CN103969288B - 一种低温区导热系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温区导热系数测试装置，包括低温绝热压力容器和气体回收装置，低温绝热压力容器底部设有电热增压装置和支撑架，支撑架上设有测试组件容器，低温绝热压力容器顶部设有绝热容器盖，绝热容器盖上依次设有进气口、安全阀接口、中心引线接口、传感器接口和排气口；测试用气瓶通过进液电动阀与进气口相连，安全阀接口连有安全阀，测试组件引线通过不锈钢软管与中心引线接口连接；低温绝热压力容器内还设有通过引线与计算机相连的液位传感器和温度传感器，气体回收装置位于排气口的出口端；本发明采用多种液态气体介质组合，根据液体沸点与环境压力对应的原理，克服单一液态气体通过流量控制温度的准确度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及低温环境测试领域，特别是一种低温区导热系数测试装置。
背景技术
导热系数是物质的基本热物性参数之一。目前，随着低温技术的快速发展，液氮、液氧和LNG等低温液体在民用生活、工业、医疗、航空航天等各领域应用越来越广泛，运输及保存这些低温液体需要导热系数极低的固体绝热材料，而绝热材料导热系数在低温区的数据相当缺乏，给研究工作带来不便。
导热系数的测量方法有稳态法和非稳态法两种，测量低温导热系数时，任何一种方法都需要稳定的低温环境。目前，各研究所、公司单位大多采用液氮这一单一介质作为环境冷源，通过控制液氮输入量来实现低温环境。当所需环境温度高于液氮沸点后，温度实际由低温氮气来控制，但这种方法实现的温度场分布不均，温度精度不高。
发明内容
为解决单一冷源控制温度精确度不高的问题，本发明提供一种可实现温度精确控制的低温区导热系数测试装置，该装置采用多种制冷剂的压力控制的方法，只需计算出环境所需温度（制冷液体的沸点温度）对应的压力值，通过控制电热增压装置和调压电动阀，即实现精确控制温度的目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种低温区导热系数测试装置，其特征在于，低温绝热压力容器底部设有电热增压装置和支撑架，支撑架上设置有测试组件容器；低温绝热压力容器顶部设有绝热容器盖，绝热容器盖上依次设有进气口、安全阀接口、中心引线接口、传感器接口以及排气口；测试用气瓶通过进液电动阀与进气口相连，安全阀通过安全阀接口与容器内部连接，测试组件引线通过不锈钢软管与中心引线接口连接；低温绝热压力容器内还设有液位传感器和温度传感器，它们的引线通过传感器接口分别经信号转换控制模块与计算机连接，排气口的出口端连有气体回收装置。
优选的，本发明中，电热增压装置包括圆形电加热薄膜、保护壳体和电线，其中，圆形电加热薄膜紧贴保护壳体上表面，保护壳体焊接在低温绝热压力容器底部中心并设有电线开口，电线越过电线开口与传感器接口与可编程电源连接，并通过计算机控制电源的通断。
优选的，本发明中，测试用气瓶与进液电动阀的管路之间还设有热交换器，热交换器通过电动阀连有液氮瓶。
优选的，本发明中，所述测试用气瓶内装有液氮；氪气、制冷剂R23或制冷剂R125中的一种。
优选的，本发明中，所述述气体回收装置包括缓冲容器和收集容器，缓冲容器顶部设有第一进气口与第一排气口，第一排气口出口端依次设有第二手动阀和第三压力传感器，收集容器顶部设有第二进气口，第二进气口入口端依次连有第二压力传感器和第三手动阀，第三手动阀入口端设有四通；排气口的出口端、第二手动阀出口端均设有三通，排气口的出口端由三通经过管路，一路经第一手动阀与四通对接，一路依次经第一压力传感器、调压电动阀、第一单向阀与第一进气口对接；第二手动阀出口端由三通经过管路，一路经压缩机与四通对接，一路依次经第二单向阀、真空泵与四通对接。
本发明中，所述的低温绝热压力容器按照大口径液氮容器GB/T14174-2012标准制造。
本发明利用液体的沸点依所处环境压力的变化而变化，当液体所受的压力增大时，沸点升高；压力减小时，沸点降低。通过改变容器内的压力环境，得到对应的液态沸点温度，通过测试组件的内部加热量和外部环境加热量加热使之稳定在沸点。加热功率、外界环境对低温绝热压力容器(包括连接管路)的加热量与测试组件加热量之和大于等于低温绝热压力容器内液体保持在沸点温度所需的热量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)通过控制电热增压装置和调压电动阀来调节低温绝热容器内压力，使液态气体始终处于沸点温度，提高了控制精度；
