專利名稱：一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法及其裝置的制作方法
一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法及其裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法及裝置，尤其是一種測量液體導(dǎo)熱系 數(shù)的方法及裝置。
背景4支術(shù)
在熱交換技術(shù)領(lǐng)域里， 一個系統(tǒng)中只要存在溫度梯度，或者兩個不同溫度 的系統(tǒng)發(fā)生接觸，就會產(chǎn)生能量的傳遞。它只在遷移過程中才存在，它既不能 直接測量，也不能直接觀察到，但它所產(chǎn)生的效應(yīng)是可以觀察到的，同時也是 可以間接測量出來的。這種由于溫差引起的能量遷移過程統(tǒng)稱為"傳熱"。
一切傳熱過程都包括能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。而溫差是一切傳熱現(xiàn)象的推動力， 是物體間產(chǎn)生傳熱的必要條件。由于傳熱的機理很復(fù)雜，不只隨溫差而異，而
且還受各種不同物理定律所支配，因而傳熱現(xiàn)象往往同時包含幾種不同機理的換熱過程。 一般根據(jù)換熱過程的機理，把傳熱歸納為三種方式熱傳導(dǎo)(簡稱 導(dǎo)熱)、對流和熱輻射。
測量物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是國內(nèi)外特別關(guān)注的項目，與它密切相關(guān)的傳熱學(xué)已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)科技領(lǐng)域。測量物體導(dǎo)熱系數(shù)的方法眾多，歸結(jié)起來有以下 幾個方面
(1 )根據(jù)導(dǎo)熱過程的宏觀機理區(qū)分
有兩大類穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是指待測試樣上溫度分布達到穩(wěn)定 后進行測試，通過穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱微分方程，直接測得導(dǎo)熱系數(shù)。此方法特點是 實驗公式簡單，但實驗時間較長，并需測量導(dǎo)熱量和若干點的溫度。非穩(wěn)態(tài)法 是指實驗測量中試樣溫度隨時間變化，通過不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程，測得導(dǎo)溫系 數(shù)，間接算得導(dǎo)熱系數(shù)。此方法特點是實-瞼公式較復(fù)雜，實驗時間短，需測 試樣上若干點的溫度隨時間變化的規(guī)律， 一般不必測量導(dǎo)熱量。
(2)才艮據(jù)導(dǎo)熱熱流在試樣上的流向來區(qū)分
如圓柱試樣，按熱流是徑向還是軸向，可區(qū)分為徑向熱流法和縱向熱流法。
(3)才艮據(jù)試樣的形狀區(qū)分
如平板法，圓柱體法，圓球法，同心球法，矩形棒法等。 所有測量導(dǎo)熱系數(shù)的實驗方法都是基于傅立葉定律。傅立葉定律又稱導(dǎo)熱 基本定律，是現(xiàn)象學(xué)的定律，即是由現(xiàn)象中觀察得到的而不是從第一定律導(dǎo)出 的。它是由法國數(shù)學(xué)家傅立葉(Fourier 1822年)在固體導(dǎo)熱現(xiàn)象時提出的。 它是一個向量表達式，描述了導(dǎo)熱熱流與其溫度梯度之間的關(guān)系，其一般表達 式為
^-峰r"rfr (J) (l.l)
其中e為單位時間通過某一給定面積的熱量，單位為W; S為垂直熱流方向上 的截面面積，單位為/w2; grac^為溫度梯度，單位為。C/m; k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位 是w/m.。C;負號表示熱流方向是沿著溫度下降的方向，即與溫度梯度的方向相 反。
從理論上粗略可以估計液體的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0. 07~0. 7『/(獻)的范圍內(nèi)。 在一般的情況下，測量固體導(dǎo)熱系數(shù)的方法為穩(wěn)態(tài)平板法，測量氣體導(dǎo)熱 系數(shù)用熱線法。
