CN107044997B - 一种管状保温层导热系数测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管状保温层导热系数测试装置及方法，属于核电保温测试技术领域。该装置的测试圆管中段内插装主加热管，两外段分别套有阻热保温层且内部分别插装辅加热管，主加热管接主稳压电源，所述辅加热管通过可控硅接副稳压电源；测试圆管和管状保温层样件的各预定截面分别安置温度传感器。本发明不仅解决了核电金属反射型管状保温层导热系数无法测量的难题，而且可以有效避免高温下加热管热量的轴向传递，保证加热到设定温度达到稳态后，温度和功率几乎不变，因此可以保证测试结果具有足够的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试导热系数的装置，尤其是一种管状保温层导热系数装置及方法，属于核电保温测试技术领域。
背景技术
核电站的许多管道和设备都在高温（350℃左右）工况运行。为减少管道和设备的热损失，保证核电站混凝土壁面温度和热应力符合设计要求，提高电站运行的热经济性，必须在高温管道和设备外壁包覆金属反射式保温层。而导热系数是考核金属反射式保温层保温性能的重要指标，是衡量其热性能是否满足使用要求的必要条件。
据申请人了解，现有专门测量圆管状导热系数的装置均只能测量非金属的导热系数，加热温度不超过170℃，且通常采用一个加热器，未采取防止圆管加热器热量轴向扩散的有效措施。适用于核电金属反射式保温层导热系数测量的装置未见报道。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术无法测量高温（350℃左右）下被测件导热系数的局限性，提出一种具有足够准确度的管状保温层导热系数测试装置，从而妥善解决核电金属反射式保温层高温下导热系数测量的难题。
为了达到上述目的，本发明管状保温层导热系数测试装置技术方案为：包括中段外套被测管状保温层样件的测试圆管，所述测试圆管的中段与两外段之间开有周向延伸的间断隔缝，所述中段内插装轴向延伸的主加热管，两外段分别套有阻热保温层且内部分别插装辅加热管，所述两外段的外端分别固定端板，所述主加热管的两端与两辅加热管之间分别装有周向盘绕在所述隔缝外的电阻丝；所述主加热管通过第一电阻以及与之并联的串接第二和第三电阻接主稳压电源；所述辅加热管和电阻丝分别接电源；
所述测试圆管的中央截面外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器，所述测试圆管的中央截面至隔缝的中间截面外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器，所述隔缝两侧截面的外圆分别上、下安置温度传感器；
所述管状保温层样件的中央截面外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器，所述管状保温层样件的中央截面至其两端的中间截面外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器，所述管状保温层样件的两端部截面外圆分别上、下安置温度传感器。
本发明进一步的完善包括：
所述辅加热管通过可控硅接副稳压电源；
所述副稳压电源通过电压调节器和温度调节器接所述电阻丝；
所述主加热器和辅助加热器之间用隔热板隔开；
所述外端与对应的固定端板之间装有隔热垫；
所述温度传感器采用借助弧形压块固定在测温处的热电偶构成，所述弧形压块和测温处之间填充导热硅胶。
所述主加热器和辅助加热器由带螺旋凹槽的铸铜棒以及缠绕在凹槽内的电阻丝构成。
本发明的测试步骤如下：
本实施例的温度传感器采用热电偶，具体测试步骤如下：
第一步、设定加热温度ty，开启主、辅加热管控制升温；
第二步、当测试圆管中段外的温度传感器平均温度读数达到设定加热温度ty时，保持主加热管功率；
第三步、检测测试圆管一端隔缝外侧和内侧截面温度传感器的温度，分别取平均值，并调控相应辅加热管功率，使两平均值之差小于允差值，保持相应辅加热管的功率；再同样调控测试圆管另一端；
第四步、读取管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点温度，取平均值t2；读取测试圆管中央截面及两中间截面各测点温度各测点温度,取平均值t1;
第五步、分别测量第一和第二电阻两端的电压V1、V2；
第六步、按下式计算导热系数
式中：
Q——管状保温层样件吸收的热量，单位W；
d2——管状保温层样件外径，单位m；
d1——管状保温层样件内径，单位m；
l——管状保温层样件长度，单位m；
t1——读取的测试圆管中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
t2——管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
R1——第一电阻阻值，单位Ω；