(2)处于沸点温度的液体，其内部的温度均匀性要极大的优于气体，提高了环境温度的稳定性；
(3)本发明同时适用于实现稳态法和瞬态法测量导热系数的低温稳定环境，具有普遍适用性；
(4)本发明可以根据实际需要，任意选择液态气体工质，如以液氮实现-195.8～-153℃温区，液态氪实现-153～-82℃温区，制冷剂R23实现-82～-48℃温区，制冷剂R125实现-48～25℃温区，可以通过搭配多种的液态气体工质以得到更广泛的低温下的温区；
(5)低温绝热容器按照GB/T14174-2012标准制造，绝热效果好，有利于温度环境的稳定。
附图说明
图1为液位控制原理示意图。
图2为压力控制原理示意图。
图3为压缩机控制原理示意图。
图4为低温区的导热系数测试装置控制原理示意图。
图5为低温区的导热系数测试装置结构示意图。
其中，1-1测试用气瓶，1-2液氮瓶，1-3电动阀，1-4热交换器，1-5进液电动阀，1-6进液口，1-7安全阀，1-8安全阀接口，1-9测试组件引线，1-10中心引线接口，1-11传感器接口，1-12排气口，1-13第一压力传感器，1-14调压电动阀，1-15液位传感器，1-16支撑架，1-17温度传感器，1-18电热增压装置，1-19测试组件容器，1-20低温绝热压力容器；1-21不锈钢软管，1-22绝热容器盖；
2-1缓冲容器，2-2第一单向阀，2-3第一手动阀，2-4压缩机，2-5第二手动阀，2-6第二单向阀，2-7真空泵，2-8第三手动阀，2-9第二压力传感器，2-10收集容器，2-11第二进气口，2-12第一排气口，2-13第一进气口，2-14第三压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1以稳态防护热板法为例对测试绝热材料进行低温区导热系数测试
如图5所示，低温区导热系数测试装置包括低温绝热压力容器1-20和气体回收装置，低温绝热压力容器1-20底部设有电热增压装置1-18和支撑架1-16，测试组件容器1-19位于支撑架1-16上；低温绝热压力容器1-20顶部设有绝热容器盖1-22，绝热容器盖1-22上设有进液口1-6、安全阀接口1-8、中心引线接口1-10、传感器接口1-11以及排气口1-12；测试用气瓶1-1通过进液电动阀1-5与进液口1-6相连，测试用气瓶1-1与进液电动阀1-5管路之间还设有热交换器1-4，热交换器1-4通过电动阀1-3连有液氮瓶1-2，安全阀1-7通过安全阀接口1-8与低温绝热压力容器1-20内部连接，测试组件引线1-9通过不锈钢软管1-21、中心引线接口1-10引出低温绝热压力容器1-20；低温绝热压力容器1-20内还设有液位传感器1-15和温度传感器1-17，它们的引线通过传感器接口1-11引至低温绝热压力容器1-20外再分别经信号转换控制模块与计算机连接，所述信号转换控制模块包括可编程逻辑控制器（PLC）、D/A模块和A/D模块；排气口1-12的出口端连有气体回收装置；
本实施例中，气体回收装置包括缓冲容器2-1和收集容器2-10，缓冲容器2-1顶部设有第一进气口2-13与第一排气口2-12，第一排气口2-12出口端设有第二手动阀2-5和第三压力传感器2-14，收集容器2-10顶部设有第二进气口2-13，第二进气口2-13入口端依次连有第二压力传感器2-9和第三手动阀2-8，第三手动阀2-8入口端设有四通；排气口1-12的出口端、第二手动阀2-5出口端均设有三通，排气口1-12的出口端由三通经过管路，一路经第一手动阀2-3与四通对接，一路依次经第一压力传感器1-13、调压电动阀1-14、第一单向阀2-2与第一进气口2-13对接；第二手动阀2-5出口端由三通经过管路，一路经压缩机2-4与四通对接，一路依次经第二单向阀2-6、真空泵2-7与四通对接。
本实施例中，电加热增压装置1-18包括：圆形电加热薄膜、保护壳体、电线，其中：圆形电加热薄膜紧贴保护壳体上表面，其加热功率为20W；保护壳体焊接在低温绝热压力容器底部中心并设有电线开口，电线越过电线开口并通过传感器接口与可编程电源连接，并通过计算机控制电源的通断。
本实施例中，低温绝热压力容器1-20按照大口径液氮容器GB/T14174-2012标准制造，保证良好的绝热性能，其设计压力为3.5Mpa，安全阀打开压力为3Mpa，保证安全，
本实施例中，测试用气瓶1-1用于提供测试环境所需的低温液体，内装高压氪气，由热交换器1-4转化为液态气体后，再由进液电动阀1-4进入低温绝热压力容器1-20内，热交换器1-4由液氮瓶1-2提供液氮作为所需的冷却剂。
