CN110618163A - 适用于热氧化结焦、及其油复合体导热系数的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用于热氧化结焦、及其油复合体导热系数的测量系统，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统、结焦物性测量设备。本发明能够有效测量结焦导热系数，为燃油流动换热的科学研究及工程应用提供有力依据。

Description

适用于热氧化结焦、及其油复合体导热系数的测量系统
技术领域
本发明涉及一种适用于热氧化结焦、及其油复合体导热系数的测量系统。主要应用于航空航天、能源、汽车、以及石油化工等需求油结焦热物性数据的相关领域。
背景技术
为解决未来航空航天领域高温部件的冷却难题，学界提出了冷却冷却空气技术(cooled cooling air，CCA)，即使用航空器自带冷源对高温部件冷却空气进行冷却，以提高冷却空气的冷却效率。油具有比热容高、物化性质较为稳定的特点，是CCA技术中理想的冷源。由此，以油作为冷源的空-油换热器应运而生。但在应用过程中人们发现，当油达到一定温度后，会与溶解在其中的氧气发生一系列化学反应，产生固体颗粒附着在管道壁面上，形成了一层并不紧密结焦层。结焦层的结构松散、导热系数较管壁更低，所以在大多数情况下，结焦层会对管内的流动换热产生不利影响。
为了定量地分析结焦层的热阻，就必须要知道结焦层的导热系数、结焦层的厚度、结焦层和管内流体的对流换热系数。在实验室条件下，由于热流是人为给定的，而管内流体温度和管外壁温度都是可以测量的。因此结焦层的导热系数、结焦层的厚度、结焦层和管内流体的对流换热系数三者只要可以测得其中两个，就可以利用导热微分方程、傅里叶定律和牛顿冷却公式很容易地求出剩余的一个量。
发明内容
为了解决上述技术问题，结合未来碳氢燃料在航空航天领域的需求，并针对燃油结焦的结构为多孔介质的特点，基于瞬态固体导热测量原理并对其进一步扩展，本发明提供了适用于热氧化结焦、及其油复合体导热系数的测量系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种适用于热氧化结焦导热系数的测量系统，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统、结焦物性测量设备；
所述结焦生成设备包括静态结焦生成设备和/或流动结焦生成设备；
其中所述静态结焦生成设备包括结焦附着板、结焦附着板支架、加热箱、压力源、测压设备、测温设备、进油管、排油管、液位计；所述结焦附着板设置于所述加热箱内底部的结焦附着板支架上，所述测压设备、测温设备、压力源接于所述加热箱顶部，所述液位计设置于所述加热箱侧面，所述进油管、排油管分别位于所述加热箱侧面靠近顶部和底部的位置；
其中所述流动结焦生成设备包括储油箱、进油管、流量测量接口、油泵、整流罐、整流加热管、加热源、取压管、结焦方管、结焦附着板、两个测温设备、保温材料、水冷器、排油管、背压阀、废油箱；所述结焦附着板设置于所述结焦方管内底部，两个所述测温设备设置于所述结焦方管上面，所述结焦方管前、后分别与所述整流加热管和所述水冷器相连，所述整流加热管上接有所述加热源、取压管，所述整流加热管前端与所述整流罐上端相连，所述整流罐下端与进油管相连，进油管中部装有所述流量测量接口、油泵，进油管前端与所述储油箱相连，所述水冷器末端与排油管相连，排油管中部装有背压阀，排油管末端与废油箱相连，保温材料将整流加热管、结焦方管包裹；
所述监所述控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备、质量流量计、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结交测量点前流体温度；
所述结焦物性测量设备包括微量天平、电子显微镜、热分析仪、激光导热仪、比重瓶。
进一步的，利用该测量系统测量静态氧化结焦导热系数的方法，其采用静态结焦生成设备，具体包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上切下多个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入加热箱，注满煤油，密封，快速加热到所需温度，快速加压达到所需压力；
步骤三：保持恒温恒压数小时后，冷却、减压，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
