專利名稱：變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法，屬于流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于流體，尤其是傳熱工質(zhì)來說，導(dǎo)熱系數(shù)是一項(xiàng)重要的輸運(yùn)特性，它直接影響到工質(zhì)換熱性能的好壞。一種新型換熱工質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用前，必須明確其導(dǎo)熱系數(shù)及影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素，才能判斷該換熱工質(zhì)在具體工況下的換熱性能。研究表明，對(duì)于牛頓流體，其導(dǎo)熱系數(shù)只與溫度有關(guān)，而對(duì)于非牛頓流體，由于其微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律，使得其導(dǎo)熱系數(shù)不僅與溫度有關(guān)，還會(huì)受到剪切率的影響。剪切率是流體內(nèi)部由剪切應(yīng)力引起的應(yīng)變對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即應(yīng)變隨時(shí)間的變化率，它能影響流體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響非牛頓流體的導(dǎo)熱系數(shù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，水作為傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已經(jīng)無法滿足換熱性能的需求，各種具有強(qiáng)化換熱效果的新型流體應(yīng)運(yùn)而生，如納米流體、含有添加劑的水等，這些換熱工質(zhì)基本都是非牛頓流體，并且該流體在管道或者槽道等環(huán)境內(nèi)流動(dòng)時(shí)，都將不同程度上受到內(nèi)壁摩擦和粘性內(nèi)摩擦力的作用，從而導(dǎo)致流體內(nèi)部存在一定的剪切應(yīng)力，也就是說實(shí)際應(yīng)用中流體內(nèi)部剪切率不為零，非牛頓流體的導(dǎo)熱系數(shù)將發(fā)生變化，并且不同的非牛頓流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨剪切率的變化往往呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，目前，主流的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法為瞬絲熱線法，大部分的液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x也是應(yīng)用此方法，此方法準(zhǔn)確，測(cè)量簡(jiǎn)單，此外還有許多其他方法，但這些方法均是在靜態(tài)條件下測(cè)量液體的導(dǎo)熱系數(shù)，沒有考慮剪切率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，也尚沒有儀器能夠直接測(cè)量以獲得非牛頓流體在不同剪切率下的導(dǎo)熱系數(shù)，也就無法研究剪切率對(duì)液體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，以及二者之間的關(guān)系，這對(duì)非牛頓流體熱物性的研究以及實(shí)際應(yīng)用都造成了影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決目前只能在靜態(tài)條件下測(cè)量非牛頓流體的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于非牛頓流體在不同剪切率下的導(dǎo)熱系數(shù)無法進(jìn)行測(cè)量的問題，提供一種變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法。本發(fā)明所述變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，它包括同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、加熱棒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和水浴桶，所述同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置包括同軸設(shè)置的內(nèi)桶和外桶，內(nèi)桶和外桶之間具有容納待測(cè)液體的空間，外桶的內(nèi)徑與內(nèi)桶的外徑比值大于1. 0小于1. 1，加熱棒插入內(nèi)桶的腔體內(nèi)給待測(cè)液體加熱，加熱棒與內(nèi)桶的桶壁間填充氧化鎂，同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置居中放置于水浴桶內(nèi)，內(nèi)桶通過頂針與水浴桶的桶蓋固定，步進(jìn)電機(jī)通過動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)外桶旋轉(zhuǎn)，循環(huán)冷卻系統(tǒng)用來對(duì)水浴桶內(nèi)的液體進(jìn)行冷卻，內(nèi)桶內(nèi)壁上設(shè)置有第一熱電偶，外桶的外壁上設(shè)置第二熱電偶，水浴桶內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，
