CN114235893A - 一种用于测量颗粒热导率的测量设备及其用途与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量模具及方法技术领域，具体涉及一种用于测量颗粒热导率的测量设备及其用途与方法。所述测量设备包括：测量模具(5)和填充在所述测量模具(5)中的待测热导率的颗粒；其中，所述测量模具(5)包括：上下贯穿中空的模具本体(51)和设置在所述模具本体(51)下方的底板(52)，所述测量模具材质为特氟龙，所述模具本体(51)和底板(52)为分体式或一体式设计。本发明的创新点在于：发明人尝试利用热流法测量烟草颗粒的热导率，并设计了合适的测量模具用于测量符合烟草颗粒实际应用状态下的热导率，该测试方法准确、快速。
Description
技术领域
本发明属于测量模具及方法技术领域，具体涉及一种用于测量颗粒热导率的测量设备及其用途与方法。
背景技术
热导率是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。材料的热导率不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。在科学实验和工程应用中，所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定。热导率的测试方法分为稳态法和瞬态法(又称为非稳态法)两类，其中稳态法有：平板法、护板法、热流计法、热箱法等，瞬态法有：热线法、探针法、热盘法、热带法、激光法等，每种测试方法都有其自身的适用范围及特点。由于物质具有固、液、气三种状态，不同状态时，其导热系数会差异很大；而不同状态时导热系数的测量也会有很大的不同。
颗粒材料的有效热导率难以通过理论计算得到，通过实验测量可以获取相对准确的热导率。目前，适用于颗粒材料有效热导率实验测试的方法主要有稳态防护热板法、非稳态热线法、热带法及热探针法。防护热板法基于稳态导热，要求装置和试样达到热稳定后才能进行测试，故耗时较长。热线法与热带法测试时间较短，可对砂土、粉煤灰、二氧化硅气凝胶、水泥珍珠岩和土壤等颗粒多孔材料有效热导率进行有效地测量，但实验对测试环境与试样定型要求较高，易产生较大的系统误差。热探针法在测试过程中容易产生由于热接触不均匀导致测试误差较大的问题。
发明内容
为了解决以上问题，提出本发明。目前通过热流法测试多孔烟草颗粒热导率的模具及方法未见报道。
本发明第一方面提供一种用于测量颗粒热导率的测量设备，所述测量设备包括：测量模具5和填充在所述测量模具5中的待测热导率的颗粒；
其中，所述测量模具5包括：上下贯穿中空的模具本体51和设置在所述模具本体51下方的底板52，所述测量模具材质为特氟龙(PTFE，聚四氟乙烯)，所述模具本体51和底板52为分体式或一体式设计。底板52目的是防止颗粒撒漏。
待测热导率的颗粒将所述测量模具5中的空间完全填充，且烟草颗粒不被压实，保持松堆多孔状态。
优选地，所述模具本体51内为长方体空间，长方体空间高为2～10mm、宽和长均为10mm。
优选地，长方体空间高为5～10mm。
优选地，所述模具本体51的侧板的厚度为0.1～1mm，所述底板52的厚度为0.1～1mm。
测量模具的高度为模具本体51的高度与底板52的厚度之和，因此测量模具的高度为2.1～11mm。
上述颗粒可以是烟草颗粒。烟草颗粒可以是现有使用的，任何例如烟梗等的一次烟草颗粒或者烟草原料经过破碎、加工、粘结再造粒得到的二次烟草颗粒。
本发明第二方面提供第一方面所述的测量设备用于测量烟草颗粒热导率的用途。
本发明第三方面提供一种测量颗粒热导率的方法，将第一方面任一项所述的测量设备置于热流法导系数测量仪的待测样品位置，进行测试即可。
优选地，所述热流法导系数测量仪中，测试时上下压头间的压力为8N。
优选地，所述热流法导系数测量仪中，测试时电压设置为0.5～1.5V。
优选地，所述热流法导系数测量仪中，测试时的真空度为10-2Pa。
当然，测试时上下压头间的压力、电压、真空度，本领域技术人员可以根据情况自由设置。
所述热流法导系数测量仪在商业中，可具有不同的名称，例如：热电转换效率测量系统。热电转换效率测量系统具体可选自：生产厂家为日本Advance Riko，型号为：Mini-PEM。
当然，本发明的热流法导系数测量仪可以选择任何合适的、通过热流计获得热流的测试仪器。
