CN116165244A - 一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，包括探针和液体流道，探针径向贯穿液体流道，探针的两端伸出至液体流道外侧通过导线接入控制系统；控制系统包括电源、电压表、电流表、热电偶和流量计，分别用于给探针通电、测量探针两端的电压、测量流过探针的电流、测量液体的温度、测量液体的流速。本发明同时提供了一种测量方法。本发明提供的用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法，利用热平衡原理与液体横掠圆管的特点，在液体进入充分发展段进行测量，不需要构造瞬态条件，减小了误差，提高了精度，测量时采用直径1mm的钨丝金属探针，避免了细丝容易断裂的问题，装置结构简单，测量速度快，易于制造和推广。

Description

一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置及方法，尤其涉及一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法。
背景技术
测量液体导热系数的实验方法可分为稳态法和瞬态法。其中，瞬态热线法的实验原理简单，测量速度快，被认为是测量流体导热系数最可靠的方法之一。但是，瞬态热线法的测量过程会引入对流换热与辐射换热带来的误差，而且瞬态热线法采用的装置结构复杂，还存在热丝直径细、易断裂的特点，不利于使用和推广。
为优化导热系数的测量方法，研究人员基于瞬态法的原理提出了许多改进方法。包括瞬态双线法、稳态热源法等，进一步扩大了导热系数的测量精度与可测量的温度范围。但针对工作状态在高温高压下的液体，如航空煤油等仍缺少一种精度高、原理简单的测量方法以及相应的经济性较好易普及的实验装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有的缺陷，提供一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法，解决目前测量方法存在较大误差，测量装置结构复杂、部件易损坏的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，包括探针和液体流道，所述探针径向贯穿所述液体流道，所述探针的两端伸出至所述液体流道外侧并通过安装组件安装固定，所述探针的两端分别通过导线接入控制系统；
所述控制系统包括电源、电压表、电流表、热电偶和流量计，所述电源用于给所述探针通电，所述电压表用于测量所述探针两端的电压，所述电流表用于测量流过所述探针的电流，所述热电偶用于测量液体的温度，所述流量计用于测量液体的流速。
进一步地，所述探针的材质为钨金属或铂金属，直径为1毫米。
进一步地，所述安装组件包括绝热螺杆头，所述探针的端部插入所述绝热螺杆头内，所述绝热螺杆头的顶部设置有接线孔，所述绝热螺杆头的外侧套设有氧化铝陶瓷绝缘壳，所述氧化铝陶瓷绝缘壳的外侧套设有金属壳体，所述金属壳体的下端设置有外螺纹，所述金属壳体的下端与所述液体流道上预设的内螺纹孔螺纹连接。
进一步地，所述液体流道的长度与直径比不小于15∶1，所述探针贯穿所述液体流道的位置与所述液体流道的入口之间的距离不小于所述液体流道总长度的2/3。
一种用于测量高温高压液体导热系数的方法，采用前述的用于测量高温高压液体导热系数的装置，并包括以下步骤：
a、根据探针的材质，对探针的电阻温度系数进行标定；
b、利用安装组件将探针安装在液体流道内，做好密封和紧固；
c、利用导线将探针与控制系统连接，启动控制系统使探针通电并保持电流恒定；
d、控制被测液体以恒定速度流入液体流道并流经探针，此过程中保持温度和压力不变；
e、待数据稳定后，记录下电压值、电流值和液体温度值，并根据电压值与电流值计算得到电阻值；
f、结合数学模型计算得到被测液体的导热系数；
所述数学模型包括：
液体在探针表面的平均表面传热系数的关系式为：
Nu＝C·RenPr1/3
上式中，常数C及n为传热准则数方程中与流动环境和雷诺数相关的常数，选取实验标定值代入计算，
Figure BDA0003983752420000021
是表述液体流动特点的无量纲数，/>
Figure BDA0003983752420000022
是反映流体中能量和动量迁移过程相互影响关系的无量纲数，由定性温度下的液体物性参数决定；
由热平衡原理，在不考虑辐射换热的前提下钨丝探针的热耗散等于电流流过产生的全部热量，热耗散方程为：
Q耗散＝h·A·(Tw-Tf)＝Iw 2Rw
上式中h为钨丝的对流换热系数，A为液体与探针接触的表面积，Tw为钨丝探针的表面温度，Tf为液体温度，Iw为流过探针的电流，Rw为钨金属实验时的电阻值；
又知努塞尔数
Figure BDA0003983752420000023
其中λ即为流体的导热系数，整理各式得到：
Figure BDA0003983752420000024