第一熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)桶溫度信號(hào)輸入端，第二熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外桶溫度信號(hào)輸入端，溫度計(jì)的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的水浴溫度信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫度信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)的溫度信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)的溫度采集控制信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)的電機(jī)控制信號(hào)輸出端連接步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)輸入端。
本發(fā)明所述基于上述變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法，它包括以下步驟
步驟一設(shè)定水浴桶內(nèi)的水浴溫度和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω，開啟循環(huán)冷卻系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，設(shè)置好可調(diào)功率加熱電源的加熱功率，給加熱棒加熱；
步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω為DA
O)=-,r3
D表示待測(cè)液體的預(yù)設(shè)置剪切率，
Δ為容納待測(cè)液體的空間的徑向厚度，
r3表示外桶的內(nèi)徑；
步驟二 通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集溫度計(jì)的溫度信號(hào)以及第一熱電偶的溫度信號(hào)， 待水浴溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值并且第一熱電偶采集的的溫度信號(hào)穩(wěn)定后，將該溫度信號(hào)作為第一熱電偶的溫度信號(hào)t1;



步驟三關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)采集第二熱電偶的溫度信號(hào)t4 ； 步驟四計(jì)算機(jī)通過下述公式計(jì)算獲得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)1 In^k __rI_K2 - ^C\q-In^ + -In^K r\ h r39式中T1表示內(nèi)桶的內(nèi)徑， r2表示內(nèi)桶的外徑， r4表示外桶的外徑， 、表示第一熱電偶輸出的溫度信號(hào)， t4表示第二熱電偶輸出的溫度信號(hào)， &表示內(nèi)桶內(nèi)壁面的導(dǎo)熱系數(shù)， k3表示外桶外壁面的導(dǎo)熱系數(shù)， q表示加熱棒的單位長(zhǎng)度加熱功率，q= |，Q為可調(diào)功率加熱電源的總加熱功率，1為加熱棒長(zhǎng)度c本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明能夠在待測(cè)液體的剪切率變化的情況下，時(shí)時(shí)檢測(cè)，獲得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而得到待測(cè)液體導(dǎo)熱系數(shù)隨剪切率和溫度的變化關(guān)系，以更全面的分析影響液體導(dǎo)熱系數(shù)的因素，這為非牛頓流體的熱物性研究及實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。5
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了待測(cè)液體動(dòng)態(tài)條件下導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置，合理的設(shè)置內(nèi)桶和外桶的長(zhǎng)度，并配合加熱區(qū)兩端設(shè)置的絕熱環(huán)，能有效減弱端部效應(yīng)。加熱棒與內(nèi)桶的桶壁間填充氧化鎂，使整個(gè)內(nèi)桶沿徑向和軸向材質(zhì)分布均勻，熱流密度均勻，從而形成一個(gè)與所求經(jīng)驗(yàn)公式條件相一致的一維的導(dǎo)熱模型。同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置能夠很好的滿足穩(wěn)態(tài)法一維導(dǎo)熱方程所要求的簡(jiǎn)化條件，系統(tǒng)誤差約為1.5%，綜合測(cè)量誤差小于5%，剪切率的變化范圍為Os—1 eoos—1，溫度范圍從o°c ioo°c，滿足一般液體的測(cè)量需求，對(duì)研究特殊液體流變學(xué)及熱物性特征有著重要意義。