對于液體的導(dǎo)熱機理，至今還存在著兩種不同的觀點。 一種觀點認為液體 的導(dǎo)熱機理類似于氣體，只是情況更為復(fù)雜，因為液體分子間的距離比較近， 分子間的作用力對碰撞過程的影響遠比氣體大。另一種觀點則認為液體的導(dǎo)熱 機理類似于非金屬固體，主要靠彈性波的作用。在分子力和分子運動的竟爭中， 液態(tài)是兩者勢均力敵的狀態(tài)理想氣體中分子運動占絕對優(yōu)勢——完全無序模 型；理想晶體中分子力占主導(dǎo)地位——完全有序模型。完全無序模型和完全有 序模型的理論都很成熟，液體的情況介于兩個極端之間，非常難以處理，至今 沒有統(tǒng)一的理論模型。目前還無法從理論上圓滿地解釋導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度(或壓 力)的變化關(guān)系?，F(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)證明，大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高 而下降，但是也有少數(shù)液體(如水和汞)例外，這是因為它們的分子之間存在 著較強的締合作用，能夠生成兩個或兩個以上的締合分子。當溫度升高時，分 子熱運動就加強了，締合作用就被削弱，因而締合分子的質(zhì)量也隨之減小，故 導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大。另外，由于水和甘油具有較大的c，p值，所以 它們的導(dǎo)熱系數(shù)較其他液體大。液體實際上可認為是不可壓縮的，故壓力對液 體導(dǎo)熱系數(shù)的影響很小，可以忽略?？傊?， 一般固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較高，液 體次之，氣體最低。
國內(nèi)外有關(guān)物理實驗和熱學(xué)著作中對固體和氣體導(dǎo)熱系數(shù)的測定介紹很詳 細，方法很多，但在液體導(dǎo)熱系數(shù)的測定這一領(lǐng)域卻幾乎是一片空白。穩(wěn)態(tài)法 是研究的熱門，但技術(shù)不成熟。在穩(wěn)態(tài)法中，其一要保證熱量的一維傳播，否 則不滿足傅立葉定律。其二，必須正確而精確地進行<務(wù)正，即在傳熱過程中熱 量損失的精確計算。在現(xiàn)有公布的測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的實驗方法和測量儀器中， 幾乎全都沒有準確的修正方法。
如DTI —811型液體導(dǎo)熱系數(shù)測定儀利用多層同心套管圓柱法測定液體導(dǎo)熱 系數(shù)。加熱管與盛液筒之間有兩層套管，套管與加熱管同心，層間徑向距離為l 一l. 5mm。盛液筒兩端用聚四氟乙烯密封塞密封。盛液筒的外側(cè)由恒溫水套恒溫， 恒溫水套分為兩部分， 一是側(cè)面水套， 一是端頭水套，兩水套串聯(lián)，保證溫度 相同。水套的溫度由恒溫水浴控制或改變。加熱管內(nèi)均勻的繞有電阻絲，通一 恒定電流，經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后，加熱管發(fā)出的熱量一部分(G)經(jīng)過盛液筒 中的液體以徑向?qū)岬姆绞絺鹘o恒溫水套中的循環(huán)水，加熱管的表面溫度"和盛 液筒的外側(cè)溫度^將維持不變。液體傳導(dǎo)的熱量即為加熱管產(chǎn)生的熱量，等于端 部的熱損失(込)和徑向傳導(dǎo)的熱量)之和。其中加熱管產(chǎn)生的熱量是可 以計算的，端部的熱損失(込) 一般確定為常數(shù)，則可以推導(dǎo)出徑向傳導(dǎo)的熱
量(a )。而徑向傳導(dǎo)的熱量(a)與液體導(dǎo)熱系數(shù)、儀器的幾何常數(shù)、加熱管
表面溫度"和盛液筒外側(cè)溫度^的溫度差有關(guān)，而"和〔維持不變，儀器的幾何 常數(shù)可以測量，因此可以推導(dǎo)出液體的導(dǎo)熱系數(shù)。