进一步的，利用该测量系统测量流动氧化结焦导热系数的方法，其采用流动结焦生成设备，具体包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上温度测量位置沿流动切向，在中心线两侧镜像位置切下两个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入结焦方管，使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节加热源使测温点快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，分别监测两个测温设备的温度，保证二者相差不大；
步骤三：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
进一步的，所述的步骤二中压力的下限为待测油临界压力。
进一步的，所述的步骤二中温度的下限为待测油氧化结焦起始温度，温度的上限为待测油裂解结焦起始温度。
一种适用于氧化结焦-油复合体导热系数测量系统，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统；
所述结焦生成设备包括储油箱、进油管、流量测量接口、油泵、整流罐、整流加热管、预热加热源、取压管、结焦方管、两个测温设备、若干壁温测量点、保温材料、实验加热源、水冷器、排油管、背压阀、废油箱；所述结焦方管上设置有两个所述测温设备、若干壁温测量点，所述实验加热源位于结焦方管外，所述结焦方管前后分别与所述整流加热管和所述水冷器相连，所述整流加热管上接有所述预热加热源、取压管，所述整流加热管前端与所述整流罐上端相连，所述整流罐下端与所述进油管相连，所述进油管中部装有所述流量测量接口、油泵，所述进油管前端与所述储油箱相连，所述水冷器末端与所述排油管相连，所述排油管中部装有所述背压阀，所述排油管末端与所述废油箱相连，所述保温材料将所述整流加热管、结焦方管包裹；
所述监控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备、若干壁温热电偶、质量流量计、电压表、电流表、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，所述数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结焦测量点前流体温度、结焦测量点管壁沿周向各处温度、实验加热源电压、实验加热源电流。
进一步的，所述结焦方管内流通截面的宽度：高度不小于10：1。
进一步的，利用上述测量系统测量流动氧化结焦-油复合体导热系数的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节实验加热源，控制管壁加热梁衡定，调节预热加热源使流体测温点2快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，监测两个测温设备的温度，保证二者相差不大；
步骤二：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油；
步骤三：计算热流密度q＝UI/[2(a+b)l]，其中U为实验加热源电压，I为实验加热源电流，a为结焦方管宽度，b为结焦方管高度，l为实验加热源加热长度，当a>>b时，可以忽略b；
步骤四：根据流体温度、流体速度、流体压力、结焦实验时间查询上述测量流动氧化结焦导热系数的方法中步骤二中对应实验结果，得到结焦厚度t；
步骤五：根据q＝K(tw-tf)计算总传热系数K，其中tw为结焦点平均壁温，tf为结焦点流体温度；
步骤六：根据经验关系式计算方管内对流换热系数h，使用1/K＝1/h+t/λ+δ/λ’计算结焦-油复合体导热系数λ，其中δ/λ’为结焦管管壁热阻。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明提出了分阶段结焦导热系数测量方法并研制了测量装置，为燃油流动换热的科学研究及工程应用提供有力依据。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明的静态结焦生成设备图；
图2为本发明流动结焦生成设备、氧化结焦-油复合体导热系数测量系统的结焦生成设备示意图；
图3为图2中A处示意图；
图4为氧化结焦-油复合体导热系数测量系统的结焦生成设备主视图(结焦方管、整流预热管、整流罐部分)；
附图标记说明：1-压力源；2-压力源压力表；3-测温设备；4-测压设备；5-水冷器；6-上法兰；7-下法兰；8-结焦密封腔；9-结焦附着板；10-结焦附着板支架；11-进油管；12-整流罐；13-整流加热管；14-结焦方管；15-排油管；16-壁温热电偶；17-实验加热源。
具体实施方式
实施例1
