CN204302211U - 一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，包括筒体、试件、加热管、风机、风速仪和连接管，试件通过吊绳悬挂在筒体中央，筒体的一端通过连接管密封连接着风机，筒体的另一端开孔，风速仪固定在筒体内，加热管贯穿在试件中，加热管两端的接电部件延伸出试件，试件内嵌有温度传感器，试件附近悬挂设置有温度传感器。本实用新型能实现风速的控制，增加实验的可控参数；能有效防止试件热量过多的散失，降低热能的浪费，减小实验的数据波动范围；能够实现模拟空气流动对材料表面传热的影响，给研究空气流动与材料表面传热的关系提供良好的模拟效果。

Description

一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，属于土木工程材料的热物理性能研究技术领域。

背景技术

传统的混凝土结构设计理论，偏重于结构的安全性和适用性，而忽视结构的耐久性，由此造成了严重的经济、社会损失。随着耐久性研究的深入以及国民经济与社会的发展进步，钢筋混凝土结构的耐久性问题在我国日益受到重视。气候环境作用是混凝土结构耐久性的一个重要影响因素，但影响耐久性退化过程的直接因素应该是混凝土内部微环境，外部气候环境的波动会引起混凝土内部微环境变化。混凝土微环境与外界气候环境的温度响应过程主要包括两个环节：一是混凝土表面与气候环境之间的热交换；另一个是混凝土结构内部的热传导。混凝土表面换热是混凝土内部微环境温度响应过程的重要环节，而表面传热系数定量描述了该环节的快慢程度。工程上经常遇到的是不同温度的流体和固体表面之间的热量传递过程，这种热量传递过程称为表面对流传热。对流传热强弱受多种因素影响，其中流体的流速是一个重要因素。但是，目前在土木工程材料的热物理性能研究技术领域中，还没有专门的用于模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，不利于研究空气流动对材料表面传热影响。

实用新型内容

为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，具体的技术方案为：

一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，包括筒体、试件、加热管、风机、风速仪和连接管，所述试件通过吊绳悬挂在筒体中央，所述筒体的一端通过连接管密封连接着风机，所述筒体的另一端开孔，所述风速仪固定在筒体内，所述加热管贯穿在试件中，并位于试件的中心线上，所述加热管两端的接电部件延伸出试件。

所述试件内嵌有温度传感器，温度传感器的温度探头表面与试件表面齐平。

所述筒体内还悬挂设置有若干个温度传感器，该温度传感器均位于试件附近。

所述加热管设置有功率调节器，所述风机设置有风速调节器。

所述筒体表面设置有翻盖，所述翻盖能够与筒体密封闭合和旋转打开。

所述加热管选用石英加热管。

所述试件的两端密封包覆着保温层，所述加热管两端的接电部件延伸到保温层的外面。

所述连接管选用橡胶管，所述橡胶管的两端分别密封套在筒体四周和风机的出风口四周。

所述试件与筒体平行。

本实用新型的原理是：

加热管两端的接电部件连接电源，加热管被加热后，热能传递给试件，试件的温度可以根据内嵌在试件上的温度传感器读取，当试件达到实验温度，打开风机，通过风速仪读取筒体内的风速，读取试件的表面温度，以及试件周围的环境温度，该温度可用于研究空气流动对材料表面传热的影响。

本实用新型中加热管的功率调节器和风机的风速调节器，可满足多种不同的实验材料对不同加热温度、加热速率和风速的需求，可用于多种材料的实验。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型能实现风速的控制，增加实验的可控参数，提高实验的可研究性和实验结果的可准确性；

2.本实用新型能有效防止试件热量过多的散失，降低热能的浪费，减小实验的数据波动范围，提高实验的可操作性；

3.本实用新型结构紧凑，便于实现，且材料成本低，减少投资成本；

4.本实用新型能够实现模拟空气流动对材料表面传热的影响，给研究空气流动与材料表面传热的关系提供良好的模拟效果。

附图说明

图1是本实用新型的内部结构示意图，

图2是本实用新型的外部结构示意图，

图3是本实用新型的试件结构示意图，

附图标记列表：1—风速仪，2—吊绳，3—试件，4—筒体，5—保温层，6—加热管，7—连接管，8—翻盖，9—温度传感器，10—风机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型。应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

图1是本实用新型的内部结构示意图，结合附图可见，图中的箭头表示风向，本模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，包括筒体4、试件3、加热管6、风机10、风速仪1和连接管7，所述试件3通过吊绳2悬挂在筒体4中央，所述筒体4的一端通过连接管7密封连接着风机10，所述筒体4的另一端开孔，所述风速仪1固定在筒体4内，所述加热管6贯穿在试件3中，并位于试件3的中心线上，所述加热管6两端的接电部件延伸出试件3。所述试件3内嵌有温度传感器9，温度传感器9的温度探头表面与试件3表面齐平。所述筒体4内还悬挂设置有若干个温度传感器9，该温度传感器9均位于试件3附近。本试验装置在筒体4内形成相对稳定的内部环境，风机10吹出的风经过试件3从筒体4的另一端的开孔中吹出，风速相对稳定，且可通过风速仪1测量出来，风经过试件3四周，将试件3表面的热能吹走，分别通过内嵌在试件3内的温度传感器9和悬挂在筒体4内的温度传感器9测得试件3表面和试件3周围环境的即时温度，再结合风速，研究空气流动与材料表面传热的关系。

