CN114674870A - 高温液态熔盐热物性参数测量装置及参数反演方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温液态熔盐热物性参数测量装置及参数反演方法，属于高温材料热物性测量技术领域。本发明针对高温液态熔盐热物性参数的现有测量方法测量结果准确性差的问题。装置包括液态熔盐封装容器：它包括底面具有气孔的容器底座、坩埚上端盖、滚珠丝杠和驱动电机，容器底座为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖经由上边沿嵌入到容器底座的腔体内，并且坩埚上端盖的圆筒侧壁与上边沿相配合形成容器底座与坩埚上端盖之间的液态熔盐封装区；所述坩埚上端盖通过连接臂与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠经驱动电机驱动后，使连接臂带动坩埚上端盖上下移动。本发明实现了高温熔盐热物性的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及高温液态熔盐热物性参数测量装置及参数反演方法，属于高温材料热物性测量技术领域。
背景技术
高效储热技术是一种可持续发展的战略性能源技术。熔盐由于粘度低、工作温度范围宽(400～1200K)、传热性能好、蓄热能力强等一系列优点成为当前最具潜力的高温传热蓄热介质。熔盐由于具有优异的热物理化学性质，而成为核反应堆传热介质的理想选择，并且熔盐反应器(MSRs)已成为第四代核反应器发展的重点。
准确可靠的熔盐热物性数据是实现热能储存与转化装置优化设计的关键参数，也是先进堆装置、热工系统安全设计的前提，更是新型宽温域储热材料开发的核心指标。目前，还没有公开报道高温熔盐相关标准的热物性数据库。而现阶段高温液态熔盐的热物性参数测量方法手段相对落后，测量结果准确性差，难以满足使用需求。
发明内容
针对高温液态熔盐热物性参数的现有测量方法测量结果准确性差的问题，本发明提供一种高温液态熔盐热物性参数测量装置及参数反演方法。
本发明的一种高温液态熔盐热物性参数测量装置，包括液态熔盐封装容器；
所述液态熔盐封装容器包括底面具有气孔的容器底座、坩埚上端盖、滚珠丝杠和驱动电机，
所述容器底座为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖经由上边沿嵌入到容器底座的腔体内，并且坩埚上端盖的圆筒侧壁与上边沿相配合形成容器底座与坩埚上端盖之间的液态熔盐封装区；
所述坩埚上端盖通过连接臂与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠经驱动电机驱动后，使连接臂带动坩埚上端盖上下移动。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，所述坩埚上端盖的高度高于容器底座的高度。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，还包括温控箱，所述液态熔盐封装容器置于温控箱内。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，所述容器底座的外表面设置石墨涂层。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，还包括变焦距透镜、非接触式温度探测器和波形可调节的激光加热器，
激光加热器设置于液态熔盐封装容器的正下方，并用于产生多个不同波形短时脉冲激光热流；非接触式温度探测器设置于液态熔盐封装容器的正上方，变焦距透镜处于液态熔盐封装容器与非接触式温度探测器之间，变焦距透镜用于调整非接触式温度探测器的视场范围；非接触式温度探测器用于采集液态熔盐封装容器的背景辐射信号和不同波形短时脉冲激光热流对应的红外辐射信号。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，还包括傅里叶变换红外光谱仪和计算机，
所述傅里叶变换红外光谱仪用于对非接触式温度探测器采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置，所述坩埚上端盖的筒底位于变焦距透镜的焦点处。
本发明还提供了一种高温液态熔盐热物性参数反演方法，基本所述高温液态熔盐热物性参数测量装置实现，包括：
步骤一：在液态熔盐封装容器内部装入高温液态熔盐样品，并调整样品厚度；
步骤二：采用温控箱对液态熔盐封装容器加热至目标温度；
步骤三：采用非接触式温度探测器探测目标温度下液态熔盐封装容器的背景辐射信号；
