CN107843347B - 一种多孔介质三维温度分布测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多孔介质三维温度分布测量方法，利用瞬态导热系数测量装置在线测量堆积多孔介质的有效导热系数等热物理参数和热中心温度，同时利用非接触测温装置和技术测量堆积多孔介质的外表面温度分布；最后根据建立的导热微分方程组和单值性条件求解得到三维温度场。本发明采用瞬态法在线测量有效导热系数，不受化学反应干扰，可在线完成；采用非接触测温，可降低和消除非接触测温干扰；应用传热学知识得到的导热微分方程组适用在不同领域和物理背景，计算误差较小。本发明可以广泛应用在涉及微小尺度多孔介质的温度测量以及传热传质研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔介质三维温度分布测量方法，特别是一种用于微小尺度堆积多孔介质的三维温度分布测量方法。
背景技术
一直以来，多孔介质的传热传质研究是传热传质领域关注的焦点和难点，目前，尤其较少文献涉及多孔介质的温度测量，并且微小尺度极大地提升了难度，相对于一般尺度而言，微小尺度极大地提升了难度，接触式测温会产生相对较大的干扰和误差，并且容易移动位置，同时非接触测温不透光，核磁、层析和磁扫描测温技术远远还不成熟，并且成本很高，故对于微小尺度多孔介质三维温度场的测量困难重重。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种适用于微小尺度堆积多孔介质三维温度分布测量方法。
本发明的技术方案是要测量微小尺度堆积多孔介质的三维温度分布，包括如下步骤，首先在堆积多孔介质的热中心（几何中心）布置瞬态导热系数测量装置，在堆积多孔介质的四周布置非接触测温装置；然后利用瞬态导热系数测量装置在线测量堆积多孔介质的有效导热系数等热物理参数和堆积多孔介质的热中心温度，同时利用非接触测温装置和技术测量堆积多孔介质的外表面温度分布；最后，基于上述步骤得到的有效导热系数、热中心温度等热物理参数和外表面温度分布，根据建立的导热微分方程组和单值性条件求解得到堆积多孔介质的三维温度场。
所述瞬态导热系数测量装置可以是探针法和热线法等非稳态测量导热系数的装置。
所述非接触测温装置可以是红外热像仪等非接触方法测量温度分布的装置。
所述导热微分方程组和单值性条件是依据传热学理论，根据堆积多孔介质的几何模型和物理模型建立的，并可通过数学解析方法和数值方法求解。
本发明的有益效果是，本发明采用瞬态法在线测量多孔介质的有效导热系数，不受化学反应干扰，在线完成测试，不受多孔介质堆积状态影响；采用非接触测温，提高测温精度，无需接触式布点测温便可得到温度分布，可降低和消除非接触测温干扰，不受微小尺度限制，测温精度高；应用传热学知识得到的导热微分方程组可适用在不同领域和物理背景的多孔介质，数学求解可以到解析解，即便复杂问题也可得到数值解，方法成熟可靠，计算误差较小。本发明可以广泛应用在涉及微小尺度多孔介质的温度测量以及传热传质研究。
附图说明
附图1是本发明实施例的原理示意图。
附图2 是本发明实施例得到的不同时刻的热像图。
附图3是本发明实施例得到的典型时刻的表面温度分布。
附图４是本发明实施例得到的典型时刻的三维温度分布。
其中，1、探针，2、红外热像仪探头，3、微小反应器，4、恒温器，5、进样阀，6、恒流泵，7、数据采集处理模块，8、计算机，９、稳压电源。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
