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原文传递一种界面换热系数及材料热导率的测量装置及测量方法

专利名称：	一种界面换热系数及材料热导率的测量装置及测量方法
摘要：	一种界面换热系数及材料热导率的测量装置及测量方法，箱体一端外部固设加热组件，加热组件的加热腔与箱体内腔相连通，箱体另一端的内部设有冷却水箱，加热组件和冷却水箱之间的箱体内设有试样组件，试样组件与箱体侧壁之间通过环形的绝热保温层隔热；进排气管一端伸入加热组件的加热腔中，另一端伸出箱体外，并通过三通阀分别与外界环境和压力气源相连；加热组件的加热腔中的气压传感器、冷却水箱的压力驱动上的压力传感器分别与压力信号采集模块信号连接；试样组件上的温度采集元件与温度信号采集模块信号连接；压力信号采集模块、温度信号采集模块分别与控制模块电连接。本装置用于对热导率和固‑固界面、固液界面换热系数的测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	上海工程技术大学
发明人：	何博;田运灿;姚定烨;潘宇飞
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910221538.8
公开号：	CN110018193A
代理机构：	上海唯智赢专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李明洁
分类号：	G01N25/18(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	201620 上海市松江区龙腾路333号
主权项：	1.一种界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：箱体(2)一端外部固设加热组件(17)，加热组件(17)的加热腔与箱体(2)内腔相连通，加热组件(17)的加热腔中设有可拆卸的绝热耐高温支撑座(16)，箱体(2)另一端的内部设有冷却水箱(12)，加热组件(17)和冷却水箱(12)之间的箱体(2)内设有试样组件，试样组件与箱体(2)侧壁之间通过环形的绝热保温层(4)隔热，冷却水箱(12)紧贴试样组件一端以冷却试样组件，并且能够在压力驱动下朝向加热组件(17)对试样组件加压，或者支撑加热组件(17)，试样组件另一端伸入加热组件(17)的加热腔，绝热耐高温支撑座(16)在冷却水箱(12)对试样组件加压时支撑试样组件另一端；进排气管(13)一端伸入加热组件(17)的加热腔中，另一端伸出箱体(2)外，并通过三通阀(14)分别与外界环境和压力气源(15)相连；进排气管(13)能够向加热组件(17)的加热腔中充入压力气体或者释放加热组件(17)加热腔中的压力气体以向试样组件加压或者卸压；加热组件(17)的加热腔中设有气压传感器(18)，冷却水箱(12)的压力驱动上设有压力传感器(19)，气压传感器(18)和压力传感器(19)分别与压力信号采集模块(20)信号连接；试样组件为第一组合试样(3)，第二组合试样(23)或者第三组合试样(21)中的任意一种，其中，第一组合试样(3)包括第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)，第二组合试样(23)包括第二铸型试样(231)和盛放在绝热耐高温容器(234)中的熔融铸件金属(232)，第三组合试样(21)包括标准试样(211)和第三铸型试样(212)或第三铸件试样(213)中的一种；任一组合试样中的两试样上下紧密贴合叠放；第一铸型试样(301)，第一铸件试样(302)，第二铸型试样(231)，标准试样(211)，待测量样(212)和第三铸件试样(213)上分别沿试样轴向、间隔均匀的在试样中心处设置至少三个温度采集点，熔融铸件金属(232)底部中心处及高度中心处分别设置温度采集点，每个温度采集点上分别设有温度采集元件；所有温度采集元件均与温度信号采集模块(6)信号连接；第一铸型试样(301)和第二铸型试样(231)朝向第一铸件试样(302)和熔融铸件金属(232)的一端端面上分别覆盖铸型涂层(22)；压力信号采集模块(20)、温度信号采集模块(6)分别与控制模块电连接。 2.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)的压力驱动为液压组件(7)。 3.