步骤四：采用波形可调节的激光加热器依次产生不同波形的短时脉冲激光热流，并且非接触式温度探测器对应采集不同波形的短时脉冲激光热流下的液态熔盐封装容器的红外辐射信号；
步骤五：傅里叶变换红外光谱仪对非接触式温度探测器采集的辐射信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数反演方法，所述计算机计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果包括：
获得高温液态熔盐的导热系数λ：
建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：
式中ρ为熔盐密度，Cp为熔盐定压比热容，T为熔盐上表面时变温度，由非接触式温度探测器在激光加热器加热条件下获得的红外辐射信号与所述背景辐射信号的差值经傅里叶变换红外光谱仪转换获得；x为光学坐标，t为测量时间，
为辐射源项，Q为熔盐封装容器内底部熔盐吸收的能量，d为容器底座直径，P(t)为随时间变化的脉冲激光函数，ε为材料表面发射率，T0为温控箱内的目标温度，σ为斯特芬-玻尔兹曼常数；l为熔盐样品厚度；
对上式求解，获得导热系数λ。
根据本发明的高温液态熔盐热物性参数反演方法，所述计算机计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果还包括：
根据
的表达式：
式中κa为液态熔盐的吸收系数，I为辐射强度，μ为辐射传输方向角θ对应的余弦，n为液态熔盐折射率；
由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：
其中μ＝cosθ；
边界辐射强度
为：
式中εw为液态熔盐封装容器内表面发射率，nw为液态熔盐封装容器壁面外法向矢量，sm′为方向m′上的单位方向向量，sm为除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为nw与sm′的夹角，wm′为液态熔盐封装容器内壁面在方向m′上的权重；
对上述表达式联立求解获得液态熔盐折射率n和液态熔盐的吸收系数κa。
本发明的有益效果：本发明的高温液态熔盐热物性参数测量装置可获得熔盐多厚度-宽温域温度响应时频图谱，再结合高温液态半透明熔盐中容积辐射作用，可实现导热系数、辐射物性参数的多参数联合反演，进而实现高温材料热物性的准确测量。
本发明可同时实现对高温液态熔盐辐射物性及导热系数的联合测量，测量结果精度高，可为实现热能储存与转化提供准确的依据。
本发明方法在参数反演的过程中消除了背景辐射的干扰，因此无需真空腔体装置即可达到很好的熔盐上表面温升测量效果，测量成本低。
本发明方法突破了现有热扩散型测量方法无法实现半透明熔盐本征导热系数准确测量的技术瓶颈，对高效传/蓄热、先进熔盐堆等技术发展具有重要意义和支撑价值。
附图说明
图1是本发明所述高温液态熔盐热物性参数测量装置的整体结构示意图；
图2是液态熔盐封装容器的主体仿真示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明的第一方面提供了一种高温液态熔盐热物性参数测量装置，包括液态熔盐封装容器；
所述液态熔盐封装容器包括底面具有气孔的容器底座1、坩埚上端盖2、滚珠丝杠3和驱动电机4，
所述容器底座1为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖2为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖2经由上边沿嵌入到容器底座1的腔体内，并且坩埚上端盖2的圆筒侧壁与上边沿相配合形成容器底座1与坩埚上端盖2之间的液态熔盐封装区；
所述坩埚上端盖2通过连接臂5与滚珠丝杠3连接，滚珠丝杠3经驱动电机4驱动后，使连接臂5带动坩埚上端盖2上下移动。
本实施方式中，容器底座1内装入液态熔盐后，通过调节坩埚上端盖2的高度调整熔盐样品在封装容器底部的厚度。所述驱动电机4可采用5相步进电机，驱动电机4由电机控制系统控制运行。所述容器底座1和坩埚上端盖2均由耐腐蚀材料制成。
进一步，结合图1所示，所述坩埚上端盖2的高度高于容器底座1的高度。使坩埚上端盖2在竖直方向的高度高于容器底座1，可实现对熔盐厚度最大范围的调节。
本实施方式还包括温控箱6，所述液态熔盐封装容器置于温控箱6内。
所述温控箱6包括铝制外壳、保温层、测温热电偶和电加热控温组件；测温热电偶和电加热控温组件相配合，用于对温控箱6内的液态熔盐封装容器进行温度控制。铝制外壳导热系数低，比热高，可减少热量向外部环境的传递，起到保温隔热的作用。