所述加热管6设置有功率调节器，所述风机10设置有风速调节器。根据不同的研究材料，结合研究材料的性能，可能需要变动试件3的加热温度和加热速率，以及对应的风速，所以功率调节器和风速调节器能方便变化这些参数，使得本实用新型能够适用于多种不同的材料研究。

所述筒体4表面设置有翻盖8，所述翻盖8能够与筒体4密封闭合和旋转打开。打开翻盖8，能够布置筒体4内的各个部件，将各个部件分别安装固定，以及更换不同的试件3，当筒体4内的各个部件布置好以后，将翻盖8与筒体4密封闭合，可进行实验过程操作。

所述加热管6选用石英加热管6。石英加热管6具有升温快，加热稳定，辐射均匀，电热转换效率高，几乎将电能全部转化为热量的优点，可优选石英加热管6作为本实用新型的加热管6。

所述试件3的两端密封包覆着保温层5，所述加热管6两端的接电部件延伸到保温层5的外面。保温层5防止试件3内部热量损失，同时不影响加热管6连接电源。

所述连接管7选用橡胶管，所述橡胶管的两端分别密封套在筒体4四周和风机10的出风口四周。橡胶管成本低，且便于与筒体4和风机10密封连接。

所述试件3与筒体4平行，试件3的四周受到的风速均匀一致，减少实验的变量，便于单一对比研究。

下面举个具体实施例说明本实用新型，试件3选用混凝土试件3，具体步骤为：

首先制作试件3，将PVC塑料管作为外模，薄壁不锈钢管作为内模，浇筑具有一定壁厚的圆管形状的试件3。试件3标准养护至28天，然后室内静置一段时间后开展试验。

试件3表面埋置一个温度传感器9；试件3内部布置一根石英加热管6，加热管6的长度根据圆管试件3长度来确定；为了确保圆管试件3内部热量完全通过试件3表面与空气进行热量交换，防止热量损失，试件3两端采用保温层5密封，准备好的试件3如图3所示。

将准备好的试件3悬挂在筒体4内，在靠近试件3表面的空气中再布置一个温度传感器9，用于测量试件3表面空气温度。风机10的风速由风速调节器调节，具体风速值则由风速仪1测定。由于常用温度传感器9的测温范围小于100℃，因此采用功率调节器控制石英加热管6在适当功率下进行加热，电流I和电压U利用数字万用表测量。开始加热的同时，以一定时间间隔(比如5分钟)记录2个温度传感器9的温度值。当试件3表面温度在30分钟内基本保持不变时，则视为试件3内热量传递达到稳定，将此时试件3表面的温度和试件3周围流动空气的温度分别记为T_w和T_f。整个试验过程在人工模拟气候环境室内进行，气候环境室内温湿度保持恒定。

热对流是指在有温差的条件下，伴随流体的宏观相对运动而引起的热量迁移过程。工程上经常遇到的是不同温度的流体和固体表面之间的热量传递过程，这种热量传递过程称为表面对流传热，简称对流传热。对流传热是热传导和热对流两种传热机理联合作用的结果。

对流传热量可用牛顿冷却公式表达为：

Q_c＝h_cA(T_w-T_f)        (1)式中：Q_c为对流传热量，W；h_c为对流传热系数，W/(m²·K)；A为与流

体接触的固体表面面积，m²；T_w为试件表面的温度，K；T_f为试件周围流动

空气的温度，K。

当试件表面和空气接触进行对流传热，又和周围环境有辐射传热时，辐射传热量也可表示成牛顿冷却公式：

Q_r＝h_rA(T_w-T_f)          (2)式中：Q_r为辐射传热量，W；h_r为辐射传热系数，W/(m²·K)；

显然，试件表面传热系数h、对流传热系数h_c和辐射传热系数h_r符合如下关系：

h＝h_c+h_r         (3)

本试验装置测定试件表面传热系数，将根据上述公式(1)和(2)来进行试验设计，即通过测定试件表面传热量Q、试件表面的温度T_w和试件周围流动空气的温度T_f来计算试件表面传热系数h。试件表面传热热量的确定和加热方式有关，利用电加热时，可以不考虑能量损失，则试件表面传热量Q(对流换热量和辐射换热量)可以通过测量加热电流I和加热电压U来确定：

Q＝I·U         (4)

则总热交换系数：

$h=\frac{U\·I}{A(T_w-T_f)}---\left(5\right)$

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是包括筒体、试件、加热管、风机、风速仪和连接管，所述试件通过吊绳悬挂在筒体中央，所述筒体的一端通过连接管密封连接着风机，所述筒体的另一端开孔，所述风速仪固定在筒体内，所述加热管贯穿在试件中，并位于试件的中心线上，所述加热管两端的接电部件延伸出试件。

2.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述试件内嵌有温度传感器，温度传感器的温度探头表面与试件表面齐平。

3.根据权利要求2所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述筒体内还悬挂设置有若干个温度传感器，该温度传感器均位于试件附近。

4.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述加热管设置有功率调节器，所述风机设置有风速调节器。

5.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述筒体表面设置有翻盖，所述翻盖能够与筒体密封闭合和旋转打开。

6.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述加热管选用石英加热管。

7.根据权利要求6所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述试件的两端密封包覆着保温层，所述加热管两端的接电部件延伸到保温层的外面。

8.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述连接管选用橡胶管，所述橡胶管的两端分别密封套在筒体四周和风机的出风口四周。

9.根据权利要求1所述的一种模拟空气流动对材料表面传热影响的试验装置，其特征是所述试件与筒体平行。