上述技术方案在不矛盾的前提下，可以自由组合。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的创新点在于：发明人尝试利用热流法测量烟草颗粒的热导率，并设计了合适的测量模具用于测量符合烟草颗粒实际应用状态下的热导率，该测试方法准确、快速。本发明的模具材料选取特氟龙材料，其原因主要为：(1)利用热流法测量热导率采用上下传热方式，因此选取与烟草颗粒热导率接近的特氟龙材料能够尽可能地降低由于模具传热所引起的测试误差；(2)测量时，热流法导系数测量仪中压头的压力是施加在特氟龙模具上，由于特氟龙材质具有一定的刚度，所以不会导致颗粒被压实，这使得在测试过程中，烟草颗粒保持松堆多孔状态，这也接近烟草颗粒在烟支中的使用状态。
2、优选的技术方案中，测量模具的高度为2.1～11mm，测量模具高度的选取主要考虑两个方面：一是要保证烟草颗粒有足够的空间自然装填并不会相互挤压，因此测量模具高度不可过小；另一方面是测试过程中沿侧板热量的损失要尽可能少，因此测量模具高度不可太高。
附图说明
图1为实施例1烟草颗粒热导率测量模具。
图2为实施例1热流法导热系数测量仪测定烟草颗粒导热系数的示意图。
图3为实施例1～3与对比例1～6的热导率结果。
附图标记列表：
1-循环水泵，2-热电偶，3-上压头，4-下压头，5-测量模具，51-模具本体，52-底板，6-颗粒，7-水流量控制转轮，8-热流计。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“联接”到另一元件时，它可以直接联接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“联接”可以包括无线联接。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“联接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定联接，也可以是可拆卸联接，或一体地联接；可以是机械联接，也可以是电联接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如实施例1～3所示，一种用于测量颗粒热导率的测量设备，所述测量设备包括：测量模具(图1)和完全填充在所述测量模具(图1)中的待测热导率的烟草颗粒。
该测量模具(图1)的材料为特氟龙，测量模具包括一制为上下贯穿中空的长方体模具本体51以及垫于模具本体51下方的底板52，模具本体51的高度为2～10mm，具体分别为2mm、5mm、10mm。模具本体51的所有侧板厚度为0.5mm。底板52厚度为0.5mm。长方体模具本体51与底板52粘结在一起。模具本体51内为长方体空间，长方体空间高为2～10mm、宽和长均为10mm。
另外，将该测量模具的材料替换为纸或覆铝纸，如对比例1～6所示。
本发明采用不同材料和不同高度模具测量同种烟草颗粒热导率的实施例和对比例的各参数如表1所示：
表1烟草颗粒热导率测量结果表
本发明对比例1～6选用纸材或覆铝纸材作为测量模具的原因是：由于烟草颗粒装填在烟支内时，烟支外包裹件一般为纸材或覆铝纸材(即铝箔纸)。因此，对比例1～6可模拟烟草颗粒在实际使用过程中的传热环境。
通过上述实施例和对比例结果发现：
1、特氟龙材质的模具装填颗粒材料测得的热导率结果最稳定且接近烟草颗粒实际的热导率；而测量模具材质为纸或覆铝纸材质时，烟草颗粒热导率测量结果不稳定，且结果误差较大。上述原因可能是，特氟龙材质的热导率略低于文献中所报道的烟草颗粒的热导率，因此热量优先经过烟草颗粒从上到下进行传导，因测量结果最稳定且接近烟草颗粒实际的热导率。相比之下，纸质模具在测试过程中由于受到压力会导致颗粒被压实而使得热导率测试误差较大，另一方面覆铝纸质模具表面有一层热导率较高的铝箔进行传热，因此利用纸质模具或覆铝纸质模具装填烟草颗粒将导致烟草颗粒的热导率测试值较实际值偏高。
2、从对比例7中可见，高度为1mm的特氟龙模具在测试过程中仍不会变形，但由于模具高度小于烟草颗粒粒径尺寸(烟草颗粒粒径一般为0.5～2mm)，因此测试过程中烟草颗粒被压实，导致了测试结果偏大。对比例10可见，模具高度过大(15mm)可能会导致烟草颗粒松堆状态不均匀而使得热导率测试结果偏低(低于实施例3，高度为10mm的情况)，并且为了尽可能节约测试空间因此最终选择2.1～11mm。对比例8和11可见，1mm和15mm高度的纸质模具在测试过程中仍会受到压力作用导致烟草颗粒压实，因此热导率测试结果误差较大。
本文还提供一种测量颗粒热导率的方法：将实施例1所述的测量设备置于热流法导系数测量仪的待测样品位置，进行测试即可。
现以实施例1为例，对上述方法进行具体说明：