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述绝热耐高温容器(234)为坩埚，所述绝热保温层(4)为绝热石棉层，所述绝热耐高温支撑座(16)为多根硅酸铝支撑杆。 4.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述冷却水箱(12)通过进水管(9)与箱体(2)外的水泵(8)连接、通过出水管(10)与箱体(2)外的回收水箱(11)连接；进水管(9)和出水管(10)分别从箱体(2)上的长条形开孔(201)活动穿过，开孔长度方向沿冷却水箱(12)的加压方向；回收水箱(11)高于冷却水箱(12)配置，回收水箱(11)上部设有排水孔。 5.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)为直径相同的圆柱形试样；第二铸型试样(231)和熔融铸件金属(232)为直径相同的圆柱形试样；标准试样(211)和第三铸型试样(212)、第三铸件试样(213)为直径相同的圆柱形试样。 6.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述绝热耐高温容器(234)上下两端均为开口端，下端通过螺纹连接和陶瓷浆料焙烧固定在第二铸型试样(231)外部。 7.根据权利要求1所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置，其特征在于：所述温度采集元件为热电偶(5)。 8.一种应用权利要求1～7任一所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置进行材料热导率测量的方法，包括以下步骤：第一步，保持加热组件(17)位于箱体(2)下端、冷却水箱(12)位于箱体(2)上端的方位将箱体(2)固定，保持进排气管(13)与外界环境相连通并关闭气压传感器(18)，第三组合试样(21)安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第三组合试样(21)顶部并保持加压值为设定值；第二步，加热组件(17)以设定输出功率开始加热第三组合试样(21)下端，并经第三组合试样(21)上端传热给冷却水箱(12)，待第三组合试样(21)上每个温度采集点的温度信号稳定后通过温度信号采集模块(6)采集每个温度采集点的温度；根据第三铸型试样(212)或第三铸件试样(213)各温度采集点的温度，获得各自的轴向温度梯度值，根据标准试样(211)各温度采集点的温度获得其轴向温度梯度值；结合标准试样(211)的热导率计算待测的第三铸型试样(212)或第三铸件试样(213)的热导率，热导率公式为：式中，λ为标准试样(211)的热导率，k1为标准试样(211)的轴向温度梯度值，k为待测的第三铸型试样(212)或第三铸件试样(213)的温度梯度值；第三步，改变加热组件(17)的输出功率以改变加热温度，重复上述第二步，直至测得不同加热温度下的第三铸型试样(212)和第三铸件试样(213)的热导率。 9.一种应用权利要求1～7任一所述所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置进行固-固界面换热系数测量的方法，包括以下步骤：第一步，保持加热组件(17)位于箱体(2)下端、冷却水箱(12)位于箱体(2)上端的方位将箱体(2)固定，保持进排气管(13)与外界环境相连通并关闭气压传感器(18)，将第一组合试样(3)立式装入箱体(2)内、安放在绝热耐高温支撑座(16)上；冷却水箱(12)紧贴第一组合试样(3)顶部并保持加压值为设定值；第二步，加热组件(17)以设定输出功率开始加热第一组合试样(3)下端，并经第一组合试样(3)上端传热给冷却水箱(12)，待第一组合试样(3)上每个温度采集点的温度信号稳定后通过温度信号采集模块(6)采集每个温度采集点的温度，从而获得第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)中心处的轴向温度梯度；第三步，根据第一铸型试样(301)和第一铸件试样(302)的轴向温度分析计算界面换热系数： Ⅰ、计算通过第一铸型试样(301)横截面的热流，热流公式为：式中，Aα为第一铸型试样(301)的横截面积；λ1为第一铸型试样(301)的热导率；ΔL1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT1为第一铸型试样(301)距第一铸件试样(302)