一種圓管材料導熱係數測量系統及其測量方法與流程

2023-07-13 09:03:21 1

本發明屬於固體熱物理性質測量領域，涉及一種圓管材料導熱係數測量系統及其測量方法。

背景技術：

近年來，隨著世界經濟的飛速發展，能源緊缺問題日益嚴重，各個工業領域的節能問題逐漸成為研究熱點。我國幅員遼闊，許多發達城市都位於溫帶及亞寒帶，如何解決這些城市中的建築節能問題對緩解地區能源緊缺問題有著深遠意義。鋼結構圓管不僅是建築領域暖通設計和其他工業領域中重要的基礎結構材料，而且是能量傳遞過程最常用的結構材料。導熱係數是描述熱量傳遞過程的重要基礎熱物性參數，直接決定著鋼結構圓管柱換熱能力的強弱，是建築暖通設計中重要的基礎數據。如何快速準確的測量圓管材料的導熱係數是工業領域亟待解決的基礎問題。

現有的固體材料導熱係數測量方法可分為穩態法和瞬態法兩大類。穩態法是控制熱流從待測樣品一端流向另一端，使兩端形成穩定的溫差，根據傅立葉導熱定律計算得出導熱係數。穩態法主要包括：棒體法、熱板法、保護熱板法等。瞬態法是向待測樣品提供穩定已知的熱量，在待測樣品內建立隨時間變化的非穩態溫度場，根據待測樣品的溫度變化，結合提供給待測樣品的熱量計算得出導熱係數。瞬態法主要包括：熱線法、閃光法、TPS法等。但這些方法都要求對待測樣品進行平整加工，在工程實際中，測量管狀樣品極不方便，且對管狀樣品的重加工通常會帶來導熱係數的變化。鑑於此，本發明提出了一種測量系統及其測量方法，適用於測量圓管材料的導熱係數。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種圓管材料導熱係數測量系統及其測量方法，可有效測量圓管材料的導熱係數。

為達到上述目的，本發明採用了以下技術方案：

提供了一種圓管材料導熱係數測量系統包括：加熱單元、保溫單元、測量單元和計算單元四個部分。其中加熱單元直接包裹待測圓管材料，對其進行加熱；保溫單元用於放置加熱單元及待測圓管材料，為實驗提供穩定的環境溫度；測量單元連接加熱單元，測量待測圓管材料表面的溫度時間響應；計算單元連接測量單元對測得的溫度時間響應進行分析計算，得出待測圓管材料的導熱係數。

下面對系統的各個單元進行詳細的介紹：

加熱單元，由Hot Spring傳感器、絕熱夾具、填充於待測圓管內的耐高溫絕熱棉組成。Hot Spring傳感器緊貼於待測圓管外表面，各加熱絲與待測圓管橫截面平行。絕熱夾具加緊Hot Spring傳感器及待測圓管，由緊固螺栓固定。高溫絕熱棉緊密填充於待測圓管內。保溫單元，由用於放置絕熱夾具及待測圓管的空氣浴恆溫箱以及相應的溫度傳感器和熱量控制器件組成。測量單元，由數採設備、測量電路以及位於測量電路中的熱量控制器件和電勢測量器件組成。熱量控制器件與Hot Spring傳感器相連，用於設定對待測圓管的加熱量。電勢測量器件與Hot Spring傳感器相連，用於測量加熱過程中接入Hot Spring傳感器的熱電勢。計算單元，根據加熱量和Hot Spring傳感器的熱電勢時間響應數據，基於預先設計好的計算模型和計算方法，計算得出待測圓管材料的導熱係數。

在本發明提供的導熱係數測量系統中具有如下特徵：Hot Spring傳感器由鎳金屬薄片刻蝕而成，方波型，鎳金屬薄片厚度小於等於25μm，上下表面均附著聚醯亞胺薄膜做絕緣處理，聚醯亞胺薄膜厚度小於等於20μm。未刻蝕部分寬度小於等於0.2mm，形成多組與待測圓管外壁周長相等的平行加熱絲，且相鄰加熱絲之間的距離相等，加熱絲彎轉成圓環狀以易貼於待測圓管表面。加熱絲的輸入端和輸出端各有兩個分開的電線接口。

在本發明提供的導熱係數測量系統中具有如下特徵：絕熱夾具本體為氧化矽陶瓷，側翼設有螺栓孔，內側有半圓柱型凹槽，半徑等於待測圓管外徑，凹槽附著聚醯亞胺薄膜，聚醯亞胺薄膜厚度大於等於0.2mm。

