CN117665045A - 一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其包括有低温真空环境控制舱、供气模块、综合导热系数测量模块、综合比热容系数测量模块、综合导热系数采集模块、综合比热容系数采集模块和计算机设备，供气模块连通低温真空环境控制舱，在低温真空环境控制舱内设有绝热模块样品、综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，测量模块分别连接采集模块，采集模块均连接至计算机设备，在计算机设备中设有综合导热系数计算单元、综合比热容计算单元和综合导温系数测量计算模块。本发明的系统及方法能够精确地在‑190℃～室温下测量绝热模块的综合导热系数、综合比热容系数和综合导温系数。
Description
技术领域
本发明涉及天然气围护系统，特别涉及一种围护系统绝热模块综合导温系数测量系统及测量方法。
背景技术
天然气由于其具有污染小、储量大、热值高等优点被认为是当前世界主要清洁能源之一。近年来，随着国际天然气贸易量迅速上涨，LNG(liquefied natural gas,LNG)运输业发展迅速，尤其是远洋大型船舶运输，能够有效解决全球天然气分布不均匀的问题。
在常压下，LNG温度约为-163℃，远低于一般环境温度。因此，为减少LNG在储运过程中的受热蒸发，对LNG的储运设备中的围护系统需要具备良好的绝热能力。LNG围护系统是由不同构造及尺寸的绝热模块和连接件构成，而绝热模块是由不同材料的板材层叠而成，是一种典型的非均质构造的结构，在传热过程中，因内部构造及材质不均匀，在绝热模块形成传导的热流及表面温度不均匀。开展LNG围护系统绝热结构模块在低温条件下的综合导温系数测试研究，是评估绝热模块，围护结构温度场分析计算的关键参数。
虽然目前已有多种材料导温系数测量的方法和装置，但是由于受尺寸和形状的限制，无法在低温条件下对LNG围护系统的绝热模块的综合导温系数进行测量，也缺乏对现有围护系统工程化的绝热模块综合导温系数测量方法及装置。本发明提出的系统及方法可以有效解决上述问题，能够对LNG围护系统的绝热模块在-190℃～室温下综合导温系数进行准确测量。
发明内容
针对目前绝热模块导温系数测量技术所存在的缺点及基于LNG围护系统各绝热模块的几何结构特点，本发明提供了一种LNG围护系统绝热模块综合导温系数测量系统及方法。本发明提供的综合导温系数测量系统及方法能够精确地在-190℃～室温下测量绝热模块的综合导热系数、综合比热容系数和综合导温系数。
为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，该测量系统包括有低温真空环境控制舱、供气模块、综合导热系数测量模块、综合比热容系数测量模块、综合导热系数采集模块、综合比热容系数采集模块和计算机设备，所述的供气模块连通所述的低温真空环境控制舱，在低温真空环境控制舱内设有围护系统绝热模块的样品、综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，所述综合导热系数测量模块和综合比热容系统测量模块分别连接位于低温真空环境控制舱外部的综合导热系数采集模块与综合比热容系数采集模块，该综合导热系数采集模块与综合比热容系数采集模块分别数据连接至所述的计算机设备，在所述计算机设备中设有综合导热系数计算单元、综合比热容计算单元和综合导温系数测量计算模块；
所述综合导热系数计算单元执行如下计算：
其中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，单位为V和A；d为样品厚度，单位为m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，单位为℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，单位为℃；
所述综合比热容计算单元执行如下计算：
式中，cs为样品综合比热容，单位为J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
所述综合导温系数测量计算模块执行如下计算：
式中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，单位为m2/s；cs为样品的比热容，单位为J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，所述的供气模块中包含抽真空装置、液氮/氮气装置和控制单元，所述抽真空装置抽取低温真空环境控制舱、综合导热系数测量箱和综合比热热测量箱内的凝结气体，以提供低温真空环境控制舱内所需的真空度，所述液氮/氮气装置向低温真空环境控制舱提供设定温度的液氮或氮气以及回收液氮或氮气，所述的控制单元通过导线与计算机设备相连接。