同時(shí)，本發(fā)明裝置使用簡(jiǎn)單，通過計(jì)算機(jī)控制，免去了繁瑣的計(jì)算，可通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理后，直接得到待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3為第一熱電偶為采用11個(gè)熱電偶測(cè)量?jī)?nèi)桶溫度信號(hào)時(shí)，11個(gè)熱電偶在內(nèi)桶內(nèi)壁上的分布示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，它包括同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置1、循環(huán)冷卻系統(tǒng)2、步進(jìn)電機(jī)3、加熱棒4、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5、計(jì)算機(jī)6和水浴桶7，
所述同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置1包括同軸設(shè)置的內(nèi)桶1-1和外桶1-2，內(nèi)桶1-1和外桶 1-2之間具有容納待測(cè)液體的空間，外桶1-2的內(nèi)徑與內(nèi)桶1-1的外徑比值大于1. 0小于 1. 1，加熱棒4插入內(nèi)桶1-1的腔體內(nèi)給待測(cè)液體加熱，加熱棒4與內(nèi)桶1-1的桶壁間填充氧化鎂，同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置1居中放置于水浴桶7內(nèi)，內(nèi)桶1-1通過頂針與水浴桶7的桶蓋固定，步進(jìn)電機(jī)3通過動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)外桶1-2旋轉(zhuǎn)，循環(huán)冷卻系統(tǒng)2用來對(duì)水浴桶7內(nèi)的液體進(jìn)行冷卻，
內(nèi)桶1-1內(nèi)壁上設(shè)置有第一熱電偶，外桶1-2的外壁上設(shè)置第二熱電偶，水浴桶7 內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，
第一熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5的內(nèi)桶溫度信號(hào)輸入端，第二熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5的外桶溫度信號(hào)輸入端，溫度計(jì)的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5的水浴溫度信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5的溫度信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)6的溫度信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)6的溫度采集控制信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 的控制信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)6的電機(jī)控制信號(hào)輸出端連接步進(jìn)電機(jī)3的控制信號(hào)輸入端。
同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置1的內(nèi)桶1-1固定，外桶1-2在步進(jìn)電機(jī)3的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)； 加熱棒4插入內(nèi)桶1-1底部為了實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體的均勻加熱，待測(cè)液體在外桶1-2的旋轉(zhuǎn)過程中，受外桶1-2內(nèi)壁面的摩擦作用，會(huì)形成環(huán)形縫隙剪切流動(dòng)，這種流動(dòng)賦予待測(cè)液體以不同的剪切率，通過控制步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速可以設(shè)定剪切率值。對(duì)水浴桶7內(nèi)的液體恒定功率加熱，待溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，測(cè)量?jī)?nèi)桶1-1內(nèi)壁和外桶1-2外壁的溫度，從而可求出待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)。在測(cè)量待測(cè)液體的過程中，要使所述空間內(nèi)的待測(cè)液體穩(wěn)定的剪切流動(dòng)， 待測(cè)液體與旋轉(zhuǎn)的外桶1-2接觸會(huì)產(chǎn)生較大的速度，受離心力作用，依附于外桶1-2外壁，不會(huì)造成干擾流動(dòng)而產(chǎn)生二次流現(xiàn)象。所述容納待測(cè)液體的空間即為內(nèi)桶1-1和外桶1-2 之間的環(huán)形縫隙。