温控箱6的原理为PID反馈调节控制，它通过控制电加热功率来控制液态熔盐封装容器的环境温度。
再进一步，结合图1所示，所述容器底座1的外表面设置石墨涂层7。
液态熔盐被封装在封装容器中，容器底座1用于承载熔盐材料，坩埚上端盖2压在液态熔盐上表面且通过连接臂5与滚珠丝杠3相连接，由驱动电机4在电机控制系统的控制下进行位置调节来调整液态熔盐厚度。石墨涂层7覆盖于底面具有气孔的容器底座1外表面。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括变焦距透镜8、非接触式温度探测器9和波形可调节的激光加热器10，
激光加热器10设置于液态熔盐封装容器的正下方，并用于产生多个不同波形短时脉冲激光热流，它为封装容器底部提供了脉冲边界热源；非接触式温度探测器9设置于液态熔盐封装容器的正上方，变焦距透镜8处于液态熔盐封装容器与非接触式温度探测器9之间，变焦距透镜8用于调整非接触式温度探测器9的视场范围，通过改变变焦距透镜8的位置可调整非接触式温度探测器9的视场范围；非接触式温度探测器9用于采集液态熔盐封装容器的背景辐射信号和不同波形短时脉冲激光热流对应的红外辐射信号，并将采集信号转换为瞬态温度信号输出。
容器底座1的外表面设置石墨涂层7，可保证波形可调节的激光加热器10入射的激光热量全吸收。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括傅里叶变换红外光谱仪11和计算机12，
所述傅里叶变换红外光谱仪11用于对非接触式温度探测器9采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机12计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
所述傅里叶变换红外光谱仪11主要由迈克尔逊干涉仪和处理器组成，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换而开发的红外光谱仪。它的工作原理为：光源发出的光经迈克尔逊干涉仪后变成干涉光，用得到的干涉光照射试样，经过反射或透射的干涉光由探测器接受得到形成光信号，再将各种频率光信号由处理器进行傅里叶变换，从而得到较宽波长范围内的光谱信息。它用于获得熔盐材料的红外辐射信号及环境背景辐射信号值。
计算机12还可用于设置傅里叶变换红外光谱仪11的实验采集参数，以及记录和处理数据。
再进一步，所述坩埚上端盖2的筒底位于变焦距透镜8的焦点处。使液态熔盐封装容器上表面发射的红外信号可通过变焦距透镜8汇聚进入到非接触式温度探测器9，同时改变变焦距透镜8的位置可排除液态熔盐封装容器的凸起断面以及两侧的杂光干扰。
具体实施方式二、结合图1和图2所示，本发明的另一方面还提供了一种高温液态熔盐热物性参数反演方法，基本具体实施方式一所述高温液态熔盐热物性参数测量装置实现，包括：
步骤一：在液态熔盐封装容器内部装入高温液态熔盐样品，并调整样品厚度；
步骤二：采用温控箱6对液态熔盐封装容器加热至目标温度且保持稳定约10分钟后开始进行测量；
步骤三：采用非接触式温度探测器9探测目标温度下液态熔盐封装容器的背景辐射信号；探测辐射信号时，需遮挡住其它无关高温部件；
步骤四：采用波形可调节的激光加热器10依次产生不同波形的短时脉冲激光热流，并且非接触式温度探测器9对应采集不同波形的短时脉冲激光热流下的液态熔盐封装容器的红外辐射信号，即记录热流作用到容器底部后的瞬态温度变化；将所述红外辐射信号与背景辐射信号相减获得辐射信号差值；
步骤五：傅里叶变换红外光谱仪11对非接触式温度探测器9采集的辐射信号进行傅里叶变换，即对红外辐射信号与背景辐射信号相减获得的辐射信号差值进行变换，变换结果经计算机12计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
本实施方式中，在激光加热器10发射激光之前，先由非接触式温度探测器9采集背景环境辐射信号；在激光加热器10发射激光之后，再由非接触式温度探测器9采集对应的红外辐射信号，将红外辐射信号和背景环境辐射信号相减得到的差值即为液态熔盐的辐射信号或者液态熔盐封装容器上表面的真实辐射信号。
进一步，所述计算机12计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果包括：
获得高温液态熔盐的导热系数λ：
综合考虑能量传输链路中涉及的各种传递效应，在导热微分方程中考虑半透明高温液态熔盐中的容积热辐射，可以建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：
