CN204044093U - 一种等效导热系数的测定*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等效导热系数的测定***，包括试样筒、加热***、集气***和数据采集处理***，所述试样筒包括试样筒体和试样筒盖，所述加热***包括加热装置、直流稳压电源以及交流电源，所述集气***包括集气管和集气装置，所述数据采集处理***包括探测装置、数据采集装置和数据处理装置，所述试样筒体的筒壁由内到外包括发热元件、保温层和外壳，所述试样筒盖包括上筒盖和下筒盖，上筒盖和下筒盖之间通过所述集气管和密封管相连，所述试样筒盖和所述试样筒体之间设有石墨垫圈，所述加热装置设置于试样筒的轴线位置，所述集气装置通过所述集气管从所述试样筒内部收集气体，所述探测装置设置在所述试样筒内部偏离试样筒轴线的位置。

Description

一种等效导热系数的测定***

技术领域

本实用新型涉及一种等效导热系数的测定***，尤其适用于高温分解会产生气体的物料的等效导热系数的测定。

背景技术

导热系数是指在单位梯度作用下物料单位时间内通过单位面积的热量，该物理量是表征物料导热性能的重要参数。堆积的块状物料可以视为是由多相物质共存的一种组合体，例如堆积的块煤就是由煤、煤中水分和空隙间的气体所组成的组合体。该组合体内的传热机理极为复杂，包括导热、对流及辐射三种方式，所以块状物料的导热系数实质上是三种传热形式的表观参数，是传热的总效果，故称为等效传热系数。相比于物料的导热系数，等效导热系数使得研究堆积的块状物料内部的传热过程更加简单方便。

一般情况下，物料的等效导热系数只能采用实验的方法来测量。非稳态法是最近几十年内开发出的导热系数测量方法，通过测量样品的温度分布随时间变化，从而来推算导热系数。该方法的特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低，多用于研究高导热系数物料，或在高温条件下进行测量。其中热线法的应用范围比较广泛，已在液体、粉末状、颗粒状或块状材料导热系数的测定中得到应用。热线法在测量过程中，试样的温升和温度梯度都很小，从而测得的结果可视为确定温度下的导热系数值。利用热线法测量时，试样可在特定温度下均匀加热，避免了测定较高温度下材料导热系数而出现试样表面过烧以及测量数据不能确切代表试样导热系数的问题。

目前热线法大多用于测量常温或较低温度下的物料等效导热系数，没有测量高温条件下物料的等效导热系数的装置，尤其是适合高温可产气物料的等效导热系数的测定装置。而物料的等效导热系数通常是温度的函数，在不同温度下物料的等效导热系数有较大差别。工业上的生产工况大多是在较高温度下进行，例如干馏、煅烧等，因此测量高温条件下物料的等效导热系数更为重要。

申请号为200910144808.6的发明提供了一种测量松散煤体热物性的方法及***，可以一次性同时测松散煤体热物性，包括导热系数、热扩散率和比热容。但是，该技术只能测定常温下松散煤体的热物性，不能获得高温下松散煤体的热物理性质，因此不能获得松散煤体热物性随温度的变化关系。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种块状物料等效导热系数的测量装置和方法，可以实现测量高温(<1000℃)下块状分解可产气物料(例如，块煤、废弃轮胎、固体垃圾、矿石等)的等效导热系数。

(二)技术方案

本实用新型公开了一种等效导热系数的测定***，包括试样筒、加热***、集气***和数据采集处理***，所述试样筒包括试样筒体和试样筒盖，所述加热***包括加热装置、直流稳压电源以及交流电源，所述集气***包括集气管和集气装置，所述数据采集处理***包括探测装置、数据采集装置和数据处理装置，最高测定温度1000℃，其中，所述试样筒体包括发热元件，所述发热元件与所述交流电源相连，所述试样筒盖包括上筒盖、下筒盖和密封管，所述上筒盖和所述下筒盖之间通过所述集气管和密封管相连，并且所述集气管和所述密封管贯穿所述上筒盖和所述下筒盖，所述密封管和所述试样筒盖之间设有密封装置，所述加热装置和所述探测装置分别通过所述密封管从所述密封装置中穿出，所述加热装置与试样筒外的所述直流稳压电源相连，所述探测装置与试样筒外的所述数据采集装置相连，所述集气装置通过所述集气管从所述试样筒内部收集气体，所述数据处理装置对所述数据采集装置采集的数据进行分析。