內(nèi)桶1-1的中心區(qū)域?yàn)榧訜釁^(qū)，采用加熱棒4加熱，加熱棒4直徑可選擇為0. 02m, 長(zhǎng)度為0. 28m,其加熱區(qū)長(zhǎng)度為0. 20m,阻值約為106 Ω，加熱區(qū)位于加熱棒4的中心區(qū)域，并與容納待測(cè)液體的空間的中心區(qū)域相對(duì)應(yīng)，所述加熱區(qū)長(zhǎng)度為加熱棒4的有效加熱長(zhǎng)度。 加熱棒4與內(nèi)桶1-1的桶壁間填充氧化鎂，氧化鎂耐高溫，導(dǎo)熱均勻，有利于熱流沿周向均勻分布。
內(nèi)桶1-1內(nèi)壁上的第一熱電偶，采用11個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，將其分布在?nèi)桶1-1軸向的五個(gè)不同位置，周向的三個(gè)不同位置，如圖3所示，所有測(cè)溫?zé)犭娕嫉膶?dǎo)線均從內(nèi)桶1-1 上口引出。
外桶1-2的外壁上設(shè)置的第二熱電偶，可采用在該外壁上焊接三個(gè)熱電偶，位于外桶1-2外壁的中心位置，與內(nèi)桶1-1中段設(shè)置的熱電偶的位置相對(duì)應(yīng)，該三個(gè)熱電偶帶有快速接頭，可安置在外桶1-2側(cè)壁上。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式還包括可調(diào)功率加熱電源8，可調(diào)功率加熱電源8用來給加熱棒4 提供工作電源。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述內(nèi)桶1-1的軸向長(zhǎng)度與其外徑的比值大于5并且小于10，
內(nèi)桶1-1的端口處的側(cè)壁上分別設(shè)置注液口 1-11和排氣口，外桶1-2的桶底上設(shè)置排液口 1-21，
內(nèi)桶1-1的端口處和桶底處均設(shè)置有絕熱環(huán)1-12。
本實(shí)施方式中內(nèi)桶1-1的內(nèi)徑T1可選擇為0. 018m,內(nèi)桶1-1的外徑r2為0. 03m, 外桶1-2的內(nèi)徑r3為0. 0315m，外桶1-2的外徑r4為0. 0355m,內(nèi)桶1-1和外桶1-2的軸向長(zhǎng)度L為0. 28m,內(nèi)桶1-1上下兩端設(shè)置的絕熱環(huán)，可采用聚四氟乙烯制成，聚四氟乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)為0. 27ff/(m · K)，容納待測(cè)液體的空間的徑向厚度為0. 0015m，長(zhǎng)度0. 25m，此時(shí)， 容納待測(cè)液體的空間的容積為85ml，實(shí)際使用中，需要保證所述空間充滿待測(cè)液體。內(nèi)桶和外桶之間的空間的厚度可選擇為1. 5mm，與其半徑相比小于1/10，使外桶1_2最高轉(zhuǎn)速為 300r/min，以水為例，其流動(dòng)雷諾數(shù)Re約為1500，處于層流狀態(tài)，符合原理對(duì)試樣流動(dòng)的要求。
排液口 1-21可由螺絲及聚四氟環(huán)鎖緊。
注液口 1-11和排氣口位于內(nèi)桶1-1的上部，在周向上分布。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述水浴桶7的桶蓋及桶壁上均包裹保溫層。
所述保溫層可采用泡沫塑料，水浴桶7的各出水口均由由帶保溫外套的塑料軟管與循環(huán)冷卻系統(tǒng)2連接，水浴桶7的進(jìn)水口與出水口均設(shè)有閥門。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述內(nèi)桶1-1和外桶1-2之間容納待測(cè)液體的空間的端口處由尼龍?zhí)篆h(huán)密封。
對(duì)于同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置1的密封，在設(shè)計(jì)上，為減少密封件，將內(nèi)桶1-1和外桶1-2 形成一體式結(jié)構(gòu)，開口朝上，在容納待測(cè)液體的空間的端口處采用尼龍?zhí)篆h(huán)密封，是由于尼龍?zhí)拙哂心Σ磷枇π?、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能有效的降低內(nèi)桶1-1和外桶1-2相對(duì)旋轉(zhuǎn)過程中由摩擦產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述內(nèi)桶1-1底部中心與外桶1-2底部中心通過聚四氟乙烯軸套定位，內(nèi)桶1-1與外桶1-2的端口之間通過不銹鋼軸承定位。
本實(shí)施方式中通過聚四氟乙烯軸套和不銹鋼軸承對(duì)內(nèi)桶1-1和外桶1-2相對(duì)定位，是為了確保內(nèi)桶1-1和外桶1-2的同軸度，保證容納待測(cè)液體的空間在周向均勻。
外桶1-2與步進(jìn)電機(jī)3之間可通過水浴桶7底部的口采用軸套連接，步進(jìn)電機(jī)3 使用螺桿固定于水浴桶7的底盤。水浴桶7底部的口的密封使用內(nèi)含骨架的唇形圈密封。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四、五或六的進(jìn)一步說明， 本實(shí)施方式所述水浴桶7的側(cè)壁上分別設(shè)置進(jìn)水口、出水口及溢流口。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四、五、六或七的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述內(nèi)桶1-1、外桶1-2及水浴桶7均由不銹鋼制成。