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，在所述综合导热系数测量模块中，外部为综合导热系数测量箱，在综合导热系数测量箱的箱体壁面设有线路接口，底部设有液氮/氮气冷板，绝热模块样品压置于所述液氮/氮气冷板的正上方，在所述绝热模块样品和所述液氮/氮气冷板的外围设有边缘热防护，在所述绝热模块样品上方压置有计量热板，在所述计量热板的外围设有顶部防护热板，在所述计量热板的上部空间箱体内壁设有可调温热防护层，该可调温热防护层的壁温始终与所述计量热板的温度保持一致。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，进一步地，在所述绝热模块样品与所述液氮/氮气冷板的接触面之间、所述绝热模块样品与所述计量热板接触面之间均设有导热胶。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，所述综合导热系数测量箱中设置的温度传感器、计量热板和可调温热防护层通过导线与综合导热系数采集模块相连接，所述综合导热系数采集模块记录稳定状态下输入计量热板的电流和电压，以及绝热模块样品的冷、热端表面处的各温度传感器所测量的温度，所述计量热板的稳定状态是指通过改变输入电流和电压值调节，开启计量热板，不断调节计量热板的输入电流和电压值，使计量热板和顶部热防护的温差逐渐减小并稳定。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，在所述综合比热容测量模块中，外部为综合比热容系数测量箱，在所述综合比热容系数测量箱的箱体壁面设有线路接口，在所述综合比热容系数测量箱的箱体内壁分别装有三段式可调温热防护层、绝热模块样品、温度传感器和电加热板，所述三段式可调温热防护层包括有底端可调温热防护层、中端可调温热防护层和顶端温热防护层，所述绝热模块样品通过隔热支撑放置在底端可调温热防护层上，所述温度传感器设置在所述绝热模块样品和底端可调温热防护层之间的空隙中，所述电加热板置于绝热模块样品的上方，所述三段式可调温热防护层的壁温始终与绝热模块样品的相应测点温度相等。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，进一步地，所述绝热模块样品与所述电加热板接触面之间设有导热胶。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，进一步地，所述综合比热容测量箱中设置的温度传感器、顶端可调温热防护层、中端可调温热防护层、底端可调温热防护层和电加热板分别通过导线与综合比热容系数采集模块相连接，开启顶端可调温热防护层、中端可调温热防护层和底端可调温热防护层内的电加热盘管，综合比热容系数采集模块同时记录热稳定状态的绝热模块样品和电加热板平均温度，综合比热容系数采集模块记录工作的电流、电压和时长。
在本发明围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统中，进一步地，多次调节电加热板的输入电流和电压，当绝热模块样品和电加热板的整体平均温度再次一致时，综合比热容系数采集模块记录再次热稳定时的平均温度。
一项利用上述的测量系统来测量围护系统绝热模块综合导温系数的方法，该方法包括以下步骤：
(1)硬件准备：封装测量综合导温系数所用的测量设备，该测量设备包括综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，并置于低温真空环境控制舱中，连接供气模块与低温真空环境控制舱，并检查气路、电路及测量设备布置，确保符合设计运行安全要求；
(2)氮气置换：封闭低温真空环境控制舱，启动供气模块中抽真空装置以排除低温真空环境控制舱内的凝结气体，在低温真空环境控制舱处在设定真空度下，通入常温氮气进一步置换低温真空环境控制舱内的凝结气体；
(3)对综合导热系数测量模块进行系统预冷：向低温真空环境控制舱内通入设定温度的低温氮气或者液氮，实现低温真空环境控制舱内快速冷却至检测温度，同时，向液氮/氮气冷板通入设定温度的低温氮气或者液氮，当液氮/氮气冷板出口的氮气或者液氮流量稳定时，计算机设备控制综合导热系数测量模块并利用综合导热系数采集模块和计算机设备中综合导热系数计算单元获得出各部位的温度，当液氮/氮气冷板温度传感器的平均温度达到设定温度并保持稳定时表示预冷结束；
对综合比热容测量模块进行系统预冷：向低温真空环境控制舱内通入设定温度的低温氮气或者液氮，实现低温真空环境控制舱内快速冷却至检测温度，同时，向电加热板和三段式可调温热防护层通入设定温度的低温氮气或者液氮，当电加热板和三段式可调温热防护层出口的氮气或者液氮流量稳定时，计算机设备控制综合比热容测量模块并利用综合比热容系数采集模块和计算机设备中的综合比热容系数计算单元得出各部位的温度，当绝热模块样品稳定至所需温度时，表示预冷结束；
(4)抽真空操作：当低温真空环境控制舱内各点温度达到设定温度后，停止向低温真空环境控制舱通入氮气或者液氮，开启抽真空装置，将低温真空环境控制舱抽真空至设定真空度，关闭低温真空阀；