本發明提供了一種針對於上述導熱係數測量裝置的導熱係數測量方法，包括以下步驟：

步驟1、用高溫導熱膠將所述Hot Spring傳感器貼於待測圓管表面，使傳感器各加熱線相互平行，形成相互平行的加熱圓環，且與待測圓管軸向垂直，再用兩個絕熱夾具夾緊待測圓管及貼好的Hot Spring傳感器，保證傳感器在夾具凹槽的中心位置，將所述絕熱夾具側翼的緊固螺栓上緊，使絕熱夾具和傳感器之間、傳感器和待測圓管之間沒有空隙，最後在待測圓管內部填充高溫保溫棉並壓緊；

步驟2、將所述電勢測量器件連接Hot Spring傳感器的輸入端和輸出端，數採設備連接電勢測量器件，熱量控制器件連接Hot Spring傳感器另一對輸入端和輸出端接口，將絕熱夾具、Hot Spring傳感器和待測圓管一同放入空氣浴恆溫箱，溫度調節為待測導熱係數所對應的環境溫度；

步驟3、將熱量控制器件設定加熱量，接通電路，使傳感器對待測圓管進行加熱，電勢測量器件測量Hot Spring傳感器的熱電勢，數採設備記錄所述Hot Spring傳感器的熱電勢與時間的響應，記錄數據點後，斷開電路，使Hot Spring傳感器和待測圓管的溫度冷卻至待測導熱係數所對應的環境溫度，重複上述操作，記錄多組數據，求出對應時間點的熱電勢平均值；

步驟4、加熱量恆定，根據熱電勢平均值即可求對應時間點Hot Spring傳感器的電阻值。由電阻值及相應的電阻溫度係數即可根據如下公式計算得出Hot Spring傳感器在對應時間點的平均溫度：

式中：R0為Hot Spring傳感器初始時刻在環境溫度下的電阻值，R為實驗過程中測得的Hot Spring傳感器上的熱電勢，α為電阻溫度係數。

進而根據如下計算模型推導得出待測圓管的導熱係數λ：

式中：P0為Hot Spring傳感器的加熱功率，a為待測圓管材料的外徑。這裡D(τ)是無量綱的時間函數，由下式給出：

式中：(2n+1)是加熱圓環的總數量。σ是引入的時間參數，σ2＝κ(t-t′)/a2，其中t′是初始的加熱時刻，t-t′即為總的加熱時長。κ是待測圓管材料的熱擴散率。h是每個加熱環之間的距離。τ是t′＝0時σ的特殊值，τ＝(κt)0.5/a。I0(x)是零階貝塞爾函數的第一類修正：

本發明的有益效果體現在：

本發明參考傳統的Hot Disk瞬態導熱係數測量法，建立了一套可測量管狀材料導熱係數的實驗系統並提供了其具體的使用方法，簡化了實驗裝置，在不降低測量精度的前提下，提高了實驗系統的適用性。

附圖說明

圖1是薄壁圓管材料導熱係數測量系統原理圖；

圖2是絕熱夾具圖；

圖3是Hot Spring傳感器圖；

圖中：1.電源，2.熱量控制器件，3.電勢測量器件，4.數採設備，5.絕熱夾具，6.Hot Spring傳感器，6-1.Hot Spring傳感器平面加工圖，6-2.Hot Spring傳感器成型圖，7.恆溫箱，8.待測圓管。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。

如圖1所示，包括絕熱夾具5、Hot Spring傳感器6、數採設備4和恆溫箱7。其中，數採設備4與Hot Spring傳感器6為導熱係數測量的主要部分，絕熱夾具5與恆溫箱7為溫度控制的主要部分。

參見圖2，絕熱夾具5為一種由氧化鋁陶瓷外殼和絕緣絕熱層組成的絕熱固定裝置。為滿足絕緣性和絕熱性的要求，在本實施實例中，使用的氧化鋁陶瓷的導熱係數小於等於8W/(m·K)，電阻率大於等於1018Ω·m。工程實踐中通常會在較高溫度下測量待測圓管材料的導熱係數，為防止絕熱夾具5在高溫下熱變形壓壞待測圓管材料，本實施實例中，絕熱夾具5使用的氧化鋁陶瓷熱膨脹係數小於等於7×10-6m/(m·K)。絕熱夾具5的長度為60mm，內側圓柱凹槽的半徑為17.75mm，外側半圓柱面的半徑為43mm。絕熱夾具5側翼厚度為15mm，貼合平面的寬度為50mm，距上下邊緣15mm處各有一個螺栓孔，貼合平面共有4個螺栓孔，用於在實驗過程中連接兩個絕熱夾具5，夾緊待測圓管8。絕熱夾具5內側圓柱凹槽貼有聚醯亞胺薄膜，起到絕緣絕熱和保護Hot Spring傳感器6的作用其厚度為0.2mm，導熱係數小於等於0.4W/(m·K)，電阻率大於等於1019Ω·m，熱膨脹係數小於等於25×10-6m/(m·K)。

