[发明专利]一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体导热系数的测量装置。

背景技术

导热系数是材料重要的热物性参数，是量化传热过程和评价材料热性能的基本参数，在涉及传热的工程领域有广泛的应用背景。液体材料导热系数测量值的准确性在工业应用中至关重要，尤其对于精确的热设计和具体热过程研究，不准确的液体导热系数可能导致对主导换热方式的判断出现失误，引发严重的错误。

根据传热特点分析，目前导热系数的测量方法大致可以归纳为稳态法和瞬态法。稳态法虽然操作简单，经济性强，但是它需要非常小心细致的准备工作来避免测量的不确定度，而且操作周期长，难以保持高精度的流体温度。而瞬态法测量耗时短，响应快，在测量过程中能够保持恒定的流体温度，故得到广泛应用。常用的瞬态测量方法有热线法、热盘法(也称为平面热源法)等，而热盘法可以测量普朗特数较大的液体，设备的安全性也较高。

瞬态平面热源法测量液体导热系数的传统方法是把探头垂直放置于液体池中，液体填充后分别位于探头两侧，通过给探头施加额定电功率，使探头升温的同时向液体内传输热量，然后基于探头材料电阻变化与温升的对应关系，获得液体的散热性能，通过假设液体传热过程只存在热传导而忽略对流换热，对曲线进行拟合与计算，得出被测液体材料的导热系数和热扩散系数。由于探头为镍丝形成的圆盘，虽然为了减少测量误差将加热圆盘尺寸限定在毫米级，但在测量加热过程中必然会在液体内部形成温差，有温差导致的密度差必然引起液体内部形成对流，而由于探头采用垂直放置形式，在几何结构上并未抑制探头表面的自然对流换热，影响液体导热系数的测量精度。为抑制自然对流，传统测量方法只是要求较低的输出功率和较短的测量时间。然而低的输出功率会导致数据离散率增加，导致测量结果偏高。较短的取样时间可能会增大探头与液体接触的界面热阻的影响。测量范围和精度都受到了很大的限制。

发明内容

本发明的目的是要解决现有瞬态平面热源法测量液体的导热系数存在探头垂直放置，在探头表面形成自然对流换热，采用低的输出功率会导致数据离散率增加，导致液体导热系数的测量结果偏高的问题，而提供一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置。

一种基于瞬态平面热源法测量液体导热系数的装置包括计算机、试样架、阀门、样品仓、固体标准样品、探头、垫片、铝合金和液体注射器、液体池、第一塑料管和第二塑料管；

所述的样品仓内设有试样架，铝合金设置在试样架上；铝合金上端开设有液体池；液体池的两端池壁上设有第一小孔和第二小孔；第一塑料管的一端与第一小孔相连通，第一塑料管的另一端与阀门相连通；第二塑料管的一端与第二小孔相连通，第二塑料管的另一端与液体注射器相连通；

所述的液体池的上端面设有垫片，垫片上端面设有固体标准样品；在固体标准样品的下端面开设深度为25μm的凹槽；探头设置在深度为25μm的凹槽内部；计算机设置在样品仓外面，且与探头相连接。

本发明的原理及使用方法：

计算机内安装了Hot Disk热常数分析软件；使用液体注射器向液体池内注入待测液体；当待测液体从第一小孔稳定流出，且第一塑料管内没有气泡，关闭阀门；通过总的测试时间和输出功率，通过计算机给探头施加额定电流对待测液体进行加热，同时探头表面产生温升，电阻增加，电信号反馈回计算机；通过材料电阻与温度的对应关系，得到温度随时间的变化曲线，通过对曲线的拟合与计算，得出待测液体的导热系数和热扩散系数。

本发明使用了Hot Disk热常数分析软件进行数据的收集和处理，提出采用单面法测量待测液体的导热系数方法和热设计结构；本发明选择Hot Disk热常数分析软件中单面法模块，设定特定的加热功率和加热时间，开始试验，探头一面与已知导热系数的标准固体样品接触，另一面与待测液体接触，Hot Disk热常数分析软件通过计算机给探头施加所设定的额定电功率，探头由于焦耳效应，表面温度升高，探头升温的同时向液体内传输热量，同时探头温度发生改变，然后基于探头的材料电阻变化与温升的对应关系，得到加热过程中探头的温度数据点，直到到达所设定的加热时间。计算机会自动记录200个数据点，然后通过Hot Disk热常数分析软件对数据进行回归、计算，从而得到待测液体的导热系数。

本发明的优点：