所述试样筒体的筒壁由内到外包括发热元件、保温层和外壳，所述加热装置设置于试样筒的轴线位置，所述探测装置设置在所述试样筒内部偏离试样筒轴线的位置。

进一步地，所述测定***包括循环水冷装置，所述循环水冷装置与所述上筒盖相连。

进一步地，所述集气***进一步包括气体冷却装置，其设置于所述集气管和所述集气装置之间。

进一步地，所述发热元件为高温电炉丝或者硅碳棒。

进一步地，所述试样筒盖和所述试样筒体之间设有石墨垫圈。

进一步地，所述加热装置为热线。

进一步地，所述探测装置为两根K型热电偶，所述两个K型热电偶位于以试样筒轴线为中心的同一径向平面上。

进一步地，所述数据处理装置通过热线法计算等效导热系数。

本实用新型还公开了一种等效导热系数的测定方法，所述数据处理装置通过以下步骤利用热线法计算等效导热系数：

1)在试样筒的轴线位置上***加热装置，同时在偏离加热装置中心一定距离处设置探测装置，并记录探测装置与加热装置中心之间的距离；

2)将待测试样随机装入试样筒中；

3)设定待测温度，当试样筒体内部达到待测温度后，进行保温；

4)当试样筒内试样温度到达稳定态后，设置试样筒的升温速率，开始记录时间和探测装置处的温度；

5)设定加热装置的加热功率，从加热装置接通直流稳压电源开始，记录时间和探测装置处的温度；

6)重复步骤3)至步骤5)，根据测量数据计算获得不同温度下的物料的等效导热系数。

进一步地，所述加热装置为热线，所述探测装置为两根K型热电偶，所述数据处理装置基于两根K型热电偶测量的数据计算等效导热系数进一步包括：分别在有、无接通直流稳压电源条件下记录时间和物料温度以及热线的加热功率，根据计算等效导热系数，其中，λ为导热系数，q为加热功率，r₁和r₂分别为两根K型热电偶距离试样筒轴线的距离，Δθ为q＝0时，两根K型热电偶之间的温差，Δθ'为q≠0时，两根K型热电偶之间的温差。

(三)有益效果

1)本实用新型提供了一种等效导热系数测定装置实现了高温会发生分解反应生成气体的块状物料等效导热系数的测定。

2)试样筒盖采用上、下两部分结构，上部分冷却，下部分密封，既保证橡胶盖不会在高温条件下融化而导致分解产生的气体泄露；又实现对试样筒的密封，且不会影响试样筒内的物料温度。

3)试样筒体筒壁中的发热元件采用高温电炉丝或硅碳棒，与交流电源相连，为试样提供可程序升温的热量，提供了等效导热系数测量的均匀的热环境。

4)集气***一方面可以实现热解气的存储，保证实验过程中无气体排放；另一方面，由于高温分解的气体实时从试样筒中排出，使得实验中测量出的等效导热系数包括了热解气体析出对其的影响。

5)本实用新型利用热线法可以获得不同温度下的块状物料的等效导热系数。

附图说明

图1为本实用新型***结构示意图。

图中：1：试样筒体、2：热线、3：试样筒盖(其中3-1为试样筒盖上部分，3-2为试样筒盖下部分)、4：集气管、5：热电偶、6：橡胶盖、7：循环水冷装置、8：直流稳压电源、9：气体冷却装置、10：集气装置、11：数据采集装置、12：数据处理装置、13：交流电源、14：石墨垫圈、15：密封管。

以下是具体实施方式，并结合附图对本实用新型专利作进一步说明。

具体实施方式

本实施例中的测量***如图1所示，***设置包括试样筒、加热***、集气***、数据采集处理***四个部分。

试样筒：试样筒由试样筒体1和试样筒盖3组成，试样筒体和试样筒盖之间设有石墨垫圈14进行密封。其中试样筒体1筒壁由内到外包括发热元件、保温层和外壳三个部分；发热元件采用高温电炉丝或硅碳棒，与交流电源13相连，为试样提供可程序升温的热量。为了尽量消除外部环境干扰对测量精度的影响，试样筒体1保温层为耐火纤维保温层，这种形式具有较好的保温性能，外壳为不锈钢材质。试样筒盖3分为上、下两部分，两部分仅通过集气管4和密封管15相连，其中密封管15可以***热线2和热电偶5，避免试样筒盖上、下两部分的温度相互影响。试样筒盖上部分3-1预留有集气管4、密封管15以及作为密封管与所述试样筒盖之间密封装置的橡胶盖6。上部分3-1与循环水冷装置7相连，降低集气管4和密封管15的温度，保证橡胶盖6不会在高温条件下融化而导致漏气；试样筒盖下部分3-2与石墨垫圈14和试样筒体1相连，隔绝空气，为试样升温提供密闭空间。

加热***：加热***包括两部分，一部分是为试样筒体1的发热元件提供工作电源的交流电源13；另一部分包括热线2，以及为热线2提供工作电源的直流稳压电源8。

集气***：块状物料(粒径为5～50mm)在高温下分解产生的高温气体经过集气管4导出，经过冷却装置9冷却后，进入集气装置10储存。集气***一方面可以实现热解气的存储，保证实验过程中无气体排放；另一方面，由于高温分解的气体实时从试样筒中排出，使得实验中测量出的等效导热系数包括了热解气体析出对其的影响。