(5)综合导热系数测量模块中计量热板加热与功率调节：在计算机设备设定输入计量热板的电压与电流，并开启计量热板，根据综合导热系数采集模块采集的计量热板与顶部热防护板温度和传感器的温度数据绘制成曲线以观察记录的温度趋势，通过不断调节计量热板的电压与电流，使二者的温差逐渐减小并保持稳定；
(6)综合导热系数测量模块的辐射热防护：控制计量热板上部空间安装在综合导热系数测量箱内壁的可调温热防护层的壁温和计量热板平均壁温随时保持一致；
(7)综合导热系数测量模块的热扰动及二次平衡：开启计量热板，控制输入电流和电压直至可调温热防护层的壁面温度和绝热模块样品壁面温度一致后，关闭计量热板，记录工作的电流(I)、电压(U)以及绝热模块样品冷、热端表面的各温度传感器所测量温度，并根据记录的温度分别计算出冷、热端表面的平均温度；
(8)综合导热系数测量多平衡点测试：二次热平衡后，改变输入的电流(I)和电压(U)，重复步骤(6)～(7)；
(9)综合导热系数计算：测试结束后将记录的数据代入以下公式，根据如下公式计算出绝热模块的综合导热系数：
其中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，V和A；d为样品厚度，m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，℃。
(10)综合比热容测量模块中三段式可调温热防护层控温：开启三段式可调温热防护层内的电加热盘管，使三段式可调温热防护层壁面温度分别根据各测点温度而自动调节，同时记录该时刻的热稳定状态的绝热模块样品和电加热板平均温度；
(11)综合比热容测量模块的热扰动及二次热平衡：开启电加热板，控制输入电流和电压直至三段式可调温热防护层的壁面温度和绝热模块样品壁面温度一致后，关闭电加热板，记录工作的电流(I)、电压(U)和时长(t)，当绝热模块样品和电加热板的整体平均温度再次一致时，记录再次热稳定时的平均温度；
(12)综合比热容测量多平衡点测试：二次热平衡后，改变输入的电流(I)和电压(U)，重复步骤(9)～(10)；
(13)综合比热容系数计算：测试结束后将记录的数据代入以下公式，即可计算出在不同温度点处绝热模块样品的综合比热容系数。
式中，cs为样品综合比热容，J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
(14)综合导温系数计算：计算机设备中的综合导温系数计算模块，通过以下公式计算出绝热模块样品的综合导温系数：
式中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，m2/s；cs为样品的比热容，J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
基于上述技术方案，本发明专利LNG围护系统绝热模块综合导温系数测量系统及方法经过实践应用，取得了如下技术效果：
1.本发明针对LNG围护系统绝热模块的构成、使用工况、几何和尺寸特点，建立了一套与之适应的综合导温系数测量的方法与系统，可实现在低温下(-190℃～室温)对LNG围护系统绝热模块的综合导温系数进行准确的测量。
2.本发明的LNG围护系统绝热模块综合导温系数测量系统利用同一个低温真空环境控制舱来放置综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，通过计算机控制来实现对同一块绝热模块样品的综合导热系数和综合比热容系数的分别测量，在设定条件下获得所需的参数，进而利用同一台计算机完成综合导热系数和综合比热容系数计算，在获得综合导热系数和综合比热容系数的基础上，进一步地利用专用公式获得综合导温系数，从而一体化地实现围护系统绝热模块综合导温系数的测量，较现有技术的分别测量大大简化，更为重要的是提高了测量精度，避免多次测量和不同环境内测量造成的测量误差。
3.本发明的测量系统中，本发明方法中的多平衡点测试可以用于测量绝热模块在连续变化的应用工况下的综合导温系数，也可用于测量环境温度突变下的综合导温系数
4.本发明基于特定的测量装置，设计出特定的测量系统和计算方法来完成绝热模块综合导温系数的测量方法，通过抽真空和预冷等步骤完成绝热模块实际应用工况，利用计算机设备以及采集模块对绝热模块来完成绝热模块综合导温系数的测量，从而能更精确的获得低温状态下绝热模块的综合导温系数。
附图说明
图1为本发明的围护系统绝热模块综合导温系数测量系统示意图。
图2为本发明的综合导热系数测量模块结构示意图。
图3为本发明的综合比热容测量模块结构示意图。
图4为本发明的围护系统绝热模块综合导温系数测量方法的操作示意图。
图中：1计算机设备；2综合导温系数计算模块；31综合导热系数计算单元；32综合比热容计算单元；41综合导热系数采集模块；42综合比热容系数采集模块；5综合导热系数测量模块；6综合比热容系数测量模块；7低温真空环境控制舱；8抽真空装置；9液氮/氮气装置；10供气模块；11可调温热防护层；12边缘热防护；13顶部热防护；14计量热板；15绝热模块样品；16液氮/氮气冷板；17温度传感器；18综合导热系数测量箱；19顶端可调温热防护层；20中端可调温热防护层；21底端可调温热防护层；22电加热板；23隔热支撑；24综合比热热测量箱。