一种适用于热氧化结焦导热系数的测量系统，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统、结焦物性测量设备；
所述结焦生成设备包括静态结焦生成设备、流动结焦生成设备；
如图1所示，所述静态结焦生成设备包括结焦附着板9、加热箱、压力源1、测压设备、测温设备、进油管、排油管、液位计；所述结焦附着板9通过结焦附着板支架10设置于所述加热箱内底部，所述测压设备、测温设备、压力源接于所述加热箱顶部，所述液位计设置于所述加热箱侧面，所述进油管、排油管分别位于所述加热箱侧面靠近顶部和底部的位置；
如图2和3所示，所述流动结焦生成设备包括储油箱、进油管11、流量测量接口、油泵、整流罐12、整流加热管13、加热源、测压设备、结焦方管14、结焦附着板9、两个测温设备3、保温材料、水冷器5、排油管15、背压阀、废油箱；所述结焦附着板9设置于所述结焦方管14内底部的结焦附着板支架10上，两个所述测温设备3设置于所述结焦方管14上面，所述结焦方管14前、后分别与所述整流加热管13和所述水冷器5相连，所述整流加热管13上接有所述加热源、测压设备，所述整流加热管13前端与所述整流罐12上端相连，所述整流罐12下端与进油管11相连，进油管11中部装有所述流量测量接口、油泵，进油管11前端与所述储油箱相连，所述水冷器5末端与排油管15相连，排油管15中部装有背压阀，排油管15末端与废油箱相连，保温材料将整流加热管13、结焦方管14包裹；
所述监所述控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备3(具体为铠装热电偶)、质量流量计、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结交测量点前流体温度；所述结焦物性测量设备包括微量天平、电子显微镜、热分析仪、激光导热仪、比重瓶。
利用该测量系统测量静态氧化结焦导热系数的方法，其采用静态结焦生成设备，具体包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上切下多个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入加热箱，注满煤油，密封，快速加热到所需温度，快速加压达到所需压力；
步骤三：保持恒温恒压数小时后，冷却、减压，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
步骤二中压力的下限为待测油临界压力，温度的下限为待测油氧化结焦起始温度，温度的上限为待测油裂解结焦起始温度。
利用该测量系统测量流动氧化结焦导热系数的方法，其采用流动结焦生成设备，具体包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上温度测量位置沿流动切向，在中心线两侧镜像位置切下两个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入结焦方管，使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节加热源使测温点快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，分别监测两个测温设备3的温度，保证二者相差不大；
步骤三：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
步骤二中压力的下限为待测油临界压力，温度的下限为待测油氧化结焦起始温度，温度的上限为待测油裂解结焦起始温度。
实施例2
一种适用于氧化结焦-油复合体导热系数测量系统，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统；
如图2至3所示，所述结焦生成设备包括储油箱、进油管、流量测量接口、油泵、整流罐12、整流加热管13、预热加热源、测压设备、结焦方管14、两个测温设备3、若干壁温测量点、保温材料、实验加热源17、水冷器5、排油管15、背压阀、废油箱；所述结焦方管14上设置有两个所述测温设备3、若干壁温测量点(采用壁温热电偶测量)，所述实验加热源17位于结焦方管14外周侧，所述结焦方管14前后分别与所述整流加热管13和所述水冷器5相连，所述整流加热管13上接有所述预热加热源、测压设备，所述整流加热管13前端与所述整流罐12上端相连，所述整流罐12下端与所述进油管15相连，所述进油管中部装有所述流量测量接口、油泵，所述进油管前端与所述储油箱相连，所述水冷器5末端与所述排油管15相连，所述排油管15中部装有所述背压阀，所述排油管15末端与所述废油箱相连，所述保温材料将所述整流加热管13、结焦方管14包裹；