在测量时，流速u使用流量计测量得到，通过控制系统中的电压与电流信号计算出探针此时的电阻值，根据温度与电阻的对应关系换算得到其温度即为此时的Tw，液体温度Tf取入口处热电偶的测量温度，取定性温度
Figure BDA0003983752420000031
查得此定性温度下待测液体对应的物性参数密度ρ、粘度μ、比热容Cp后，上式中待求量仅剩导热系数λ，代入电流、电阻值即可求得导热系数λ。
进一步地，利用水或正癸烷，使用前述的用于测量高温高压液体导热系数的装置进行标定，拟合得到更加适用于微细钨丝的经验公式与对应常数C及n，用于高温高压液体测量时的计算。
本发明一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法，利用热平衡原理与液体横掠圆管的特点，在液体进入充分发展段进行测量，不需要构造瞬态条件，减小了误差，提高了精度，测量时采用直径1mm的钨丝金属探针，避免了细丝容易断裂的问题，装置结构简单，测量速度快，易于制造和推广。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的主视示意图(不含控制系统)；
图2是本发明的侧视示意图(不含控制系统)；
图3是本发明中安装组件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，包括探针1和液体流道2，探针1径向贯穿液体流道2，探针1的两端伸出至液体流道2外侧并通过安装组件3安装固定，探针1的两端分别通过导线(图中未示出)接入控制系统；
控制系统包括电源、电压表、电流表、热电偶和流量计，电源用于给探针通电，电压表用于测量探针两端的电压，电流表用于测量流过探针的电流，热电偶用于测量液体的温度，流量计用于测量液体的流速。控制系统能够实现上述功能即可，其具体连接方式属于本领域技术人员的常规技术手段。
探针1的材质为钨金属或铂金属，直径为1毫米，避免了传统热线法中细丝容易断裂的问题。
安装组件3包括绝热螺杆头31，探针1的端部插入绝热螺杆头31内，绝热螺杆头31的顶部设置有接线孔，绝热螺杆头31的外侧套设有氧化铝陶瓷绝缘壳32，氧化铝陶瓷绝缘壳32的外侧套设有金属壳体33，金属壳体33的下端设置有外螺纹，金属壳体33的下端与液体流道2上预设的内螺纹孔螺纹连接。
绝热螺杆头用于固定探针，采用绝热材料能够减少热损失，提高精度；氧化铝陶瓷绝缘壳能够防止探针在通电后与液体流道或金属外壳导电，影响测量结果；金属壳体能够保证连接强度，增加使用寿命。
液体流道2的长度与直径比不小于15∶1，探针1贯穿液体流道2的位置与液体流道2的入口之间的距离不小于液体流道2总长度的2/3。液体在接触探针前流动足够长的距离，确保液体进入充分发展段，避免边界层变化带来的误差，提高测量精度。
一种用于测量高温高压液体导热系数的方法，采用前述的用于测量高温高压液体导热系数的装置，并包括以下步骤：
a、根据探针的材质，对探针的电阻温度系数进行标定；
b、利用安装组件将探针安装在液体流道内，做好密封和紧固；
c、利用导线将探针与控制系统连接，启动控制系统使探针通电并保持电流恒定；
d、控制被测液体以恒定速度流入液体流道并流经探针(可以根据实际情况在液体流道的两端安装阀门和输液管道)，此过程中保持温度和压力不变；
e、待数据稳定后，记录下电压值、电流值和液体温度值，并根据电压值与电流值计算得到电阻值；
f、结合数学模型计算得到被测液体的导热系数；
数学模型包括：
液体在探针表面的平均表面传热系数的关系式为：
Nu＝C·RenPr1/3
上式中，常数C及n为传热准则数方程中与流动环境和雷诺数相关的常数，选取实验标定值代入计算，
Figure BDA0003983752420000041
是表述液体流动特点的无量纲数，/>
Figure BDA0003983752420000042
是反映流体中能量和动量迁移过程相互影响关系的无量纲数，由定性温度下的液体物性参数决定；
针对上式，可以利用水或正癸烷等常见流体，使用前述的用于测量高温高压液体导热系数的装置进行标定，拟合得到更加适用于微细钨丝的经验公式与对应常数C及n，用于高温高压液体测量时的计算；
由热平衡原理，在不考虑辐射换热的前提下钨丝探针的热耗散等于电流流过产生的全部热量，热耗散方程为：
Q耗散＝h·A·(Tw-Tf)＝Iw 2Rw
上式中h为钨丝的对流换热系数，A为液体与探针接触的表面积，Tw为钨丝探针的表面温度，Tf为液体温度，Iw为流过探针的电流，Rw为钨金属实验时的电阻值；
又知努塞尔数
Figure BDA0003983752420000051
其中λ即为流体的导热系数，整理各式得到：
Figure BDA0003983752420000052
在测量时，流速u使用流量计测量得到，通过控制系统中的电压与电流信号计算出探针此时的电阻值，根据温度与电阻的对应关系换算得到其温度即为此时的Tw，液体温度Tf取入口处热电偶的测量温度，取定性温度
Figure BDA0003983752420000053
查得此定性温度下待测液体对应的物性参数密度ρ、粘度μ、比热容Cp后，上式中待求量仅剩导热系数λ，代入电流、电阻值即可求得导热系数λ。