本实施例中，测试组件容器1-19、缓冲容器2-1和收集容器2-10均由奥氏体304不锈钢制成，测试组件容器1-19内部安装测试组件，缓冲容器2-1出口处第二手动阀2-5工作时一直打开，工作结束后关闭，收回气体时从此处拆卸开；收集容器2-10设计压力20Mpa，第二压力传感器2-9用于感受收集容器2-10的压力，经信号转换控制模块传送至计算机，便于监控，防止超压。第三手动阀2-8在工作时打开，工作结束时关闭，并从此位置拆卸收集容器2-10。
本实施例中，防护热板测试组件结构根据GB/T10294-2008/ISO8302:1991《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-防护热板法》要求组装，冷板紧贴测试组件容器1-19顶部和底部，以保证良好的传热效果。
本实施例的工作过程：
查阅资料组合出实现温度区间所需的液态气体方案，确定好需要控制的温度点，并计算得到与温度对应的压力，通过组态王程序中的PID设定界面设置参数，给出给定值，另设计好工作控制界面，数据采集库等，再将各类引线和信号转换模块连接，而后调试组态王程序工作正常。
本实施例以高压氪气实现-145～-105℃的温区，以每10℃为一个控制点，计算出对应的压力值如下表所示，将下列温度在组态王程序中编制为手动控制点。
将防护热板测试组件按GB/T10294-2008/ISO8302:1991标准组装好置入测试组件容器1-19内，冷板紧贴测试组件容器顶部和底部，以保证良好的传热效果，测试组件引线1-9，即加热器电线和温度传感器引线经不锈钢软管1-21、中心引线接口1-10分别与测试用电源和信号转换控制模块连接以加热和采集数据。
打开第一手动阀2-3、第二手动阀2-5和第三手动阀2-8，开启真空泵2-7将低温绝热压力容器1-20、缓冲容器2-1和收集容器2-10抽真空至10-3Pa后关闭真空泵2-7，同时关闭第一手动阀2-3，由组态王程序中的液位信息通过信号转换控制模块控制进液电动阀1-5和电动阀1-3同时打开，向低温绝热压力容器内充入液态气体，在组态王程序中选择预先设定的第一个温度值-145℃，电热增压装置1-18加热使液氪沸腾并通过第一压力传感器1-13采集的信息经计算机对比后发出指令至信号转换控制模块控制调压电动阀1-14使压力稳定在对应的0.186MPa，再根据温度传感器1-17、第一压力传感器1-13和液位传感器1-15采集的信息经信号转换控制模块传输至计算机与组态王程序初始设定的液位信息与压力值进行PID控制，通过组态王程序发出指令经可编程电源控制电加热增压装置1-18工作时机、同时向信号转换模块发出信号后控制调压电动阀1-14、进液电动阀1-5和电动阀1-3的打开时机，使温度环境稳定；低温绝热压力容器1-20内的液体温度稳定后，待到测试组件内的温度传感器采集的温度值稳定后，根据双试件稳态防护热板法测试原理实施，并通过组态王程序中的数据库采集第一组实验数据，结束后，在组态王程序中手动切换至第二个温度点-135℃，依次进行。当一种工质所实现的温区完成后，打开第一手动阀2-3和第三手动阀2-8，收集容器2-10可收集低温绝热容器1-20内经排气口1-12、第一手动阀2-3和第三手动阀2-8排出的气体，低温绝热容器1-20内的液态气体排尽后，进行清洗，更换盛装其他低温液体测试用气瓶。
进液电动阀1-5设置在液态气体进口管路上，电动阀1-3设置在液氮瓶1-2与热交换器1-4之间，其工作原理如图1所示，在计算机组态王程序中预先写入液位控制标准:当液面降低至低温绝热压力容器1-20内部高度的85％时打开进液电动阀1-5进液，当液面升高至低温绝热压力容器1-20内部高度的90％时关闭；再由液位传感器1-15采集低温绝热压力容器1-20内的液位信息传输至输入A/D模块（转换模块EM231），再由可编程逻辑控制器PLC(CPU224)连接至组态王程序，经对比后再由程序发出指令经输出D/A模块（转换模块EM232）至进液电动阀1-5和电动阀1-3控制其同时开闭。
如图2所示，电热增加装置1-18加热时机由第一压力传感器1-13采集的压力信息传输至信号转换控制模块再至计算机与组态王程序中预先设定的压力值对比后决定，当低温绝热压力容器1-20压力值小于温度点对应压力时，计算机发出指令经可编程电源至电热增压装置1-18加热增压，当低温绝热压力容器1-20压力值达到温度点对应压力时，可编程电源断电；当测试完一个温度点需要升温（即增压）时，程序会自动接通可编程电源令电热增压装置1-18为液态气体加热使其蒸发，以达到给容器增压的目的，并根据需要加热使液态工质的温度保持稳定。
