CN103278528A - 一种测量粉体导热系数的装置及方法 - Google Patents

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

一种测量粉体导热系数的装置及方法

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（τ_min,θ_min）和（τ_max,θ_max）代入公式

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_{\max }-\ln {\mathrm{\τ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min }}$

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。

$q=\frac{\mathrm{UI}}{l}---\left(1\right)$

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（τ_min,θ_min）和（τ_max,θ_max）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。

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_{\max }-\ln {\mathrm{\τ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min }}---\left(2\right)$

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……L_i，粉体物料的对应的密度为ρ₀、ρ₁、ρ₂……ρ_i，可用公式（4）和（5）计算得出，分别测量ρ_i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λ_i。

料室初始体积：

V₀=WHL₀      (3)

ρ₀=m/V₀      （4）

ρ_i=ρ₀(L₀/L_i)      （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（τ_min,θ_min）和（τ_max,θ_max）代入公式

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_{\max }-\ln {\mathrm{\τ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min }}$

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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