水浴桶7的尺寸可選擇為內(nèi)徑0. 24m,深0. 4m,水浴桶7的桶蓋上設(shè)置有孔，供取出外桶1-2上第二熱電偶的快速接頭。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式四、五、六、七或八的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述絕熱環(huán)由聚四氟乙烯制成。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式為基于實(shí)施方式一所述變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法，它包括以下步驟
步驟一設(shè)定水浴桶7內(nèi)的水浴溫度和步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速ω，開啟循環(huán)冷卻系統(tǒng)2 和步進(jìn)電機(jī)3 ；同時(shí)，設(shè)置好可調(diào)功率加熱電源8的加熱功率，給加熱棒4加熱；
步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速ω為DA
ω =-,r3
D表示待測(cè)液體的預(yù)設(shè)置剪切率，
Δ為容納待測(cè)液體的空間的徑向厚度，
r3表示外桶1-2的內(nèi)徑；
步驟二 通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5采集溫度計(jì)的溫度信號(hào)以及第一熱電偶的溫度信號(hào)，待水浴溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值并且第一熱電偶采集的的溫度信號(hào)穩(wěn)定后，將該溫度信號(hào)作為第一熱電偶的溫度信號(hào)t1;

步驟三關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)3，同時(shí)采集第二熱電偶的溫度信號(hào)t4 ； 步驟四計(jì)算機(jī)6通過下述公式計(jì)算獲得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)1 In^k __rI__、r ΛΛ \2^1-O-q1 Ini +丄 lnr4Vr\ ^3 r3式中T1表示內(nèi)桶1-1的內(nèi)徑， r2表示內(nèi)桶1-1的外徑， r4表示外桶1-2的外徑，
、表示第一熱電偶輸出的溫度信號(hào)，
t4表示第二熱電偶輸出的溫度信號(hào)，
Ic1表示內(nèi)桶1-1內(nèi)壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，
k3表示外桶1-2外壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，
q表示加熱棒4的單位長(zhǎng)度加熱功率，
q= ,，Q為可調(diào)功率加熱電源8的總加熱功率，1為加熱棒4長(zhǎng)度。
本實(shí)施方式中循環(huán)冷卻系統(tǒng)2和水浴桶7配合，可通過控制水浴桶7中水浴溫度，來控制待測(cè)液體的溫度，從而達(dá)到在待測(cè)液體的不同溫度下，測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)的目的。根據(jù) DA公式《 =——，可知對(duì)步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速ω的控制，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)液體的剪切率的控制，因r3此實(shí)現(xiàn)了在不同剪切率下，測(cè)量待測(cè)液體導(dǎo)熱系數(shù)。
本發(fā)明采用步進(jìn)電機(jī)3作為動(dòng)力輸出裝置，通過控制器及控制軟件控制步進(jìn)電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體剪切率的控制，步進(jìn)電機(jī)3的最高分辨率能達(dá)到60000步/ 轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速范圍0 300r/min，結(jié)合裝置幾何尺寸，可實(shí)現(xiàn)剪切率變化范圍0 660^。
循環(huán)冷卻系統(tǒng)2自帶水泵，使用帶保溫的軟管與水浴桶7相連，流量為lOL/min，調(diào)溫范圍為_20°C 100°C，溫度波動(dòng)為0. 05°C。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5由計(jì)算機(jī)6控制，可同時(shí)監(jiān)控15個(gè)熱電偶的溫度，每個(gè)通道的采集速率為5個(gè)/秒。
可調(diào)功率加熱電源8為恒壓恒流開關(guān)直流電源，輸出最大功率為660W，電壓精度為士0. 5 %，負(fù)載調(diào)整率為士0. 5%?？墒辜訜岚?的單位長(zhǎng)度加熱功率達(dá)到5000W/m。