压缩机2-4用于将缓冲容器2-1中的气体抽至收集容器2-10，其工作原理如图3所示，在组态王程序中预先设定:当缓冲容器2-1内压力等于低温绝热压力容器1-20内压力时，压缩机2-4通电工作；由第三压力传感器2-14采集的信息经A/D模块连接至计算机，与组态王程序中预先设定值对比后，计算机发出指令经D/A模块至压缩机，实现控制，第二单向阀2-6在压缩机工作时，防止将抽出的气体经真空泵2-7的管路回流至压缩机2-4入口处。
图4为本实施例装置工作原理示意图。
本实施例依照GB/T10294-2008/ISO8302:1991《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-防护热板法》所述测量方法，其原理为基于一维稳态传热，当测试材料两面处于不同的温度时，测量流经测试材料的有效传热面积的热流量，测试材料两表面间温差和厚度，计算其导热系数。
其中热流量是通过计算嵌入两块计量加热板之间的加热器的加热功率，以确定通过测试材料的热流量；分别测量与冷板接触侧测试材料的温度和与计量加热器接触侧测试材料的温度以获得测试材料上下表面的温度差；测试材料厚度通过卡尺测量；有效面积通过测量计量加热器直径获得。
测试容器根据测试组件的尺寸特制，测试容器的内部高度等于测试组件的高度，确保组装时测试容器的容器盖可以完全接触测试组件上部，并通过安装测试容器盖时螺栓的预紧力压紧测试组件，以使各组件之间获得良好的传热效果。计量加热板产生的热量轴向通过测试材料，并传递到外侧的两个冷板。
测试材料的导热系数根据一维稳态传热的傅里叶定律计算:
其中:Q-传递给测试材料的热量(单位:W)；λ-测试材料的导热系数(单位:W/m·K)；A-测试材料有效面积(单位:m2)；ΔT-测试材料上下表面温差(单位:K)；d-测试材料平均厚度(单位:m)。
本实施例为双测试材料保护热板装置，得出:
上下测试材料相同，即厚度相等，则导热表示为:
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的一种实施方式，具体操作过程中测试用气瓶内可装有液氮、制冷剂R23或制冷剂R125，具体应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种低温区导热系数测试装置，包括低温绝热压力容器和气体回收装置，其特征在于，低温绝热压力容器底部设有电热增压装置和支撑架，支撑架上设有测试组件容器；低温绝热压力容器顶部设有绝热容器盖，绝热容器盖上依次设有第三进气口、安全阀接口、中心引线接口、传感器接口和第二排气口；测试用气瓶通过进液电动阀与第三进气口相连，安全阀接口连有安全阀，测试组件引线通过不锈钢软管与中心引线接口连接；低温绝热压力容器内还设有通过引线与计算机相连的液位传感器和温度传感器，气体回收装置位于第二排气口的出口端；
所述气体回收装置包括缓冲容器和收集容器，缓冲容器顶部设有第一进气口与第一排气口，第一排气口出口端依次设有第二手动阀和第三压力传感器，收集容器顶部设有第二进气口，第二进气口入口端依次连有第二压力传感器和第三手动阀，第三手动阀入口端设有四通；第二排气口的出口端、第二手动阀出口端均设有三通，第二排气口的出口端由三通经过管路，一路经第一手动阀与四通对接，一路依次经第一压力传感器、调压电动阀、第一单向阀与第一进气口对接；第二手动阀出口端由三通经过管路，一路经压缩机与四通对接，一路依次经第二单向阀、真空泵与四通对接；
测试用气瓶用于提供测试环境所需的低温液体，由热交换器转化为液态气体后，再由进液电动阀进入低温绝热压力容器内，通过控制电热增压装置和调压电动阀调节低温绝热容器内压力，使液态气体始终处于沸点温度。
2.根据权利要求1所述低温区导热系数测试装置，其特征在于，所述电热增压装置包括圆形电加热薄膜、保护壳体和电线，其中，圆形电加热薄膜紧贴保护壳体上表面，保护壳体焊接在低温绝热压力容器底部中心并设有电线开口，电线越过电线开口与可编程电源连接。
3.根据权利要求2所述低温区导热系数测试装置，其特征在于，所述热交换器设置在所述测试用气瓶与进液电动阀管路之间，热交换器通过电动阀连有液氮瓶。
4.根据权利要求3所述低温区导热系数测试装置，其特征在于，所述测试用气瓶内装有液氮、氪气、R23或R125中的一种。
5.根据权利要求1-4之一所述低温区导热系数测试装置，其特征在于，所述的低温绝热压力容器按照大口径液氮容器GB/T14174-2012标准制造。
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