具体实施方式
本发明提供了一种围护系统绝热模块综合导温系数测量的系统和方法，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明作为一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，目的是实现在低温下(-190℃～室温)对LNG围护系统绝热模块的综合导温系数进行准确的测量。
实施例1
如图1所示，本实施例中的测量系统包括有低温真空环境控制舱7、供气模块10、综合导温系数测量模块5、综合导热系统测量模块6、综合导热系数采集模块41、综合比热容系数采集模块42和计算机设备1。所述的供气模块10连通所述的低温真空环境控制舱7，在低温真空环境控制舱7内设有围护系统的绝热模块样品15、综合导温系数测量模块5和综合导热系统测量模块6，所述综合导温系数测量模块5和综合导热系统测量模块6分别连接位于低温真空环境控制舱7外部的综合导热系数采集模块41与综合比热容系数采集模块42，该综合导热系数采集模块41与综合比热容系数采集模块42分别数据连接至所述的计算机设备1，在所述计算机设备1中设有综合导热系数计算单元31、综合比热容计算单元32和综合导温系数测量计算模块2；
所述综合导热系数计算单元31执行如下计算：
其中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，单位为V和A；d为样品厚度，单位为m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，单位为℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，单位为℃；
所述综合比热容计算单元32执行如下计算：
式中，cs为样品综合比热容，单位为J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
所述综合导温系数测量计算模块2执行如下计算：
式中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，单位为m2/s；cs为样品的比热容，单位为J/(kg·℃)；ρ为样品密度，进而获得绝热模块样品的综合导温系数，即为围护系统中绝热模块的综合导温系数。
本发明的围护系统中绝热模块综合导温系数的测量系统中，所述计算机设备1中设有所述综合导温系数计算模块2、所述综合导热系数计算单元31和综合比热容计算单元32组成。所述的综合导热系数采集模块41、综合比热容系数采集模块42与计算机设备1和低温真空环境控制舱7连接。所述低温真空环境控制舱7内可放置综合导热系数测量模块5和综合比热容系数测量模块6。
如图2所示，所述综合导热系数测量模块5外部为综合导热系数测量箱18，在所述综合导热系数测量箱18的箱体壁面设有线路接口，底部设有液氮/氮气冷板16，所述绝热模块样品15压置于所述液氮/氮气冷板16正上方，绝热模块样品15和所述液氮/氮气冷板16的外围设有边缘热防护12，在所述绝热模块样品15上方压置计量热板14，在计量热板14外围设有顶部热防护13，在所述计量热板14上部空间箱体内壁设有可调温热防护层11，该可调温热防护层11的壁温始终与计量热板14温度保持一致。此外，在所述绝热模块样品15与所述液氮/氮气冷板16之间、所述绝热模块样品15与所述计量热板14之间的接触面均设有导热胶。
所述综合导热系数测量箱18中设置的温度传感器17、计量热板14和可调温热防护层11通过导线与综合导热系数采集模块4相连接，所述综合导热系数采集模块4记录稳定状态下输入计量热板14的电流和电压，以及样品15的冷、热端表面处的各温度传感器17所测量的温度。所述计量热板14的稳定状态通过改变输入电流和电压值调节，开启计量热板14，不断调节计量热板的输入电流和电压值，使计量热板14和顶部热防护13的温差逐渐减小并稳定。
如图3所示，所述综合比热容测量模块6外部为综合比热容测量箱24，在所述的综合比热容测量箱24箱体壁面设有线路接口,内部设有三段式可调温热防护层、绝热模块样品15、温度传感器17和电加热板22。所述三段式可调温热防护层包括有底端可调温热防护层21、中端可调温热防护层20和顶端温热防护层19，由围护系统的绝热模块制成的绝热模块样品15通过隔热支撑23放置在底端可调温热防护层21上，所述温度传感器17设置在所述绝热模块样品15和底端可调温热防护层21之间的空隙中。所述绝热模块样品15的上方设有所述的电加热板22，在所述绝热模块样品15与电加热板22之间设有导热胶。