該測試方法的主要問題是對熱量損失估計嚴重不足。只考慮了柱體兩端熱 阻的影響，而未考慮兩端的熱傳導(dǎo)損失，這項是不可忽略的。另外，整個系統(tǒng) 都存在熱阻，而不僅僅是在柱體兩端。在整個熱傳導(dǎo)過程中，由于熱阻而導(dǎo)致 的熱損失約占系統(tǒng)總傳熱的40%左右。其對熱損失嚴重估計不足，測量出來的結(jié) 果與實際值相差甚遠，實用價值很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單準確的測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法 和裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其設(shè)置一耐高溫同軸雙層管，其中外管設(shè) 待測液體注入口，內(nèi)管為加熱管，內(nèi)管兩端分別與溫度控制器及顯示系統(tǒng)相連， 然后將待測液體裝于內(nèi)、外管之間的夾層內(nèi)，再使內(nèi)管溫度上升，當內(nèi)、外管 之間達到熱平衡時，測出內(nèi)、外管層間的溫度差，計算出內(nèi)管提供的熱量，利 用傅立葉導(dǎo)熱基本定律，得到液體導(dǎo)熱系數(shù)。
其中所述使內(nèi)管溫度上升之方法為在內(nèi)管中插入一根電熱絲，同時填 充耐高溫液體，測試時，在電熱絲上通以電流，使其溫度上升；或在內(nèi)管內(nèi)注 入可循環(huán)流動的高溫液體，使內(nèi)管溫度上升。
其中所述高溫液體的溫度高于待測液體10。C。
其中所述內(nèi)管采用電熱絲加熱時，其液體導(dǎo)熱系數(shù)表達式為
式中
/ -通過電熱絲的電流；
[/ -電熱絲兩端的電壓；
A -內(nèi)管的溫度；
"i-內(nèi)管半徑；
^ -外管溫度； "2 一外管半徑；
Z -外管的長度。
其中所述內(nèi)管采用溫度恒定、流速穩(wěn)定之循環(huán)水加熱時，其液體導(dǎo)熱系 數(shù)表達式為
"-^
式中
c -循環(huán)水的比熱； 循環(huán)水的密度； ^ - Af時間內(nèi)循環(huán)水水流的體積；
^ -內(nèi)管的溫度；
^-內(nèi)管半徑； S -外管溫度；
"2 一外管半徑；
丄-外管的長度； △r2 -內(nèi)管兩端溫差； △7;-內(nèi)外管溫度差。
其中包括耐高溫同軸雙層管以及與微電壓測試儀或直流電勢差計連接的 熱電偶；所述雙層管內(nèi)管為加熱管，內(nèi)置熱源，內(nèi)管兩端連接溫度控制器或顯 示系統(tǒng)；內(nèi)、外管之間盛裝待測液體，外管設(shè)有待測液體注入口；所述熱電偶 置于外管中，其兩端分別緊貼內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁。
其中所述外管的長度與外管半徑之比大于10。
其中所述熱源為溫度恒定、流速穩(wěn)定之循環(huán)水；或為外接電源的電熱絲 以及耐高溫液體。
其中所述顯示系統(tǒng)包含溫度顯示器、電壓指示器和電流指示器。 其中所述熱電偶至少為2個。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(1) 本發(fā)明僅采用雙層管，相對現(xiàn)有技術(shù)而言結(jié)構(gòu)非常簡單；
(2) 本發(fā)明的加熱管可以采用兩種加熱方式，適用于不同的液體，使用范
圍廣；
(3) 本發(fā)明加熱管采用溫度恒定、流速穩(wěn)定之循環(huán)水加熱時，適合耐高溫
液體，循環(huán)水能夠維持內(nèi)管熱量的恒定，而且便于計算內(nèi)管熱量；
(4) 本發(fā)明的加熱管釆用電熱絲加熱，并注入耐高溫液體時，適合高溫易 燃液體，且耐高溫液體能提高傳導(dǎo)速度。
(5 )雙層管的長度和外管半徑滿足一定的比例后熱量沿長度方向的傳導(dǎo)可 以忽略不計，不需要考慮端部損失，符合一維導(dǎo)熱條件，公式推導(dǎo)簡單，而且 測試簡單易行。


圖1 實施例一的雙層管示意圖 圖2 實施例二的雙層管示意圖 圖3雙層管截面圖 其中
l-內(nèi)管 3-待測液體
2 -外管 4 -循環(huán)水
21-外管注入口
具體實施方式
本發(fā)明釆用穩(wěn)態(tài)熱線法原理測量液體的導(dǎo)熱系數(shù)，利用傅立葉定律推導(dǎo)出 液體導(dǎo)熱系數(shù)的公式。 本發(fā)明的原理如下