数据采集处理***：数据采集处理***包括两根K型热电偶5、数据采集装置11和数据处理装置12。在偏离试样筒轴线位置上设置热电偶5，直接测量试样中的温度变化，温度测量数据由数据采集装置11进行采集，并通过编程电缆传输至数据处理装置12。

本实用新型采用热线法对块状物料等效导热系数进行测定。热线法的基本原理是测量放置在试样中线状热源的温升以及物料内部的温度分布，根据热移速度与物料特性的关系来获得物料的导热系数。

与上述***对应的具体操作步骤如下：

1、在试样筒的轴线位置上***热线，同时在偏离热线中心一定距离处设置热电偶测点，并记录距热线的距离。

2、将待测块状试样(粒径为5～50mm)随机装入试样筒中；放上石墨垫圈，盖上筒盖，并将热线和热电偶从筒盖上的密封管中穿出，用橡胶盖将密封管密封。

3、将集气管与集气***相连；筒盖上部分与循环水装置相连，并通入循环冷却水；热线与直流电源相连；两根K型热电偶与数据采集处理***相连；试样筒与交流电源相连。

4、设定待测温度，当筒体达到待测温度后，进行保温，保证筒体内试样温度分布稳定。

5、当试样筒内试样温度到达稳定态后，设置试样筒的程序升温速率，开始记录时间和热电偶处的温度。

6、设定热线的加热功率，从热线接通电源开始，记录时间和热电偶处的温度。

7、重复步骤4-6，可根据实验数据计算获得不同温度下的块状物料的等效导热系数。

8、在整个实验过程中，打开气体冷却装置，对集气管导出的热解气进行降温，便于在集气装置中进行存储。

上述步骤7中，可基于下文推导出的公式7获得不同温度下的块状物料的等效导热系数。具体的推到过程如下：

假设一无限长圆柱体，放置在温度按直线规律变化的电炉中，初始温度为常数T₀，则经过时间t后，炉温变为T_c＝T₀+Bt。在物料中心处有一条无限长的线热源，其加热功率为q(W/m)，由导热理论可知，在无限大物体内部由热源引起的温度场的变化，可由下述一维导热微分方程进行描述：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;t}=a(\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{{\&PartialD;r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r})---\left(1\right)$

θ＝T-T₀   (2)

初始条件：t＝0，θ＝0(3)

边界条件： $r=r_i,-\mathrm{\&lambda;}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}{2\mathrm{\&pi;r}}_i=q---\left(4\right)$

$r=r_o,\mathrm{\&lambda;}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=\mathrm{\&alpha;}({\mathrm{\&theta;}}_c-\mathrm{\&theta;}(r_o,t))---\left(5\right)$

根据边界条件求解上述方程，可得

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_0+\mathrm{Bt}+\frac{{q\ln r}_o}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;}}-\frac{q\ln r}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;}}+\frac{{\mathrm{Br}}_i^2}{2a}({\ln r}_o-\ln r)+\frac{B}{4a}(r_o^2-r^2)+\frac{q}{{2\mathrm{\&pi;\&alpha;r}}_o}+\frac{\mathrm{B\&lambda;}}{2\mathrm{a\&alpha;}}(\frac{r_i^2}{r_o}-r_o)---\left(6\right)$

在样品中的两个测温点r1，r2处分别测出q＝0和q≠0时的温差Δθ和Δθ'，则有

$\mathrm{\&lambda;}=q\ln \frac{r_2}{r_1}{\left[2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&Delta;\&theta;}-{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}^{\&prime;})\right]}^{-1}---\left(7\right)$

其中：

λ为导热系数，W/m-K

a为导温系数，m²/s

α为环境与圆柱体的换热系数，W/m²-K

r为样品中某一点距热线的距离，m

r_i为热线的半径，m

r_o为物料的外半径，m

t为从加热时起至测量时刻的时间，s

T为温度，℃

T_c为环境温度，℃

θ为过余温度，℃

B为加热速率，K/s

q为加热功率，W/m。

为了进一步的阐述本实用新型，下文中将会给出两个最佳实施例。

最佳实施例一：粒径为30mm煤块等效导热系数的测定

1、在试样筒的轴线位置上***直径为0.5mm镍铬热线，同时在离热线中心3mm、5mm处分别设置两个热电偶测点，并保证两个热电偶测点在同一个径向平面上。

2、称取3.01kg块煤随机堆积在试样筒中，在试样筒的顶端装上石墨垫圈，盖上筒盖，并将热线和热电偶从筒盖上的密封管中穿出，用橡胶盖将密封管密封。

3、将集气管与集气***相连；筒盖上部分与循环水装置相连，并通入循环冷却水；热线与直流电源相连；两根K型热电偶与数据采集处理***相连；试样筒与交流电源相连。

4、当试样内温度与炉膛温度一致时，控制炉膛温度按0.2℃/min的直线规律变化，从接通交流电源开始记录数据，记录时间为5min；记录完毕后，打开直流电源，给热线的输入功率为2.7w，从接通直流电源开始记录数据，记录时间为5min；记录完毕后，关闭直流电源。