所述顶端温热防护层19置于所述综合比热容测量箱24内侧的顶部，所述中端可调温热防护层20分列在所述综合比热容测量箱24内侧的侧壁上。在三段式可调温热防护层中，顶端温热防护层19安装在所述综合比热容测量箱体内壁上部，其温度随电加热板22外壁温度动态调节，保持一致。所述中端可调温热防护层20安装在所述综合比热容测量箱体内壁中部，其温度随绝热模块样品四周外壁平均温度动态调节，保持一致；所述底端可调温热防护层21安装在综合比热容测量箱体内壁底部，其温度随绝热模块样品底部外壁平均温度动态调节，保持一致。所述的温度传感器17设有多组，多组温度传感器均匀分布在所述绝热模块样品15和底端可调温热防护层21之间。
再看图1，所述供气模块10与低温真空环境控制舱7连接，所述的供气模块10包含抽真空装置8和液氮/氮气装置9。所述抽真空装置8抽取低温真空环境控制舱7、综合导热系数测量箱18和综合比热热测量箱24内的凝结气体，以及提供舱内所需的真空度。所述液氮/氮气装置9向低温真空环境控制舱7提供设定温度的液氮或氮气以及回收液氮或氮气。所述供气模块10中的控制模块通过导线与计算机设备1相连接。
所述综合导热系数采集模块4与计算机设备1中的综合导温系数计算模块2相连接，所述导温系数计算模块2根据导热系数采集模块4记录的温度分别计算出冷、热端表面的平均温度，再根据公式(1)计算出绝热模块在-170℃～-163℃范围内的综合导热系数：
其中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，V和A；d为样品厚度，m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，℃。
如图3所示，所述综合比热容测量箱24中设置的温度传感器17、顶端可调温热防护层19、中端可调温热防护层20、底端可调温热防护层21和电加热板22通过导线与综合比热容系数采集模块4相连接，开启顶端可调温热防护层19、中端可调温热防护层20和底端可调温热防护层21内的电加热盘管，使其壁面温度分别根据各测点温度而自动调节，所述综合比热容系数采集模块4同时记录热稳定状态的样品15和电加热板22平均温度。开启电加热板22，控制输入电流和电压直至达到规定时间后，关闭电加热板22，综合比热容系数采集模块4记录工作的电流、电压和时长。多次调节电加热板22的输入电流和电压，当样品15和电加热板22的整体平均温度再次一致时，综合比热容系数采集模块4记录再次热稳定时的平均温度。再根据公式(2)即可计算出在-170℃～-163℃范围内不同温度点处绝热模块样品15的综合比热容系数：
其中，cs为样品综合比热容，J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)，由电加热板制造商给出；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
计算机设备1中的综合导温系数计算模块2，通过公式(3)计算出绝热模块样品15在-170℃～-163℃范围内的综合导温系数：
式中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，m2/s；cs为样品的比热容，J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
实施例2
如图4所示，本实施例以测量绝热模块-170℃～-163℃下的综合导温系数为例，其具体的实施步骤如下：
1.样品测量记录
测量、记录绝热模块样品的尺寸和质量ms，清洁样品表面，根据绝热模块尺寸计算出体积V，通过公式计算出绝热模块的密度：
2.综合导热系数测量
2.1在绝热模块样品冷端和热端面分别涂上导热胶，放入综合导热系数测量箱内的液氮冷板上方，将边缘热防护放于绝热模块样品和液氮/氮气冷板的四周，将计量热板和顶部热防护放于绝热模块样品顶部位置，随后对综合导热系数测量箱进行封装；
2.2将封装后的综合导热系数测量箱放置于低温真空环境控制舱内；
2.3连接并检查各液氮/氮气气路、真空管路、电路和测量元件布置，确保系统整体符合设计运行要求；
2.4封闭低温真空环境控制舱，启动抽真空装置，排除舱内及综合导热系数测量箱内的凝结气体；当舱内真空度≤-60kPa时，关闭抽真空装置，打开常温氮气阀门，向舱内通入常温氮气，进一步置换舱内的凝结气体；
2.5置换低温真空环境控制舱内的凝结气体后，向舱内通入-170℃的低温氮气，使舱内空间快速降温至-170℃；同时，向综合导热系数测量箱内的液氮/氮气冷板通入-170℃的低温氮气，当液氮/氮气冷板出口处的低温氮气流量保持稳定时，采用计算机设备测量舱内和液氮/氮气冷板的温度，当舱内各点温度达到-170℃，液氮/氮气冷板温度达到-170℃时代表预冷过程结束；
2.6当低温真空环境控制舱和液氮/氮气冷板各检测点的温度达到并维持设定温度后，关闭低温氮气阀门，停止向低温真空环境控制舱通入低温氮气；同时开启抽真空装置，当舱内真空度≤-60kPa时，关闭抽真空装置，此后舱内温度由低温真空环境控制舱自行调节控制；
2.7当舱内温度和真空度保持稳定时，计算机设备设定输入计量热板的电压与电流并开启计量热板，根据综合导热系数采集模块采集的计量热板与顶部热防护板温度和传感器的温度数据绘制成曲线以观察记录的温度趋势，通过不断调节计量热板的电压与电流，使二者的温差逐渐减小并保持稳定；