R2——第二电阻阻值，单位Ω；
R3——第三电阻阻值，单位Ω；
V1——第一电阻端电压测量值，单位v；
V2——第二电阻端电压测量值，单位v。
本发明不仅解决了核电金属反射型管状保温层导热系数无法测量的难题，而且可以有效避免高温下加热管热量的轴向传递，保证加热到设定温度达到稳态后，温度和功率几乎不变，因此可以保证测试结果具有足够的准确度。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1实施例中测试圆管各截面位置示意图。
图2-1-图2-8分别是图2的A-A——H-H各相应截面的温度传感器布置示意图。
图3是图1实施例中被测管状保温层样件各截面位置示意图。
图3-1-图3-5分别是图3的B-B——F-F各相应截面的温度传感器布置示意图。
具体实施方式
本实施例测试核电金属反射型管状保温层导热系数的装置如图1所示，包括中段2-1外套被测管状保温层样件、即被测核电金属反射型保温层3-1的测试圆管2，该测试圆管2为具有一定厚度的钢管，其中段2-1与两外段2-2之间开有周向延伸宽度约为3mm的间断隔缝2-3，主加热器和辅助加热器之间用隔热板隔开，阻止加热器间热量的传递。中段2-1内插装轴向延伸的主加热管1，两外段2-2分别套有阻热保温层3-2且内部分别插装辅加热管4，两外段2-2的外端分别通过隔热垫固定端板7，以阻止两端辅助加热器的热量扩散到空气中。主加热管1的两端与两辅加热管4之间分别装有周向盘绕在测试圆管2隔缝2-3外的电阻丝4-1，主加热管1通过第一电阻R1以及与之并联的串接第二和第三电阻R2、R3接主稳压电源8，辅加热管4通过可控硅11接副稳压电源12，副稳压电源12还通过电压调节器10和温度调节器9接电阻丝4-1。
本实施例的主加热器和辅助加热器由带等间距螺旋凹槽的铸铜棒以及缠绕在凹槽内的电阻丝构成，可以保证加热管各处温度均匀一致性。
如图2以及图2-1-图2-7所示，测试圆管2的中央截面D-D外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器T05-T08，测试圆管2的中央截面至隔缝2-3的中间截面C-C、E-E外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器T01-T04、T09-T12，隔缝2-3两侧截面A-A、B-B以及F-F、G-G的外圆分别上、下安置温度传感器P01\P02、P03\P04、P05\P06、P07\P08。
如图3以及图3-1-图3-5所示，管状保温层样件3-1的中央截面D-D外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器T005-T008，管状保温层样件3-1的中央截面D-D至其两端的中间截面C-C、E-E外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器T001-T004、T009-T012，管状保温层样件3-1的两端部截面B-B、F-F外圆分别上、下安置温度传感器P003\P004、P005\P006。
本实施例的温度调节系统包括自动调节和手动调节，手动调节含有粗调和微调，自动调节能够保证加热管尽快接近设定温度，而手动粗调和微调结合能够保证所需温度下功率和被测温度的稳定性。
本实施例的温度传感器采用借助弧形压块固定在测温处的热电偶构成，弧形压块和测温处之间填充导热硅胶，避免与被测物件存在空气间隙，保证了温度测量的精确性。
具体测试步骤如下：
第一步、设定加热温度ty，开启主、辅加热管，起初采用自动控制方式升温；待温度接近设定加热温度ty时，手动操控升温；
第二步、当测试圆管中段外的20只热电偶平均温度达到设定加热温度ty时，保持主加热管功率保温；
第三步、检测测试圆管一端隔缝外侧截面P01、P02的温度，取平均值T1；同时检测隔缝内侧截面P03、P04的温度，取平均值T2；如T1与T2之差的绝对值小于等于允许误差0.5℃，则保持相应辅加热管的功率；如大于0.5℃，则通过手动微调辅加热管的功率，直到满足温度允差要求为止；同理，调整测试圆管另一端隔缝两侧的温度；
第四步、记录主加热管的功率，读取管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点T001-T012温度，取平均值t2；读取测试圆管中央截面及两中间截面各测点T01-T12温度各测点温度,取平均值t1;
第五步、用电位计分别测量第一和第二电阻R1、R2两端的电压V1、V2；
第六步、按下式计算导热系数
式中：
Q——管状保温层样件吸收的热量，单位W；
d2——管状保温层样件外径，单位m；
d1——管状保温层样件内径，单位m；
l——管状保温层样件长度，单位m；
t1——读取的测试圆管中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
