9、液体池12、第一塑料管13和第二塑料管14；

所述的样品仓4内设有试样架2，铝合金8设置在试样架2上；铝合金8上端开设有液体池12；液体池12的两端池壁上设有第一小孔10和第二小孔11；第一塑料管13的一端与第一小孔10相连通，第一塑料管13的另一端与阀门3相连通；第二塑料管14的一端与第二小孔11相连通，第二塑料管14的另一端与液体注射器9相连通；

所述的液体池12的上端面设有垫片7，垫片7上端面设有固体标准样品5；在固体标准样品5的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头6设置在深度为25μm的凹槽内部；计算机1设置在样品仓4外面，且与探头6相连接。

本试验所述的深度为25μm的凹槽的长度与探头6的长度相等；

本试验所述的探头6的顶端位于液体池12的中心上方；

本试验所述的使用定位销对固体标准样品5和铝合金8进行定位；

本试验所述的使用拧紧螺钉将固体标准样品5、探头6、垫片7和液体池12固定连接；

本试验所述的固体标准样品5为塑料泡沫；液体池12为圆柱形，液体池12的高为2.5mm，半径为13mm；

本试验所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置整体水平放置；

本试验所述的探头6为hotdisk探头7577；

本试验所述的计算机1内安装了Hot Disk热常数分析软件；

本实验使用液体注射器9向液体池12内注入水；当水从第一小孔10稳定流出，且第一塑料管13内没有气泡，关闭阀门3。

本试验计算机1会自动记录200个数据点，然后通过Hot Disk热常数分析软件对数据进行回归、计算，从而测得的水的导热系数为0.6W/(m·K)。

本实验可以承载更高的输出功率为0.1W，加热时间为10s；操作简便，且可靠性高；测量准确度为8％。

Claims (9)

1.一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置包括计算机(1)、试样架(2)、阀门(3)、样品仓(4)、固体标准样品(5)、探头(6)、垫片(7)、铝合金(8)和液体注射器(9)、液体池(12)、第一塑料管(13)和第二塑料管(14)；

所述的样品仓(4)内设有试样架(2)，铝合金(8)设置在试样架(2)上；铝合金(8)上端开设有液体池(12)；液体池(12)的两端池壁上设有第一小孔(10)和第二小孔(11)；第一塑料管(13)的一端与第一小孔(10)相连通，第一塑料管(13)的另一端与阀门(3)相连通；第二塑料管(14)的一端与第二小孔(11)相连通，第二塑料管(14)的另一端与液体注射器(9)相连通；

所述的液体池(12)的上端面设有垫片(7)，垫片(7)上端面设有固体标准样品(5)；在固体标准样品(5)的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头(6)设置在深度为25μm的凹槽内部；计算机(1)设置在样品仓(4)外面，且与探头(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的深度为25μm的凹槽的长度与探头(6)的长度相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的探头(6)的顶端位于液体池(12)的中心上方。

4.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于使用定位销对固体标准样品(5)和铝合金(8)进行定位。

5.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的使用拧紧螺钉将固体标准样品(5)、探头(6)、垫片(7)和液体池(12)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的固体标准样品(5)为塑料泡沫、石棉砖、硅砖、软木板或低导率金属；液体池(12)为圆柱形，液体池(12)的高为2mm～4.5mm，半径为10mm～20mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置整体水平放置。

8.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的探头(6)为hotdisk探头7577或hotdisk探头5465。

9.根据权利要求1所述的一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置，其特征在于所述的计算机(1)内安装了Hot Disk热常数分析软件。