2.8控制计量热板上部空间安装在综合导热系数测量箱内壁的可调温热防护层的壁面温度，使其与计量热板的壁面温度随时保持一致，避免计量热板辐射漏热；
2.9记录稳定状态下输入计量热板的电流和电压，以及样品冷、热端表面的各温度传感器所测量温度，并根据记录的温度分别计算出冷、热端表面的平均温度，最后根据公式(1)计算出绝热模块在-163～-133℃范围内的综合导热系数：
其中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，V和A；d为样品厚度，m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，℃。
3.综合比热容系数测量
3.1综合导热系数测量完成后，将绝热模块样品从综合导热系数测量箱中取出，测量、记录绝热模块样品的尺寸和重量ms，清洁样品表面，在作为样品的绝热模块与电加热板接触面涂上导热胶，然后放入综合比热容测量箱内的隔热支撑上方。将三段式可调温热防护层分别安装在箱体内壁面相应处，随后对综合比热容测量箱进行封装。
3.2将封装后的综合比热容系数测量箱放置于低温真空环境控制舱内；
3.3连接并检查各液氮/氮气气路、真空管路、电路和测量元件布置，确保系统整体负荷设计运行要求；
3.4封闭低温真空环境控制舱，启动抽真空装置，排除舱内及综合比热容系数测量箱内的凝结气体；当舱内真空度≤-60kPa时，关闭抽真空装置，打开常温氮气阀门，向舱内通入常温氮气，进一步置换舱内的凝结气体；
3.5置换低温真空环境控制舱内的凝结气体后，向舱内通入-170℃的低温氮气，使舱内空间快速降温至-170℃；采用计算机控制记录模块测量舱内和液氮/氮气冷板的温度，当舱内及绝热模块样品各测点温度稳定在-170℃时代表预冷结束；
3.6当舱内温度和真空度保持稳定时，设定电加热板的控制温度为-170℃并开启电加热板，记录电加热板的输入电流I和输入电压U；控制安装在综合比热容测量箱内壁的三段式可调温热防护层的壁面温度和相应绝热模块样品壁面温度随时保持一致；
3.7当绝热模块样品外壁面各测点温度达到-170℃时，关闭电加热板，记录电加热板加热时间t，采用公式(2)即可计算出绝热模块样品在-170℃～-163℃下的综合比热容。综合比热容计算：测试结束后将记录的数据代入以下公式，即可计算出在不同温度点处绝热模块样品的综合比热容。
式中，cs为样品综合比热容，J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)，由电加热板制造商给出；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
4.综合导温系数计算
由于在计算机设备中设置有综合导温系数计算模块，在利用综合导热系数计算单元和综合比热容计算单元计算结果的基础上，通过公式(3)计算出绝热模块样品在-170℃～-163℃范围内的综合导温系数：
式中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，m2/s；cs为样品的比热容，J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
以上具体数据是对本发明的具体实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，该测量系统包括有低温真空环境控制舱、供气模块、综合导热系数测量模块、综合比热容系数测量模块、综合导热系数采集模块、综合比热容系数采集模块和计算机设备，所述的供气模块连通所述的低温真空环境控制舱，在低温真空环境控制舱内设有围护系统绝热模块的样品、综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，所述综合导热系数测量模块和综合比热容系统测量模块分别连接位于低温真空环境控制舱外部的综合导热系数采集模块与综合比热容系数采集模块，该综合导热系数采集模块与综合比热容系数采集模块分别数据连接至所述的计算机设备，在所述计算机设备中设有综合导热系数计算单元、综合比热容计算单元和综合导温系数测量计算模块；
所述综合导热系数计算单元执行如下计算：
其中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，单位为V和A；d为样品厚度，单位为m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，单位为℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，单位为℃；
所述综合比热容计算单元执行如下计算：
式中，cs为样品综合比热容，单位为J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
所述综合导温系数测量计算模块执行如下计算：