所述监控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备3(具体为铠装热电偶)、若干壁温热电偶16、质量流量计、电压表、电流表、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，所述数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结焦测量点前流体温度、结焦测量点管壁沿周向各处温度、实验加热源电压、实验加热源电流。
其中所述结焦方管14内流通截面的宽度：高度不小于10：1。
利用上述测量系统测量流动氧化结焦-油复合体导热系数的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节实验加热源，控制管壁加热梁衡定，调节预热加热源使流体测温点2快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，分别监测两个测温设备的温度，保证二者相差不大；
步骤二：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油；
步骤三：计算热流密度q＝UI/[2(a+b)l]，其中U为实验加热源电压，I为实验加热源电流，a为结焦方管宽度，b为结焦方管高度，l为实验加热源加热长度，当a>>b时，可以忽略b；
步骤四：根据流体温度、流体速度、流体压力、结焦实验时间查询上述测量系统测量流动氧化结焦导热系数的方法中步骤二中对应实验结果，得到结焦厚度t；
步骤五：根据q＝K(tw-tf)计算总传热系数K，其中tw为结焦点平均壁温，tf为结焦点流体温度；
步骤六：根据经验关系式计算方管内对流换热系数h，使用1/K＝1/h+t/λ+δ/λ’计算结焦-油复合体导热系数λ，其中δ/λ’为结焦管管壁热阻。
其中：如图1所示，加热箱分为上下两部分，用螺栓连接紧固，使用时放入恒温加热炉中，加热箱上部上方有三个接口，分别与第一测压设备4、第三测温设备3、压力源1相连，压力源1的接口也是油进口；第一测压设备4位置必须高于加热箱，且中间有足够长的管道暴露在常温空气中，防止高温燃油或燃油蒸气进入测压设备损坏设备。第三测温设备3长度需适中，端部需没入液面，但不能接触结焦附着板。
本发明中的流动结焦生成设备如图2和3所示，结焦方管147、整流加热管13、整流罐12使用翻边上的螺栓孔连接定位，使用时需使用绝热材料将结焦方管、整流预热管完全包裹，确保测温设备3测得的温度为所需温度，且两个测温设备3测得的温度相差不大。结焦附着板9及试样片位于结焦方管14底部，由挡板固定，试样片与测温设备3处于同一轴向位置上，两个试样片沿中心线对称。
测温设备3长度需适中，端部需伸入流通面积内但不能触底；测压设备4位置必须高于加热箱，且中间有足够长的管道暴露在常温空气中，防止高温燃油进入测压设备损坏设备。
本发明的氧化结焦-油复合体导热系数测量系统的结焦生成设备如图2至4所示。
如图4所示，结焦方管14、整流预热管13、整流罐12使用翻边上的螺栓孔连接定位，实验加热源17需均匀的分布于结焦方管4表面，以确保结焦方管各处热流密度相同。使用时需使用绝热材料将结焦方管14、整流预热管13完全包裹，确保测温设备3测得的温度为所需温度，且测温设备3测得的温度与另一个测温设备3测得的温度相差不大。结焦附着板9及试样片位于结焦方管14底部，由挡板固定，试样片与测温设备3处于同一轴向位置上，两个试样片沿中心线对称。
测温设备3长度需适中，端部需伸入流通面积内但不能触底；测压设备4位置必须高于加热箱，且中间有足够长的管道暴露在常温空气中，防止高温燃油进入测压设备4损坏设备；壁温热电偶16焊接于结焦方管14管壁，与测温设备3轴向位置相同，位于结焦方管14底部中间。
在流动结焦生成设备和氧化结焦-油复合体导热系数测量系统的结焦生成设备中油的流动方向如下：
储油箱-进油管-整流罐-整流加热管-结焦方管-水冷器-排油管-废油箱
数据采集系统可以实时监控并记录实验通路中的压力、油温、壁面温度(仅氧化结焦-油复合体导热系数测量系统)、质量流量变化，其主要包括数据采集卡(用于压力、温度、流量信号的汇集及传输)、数据采集程序(用于压力、温度、流量的数据记录及处理)和电脑(用于数据的储存和程序的运行)。
本发明所述所有压力及流量传感器的输出信号均为4-20mA的电信号，其温度的输出信号为±50mV的电信号，这些信号均通过数据采集卡接入数据采集系统，用于数据的自动处理。
所述测温设备采用工业一级K型热电偶。所述测压设备为绝对压力计，精度为0.065％，量程为10MPa。所有管路需采用耐压材料，如321不锈钢。
本发明整流预热管的长度应超过入口段长度，使油在流道内充分发展。
注意由于在实际过程中，结焦的孔隙完全被油或空气填充，因此上述物理量应为结焦-油复合体或结焦-空气复合体的物性。