式中ρ为熔盐密度，kg/m3；Cp为熔盐定压比热容，J/(kg·K)；T为熔盐上表面时变温度，由非接触式温度探测器9在激光加热器10加热条件下获得的红外辐射信号与所述背景辐射信号的差值经傅里叶变换红外光谱仪11转换获得；x为光学坐标，t为测量时间，
为辐射源项，Q为熔盐封装容器内底部熔盐吸收的能量，W；d为容器底座直径，m；P(t)为随时间变化的脉冲激光函数，ε为材料表面发射率，T0为温控箱6内的目标温度，K；σ为斯特芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数，5.67032×10-8W/(m2·K4)；l为熔盐样品厚度；
对上式求解，获得导热系数λ，W/(m·K)。
再进一步，所述计算机12计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果还包括：
根据
的表达式：
式中κa为液态熔盐的吸收系数，m-1；I为辐射强度，W/m2；μ为辐射传输方向角θ(rad)对应的余弦，n为液态熔盐折射率；
由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：
其中μ＝cosθ；
纯净熔盐熔融后基本不存在悬浮粒子，配合采用超声气泡消除技术，内部光散射可以忽略，考虑辐射吸收即可；
对于辐射传递过程，由于坩埚不透明，上下界面皆为不透明漫反射壁面，边界辐射强度由本身发射和漫反射两部分构成：
边界辐射强度
为：
式中εw为液态熔盐封装容器内表面发射率，通过碳化、黑化等技术处理，可视为已知；nw为液态熔盐封装容器壁面外法向矢量，sm′为方向m′上的单位方向向量，sm为除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为nw与sm′的夹角，wm′为液态熔盐封装容器内壁面在方向m′上的权重；
对上述表达式联立求解可求得正问题下的瞬态温度变化，进而获得液态熔盐折射率n和液态熔盐的吸收系数κa。
在实际使用中，为充分考虑高温半透明熔盐内导热过程与容积热辐射效应的非线性耦合关系，在获得精确的正问题计算的情况下，可利用波形可调节的激光加热器10产生的调制激励热源作用于不同厚度的熔盐液层，获取不同熔盐厚度下测量得到的坩埚上端盖2的温度响应时频图谱，结合相关参数敏感度分析，筛选线性无关的有效测量信息，构建从测量域到参数域的精准映射关系，解决导热与辐射多参数联合反演中多值性及不确定性难题。
随后，建立高温半透明流体导热系数与热辐射物性联合反演模型与算法。依据测量温升响应时频图谱与正演模型预测得到的温升响应的差异构建目标泛函，确定待测参数域约束边界，采用反问题模型迭代同时求解得到高温液态熔盐的导热系数与热辐射物性。
本发明基于调制激励热源-多厚度法的导热系数与热辐射物性参数联合测量的总体思路，通过研究调制激励热源作用下高温半透明熔盐内部辐射导热非线性耦合热响应机制，发展基于多厚度-宽温域温度响应时频图谱的多参数联合反演方法，可实现液态熔盐高温导热系数与辐射物性的联合准确测量。
本发明的工作原理：将薄熔盐层封装在液态熔盐封装容器中，容器底座1的石墨涂层7能够充分吸收激光加热器10的热流并使其均匀传递到封装容器底部。改变熔盐液层厚度，即可获取不同熔盐厚度下坩埚上端盖2的温度响应时频图谱。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.一种高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于包括液态熔盐封装容器；
所述液态熔盐封装容器包括底面具有气孔的容器底座(1)、坩埚上端盖(2)、滚珠丝杠(3)和驱动电机(4)，
所述容器底座(1)为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖(2)为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖(2)经由上边沿嵌入到容器底座(1)的腔体内，并且坩埚上端盖(2)的圆筒侧壁与上边沿相配合形成容器底座(1)与坩埚上端盖(2)之间的液态熔盐封装区；
所述坩埚上端盖(2)通过连接臂(5)与滚珠丝杠(3)连接，滚珠丝杠(3)经驱动电机(4)驱动后，使连接臂(5)带动坩埚上端盖(2)上下移动。
2.根据权利要求1所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于，所述坩埚上端盖(2)的高度高于容器底座(1)的高度。