式中，λ为样品综合导热系数，单位为W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，单位为m2/s；cs为样品的比热容，单位为J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
2.根据权利要求1所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，所述的供气模块中包含抽真空装置、液氮/氮气装置和控制单元，所述抽真空装置抽取低温真空环境控制舱、综合导热系数测量箱和综合比热热测量箱内的凝结气体，以提供低温真空环境控制舱内所需的真空度，所述液氮/氮气装置向低温真空环境控制舱提供设定温度的液氮或氮气以及回收液氮或氮气，所述的控制单元通过导线与计算机设备相连接。
3.根据权利要求1所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，在所述综合导热系数测量模块中，外部为综合导热系数测量箱，在综合导热系数测量箱的箱体壁面设有线路接口，底部设有液氮/氮气冷板，绝热模块样品压置于所述液氮/氮气冷板的正上方，在所述绝热模块样品和所述液氮/氮气冷板的外围设有边缘热防护，在所述绝热模块样品上方压置有计量热板，在所述计量热板的外围设有顶部防护热板，在所述计量热板的上部空间箱体内壁设有可调温热防护层，该可调温热防护层的壁温始终与所述计量热板的温度保持一致。
4.根据权利要求3所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，在所述绝热模块样品与所述液氮/氮气冷板的接触面之间、所述绝热模块样品与所述计量热板接触面之间均设有导热胶。
5.根据权利要求3所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，所述综合导热系数测量箱中设置的温度传感器、计量热板和可调温热防护层通过导线与综合导热系数采集模块相连接，所述综合导热系数采集模块记录稳定状态下输入计量热板的电流和电压，以及绝热模块样品的冷、热端表面处的各温度传感器所测量的温度，所述计量热板的稳定状态是指通过改变输入电流和电压值调节，开启计量热板，不断调节计量热板的输入电流和电压值，使计量热板和顶部热防护的温差逐渐减小并稳定。
6.根据权利要求1所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，在所述综合比热容测量模块中，外部为综合比热容系数测量箱，在所述综合比热容系数测量箱的箱体壁面设有线路接口，在所述综合比热容系数测量箱的箱体内壁分别装有三段式可调温热防护层、绝热模块样品、温度传感器和电加热板，所述三段式可调温热防护层包括有底端可调温热防护层、中端可调温热防护层和顶端温热防护层，所述绝热模块样品通过隔热支撑放置在底端可调温热防护层上，所述温度传感器设置在所述绝热模块样品和底端可调温热防护层之间的空隙中，所述电加热板置于绝热模块样品的上方，所述三段式可调温热防护层的壁温始终与绝热模块样品的相应测点温度相等。
7.根据权利要求6所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，所述绝热模块样品与所述电加热板接触面之间设有导热胶。
8.根据权利要求6所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，所述综合比热容测量箱中设置的温度传感器、顶端可调温热防护层、中端可调温热防护层、底端可调温热防护层和电加热板分别通过导线与综合比热容系数采集模块相连接，开启顶端可调温热防护层、中端可调温热防护层和底端可调温热防护层内的电加热盘管，综合比热容系数采集模块同时记录热稳定状态的绝热模块样品和电加热板平均温度，综合比热容系数采集模块记录工作的电流、电压和时长。
9.根据权利要求8所述的一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统，其特征在于，多次调节电加热板的输入电流和电压，当绝热模块样品和电加热板的整体平均温度再次一致时，综合比热容系数采集模块记录再次热稳定时的平均温度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的测量系统来测量围护系统绝热模块综合导温系数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)硬件准备：封装测量综合导温系数所用的测量设备，该测量设备包括综合导热系数测量模块和综合比热容系数测量模块，并置于低温真空环境控制舱中，连接供气模块与低温真空环境控制舱，并检查气路、电路及测量设备布置，确保符合设计运行安全要求；
(2)氮气置换：封闭低温真空环境控制舱，启动供气模块中抽真空装置以排除低温真空环境控制舱内的凝结气体，在低温真空环境控制舱处在设定真空度下，通入常温氮气进一步置换低温真空环境控制舱内的凝结气体；
