CN103278528A - 一种测量粉体导热系数的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量不同松密度下粉体导热系数的装置和方法,该方法包括:电热丝电流及其两端电压的测量;电热丝温度的测量;粉体物料温度的测定;粉体压力的测定;计算粉体松密度;计算电热丝单位长度发热功率;计算传热系数。一种测量不同松密度下粉体导热系数的装置,由工作台、底板、侧板、料室、盖板、推板、液压推进装置、电热丝、热电偶丝、稳压直流电源、压力传感器及加热板等构成。液压推进装置同步同速对称推进推板,压实粉体物料,改变松密度。通过测量两推板的位移,计算出相应的粉体松密度。电热丝安装在两侧板的中心点处,与稳压直流电源形成闭合回路。本发明据时间-温度对数曲线计算导热系数,能准确测量不同松密度下粉体材料的导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及粉体材料不同松密度下导热系数测量的装置和方法,特别涉及与弹性体粉体导热系数相关的设备设计领域。
背景技术
粉体材料具有较大的可压缩性,不同压力下对应着不同的松密度(孔隙率)。由于静止空气的导热系数比固体的导热系数小,随着松密度的升高(孔隙率的降低),其导热系数会变大。所以松密度(孔隙率)的改变会对粉体材料的导热系数产生巨大的影响。导热系数的大小直接关系到材料传热性能的好坏,影响着加热设备的设计或选择。在加工粉体材料的挤出设备、搅拌设备的设计中,起着至关重要的作用。
热线法是一种物质导热系数非稳态测试方法,它具有简便、快速、易于操作、精确、实验设备简单等优点,从而在工程技术和科学研究中得到了广泛的应用。按国家标准(GB/T10297—1998)热线法适用于导热系数小于2W/(m·K)的各向同性均质固体材料的导热系数的测定。
在实际生产中,例如,双螺杆挤出胶粉的过程中,随着螺距的变化,胶粉松密度(孔隙率)会发生变化。不同螺纹元件内的胶粉会有不同的导热系数。精确测量胶粉导热系数-松密度关系曲线会对操作工艺、参数设定以及螺杆的设计组合提供有效的帮助。但是目前没有专门的测试不同松密度下粉体导热系数的装置。本文在热线法测试装置的基础上,发明设计了一种改变粉体松密度的装置,以此来测量不同松密度下粉体试样的导热系数。本发明将会对粉体工业的设计、生产提供基础数据。
发明内容
本发明的目的在于:通过提供一种测量粉体导热系数的装置,以实现在不同松密度,温度和压力下对粉体材料导热系数的测定。
一种测量粉体导热系数的装置,其特征在于:应用如下装置进行不同松密度下粉体导热系数的测量,其装置的构成如图1和图2所示。
一种粉体材料导热系数测量装置,其特征在于:
两个液压推进器上的推进板、两个侧板、盖板和底板构成密闭的料室;盖板上安装压力传感器;电热丝两端固定在料室的两个侧板的中心点处,通过导线引出,连接稳压直流电源;电热丝的中心点处连接热电偶丝,实时测量电热丝温度值;两个加热板分别固定在两个侧板的外侧,对料室内的待测物料加热控温,将温度稳定控制在待测量温度点;整个装置固定在工作台上。
进一步,电热丝的长径比为100~120。
进一步,热电偶丝测温端直径与电热丝直径的比值为0.6~1。
进一步,电热丝直径为0.4~0.5mm,有效长度为50~60mm,热电偶丝测温端直径为0.3~0.4mm。
电热丝长径比100~120,是为了满足无限长热源的假设要求;电热丝测温端直径与电热丝直径之比为0.6~1,是为了电热丝测温端能够有效准确的测量电热丝的温度。
将待测物料装满料室,液压推进器推动推进板沿长度方向上同步同速相向移动某一距离,挤压待测物料,改变粉体的松密度;稳压直流电源加热电热丝,记录电流值和电热丝两端电压值,计算出热线单位长度发热功率q;
热电偶丝测量电热丝的温度变化,得到温度-时间对数关系曲线;从该曲线中的直线段两个端点选取对应的时间和温度,即(τmin,θmin)和(τmax,θmax)代入公式
计算得到导热系数;根据推板移动不同的距离,得到不同的松密度,重复上述方法测量计算得到不同松密度下粉体的导热系数。
本发明可用于各种粉体或细微颗粒,在不同松密度、不同温度、不同含湿率下导热系数测量。
附图说明
图1粉体材料导热系数测量装置的示意图。
1工作台,2底板,3侧板,4料室,5盖板,6推板,7液压推进器,8热电偶槽,9电热丝引出孔,10压力传感器。
图2料室放大示意图。
11电热丝,12热电偶丝,13加热板,14待测物料,15稳压直流电源
图3温升-时间对数曲线(θ-温升,单位°C,τ-时间,单位,s)
图4L1=130mm时电热丝温度-时间对数曲线
图5常温下胶粉松密度与导热系数的关系曲线
具体实施方式