在穩(wěn)定導(dǎo)熱的問題中， 一維穩(wěn)定導(dǎo)熱是最常用的。所謂一維是指變量在空 間的變化只需要一維坐標來描述。因此，在一維穩(wěn)定導(dǎo)熱中溫度梯度僅僅在單 一的坐標方向存在，也僅僅在這一方向上發(fā)生傳熱。如果系統(tǒng)的所有特征都不 隨時間而改變，這個系統(tǒng)就稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。
那么在一維穩(wěn)定導(dǎo)熱情況下，原來的偏微分方程就可轉(zhuǎn)化成為常微分方程， 傅立葉定律就可表示為如下形式
5- 電熱絲
6- 耐高溫液體
<ifcfcc (1.2)
式中表示每秒通過材料截面積&所傳輸?shù)臒崃浚瑆/血是與熱流方向 一致的溫度梯度，負號表示熱量沿溫度減小的方向傳遞，比例系數(shù)A就是材料的 導(dǎo)熱系數(shù)。如果t/0/A、 c/r/血和Aj已知，則有
考慮到氣體與液體在流動性方面的相似性，則采用測量氣體導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn) 態(tài)熱線法原理來測量液體導(dǎo)熱系數(shù)。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明具體測定方法為設(shè)置一耐高溫的同軸雙層玻璃管， 雙層管的內(nèi)管為加熱管，內(nèi)管兩端分別連接其他儀器，如溫度控制部分和數(shù)字 顯示部分等。內(nèi)、外管層間裝設(shè)待測液體(外管設(shè)有待測液體注入口 )，然后提 高內(nèi)管溫度，或在內(nèi)管內(nèi)設(shè)置熱源對內(nèi)管進行加熱，使內(nèi)管溫度上升，內(nèi)管溫 度的升高后熱量可傳遞到待測液體，再由待側(cè)液體傳遞到外管。當達到熱平衡 時，測出內(nèi)、外管層間的溫度差，計算出內(nèi)管提供的熱量，再利用傅立葉導(dǎo)熱 基本定律，便得到待側(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)。溫度控制部分采用現(xiàn)有技術(shù)中普通使 用的溫控裝置，控制誤差為土rc。數(shù)字顯示部分也采用現(xiàn)有^L術(shù)，其含有溫
度顯示，電壓顯示，電流顯示。溫度顯示^r確到o. rc，電壓顯示^"確到o. imv，
電流顯示精確到0. lmA。其熱線法是在樣品中插入一根電熱絲，測試時，在電熱 絲上通以電流，使其溫度上升。循環(huán)水加熱法是在內(nèi)管內(nèi)注入可循環(huán)流動的高 溫液體，使內(nèi)管溫度上升。
本發(fā)明使用的測量裝置為耐高溫同軸雙層管以及與微電壓測試儀或直流電 勢差計電連接的熱電偶。雙層管內(nèi)管為加熱管，內(nèi)置熱源，內(nèi)管兩端連接測試 溫度控制器或顯示系統(tǒng)；內(nèi)、外管之間盛裝待測液體，外管設(shè)有待測液體注入 口；熱電偶置于外管中，其兩端分別緊貼內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁。
實施例一
對于待測液體是耐高溫的液體，本實施例的雙層管的圓心一定要同軸，至
少耐100度的高溫。如圖1所示，外管2長25厘米，密封，外管長度與外管半 徑之比大于10，外壁上設(shè)有待測液的入口 21 (高為2毫米-8毫米，孔徑為8毫 米)；內(nèi)管1長33厘米，兩端各長出外管4厘米，以便接其它的儀器。在外管 側(cè)面分別設(shè)兩孔以安裝熱電偶7。孔的直徑2mm,兩孔相距135 mm，分別離管 的兩端的距離為55隨。熱電偶7與微電壓測量儀或直流電勢差計電連接，其一 端緊貼內(nèi)管外壁，另一端緊貼外管內(nèi)壁。熱電偶產(chǎn)生的溫差電動勢是^UI、的， 必須用微電壓測量儀或直流電勢差計進行測量(可采用五位半數(shù)字萬用表或直 流低壓電勢差計)；之所以設(shè)置兩個熱電偶7，是為了提高測量溫度的準確性， 所測溫差取它們的平均值。
測試時從外管注入口 21處注入待測液體3，由于液體受熱后膨脹，外管注 入口21不能完全密封，用稍孩史厚一點的紙片遮住入口即可。內(nèi)管l兩端密封， 采用PH-IV型變溫粘滯系數(shù)實驗儀來產(chǎn)生循環(huán)水4，水流控制勻速。在內(nèi)管l通 循環(huán)水4 一段時間后，熱電偶7測量內(nèi)外管的溫差和內(nèi)管兩端的溫差，在微電 壓測量儀或直流電勢差計顯示溫差穩(wěn)定后，讀取溫差值。另測出PH-IV型變溫 粘滯系數(shù)實驗4義出水管排出 一定體積水所用的時間來求出它的流速。獲得上述 數(shù)據(jù)后，可以計算出待測液體的導(dǎo)熱系數(shù)。