利用特氟龙材料制作高度为2mm，壁厚0.5mm的上下贯穿中空模具主体51，内径尺寸为10mm×10mm，再将和内径尺寸一致的、厚度为0.5mm的底板52嵌入模具主体51底部，得到测量模具5。然后在模具主体51中倒入烟草颗粒至刚好填平，得到实施例1的测量设备。
本实施例使用的热流法导系数测量仪生产厂家为日本Advance Riko，型号为：Mini-PEM。产品介绍见网址:http://www.qd-china.com/zh/pro/detail/1/1912041531300。
测量时，如图2所示，将上述测量设备置于两个铜制压头—上压头3和下压头4之间，通过两个铜制压头施加8N的压力作用在测量设备上，具体的，压头的压力是施加在特氟龙模具上，因为特氟龙材质具有一定的刚度，所以不会导致颗粒被压实。设置测试电压0.5～1.5V，设置测试温度为40℃，将埋于上压头3中的热电偶2插入烟草颗粒中，抽取真空至10-2Pa，则热流法导系数测量仪会根据测量设备的尺寸以及测试热流量计算热导率。
利用热流法导系数测量仪测量烟草颗粒热导率的示意图如图2所示，上端的倒锥体为加热端样品台，下端的正锥体为冷端样品台，热电偶2置于热端样品台中。
该热流法导系数测量仪的热导率κ计算原理如下：
通过冷端样品台，利用来自循环水泵1的循环水流测量热流量Q(W)，水流速度v通过调整电压控制，热流量Q(W)可通过公式一获得：
其中T进为水流进时的温度，T出为水流出样品台冷端时的温度，C为热容量(J m-3K-1)，v为水流速度(m3s-1)。
则烟草颗粒的热导率κ可通过傅里叶定律计算获得：
其中A为测量模具的底面积，d为测量模具的高度，ΔT样为冷、热端的温度差。
热流法导系数测量仪可自动获得T进、T出、C、v、ΔT样等参数，并根据实际测试时的样品尺寸A和d自动计算得出烟草颗粒的热导率κ。在测试电压0.5～1.5V范围内，分别设置测试电压1.5V、0.75V、0.5V、1.5V，测试四次，对应的热导率并取平均值作为烟草颗粒的热导率κ。
上述公式具体原理和图2中各部件的具体设置方式在此不再赘述，均是本领域热流法导系数测量仪设计的基本原理。
实施例2～3与对比例1～6与实施例1的不同之处在于：如表1所示的参数不同，即采用的测量模具材料和测量模具的高度不同，烟草颗粒的热导率κ测试结果如表1和图3所示。
综上所述，通过实验证明，本发明提供的测试烟草颗粒热导率的模具及方法能够用于准确、快速地测量颗粒材料热导率。
Claims (9)
1.一种用于测量颗粒热导率的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括：测量模具(5)和填充在所述测量模具(5)中的待测热导率的颗粒；
其中，所述测量模具(5)包括：上下贯穿中空的模具本体(51)和设置在所述模具本体(51)下方的底板(52)，所述测量模具材质为特氟龙，所述模具本体(51)和底板(52)为分体式或一体式设计。
2.根据权利要求1所述用于测量颗粒热导率的测量设备，其特征在于，所述模具本体(51)内为长方体空间，长方体空间高为2～10mm、宽和长均为10mm。
3.根据权利要求1所述用于测量颗粒热导率的测量设备，其特征在于，所述模具本体(51)的侧板的厚度为0.1～1mm，所述底板(52)的厚度为0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述用于测量颗粒热导率的测量设备，其特征在于，所述颗粒是烟草颗粒。
5.权利要求1所述的测量设备用于测量烟草颗粒热导率的用途。
6.一种测量颗粒热导率的方法，其特征在于，将权利要求1～4任一项所述的测量设备置于热流法导系数测量仪的待测样品位置，进行测试即可。
7.根据权利要求6所述的测量颗粒热导率的方法，其特征在于，所述热流法导系数测量仪中，测试时上下压头间的压力为8N。
8.根据权利要求6所述的测量颗粒热导率的方法，其特征在于，所述热流法导系数测量仪中，测试时电压设置为0.5～1.5V。
9.根据权利要求6所述的测量颗粒热导率的方法，其特征在于，所述热流法导系数测量仪中，测试时的真空度为10-2Pa。
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| Title |
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| 苏国锋等: "热探针法测定烟草导热系数的实验研究", 消防科学与技术, no. 02, 25 April 2002 (2002-04-25) * |
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