3.根据权利要求2所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于还包括温控箱(6)，所述液态熔盐封装容器置于温控箱(6)内。
4.根据权利要求3所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于，所述容器底座(1)的外表面设置石墨涂层(7)。
5.根据权利要求4所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于还包括变焦距透镜(8)、非接触式温度探测器(9)和波形可调节的激光加热器(10)，
激光加热器(10)设置于液态熔盐封装容器的正下方，并用于产生多个不同波形短时脉冲激光热流；非接触式温度探测器(9)设置于液态熔盐封装容器的正上方，变焦距透镜(8)处于液态熔盐封装容器与非接触式温度探测器(9)之间，变焦距透镜(8)用于调整非接触式温度探测器(9)的视场范围；非接触式温度探测器(9)用于采集液态熔盐封装容器的背景辐射信号和不同波形短时脉冲激光热流对应的红外辐射信号。
6.根据权利要求5所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于还包括傅里叶变换红外光谱仪(11)和计算机(12)，
所述傅里叶变换红外光谱仪(11)用于对非接触式温度探测器(9)采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机(12)计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
7.根据权利要求6所述的高温液态熔盐热物性参数测量装置，其特征在于，
所述坩埚上端盖(2)的筒底位于变焦距透镜(8)的焦点处。
8.一种高温液态熔盐热物性参数反演方法，基本权利要求7所述高温液态熔盐热物性参数测量装置实现，其特征在于包括：
步骤一：在液态熔盐封装容器内部装入高温液态熔盐样品，并调整样品厚度；
步骤二：采用温控箱(6)对液态熔盐封装容器加热至目标温度；
步骤三：采用非接触式温度探测器(9)探测目标温度下液态熔盐封装容器的背景辐射信号；
步骤四：采用波形可调节的激光加热器(10)依次产生不同波形的短时脉冲激光热流，并且非接触式温度探测器(9)对应采集不同波形的短时脉冲激光热流下的液态熔盐封装容器的红外辐射信号；
步骤五：傅里叶变换红外光谱仪(11)对非接触式温度探测器(9)采集的辐射信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机(12)计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果。
9.根据权利要求8所述的高温液态熔盐热物性参数反演方法，其特征在于，
所述计算机(12)计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果包括：
获得高温液态熔盐的导热系数λ：
建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：
式中ρ为熔盐密度，Cp为熔盐定压比热容，T为熔盐上表面时变温度，由非接触式温度探测器(9)在激光加热器(10)加热条件下获得的红外辐射信号与所述背景辐射信号的差值经傅里叶变换红外光谱仪(11)转换获得；x为光学坐标，t为测量时间，
为辐射源项，Q为熔盐封装容器内底部熔盐吸收的能量，d为容器底座直径，P(t)为随时间变化的脉冲激光函数，ε为材料表面发射率，T0为温控箱(6)内的目标温度，σ为斯特芬-玻尔兹曼常数；l为熔盐样品厚度；
对上式求解，获得导热系数λ。
10.根据权利要求9所述的高温液态熔盐热物性参数反演方法，其特征在于，
所述计算机(12)计算获得高温液态熔盐热物性参数测量结果还包括：
根据
的表达式：
式中κa为液态熔盐的吸收系数，I为辐射强度，μ为辐射传输方向角θ对应的余弦，n为液态熔盐折射率；
由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：
其中μ＝cosθ；
边界辐射强度
为：
式中εw为液态熔盐封装容器内表面发射率，nw为液态熔盐封装容器壁面外法向矢量，sm′为方向m′上的单位方向向量，sm为除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为nw与sm′的夹角，wm′为液态熔盐封装容器内壁面在方向m′上的权重；
对上述表达式联立求解获得液态熔盐折射率n和液态熔盐的吸收系数κa。
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