瞬态热线法液体导热系数测试系统的研制

　　导热系数是最基本的热物理性质之一,在能源、动力、化工、制冷等领域有着重要的应用,同时也是许多工业流程和产品设计中必不可少的基础数据.液体的导热系数可以通过实验测量、理论推算或计算机模拟等方法来获得[1-3],但目前仍然以实验测量为主.常用的实验测量方法可分为稳态法和非稳态法.稳态法需要待流体温度场稳定后,测定其参数,故测定时间较长;非稳态法测定量主要为温度随时间的变化关系,所以测定时间短.典型的非稳态法有瞬态热线法、瞬态热源法、瞬态热带法等[4].其中瞬态热线法具有测量速度快、适用范围宽以及能够成功避免在实验过程中自然对流的影响等优点,是目前得到公认的测量精度最高的方法[5].在利用瞬态热线法对导电性或者极性物质的导热系数进行研究时,容易产生“漏电流”现象[6],直接影响实验结果的准确性.在本文中,通过阳极氧化的方式在热线表面形成绝缘膜,使之能够准确测量导电性介质的导热系数,组建了相应的测试系统,并对实验系统的性能进行了测试.

　　1　实验原理

　　瞬态热线法是利用测量热丝传感器的温度变化测量物质的导热系数,其理想模型为:在无限大的各向同性流体中垂直置入一无限长且半径为r0的线热源,且该线热源的热导率无限大,热容量为零.当时间t=0时,二者处于热平衡,且温度为T0.对线热源施加一个阶跃热流,则热量就会从线热源沿着径向传递给周围液体,线热源及其周围的液体就会产生温升.假定上述热传递过程为热传导过程,根据傅里叶一维瞬态热传导方程,线热源在液体中的导热微分方程为:

　　式(2)为理想条件下的热丝的温升.实际装置和测量过程中与上述理想模型存在偏差,使得测量得到的热线温升ΔTw与理想温升ΔTid存在一定的偏差.因此,需要对实测温升进行温度修正,使其接近理想温升,则上式变为:

　　式(3)中δTi为各种偏差引起的温升修正,在文献[7]中已有详细描述.

　　由上式知,将实验获得的数据进行线性拟合,绘制ΔTid~ln(t)曲线,由曲线的斜率即可得到待测液体在参考温度Tr的导热系数λ(Tr,P0).参考温度

　　Tr= T0+0.5(ΔTinitial+ΔTfinal),ΔTinitial和ΔTfinial分别为用来拟合ΔTid~ln(t)直线的数据开始点和结束点对应的热线温升[4,8,9].

　　2　测试系统

　　本文研制的导热系数测试系统由实验装置和数据采集系统两部分组成.

　　2.1　实验装置

　　图1为我们研制的瞬态双热线法导热系数实验装置,该装置主要由热线传感器和压力腔体两部分构成.设计压力和温度范围分别为0 ~30 MPa和243~423 K,容积大约为120 mL.热线工作空间为长140 mm、直径32 mm的圆柱形腔体.腔体底部连接有管路用于液体充灌、抽真空以及压力测量,实验腔体和腔体密封头通过聚四氟乙烯O型圈密封.腔体材料为具有良好耐腐蚀性的316不锈钢(0Cr17Ni12Mo2),可以对绝大部分具有腐蚀性的液体进行实验研究.腔体中安装的热线传感器主要由热线及其支撑结构构成,如图2。