上述测量过程可以在不改变条件的前提下重复进行多次，以减少偶然误差。
在测量的同时，可以采用采用ANSYS FLUENT软件对本发明所述测量方法和实验装置进行数值计算，与实验结果进行双向验证，通过不断优化实验流程与数值计算方法，多次迭代数值计算与实验测得的结果，最终得到适用于高温高压液体的努塞尔数经验式，达到与传统方法相近的计算精度。
本发明一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法，利用热平衡原理与液体横掠圆管的特点，在液体进入充分发展段进行测量，不需要构造瞬态条件，减小了误差，提高了精度，测量时采用直径1mm的钨丝金属探针，避免了细丝容易断裂的问题，装置结构简单，测量速度快，易于制造和推广。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，其特征在于：包括探针和液体流道，所述探针径向贯穿所述液体流道，所述探针的两端伸出至所述液体流道外侧并通过安装组件安装固定，所述探针的两端分别通过导线接入控制系统；
所述控制系统包括电源、电压表、电流表、热电偶和流量计，所述电源用于给所述探针通电，所述电压表用于测量所述探针两端的电压，所述电流表用于测量流过所述探针的电流，所述热电偶用于测量液体的温度，所述流量计用于测量液体的流速。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，其特征在于：所述探针的材质为钨金属或铂金属，直径为1毫米。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，其特征在于：所述安装组件包括绝热螺杆头，所述探针的端部插入所述绝热螺杆头内，所述绝热螺杆头的顶部设置有接线孔，所述绝热螺杆头的外侧套设有氧化铝陶瓷绝缘壳，所述氧化铝陶瓷绝缘壳的外侧套设有金属壳体，所述金属壳体的下端设置有外螺纹，所述金属壳体的下端与所述液体流道上预设的内螺纹孔螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，其特征在于：所述液体流道的长度与直径比不小于15∶1，所述探针贯穿所述液体流道的位置与所述液体流道的入口之间的距离不小于所述液体流道总长度的2/3。
5.一种用于测量高温高压液体导热系数的方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的装置，并包括以下步骤：
a、根据探针的材质，对探针的电阻温度系数进行标定；
b、利用安装组件将探针安装在液体流道内，做好密封和紧固；
c、利用导线将探针与控制系统连接，启动控制系统使探针通电并保持电流恒定；
d、控制被测液体以恒定速度流入液体流道并流经探针，此过程中保持温度和压力不变；
e、待数据稳定后，记录下电压值、电流值和液体温度值，并根据电压值与电流值计算得到电阻值；
f、结合数学模型计算得到被测液体的导热系数；
所述数学模型包括：
液体在探针表面的平均表面传热系数的关系式为：
Nu＝C·RenPr1/3
上式中，常数C及n为传热准则数方程中与流动环境和雷诺数相关的常数，选取实验标定值代入计算，
Figure FDA0003983752410000011
是表述液体流动特点的无量纲数，/>
Figure FDA0003983752410000012
是反映流体中能量和动量迁移过程相互影响关系的无量纲数，由定性温度下的液体物性参数决定；
由热平衡原理，在不考虑辐射换热的前提下钨丝探针的热耗散等于电流流过产生的全部热量，热耗散方程为：
Q耗散＝h·A·(Tw-Tf)＝Iw 2Rw
上式中h为钨丝的对流换热系数，A为液体与探针接触的表面积，Tw为钨丝探针的表面温度，Tf为液体温度，Iw为流过探针的电流，Rw为钨金属实验时的电阻值；
又知努塞尔数
Figure FDA0003983752410000021
其中λ即为流体的导热系数，整理各式得到：/>
Figure FDA0003983752410000022
在测量时，流速u使用流量计测量得到，通过控制系统中的电压与电流信号计算出探针此时的电阻值，根据温度与电阻的对应关系换算得到其温度即为此时的Tw，液体温度Tf取入口处热电偶的测量温度，取定性温度
Figure FDA0003983752410000023
查得此定性温度下待测液体对应的物性参数密度ρ、粘度μ、比热容Cp后，上式中待求量仅剩导热系数λ，代入电流、电阻值即可求得导热系数λ。
6.根据权利要求5所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的方法，其特征在于：利用水或正癸烷，使用如权利要求1-4任一项所述的一种用于测量高温高压液体导热系数的装置进行标定，拟合得到更加适用于微细钨丝的经验公式与对应常数C及n，用于高温高压液体测量时的计算。
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