內(nèi)管1采用流動高溫液體，液體的溫度高于待測液體溫度10。C左右為宜(最 高溫度可到IOO'C)，總的原則是系統(tǒng)要慢慢加熱。由于大多數(shù)液體的導(dǎo)熱能力 較差，因而除了在徑向方向有熱量的傳導(dǎo)，在軸向方向上不可避免的存在熱量 傳遞，所以導(dǎo)熱達到穩(wěn)定的時間較長。但是在保證內(nèi)管l水流速度控制在勻速， 雙層管管長足夠長的情況下，可以忽略軸向熱量的傳導(dǎo)，溫度僅沿半徑方向發(fā) 生變化，等溫面都是同心柱面。因此，這屬于一維溫度場的導(dǎo)熱問題，即待 測液沿徑向存在一穩(wěn)定梯度。
從誤差的角度分析，雙層管長度丄與外管半徑^之比等于IO的情況下，雙層 管兩端的面積是外側(cè)面積的1/20，損失的熱量也是總熱量的5%。在粗略測量某 液體的導(dǎo)熱系數(shù)時，此時兩端損失的熱量可以忽略不計。因此，在雙層管長度Z 與外管半徑^之比大于10的條件下，可以認為雙層管足夠長，熱量僅沿徑向傳 導(dǎo)。
設(shè)內(nèi)管的溫度為7;，半徑為^，外管溫度為72，半徑為,2,管的長度為丄。由
于圓柱面的側(cè)表面積隨著r的增大而增大，所以在穩(wěn)定導(dǎo)熱時，通過任意半徑r的
整個圓柱壁的熱流量2都保持常數(shù)。那么，垂直于管軸取一截面，如圖3所示，
在內(nèi)管與外管間任取半徑為r，厚度為a的薄圓筒狀液層，設(shè)這個液層內(nèi)外柱面
的溫度差為W,每秒通過該柱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃繛?，才艮據(jù)式(1.2)得
<formula>formula see original document page 12</formula>分離變量得
求積分得
<formula>formula see original document page 12</formula>說明圓壁內(nèi)溫度分布是一條對數(shù)曲線.根據(jù)邊界條件
<formula>formula see original document page 12</formula>代入(l. 3)式得
所以導(dǎo)熱系數(shù)為
<formula>formula see original document page 12</formula>( 1. 4 )
式中的丄、n、 ^均為儀器常數(shù)，需要考慮的是如何測量0、 7;、 r2。由于在
公式(3.4)中，只需求出(7;-r》即可，因此可用熱電偶7測量內(nèi)外管溫差。至 此，本實施例的關(guān)鍵是如何測量單位時間內(nèi)沿柱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃縠。
由于要求內(nèi)管i的溫度維持在7;,故內(nèi)管中的液體必須是流動的。從另一方 面來講，內(nèi)管中液體的流動必然會引起內(nèi)管兩端存在一個溫度差A(yù)r2(即7;-r3 )，
但是在液體流速u勻速，雙層管長度Z與外管半徑/^之比大于10的條件下，A7^足 夠小時(必須在保證熱電偶7能測出的條件下)，可認為內(nèi)管1的溫度仍然恒定。
在A7^達到穩(wěn)定后，內(nèi)管1向外管2輸出熱量的速度必然與外管2內(nèi)熱量的 傳導(dǎo)速度相等。測量循環(huán)水流速的方法很簡單，只要測出PH-IV型變溫粘滯系 數(shù)實驗儀出水管排出 一定體積水所用的時間即的求出它的流速。
由此可用如下公式計算g:
設(shè)內(nèi)管的導(dǎo)熱速率為"，內(nèi)管兩端溫差為^72，
由公式0'= i^Zk可得
八 c. m. Ar，c. v. p. A71，c p. u. Af Ar2 * tz i c 、
上式中u表示內(nèi)管中水流的速度，p表示水的密度，c表示水的比熱，s表示
內(nèi)管的橫截面積。
又由于已測出"時間內(nèi)水流的體積為^
廠 L>lAf
v = — =-
v F
式中v表示單位時間內(nèi)水流出的體積 人 ^ 2 A/
又e = 2
《=
(1.6)
由于采用穩(wěn)態(tài)法進行測量，因此要求在溫度分布達到穩(wěn)定的時候進行溫度 測量。也就是要求在兩熱電偶7溫度值不再隨時間變化時讀取，需要說明的是 這樣的做法似乎承認只要AF"A7T2不變就可以認為系統(tǒng)達到了穩(wěn)定導(dǎo)體的狀態(tài)，