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差； Ⅱ、计算通过第一铸件试样(302)横截面的热流，热流公式为：式中，Aα为第一铸件试样(302)的横截面积；λ2为第一铸件试样(302)的热导率；ΔL2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT2为第一铸件试样(302)距第一铸型试样(301)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差； Ⅲ、计算通过界面的平均热流，平均热流公式为： Ⅳ、根据第一铸型试样(301)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处第一铸型试样(301)一侧的界面温度；根据第一铸件试样(302)的轴向温度梯度，结合外推法获得第一铸件试样(302)与第一铸型试样(301)接触面处第一铸件试样(302)一侧的界面温度；利用两个界面温度之间的温度差推导出固-固界面换热系数，换热系数计算公式为：式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为两个界面温度之间的温度差；Q为通过界面的平均热流；改变冷却水箱(12)的加压值以改变界面压力，和/或改变第一铸型试样(301)的铸型涂层(22)厚度，和/或改变第一铸型试样(301)与第一铸件试样(302)接触面处的表面粗糙度，和/或改变加热组件(17)的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、表面粗糙度、加热温度下的固-固界面换热系数。 10.一种应用权利要求1～7任一所述的界面换热系数及材料热导率的测量装置进行固-液界面换热系数测量的方法，包括以下步骤：第一步，保持加热组件(17)位于箱体(2)上端、冷却水箱(12)位于箱体(2)下端的方位将箱体(2)固定，将第二组合试样(23)立式装入箱体(2)内、安放在冷却水箱(12)顶部，并使熔融铸件金属(232)位于第二铸型试样(231)上方，关闭压力传感器(19)和冷却水箱(12)的压力驱动；第二步，通过进排气管(13)向加热组件(17)的加热腔内充/放气以改变施加在熔融铸件金属(232)顶部的气压值，压力信号采集模块(20)通过气压传感器(18)采集气压，在下述第三步加热过程中，当加热组件(17)的加热腔内气压随温度变化发生改变时，实时调节三通阀(14)以使当温度稳定时，加热腔内气压保持预设的气压值；第三步，冷却水箱(12)内通水，加热组件(17)以设定输出功率开始加热熔融铸件金属(232)，并经第二铸型试样(231)传热给冷却水箱(12)，待第二组合试样(23)上每个温度采集点的温度信号稳定后通过温度信号采集模块(6)采集每个温度采集点的温度；根据第二铸型试样(231)轴向各温度采集点的温度，获得其轴向温度分布及梯度，根据熔融铸件金属(232)底部中心处温度采集点的温度获得其底部中心温度，即第二铸型试样(231)与熔融铸件金属(232)接触面处熔融铸件金属(232)一侧的界面温度；根据熔融铸件金属(232)高度中心处温度采集点的温度实时监控熔融铸件金属(232)温度；第三步，根据第二铸型试样(231)的轴向温度和熔融铸件金属(232)的底部中心温度分析计算界面换热系数： Ⅰ、计算通过固-液界面的热流，热流公式为：式中，Aα为第二铸型试样(231)的横截面积；λ为第二铸型试样(231)的热导率；ΔL为第二铸型试样(231)距离熔融铸件金属(232)最近的两个相邻温度采集元件之间的距离；ΔT为第二铸型试样(231)距离熔融铸件金属(232)最近的两个相邻温度采集元件之间的温度差； Ⅱ、根据第二铸型试样(231)的轴向温度梯度分布，结合外推法获得第二铸型试样(231)与熔融铸件金属(232)接触面处第二铸型试样(231)一侧的界面温度，利用该温度与第二铸型试样(231)与熔融铸件金属(232)接触面处熔融铸件金属(232)一侧的界面温度之间的温度差推导出固-液界面换热系数，换热系数计算公式为：式中，Aα为界面接触面积；ΔTC为接触界面处试样之间的温差；Q为通过界面的热流；改变排气管(13)向加热组件(17)的加热腔内的充/放气气压以改变界面压力，和/或改变第二铸型试样(231)的铸型涂层(22)厚度，和/或改变加热组件(17)的输出功率以改变加热温度，重复上述步骤，直至测得不同界面压力、涂层厚度、加热温度下的固-液界面换热系数。
所属类别：	发明专利