应用本发明技术方案，采用红外热成像测温手段，与探针测量热物理参数相结合，实施了多孔介质堆积固定床微小反应器三维温度分布的测量和重构。微小反应器3为圆柱型，采用同轴套管的形式，套管材料为透红外玻璃管（5~13μm波长范围红外光透过率为0.93），有效长度为100mm，内径分别为10mm和25mm，壁厚为1mm，且内外管间布置间隔5mm环状空气层起热绝缘作用，同时对红外热成像法中辐射的影响可以忽略不计，内外管两端由硅胶垫圈与带有螺纹的SLA堵头密封并固定，堵头内固定有微孔滤布以防止泄露。微小反应器3固定在可调节支架上，周围布置绝热板，减小环境温度辐射对其的影响。***原理如图1所示，在微小反应器3内部堆积填充多孔介质（吸附过氧化氢酶的732型阳离子交换树脂颗粒，0.8~0.9mm）为固定床形式，连接***流路，调节恒温器4控制微小反应器3入口处的温度，进样阀5用于进样，实现微小反应器3内的可控的化学反应，恒流泵6以恒定流量将溶液注入微小反应器3。具体测试步骤如下：首先在微小反应器3中心轴线放置探针1用以在线测量有效导热系数，探针1的加热丝所需恒定电压由稳压电源9提供，在微小反应器3的四周均匀布置三组红外热像仪探头2以全面测量堆积多孔介质的外表面温度；然后利用探针1在线测量微小反应器3内堆积多孔介质的有效导热系数等热物理参数，并得到中心轴线位置的温度，同时调整红外热像仪探头2的角度和焦距，测量微小反应器3外表面的温度分布和变化，由于采用的是透红外玻璃，故红外热像仪探头2能够感测到微小反应器3内堆积多孔介质的外表面温度分布和变化，上述信号经数据采集模块8引入计算机9处理，得到如图2和图3所示微小反应器内堆积多孔介质的典型温度热像图和表面温度分布；最后，基于上述步骤得到的中心温度、有效导热系数等热物理参数和外表面温度分布，依据传热学理论，微小反应器为圆柱型固定床，并假定多孔介质材料均匀且各向同性，流速较小流动为稳态层流，并且为不可压缩流体，流体和多孔介质固相骨架处于局部热平衡状态，得到如下导热微分方程组和单值性条件，数学解析求解后得到微小反应器内堆积多孔介质的三维温度场，如图4所示。
其中：
T为流体的温度；
t为多孔介质（树脂）的温度；
Cg为流体的比热；
Cs为多孔介质（树脂）的比热；
Kc为有效导热系数；
ρg为流体的密度；
ρs为多孔介质（树脂）的比热；
G流体的质量流速；
h为流体与多孔介质（树脂）的换热系数；
ε为多孔介质（树脂）的空隙率；
γ化学反应速率；
ΔH化学反应焓变；
t0初始温度；
ti中心轴线温度；
x为轴向坐标；
r为径向坐标。
τ为时间；
R为微小反应器的半径。
Claims (1)
1.一种多孔介质三维温度分布测量方法，其特征在于，应用于多孔介质堆积固定床微小反应器的三维温度分布测量，包括如下步骤：
1）在圆柱型微小反应器（3）中心轴线放置探针（1）用以在线测量有效导热系数，在所述微小反应器（3）的四周均匀布置三组红外热像仪探头（2）以全面测量外表面温度；
2）利用所述探针（1）在线测量所述微小反应器（3）内多孔介质的有效导热系数，并得到中心轴线位置的温度，同时调整所述红外热像仪探头（2）的角度和焦距，测量所述微小反应器（3）内堆积多孔介质的外表面温度分布；
3）基于上述步骤得到的所述中心轴线的温度、所述有效导热系数和所述外表面温度分布，依据传热学理论，得到导热微分方程组和单值性条件，所述导热微分方程组和单值性条件为：
其中：
T为流体的温度；
t为多孔介质（树脂）的温度；
Cg为流体的比热；
Cs为多孔介质（树脂）的比热；
Kc为有效导热系数；
ρg为流体的密度；
ρs为多孔介质（树脂）的比热；
G流体的质量流速；
h为流体与多孔介质（树脂）的换热系数；
ε为多孔介质（树脂）的空隙率；
γ化学反应速率；
ΔH化学反应焓变；
t0初始温度；
ti中心轴线温度；
x为轴向坐标；
r为径向坐标；
τ为时间；
R为微小反应器的半径；
4）数学解析求解后得到所述微小反应器（3）内堆积多孔介质的三维温度场。
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