对于静态氧化结焦导热系数的测量方法与流动结焦氧化结焦导热系数的测量方法，其测得的导热系数为结焦-空气复合体的导热系数；而流动氧化结焦-油复合体导热系数的测量方法测得的导热系数为结焦-油复合体的导热系数。
结焦-空气复合体的导热系数的公式获取过程为：
λ＝α·cp·ρ
其中λ为结焦的导热系数，α为结焦的热扩散系数，cp为结焦的定压比热容，ρ为结焦的密度。
cp＝am·cpa+(1-am)cpc
其中am为质量孔隙率，为极小量(结焦密度为1000kg/m3数量级，空气密度为1kg/m3数量级)；cpc为纯结焦比热，研磨后真空环境使用热分析仪测量，因此可以认为
cp＝cpc
密度采用间接测量法
ρ＝m/(Va+Vc)
忽略空隙内空气质量，质量m使用微量天平称量(称重法)；结焦体积Vc研磨后使用比重瓶测量；Va＝Vc·a/(1-a)；孔隙率a电镜拍照获得
为了获得热扩散系数，首先需要得到4.平均结焦厚度t
t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]
在t已知的情况下，α可以由激光导热仪直接测量得到。
结焦-油复合体的导热系数的公式获取过程为：
1/λ＝1/K-1/h-1/λb
其中，K为综合传热系数，h为管内对流换热系数，λb为管壁导热系数
综合传热系数采用傅里叶定律间接测量
K＝q/(tw-tf)
其中q为热流密度，为tw壁面温度，tf为流体温度，壁面温度和流体温度直接由热电偶测量，热流密度
q＝UI/[2(a+b)l]
其中U为实验加热源的电压，由电压表测得，I为实验加热源的电流，由电流表测得，a、b、l为结焦方管的宽度、高度、长度，为已知量。
对流换热系数根据无量纲数间接测量
h＝(Nu·λf)/d
d为当量直径，d＝(2ab)/(a+b)，λf为流体导热系数，根据实验条件查物性参数表获得,Nu为努塞尔数
Nu＝f(Re,Pr)
其中f为经验关系式，根据实验条件选取，Pr为普朗特数，根据实验条件查物性参数表获得，Re为雷诺数，Re＝ρfvd/μ，ρf流体为密度，根据实验条件查物性参数表获得，μ为流体动力粘度，根据实验条件查物性参数表获得，v为流动速度
其中为质量流量，由质量流量计直接测量；
管壁导热系数根据实验条件查物性参数表获得。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于热氧化结焦导热系数的测量系统，其特征在于，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统、结焦物性测量设备；
所述结焦生成设备包括静态结焦生成设备和/或流动结焦生成设备；其中所述静态结焦生成设备包括结焦附着板、结焦附着板支架、加热箱、压力源、测压设备、测温设备、进油管、排油管、液位计；所述结焦附着板设置于所述加热箱内底部的结焦附着板支架上，所述测压设备、测温设备、压力源接于所述加热箱顶部，所述液位计设置于所述加热箱侧面，所述进油管、排油管分别位于所述加热箱侧面靠近顶部和底部的位置；
其中所述流动结焦生成设备包括储油箱、进油管、流量测量接口、油泵、整流罐、整流加热管、加热源、取压管、结焦方管、结焦附着板、两个测温设备、保温材料、水冷器、排油管、背压阀、废油箱；所述结焦附着板设置于所述结焦方管内底部，两个所述测温设备设置于所述结焦方管上面，所述结焦方管前、后分别与所述整流加热管和所述水冷器相连，所述整流加热管上接有所述加热源、取压管，所述整流加热管前端与所述整流罐上端相连，所述整流罐下端与进油管相连，进油管中部装有所述流量测量接口、油泵，进油管前端与所述储油箱相连，所述水冷器末端与排油管相连，排油管中部装有背压阀，排油管末端与废油箱相连，保温材料将整流加热管、结焦方管包裹；
所述监所述控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备、质量流量计、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结交测量点前流体温度；
所述结焦物性测量设备包括微量天平、电子显微镜、热分析仪、激光导热仪、比重瓶。
2.根据权利要求1所述的测量系统测量静态氧化结焦导热系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上切下多个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入加热箱，注满煤油，密封，快速加热到所需温度，快速加压达到所需压力；
步骤三：保持恒温恒压数小时后，冷却、减压，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