實際上M;,M^不變并不i兌明7;、『2和r3、 r4 本身不變，即不說明系統(tǒng)導(dǎo)熱已 達到穩(wěn)定狀態(tài)，但是環(huán)境溫度的波動引起7;、 r2、 r3、 7;的波動，只要相對r,、 r2來說4艮小，就仍然可認為系統(tǒng)已近似達到穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。 實施例二對于高溫易燃液體來說，內(nèi)管溫度過高是很危險的。因此，本實施例在實 施例一的基礎(chǔ)上進行了改進，以適用高溫易燃液體導(dǎo)熱系數(shù)的測量。如圖2所示，雙層管的尺寸結(jié)構(gòu)與實施例一相同，但內(nèi)管的加熱方法不同。 內(nèi)管1固定一電熱絲5，同時填充耐高溫液體6并密封，外管2裝待測液體3。測試時從外管注入口 21處注入待測液體。內(nèi)管1設(shè)置電熱絲5后注入耐高 溫液體6，填充耐高溫液體6的作用是提高熱傳導(dǎo)速度。電熱絲5外接電源，電 壓和電流測量4義。在外管側(cè)面分別設(shè)兩孔安裝2個熱電偶7?？椎闹睆?mm，兩 孔相距135 mm，分別離管的兩端的距離為55 mm。熱電偶7與微電壓測量儀或 直流電勢差計電連接，其一端緊貼內(nèi)管外壁，另一端緊貼外管內(nèi)壁。熱電偶產(chǎn) 生的溫差電動勢是很小的，必須用微電壓測量儀或直流電勢差計進行測量(可 釆用五位半數(shù)字萬用表或直流低壓電勢差計)；之所以設(shè)置兩個熱電偶7,是為 了提高測量溫度的準確性，所測溫差取它們的平均值。通電后電熱絲5產(chǎn)生的 熱量經(jīng)耐高溫液體6傳到至內(nèi)管壁，然后傳導(dǎo)至待測液體3。在通電一段時間后， 微電壓測量儀或直流電勢差計顯示溫差不再變動時，讀取熱電偶的溫差值，并 記錄電熱絲5的電壓和電流。獲得上述^L據(jù)后，可以計算出待測液體的導(dǎo)熱系 數(shù)。設(shè)內(nèi)管1的溫度為7;，半徑為r,，外管溫度為7^，半徑為/"2，管的長度為丄，S為截面面積。當被測物體上的各點溫度不隨時間變化時，該溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場。則由傅立葉定律可知0 = -^5—r (L 7)取半徑為r的液體截面，其面積為S = 2;zrZ (1.8)又由于熱源所提供的熱量為(1.9)其中，(1. 9)式中I為通過電熱絲5的電流，U為電熱絲5兩端的電壓。 則由上述三式(1.7)， (1.8)， (1.9)聯(lián)立可以得到 " (1.10)假設(shè)待測液體3的導(dǎo)熱系數(shù)在較小的溫度范圍內(nèi)為一常數(shù)，對(1.10)式 積分整理后得2" A (1.11)由于也是采用穩(wěn)態(tài)法進行測量，所以也要求在溫度達到穩(wěn)定的時候才能進 行溫度測量。按照實施例一和實施例二的方法測量的結(jié)果如下 待測液(水)在53。C時，用循環(huán)水加熱法得出的公式 A: = 0.453 ± 0.008 w/m . 。C待測液(水)在42。C時，用電熱絲加熱法得出的^^式 it = 0.349±0.001 (w/m . °C )由上可知，在不同溫度、不同管徑下，液體導(dǎo)熱系數(shù);t是不同的。以上所述實施例4叉表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細， 但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其特征在于設(shè)置一耐高溫同軸雙層管，其中外管設(shè)待測液體注入口，內(nèi)管為加熱管，內(nèi)管兩端分別與溫度控制器及顯示系統(tǒng)相連，然后將待測液體裝于內(nèi)、外管之間的夾層內(nèi)，再使內(nèi)管溫度上升，當內(nèi)、外管之間達到熱平衡時，測出內(nèi)、外管層間的溫度差，計算出內(nèi)管提供的熱量，利用傅立葉導(dǎo)熱基本定律，得到液體導(dǎo)熱系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其特征在于所 述使內(nèi)管溫度上升之方法為在內(nèi)管中插入一根電熱絲，同時填充耐高溫液體， 測試時，在電熱絲上通以電流，使其溫度上升；或在內(nèi)管內(nèi)注入可循環(huán)流動的 高溫液體，使內(nèi)管溫度上升。