參見圖3，Hot Spring傳感器6的加工平面圖為6-1，實際狀態為6-2，本實施實例中，使用的Hot Spring傳感器6採用純鎳金屬製成，厚度為25μm，外附20μm的聚醯亞胺絕緣薄膜，總長度為55mm，總寬度為16mm，每條加熱絲的寬度為0.2mm。實驗過程中Hot Spring傳感器6緊貼於待測圓管8外側，加熱絲與待測圓管8的軸向垂直。本實施實例中，使用的待測圓管的外徑為17.5mm，壁厚為1mm，長度為60mm。

所述絕熱夾具5內側的絕緣絕熱層採用聚醯亞胺材料，緊貼Hot Spring傳感器6的外表面。實驗過程中，兩塊絕熱夾具5由緊固螺栓上緊以保證Hot Spring傳感器6與待測圓管8之間沒有空隙，防止熱量損失，同時固定Hot Spring傳感器6和待測圓管8的位置，防止實驗過程中Hot Spring傳感器6與待測圓管8發生相對位移引起測量誤差。整個裝置置於恆溫箱7中，以保證測量過程中的環境溫度恆定。本實施實例中，恆溫箱7採用JWC-32C1型精密恆溫槽，輸入電壓220V，輸入電流6A，加熱器功率1kW，控溫範圍0～80℃，容積42L，槽溫波動±0.01℃。

參見圖1，Hot Spring傳感器6的一組輸入輸出端連接電源1和熱量控制器件2，形成迴路，保證實驗過程中電源1向Hot Spring傳感器6輸入穩定的電流，形成恆定的加熱功率P0。本實施實例中，熱量控制器件2採用PZ2003-AX1功率控制儀，供電電壓220V，輸入電壓0～5V，輸出電壓0～24V，輸出電流0～50mA，誤差±0.3％。Hot Spring傳感器6的另一組輸入輸出端連接電勢測量器件3和數採設備4。本實施實例中，使用的電勢測量器件3為SP2271型數字毫伏表，供電電壓220V，量程0.8mV～10mV，誤差±2％。數採設備4採用81/2位的吉時利2002型數字萬用表。數採設備4記錄實驗過程中Hot Spring傳感器6的熱電勢時間相應，根據Hot Spring傳感器6的電阻溫度係數計算出待測圓管8外表面溫度隨時間變化的規律，進而計算得出待測圓管8的導熱係數。

系統的工作原理

實驗開始前用絕熱夾具5將Hot Spring傳感器6和待測圓管8固定好，置入恆溫箱7中。運用恆溫箱7將絕熱夾具5周圍的環境溫度調節至待測溫度。Hot Spring傳感器6既是加熱元件又是測溫元件，數採設備4可通過測量其熱電勢，計算Hot Spring傳感器6的電阻，根據電阻溫度係數計算得出其溫度。由於Hot Spring傳感器6由金屬鎳和聚醯亞胺薄膜製成，且本身厚度不足80μm，熱容極小，傳感器本身與待測圓管8的外壁緊貼，可忽略接觸熱阻造成的熱量損失。因此Hot Spring傳感器6的溫度即為待測圓管8的外壁溫度，Hot Spring傳感器6所釋放的熱量即為待測圓管吸收的熱量。

本實驗使用低電壓、小功率測量手段進行測量。通常設定的加熱功率P0<0.5W。實驗開始時，在t′＝0時刻打開電源1為Hot Spring傳感器6供給電流，使其產生穩定的加熱功率P0，Hot Spring傳感器6和待測圓管8的外壁同時升溫，應用數採設備4監測Hot Spring傳感器的阻值變化，就能得到待測圓管8外壁在t′＝t時刻的溫度上升：

其中：R是Hot Spring傳感器6t時刻的總電阻，R0是t′＝0時刻的電阻值，α是Hot Spring傳感器6的電阻溫度係數(TCR)，本發明中為鎳的電阻溫度係數0.0069K-1。

假設Hot Spring傳感器6共有2n+1條相互平行的加熱絲，每條加熱絲間的距離是h，待測圓管8的外表面的半徑為a，導熱係數為λ，則待測圓管8外壁的溫度上升可由Hot Spring傳感器6的加熱功率P0計算得出：

這裡D(τ)是無量綱的時間函數，由下式給出：

該公式是針對圓管材料推導的Hot Spring傳感器6溫升計算公式，式中τ＝(κt)1/2/r，κ為待測圓管8的熱擴散率。I0是貝塞爾函數零階的第一類修正函數：

公式中的由數採設備4測得，D(τ)由對應的採集時刻計算得出。Τ中的κ值是未知的，正確的κ值使和D(τ)呈線性關係。應用最小二乘法對自變量D(τ)和因變量進行線性回歸。可由回歸所得直線的斜率計算得出待測圓管材料的導熱係數λ。

本發明在不降低測量精度的前提下，避免了對管狀待測樣品的重加工，簡化了實驗裝置，增強了實驗系統的獨立性，保障了其在工程實踐中的應用前景。