两个液压推进器7上的推进板6、两个侧板3、盖板5和底板2构成密闭的料室4。盖板5上安装压力传感器10。电热丝11两端固定在料室的两个侧板3的中心点处,通过导线引出,电热丝直径为0.4~0.5mm、有效长度为50~60mm,连接稳压直流电源15。电热丝11的中心点处连接热电偶丝12,热电偶丝测温端直径为0.3~0.4mm,实时测量电热丝11温度值。加热板13,对料室4内的待测物料加热控温,将温度稳定控制在待测量温度点。整个装置固定在工作台1上。
应用所述装置进行测量粉体导热系数的方法,其特征在于:
将待测物料14装满料室4,两个液压推进器7上的推进板6沿长度方向上同步同速相向推进,将待测物料14挤压,改变粉体的松密度。通过稳压直流电源15加热电热丝11,记录相应的电流值I和电热丝两端电压值U,并通过公式(1)计算热线单位长度发热功率q。
式中,l为电热丝有效长度,单位m,q为热线单位长度的发热功率,单位W/m。
通过热电偶丝12测量电热丝11的温度变化,得到温度-时间对数关系曲线,如图3。从该曲线中的直线段两个端点选取对应的时间和温度,即(τmin,θmin)和(τmax,θmax)代入公式(2)计算得到导热系数。根据推板移动不同的距离,得到不同的松密度,重复上述方法测量计算得到不同松密度下粉体的导热系数。
料室的宽为W,高为H,初始长度为L0,料室内物料的质量为m。液压推进器推动推板改变料室的长度分别为L1、L2……Li,粉体物料的对应的密度为ρ0、ρ1、ρ2……ρi,可用公式(4)和(5)计算得出,分别测量ρi对应下的电热丝的温度与时间的关系曲线,根据公式(1)、(2)计算出导热系数λi。
料室初始体积:
V0=WHL0 (3)
ρ0=m/V0 (4)
ρi=ρ0(L0/Li) (5)
实施例1:将常温下,质量m=288.12g的待测胶粉装满料室,盖上盖板。料室初始的尺寸:宽W=70mm、高H=70mm、长L0=150mm。电热丝的有效长度l=60mm。两个液压推进器上的推板沿长度方向上同步同速相向推进,分别移动不同的距离,将待测胶粉挤压,通过公式(3)和(4)分别计算出相应的胶粉松密度。当推板移动到L1=130mm的距离后,根据公式(3)和(4)得到胶粉松密度ρ1=0.452g/cm3。通过稳压直流电源开始加热电热丝,并读取电流值I1=0.110A和电压值U1=24.01V,根据公式(1)计算单位长度上的加热功率q1=2.634W/m。热电偶丝测量电热丝的温度变化,得到电热丝的温度-时间对数关系曲线,如图4所示。从该曲线中的直线段两个端点选取对应的时间和温度分别为(21.8,5.3)和(21.8,5.7)代入公式(2)计算得到导热系数λ1=0.0327W/(m·K)。重复上述方法测量计算得到不同松密度下粉体的导热系数。具体测量计算结果见表1。
表1常温下胶粉松密度和导热系数的测量计算结果
测量温度:20°C
根据实验测量的数据以及计算的结果,绘制出常温下胶粉松密度与导热系数的关系曲线,如图5所示。
以上具体实施方式所述,仅为用以说明本发明的一个实例,而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离本发明提出的保护范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种粉体材料导热系数测量装置,其特征在于:
两个液压推进器上的推进板、两个侧板、盖板和底板构成密闭的料室;盖板上安装压力传感器;电热丝两端固定在料室的两个侧板的中心点处,通过导线引出,连接稳压直流电源;电热丝的中心点处连接热电偶丝,实时测量电热丝温度值;两个加热板分别固定在两个侧板的外侧,对料室内的待测物料加热控温,将温度稳定控制在待测量温度点;整个装置固定在工作台上。
2.根据权利要求1所述的粉体材料导热系数测量装置,其特征在于:电热丝的长径比为100~120。
3.根据权利要求1所述的粉体材料导热系数测量装置,其特征在于:热电偶丝测温端直径与电热丝直径的比值为0.6~1。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的粉体材料导热系数测量装置,其特征在于:电热丝直径为0.4~0.5mm,有效长度为50~60mm,热电偶丝测温端直径为0.3~0.4mm。
5.应用如权利要求1所述装置进行粉体材料导热系数的测量方法,其特征在于:将待测物料装满料室,液压推进器推动推进板沿长度方向上同步同速相向移动某一距离,挤压待测物料,改变粉体的松密度;稳压直流电源加热电热丝,记录电流值和电热丝两端电压值,计算出热线单位长度发热功率q;
热电偶丝测量电热丝的温度变化,得到温度-时间对数关系曲线;从该曲线中的直线段两个端点选取对应的时间和温度,即(τmin,θmin)和(τmax,θmax)代入公式
计算得到导热系数;根据推板移动不同的距离,得到不同的松密度,重复上述方法测量计算得到不同松密度下粉体的导热系数。
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