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其特征在于所述 高溫液體的溫度高于待測液體IO'C。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其特征在于所述 內(nèi)管采用電熱絲加熱時，其液體導(dǎo)熱系數(shù)表達式為式中/ -通過電熱絲的電流； [/ -電熱絲兩端的電壓； 石-內(nèi)管的溫度； ^ -內(nèi)管半徑； ^ -外管溫度；"2 -外管半徑；丄 -外管的長度。
5.如權(quán)利要求2所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其特征在于所述 內(nèi)管采用溫度恒定、流速穩(wěn)定之循環(huán)水加熱時，其液體導(dǎo)熱系數(shù)表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>式中c -循環(huán)水的比熱；p-循環(huán)水的密度；f - a/時間內(nèi)循環(huán)水水流的體積；T -內(nèi)管的溫度；-內(nèi)管半徑； ^ -外管溫度；^ -外管半徑；z -外管的長度； △r2 -內(nèi)管兩端溫差； at;-內(nèi)外管溫度差。
6. —種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于包括耐高溫同軸雙層管以 及與微電壓測試儀或直流電勢差計連接的熱電偶；所述雙層管內(nèi)管為加熱管， 內(nèi)置熱源，內(nèi)管兩端連接溫度控制器或顯示系統(tǒng)；內(nèi)、外管之間盛裝待測液體， 外管設(shè)有待測液體注入口；所述熱電偶置于外管中，其兩端分別緊貼內(nèi)管外壁 和外管內(nèi)壁。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述 外管的長度與外管半徑之比大于10。
8. 如權(quán)利要求6所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述 熱源為溫度恒定、流速穩(wěn)定之循環(huán)水；或為外接電源的電熱絲以及耐高溫液體。
9. 如權(quán)利要求6所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述 顯示系統(tǒng)包含溫度顯示器、電壓指示器和電流指示器。
10. 如權(quán)利要求6所述的一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，其特征在于所 述熱電偶至少為2個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量液體導(dǎo)熱系數(shù)的方法及其裝置。本發(fā)明采用穩(wěn)態(tài)熱線法原理測量液體導(dǎo)熱系數(shù)，通過傅立葉導(dǎo)熱基本定律分別推導(dǎo)出在一維穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，使用不同熱源時的液體導(dǎo)熱系數(shù)計算公式，然后計算熱源產(chǎn)生的熱量即傳導(dǎo)的熱量，測量在達到熱平衡時熱量傳導(dǎo)方向上特定點的溫度差，從而計算出待測液體的導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明采用耐高溫同軸雙層管，內(nèi)管為溫度穩(wěn)定的加熱管，內(nèi)管和外管的層間裝待測液體，外管長度與外管外徑之比大于10。內(nèi)管的加熱可以采用恒溫勻速的循環(huán)水；也可以采用電熱絲法加熱，同時填充耐高溫液體。前者適用于一般液體，后者適用于高溫易燃液體。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、使用范圍廣，而且測試的準確度高，能夠簡單準確的測量大部分液體的導(dǎo)熱系數(shù)。
文檔編號G01N25/18GK101113963SQ20071007629
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者吳永剛 申請人:吳永剛