t2——管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
R1——第一电阻阻值，单位Ω；
R2——第二电阻阻值，单位Ω；
R3——第三电阻阻值，单位Ω；
V1——第一电阻端电压测量值，单位v；
V2——第二电阻端电压测量值，单位v。
本实施例的上述导热系数测试方法采用一维稳态导热原理，根据傅里叶定律，在一维、径向、稳态导热的前提条件下，管状绝热材料的结构导热系数可用以上算式求得。
本实施例的电加热管由高精度晶体管直流稳压电源供电加热，功率用精确度为0.01%电阻法测量 ，当第一、第二、第三电阻阻值分别为R1=0.1Ω、R2=10Ω、R3=10000Ω时，
总之，本实施例通过采集被测件表面布置热电偶点的温度及主加热器的功率，数据处理得出被测件的径向导热系数。同时，通过采用和测试管、被测件贴合的带弧度的热电偶压块，并在压块与测试管、被测件之间填充高温导热硅胶，提高了测试数值的准确性。温度调节系统的自动调节能够保证加热管尽快稳定在设定温度，而手动调节粗调和微调结合能够保证某一温度下加热功率和被测温度的稳定性。此外，加热器均采用直流稳压电源，提供恒定的加热功率，提高了测试数值的稳定性和精确度。实践证明，采用本实施例测量导热系数简便可靠，能够满足核电领域外形为直管状核电金属反射型保温层径向导热系数测定；大大提高了导热系数测试的准确性和客观性。
Claims (6)
1.一种管状保温层导热系数测试装置，其特征在于：包括中段外套被测管状保温层样件的测试圆管，所述测试圆管的中段与两外段之间开有周向延伸的间断隔缝，所述中段内插装轴向延伸的主加热管，两外段分别套有阻热保温层且内部分别插装辅加热管，所述两外段的外端分别固定端板，所述主加热管的两端与两辅加热管之间分别装有周向盘绕在所述隔缝外的电阻丝；所述主加热管通过第一电阻以及与之并联的串接第二和第三电阻接主稳压电源，所述辅加热管通过可控硅接副稳压电源，所述副稳压电源还通过电压调节器和温度调节器接所述电阻丝；
所述测试圆管的中央截面外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器，所述测试圆管的中央截面至隔缝的中间截面外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器，所述隔缝两侧截面的外圆分别上、下安置温度传感器；
所述管状保温层样件的中央截面外圆上、下、左、右四处分别安置温度传感器，所述管状保温层样件的中央截面至其两端的中间截面外圆分别安置角向位置与中央截面错开45°的四处温度传感器，所述管状保温层样件的两端部截面外圆分别上、下安置温度传感器；
所述辅加热管通过可控硅接副稳压电源；
所述副稳压电源通过电压调节器和温度调节器接所述电阻丝。
2.根据权利要求1所述的管状保温层导热系数测试装置，其特征在于：所述主加热管和辅加热管之间用隔热板隔开。
3.根据权利要求2所述的管状保温层导热系数测试装置，其特征在于：所述外端与对应的固定端板之间装有隔热垫。
4.根据权利要求3所述的管状保温层导热系数测试装置，其特征在于：所述温度传感器采用借助弧形压块固定在测温处的热电偶构成，所述弧形压块和测温处之间填充导热硅胶。
5.根据权利要求4所述的管状保温层导热系数测试装置，其特征在于：所述主加热管和辅加热管由带螺旋凹槽的铸铜棒以及缠绕在凹槽内的电阻丝构成。
6.采用权利要求1至5任一所述管状保温层导热系数测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、设定加热温度ty，开启主、辅加热管控制升温；
第二步、当测试圆管中段外的温度传感器平均温度读数达到设定加热温度ty时，保持主加热管功率；
第三步、检测测试圆管一端隔缝外侧和内侧截面温度传感器的温度，分别取平均值，并调控相应辅加热管功率，使两平均值之差小于允差值，保持相应辅加热管的功率；再同样调控测试圆管另一端；
第四步、读取管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点温度，取平均值t2；读取测试圆管中央截面及两中间截面各测点温度各测点温度,取平均值t1；
第五步、分别测量第一和第二电阻两端的电压V1、V2；
第六步、按下式计算导热系数λ
式中：
Q——管状保温层样件吸收的热量，单位W；
d2——管状保温层样件外径，单位m；
d1——管状保温层样件内径，单位m；
l——管状保温层样件长度，单位m；
t1——读取的测试圆管中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
t2——管状保温层样件中央截面及两中间截面各测点温度平均值，单位℃；
R1——第一电阻阻值，单位Ω；
R2——第二电阻阻值，单位Ω；
R3——第三电阻阻值，单位Ω；
V1——第一电阻端电压测量值，单位v；
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