3.根据权利要求1所述的测量系统测量流动氧化结焦导热系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在结焦附着板上温度测量位置沿流动切向，在中心线两侧镜像位置切下两个形状、尺寸相同的试样片，试样片放回结焦附着板对应位置；
步骤二：将结焦附着板放入结焦方管，使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节加热源使测温点快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，分别监测两个测温设备的温度，保证二者相差不大；
步骤三：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油，将结焦附着板取下，将试样片取下；
步骤四：取一个试样片，使用微量天平测量试样片与其上结焦的整体质量m1，完全取下其上结焦，测量试样片质量m2，则结焦质量m＝m1-m2，将结焦研磨至直径50微米以下，全部加入比重瓶中测得结焦真体积Vr；
步骤五：另取一个试样片，使用电子显微镜拍照获得其孔隙率a，计算平均结焦厚度t＝V/A＝Vc/[(1-a)·A]，其中A为试样片表面积；
步骤六：根据厚度t，使用激光导热仪测量其比热容α，完全取下其上结焦，将结焦研磨至直径50微米以下，在真空环境中使用热分析仪测量纯结焦比热容cpc，由于质量孔隙率am为极小量，可以将纯结焦比热容视为结焦-空气复合体的比热容cp；
步骤七：计算结焦内空气体积Va＝Vc·a/(1-a)；计算结焦-空气复合体密度ρ＝m/(Va+Vc)，计算导热系数λ＝α·cp·ρ。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中压力的下限为待测油临界压力。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中温度的下限为待测油氧化结焦起始温度，温度的上限为待测油裂解结焦起始温度。
6.一种适用于氧化结焦-油复合体导热系数测量系统，其特征在于，包括结焦生成设备、监控和数据采集系统；
所述结焦生成设备包括储油箱、进油管、流量测量接口、油泵、整流罐、整流加热管、预热加热源、测压设备、结焦方管、两个测温设备、若干壁温测量点、保温材料、实验加热源、水冷器、排油管、背压阀、废油箱；所述结焦方管上设置有两个所述测温设备、若干壁温测量点，所述实验加热源位于结焦方管外，所述结焦方管前后分别与所述整流加热管和所述水冷器相连，所述整流加热管上接有所述预热加热源、测压设备，所述整流加热管前端与所述整流罐上端相连，所述整流罐下端与所述进油管相连，所述进油管中部装有所述流量测量接口、油泵，所述进油管前端与所述储油箱相连，所述水冷器末端与所述排油管相连，所述排油管中部装有所述背压阀，所述排油管末端与所述废油箱相连，所述保温材料将所述整流加热管、结焦方管包裹；
所述监控和数据采集系统包括绝对压力计、两个所述测温设备、若干壁温热电偶、质量流量计、电压表、电流表、数据采集系统；所述监控和数据采集系统的测量端分别与结焦生成设备对应接口相连，所述数据采集系统实时监控并记录结焦段的中流体压力、流体流量、结焦测量点流体当地温度、结焦测量点前流体温度、结焦测量点管壁沿周向各处温度、实验加热源电压、实验加热源电流。
7.根据权利要求6所述的适用于氧化结焦-油复合体导热系数测量系统，其特征在于，所述结焦方管内流通截面的宽度：高度不小于10：1。
8.根据权利要求6所述的测量系统测量流动氧化结焦-油复合体导热系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用油泵给测量系统提供所需的油流量，调节实验加热源，控制管壁加热梁衡定，调节预热加热源使流体测温点2快速达到所需温度，调节背压阀，快速达到所需压力，监测结焦方管上的两个测温设备的温度，保证二者相差不大；
步骤二：保持恒温恒压恒流量数小时后，停止加热、减压、冷却、停止供油；
步骤三：计算热流密度q＝UI/[2(a+b)l]，其中U为实验加热源电压，I为实验加热源电流，a为结焦方管宽度，b为结焦方管高度，l为实验加热源加热长度，当a>>b时，可以忽略b；
步骤四：根据流体温度、流体速度、流体压力、结焦实验时间查询权利要求3中步骤二中对应实验结果，得到结焦厚度t；
步骤五：根据q＝K(tw-tf)计算总传热系数K，其中tw为结焦点平均壁温，tf为结焦点流体温度；
步骤六：根据经验关系式计算方管内对流换热系数h，使用1/K＝1/h+t/λ+δ/λ’计算结焦-油复合体导热系数λ，其中δ/λ’为结焦管管壁热阻。
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