5、当试样温度达到下一个温度节点100℃后，保温1h；当试样筒内试样温度到达稳定态后，重复步骤4，可以根据实验数据计算获得100℃下的块煤等效导热系数。

6、重复步骤4-5，可以根据实验数据计算分别获得200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃下的块煤等效导热系数。

7、反应结束，关闭所有电源以停止加热，待试样筒中块煤冷却后取出；排空集气***中存储的热解气；放出循环水；进行数据处理。

温度[℃]	27	100	200	300	400	500	600	700
									等效导热系数[w/m-℃]	0.1321	0.1574	0.1988	0.3074	0.3790	0.5679	0.8044	1.1264

最佳实施例二：粒径为5mm固体垃圾等效导热系数的测定

1、在试样筒的轴线位置上***直径为0.5mm镍铬热线，同时在离热线中心3mm、5mm处分别设置两个热电偶测点，并保证两个热电偶测点在同一个径向平面上。

2、称取2.65kg固体垃圾随机堆积在试样筒中，在试样筒的顶端装上石墨垫圈，盖上筒盖，并将热线和热电偶从筒盖上的密封管中穿出，用橡胶盖将密封管密封。

3、将集气管与集气***相连；筒盖上部分与循环水装置相连，并通入循环冷却水；热线与直流电源相连；两根K型热电偶与数据采集处理***相连；试样筒与交流电源相连。

4、当试样内温度与炉膛温度一致时，控制炉膛温度按0.2℃/min的直线规律变化，从接通交流电源开始记录数据，记录时间为5min；记录完毕后，打开直流电源，给热线的输入功率为3w，从接通直流电源开始记录数据，记录时间为5min；记录完毕后，关闭直流电源。

5、当试样温度达到下一个温度节点100℃后，保温1h；当试样筒内试样温度到达稳定态后，重复步骤4，可以根据实验数据计算获得100℃下的固体垃圾等效导热系数。

6、重复步骤4-5，可以分别根据实验数据计算获得200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃下的固体垃圾等效导热系数。

7、反应结束，关闭所有电源以停止加热，待试样筒中固体垃圾冷却后取出；排空集气***中存储的热解气；放出循环水；进行数据处理。

温度[℃]	15	100	200	300	400	500	600	700
									等效导热系数[w/m-℃]	0.3422	0.5614	0.7436	0.9853	1.3059	1.7316	2.2968	3.0476

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种等效导热系数的测定***，其特征在于，包括试样筒、加热***、集气***和数据采集处理***，所述试样筒包括试样筒体和试样筒盖，所述加热***包括加热装置、直流稳压电源以及交流电源，所述集气***包括集气管和集气装置，所述数据采集处理***包括探测装置、数据采集装置和数据处理装置，最高测定温度1000℃，其中，所述试样筒体包括发热元件，所述发热元件与所述交流电源相连，所述试样筒盖包括上筒盖、下筒盖和密封管，所述上筒盖和所述下筒盖之间通过所述集气管和密封管相连，并且所述集气管和所述密封管贯穿所述上筒盖和所述下筒盖，所述密封管和所述试样筒盖之间设有密封装置，所述加热装置和所述探测装置分别通过所述密封管从所述密封装置中穿出，所述加热装置与试样筒外的所述直流稳压电源相连，所述探测装置与试样筒外的所述数据采集装置相连，所述集气装置通过所述集气管从所述试样筒内部收集气体，所述数据处理装置对所述数据采集装置采集的数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述试样筒体的筒壁由内到外包括发热元件、保温层和外壳，所述加热装置设置于试样筒的轴线位置，所述探测装置设置在所述试样筒内部偏离试样筒轴线的位置。

3.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，进一步包括循环水冷装置，所述循环水冷装置与所述上筒盖相连。

4.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述集气***进一步包括气体冷却装置，所述气体冷却装置设置于所述集气管和所述集气装置之间。

5.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述发热元件为高温电炉丝或者硅碳棒。

6.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述试样筒盖和所述试样筒体之间设有石墨垫圈。

7.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述加热装置为热线。

8.根据权利要求1或2所述的等效导热系数的测定***，其特征在于，所述探测装置为两根K型热电偶，所述两根K型热电偶位于以试样筒轴线为中心的同一径向平面上。