(3对综合导热系数测量模块进行系统预冷：向低温真空环境控制舱内通入设定温度的低温氮气或者液氮，实现低温真空环境控制舱内快速冷却至检测温度，同时，向液氮/氮气冷板通入设定温度的低温氮气或者液氮，当液氮/氮气冷板出口的氮气或者液氮流量稳定时，计算机设备控制综合导热系数测量模块并利用综合导热系数采集模块和计算机设备中综合导热系数计算单元获得出各部位的温度，当液氮/氮气冷板温度传感器的平均温度达到设定温度并保持稳定时表示预冷结束；
对综合比热容测量模块进行系统预冷：向低温真空环境控制舱内通入设定温度的低温氮气或者液氮，实现低温真空环境控制舱内快速冷却至检测温度，同时，向电加热板和三段式可调温热防护层通入设定温度的低温氮气或者液氮，当电加热板和三段式可调温热防护层出口的氮气或者液氮流量稳定时，计算机设备控制综合比热容测量模块并利用综合比热容系数采集模块和计算机设备中的综合比热容系数计算单元得出各部位的温度，当绝热模块样品稳定至所需温度时，表示预冷结束；
(4)抽真空操作：当低温真空环境控制舱内各点温度达到设定温度后，停止向低温真空环境控制舱通入氮气或者液氮，开启抽真空装置，将低温真空环境控制舱抽真空至设定真空度，关闭低温真空阀；
(5)综合导热系数测量模块中计量热板加热与功率调节：在计算机设备设定输入计量热板的电压与电流，并开启计量热板，根据综合导热系数采集模块采集的计量热板与顶部热防护板温度和传感器的温度数据绘制成曲线以观察记录的温度趋势，通过不断调节计量热板的电压与电流，使二者的温差逐渐减小并保持稳定；
(6)综合导热系数测量模块的辐射热防护：控制计量热板上部空间安装在综合导热系数测量箱内壁的可调温热防护层的壁温和计量热板平均壁温随时保持一致；
(7)综合导热系数测量模块的热扰动及二次平衡：开启计量热板，控制输入电流和电压直至可调温热防护层的壁面温度和绝热模块样品壁面温度一致后，关闭计量热板，记录工作的电流(I)、电压(U)以及绝热模块样品冷、热端表面的各温度传感器所测量温度，并根据记录的温度分别计算出冷、热端表面的平均温度；
(8)综合导热系数测量多平衡点测试：二次热平衡后，改变输入的电流(I)和电压(U)，重复步骤(6)～(7)；
(9)综合导热系数计算：测试结束后将记录的数据代入以下公式，根据如下公式计算出绝热模块的综合导热系数：
其中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量热板的电压与电流，V和A；d为样品厚度，m；Th为样品与计量热板接触上表面的平均温度，℃；Tc为样品与冷板接触表面的平均温度，℃。
(10)综合比热容测量模块中三段式可调温热防护层控温：开启三段式可调温热防护层内的电加热盘管，使三段式可调温热防护层壁面温度分别根据各测点温度而自动调节，同时记录该时刻的热稳定状态的绝热模块样品和电加热板平均温度；
(11)综合比热容测量模块的热扰动及二次热平衡：开启电加热板，控制输入电流和电压直至三段式可调温热防护层的壁面温度和绝热模块样品壁面温度一致后，关闭电加热板，记录工作的电流(I)、电压(U)和时长(t)，当绝热模块样品和电加热板的整体平均温度再次一致时，记录再次热稳定时的平均温度；
(12)综合比热容测量多平衡点测试：二次热平衡后，改变输入的电流(I)和电压(U)，重复步骤(9)～(10)；
(13)综合比热容系数计算：测试结束后将记录的数据代入以下公式，即可计算出在不同温度点处绝热模块样品的综合比热容系数。
式中，cs为样品综合比热容，J/(kg·℃)；U和I分别为热稳态时输入计量电加热板的电压与电流，单位分别为V和A；t为时间，单位为s；cT为电加热板的比热容，单位是J/(kg·℃)；mT和mS分别为电加热板和样品质量，单位为kg；ΔT为样品测量温差区间，单位为℃。
(14)综合导温系数计算：计算机设备中的综合导温系数计算模块，通过以下公式计算出绝热模块样品的综合导温系数：
式中，λ为样品综合导热系数，W/(m·℃)；a为样品综合导温系数，m2/s；cs为样品的比热容，J/(kg·℃)；ρ为样品密度。
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| CN202311469448.3A CN117665045A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种围护系统绝热模块的综合导温系数测量系统及测量方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116048153A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-05-02 | 沪东中华造船(集团)有限公司 | 一种围护系统中绝热模块综合导热系数的测量装置及测量方法 |
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2023
- 2023-11-07 CN CN202311469448.3A patent/CN117665045A/zh active Pending
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