待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)1 的計(jì)算基于EXCEL表格開發(fā)，綜合考慮測(cè)量?jī)x的自身特性，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5獲取的溫度數(shù)值及其它參數(shù)代入待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)1 計(jì)算公式后，即可求得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)
工作過程向內(nèi)桶1-1和外桶1-2之間的空間加注待測(cè)液體，開始對(duì)加熱棒4加熱時(shí)，只需監(jiān)控第一熱電偶的溫度，以及溫度計(jì)的溫度，待水浴桶7內(nèi)溫度場(chǎng)以及第一熱電偶測(cè)得的溫度值穩(wěn)定后，步進(jìn)電機(jī)3急停，迅速采集第二熱電偶的溫度，當(dāng)?shù)诙犭娕荚O(shè)置了多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，需將獲得的所有有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為外桶1-2的外壁溫度，計(jì)算獲得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)
本發(fā)明中，外桶1-2外壁的溫度對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)1 的求解十分關(guān)鍵，由于水浴桶7內(nèi)的水流并非靜止，對(duì)流換熱情況復(fù)雜，不能用經(jīng)驗(yàn)公式處理。而且，外桶1-2為旋轉(zhuǎn)體，溫度無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此，第二熱電偶采用的熱電偶需要特制有快速公插頭，將快速插頭置于特別加工的固定于外桶1-2壁上的托盤上，同時(shí)，水浴桶7的桶蓋上需開出幾個(gè)孔，帶有快速插頭的導(dǎo)線連接在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5上。具體的測(cè)量方法為當(dāng)實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后，水浴溫度場(chǎng)不隨時(shí)間改變，迅速停下步進(jìn)電機(jī)3，保持保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5開啟，將公母插頭迅速連接，測(cè)量外桶1-2外壁溫度，此種測(cè)量方法存在一定誤差，因?yàn)橥馔?-2停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，對(duì)流換熱強(qiáng)度降低，外桶1-2外壁溫度會(huì)有一定的升高，但由于測(cè)量迅速，溫度變化影響有限，可以忽略。
本發(fā)明中當(dāng)內(nèi)桶1-1內(nèi)壁上設(shè)置11個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕迹馔?-2的外壁上焊接三個(gè)熱9電偶，采用溫度計(jì)測(cè)量水浴桶7的水浴溫度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5采集共包括14個(gè)熱電偶和一個(gè)普通溫度計(jì)，其中內(nèi)桶1-1內(nèi)壁上的11個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕季幪?hào)分別為A，B, C……K，如圖3 所示，該11個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕季刹捎觅N壁式熱電偶，精度一級(jí)，測(cè)溫精度為0. 1K，單根裸絲直徑為0. 254mm,絕緣層材料為Teflon，耐溫150°C，線長(zhǎng)2m，使用錫焊焊接于內(nèi)桶1_1內(nèi)壁表面，其中，A、B、E、H、K在內(nèi)桶1-1軸向的同一直線上，用于測(cè)量整個(gè)內(nèi)桶1-1在軸向上的溫度變化，理論上由于存在端部效應(yīng)，溫度應(yīng)該向兩端逐漸降低，本發(fā)明中，可將內(nèi)桶1-1的長(zhǎng)度L與直徑d的比值設(shè)置為L(zhǎng)/d > 5，認(rèn)為內(nèi)桶1-1中心區(qū)域?yàn)榻^熱，若B、E、H三個(gè)熱電偶溫差不大，則說明中心區(qū)域只存在徑向傳熱，可以忽略去軸向的熱量散失。居于中間的熱電偶E、F、G為核心測(cè)溫?zé)犭娕迹巳c(diǎn)溫度的平均值為、的值，其余熱電偶用于監(jiān)控整個(gè)內(nèi)桶1-1內(nèi)壁面，尤其是中心區(qū)域的溫度分布是否均勻，以確保測(cè)試結(jié)果的均勻性。另外， 由于技術(shù)問題，熱電偶一經(jīng)焊接，裝置組裝后邊無法取出，也無法維修，故多路測(cè)量也是確保裝置能夠長(zhǎng)期運(yùn)行的保證。熱電偶的導(dǎo)線緊靠?jī)?nèi)壁遠(yuǎn)離電熱管，可埋于導(dǎo)熱用的氧化鎂內(nèi)部。為保證其內(nèi)部溫度不至于過高，特額外將一熱電偶焊接于一鐵片上，埋于石英砂內(nèi)， 并進(jìn)行報(bào)警設(shè)置，防止內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致熱電偶絕緣層融合，熱電偶失效等問題。
外桶1-2的外壁上焊接的三個(gè)熱電偶，均焊接于外桶1-2的中心高度處，沿周向均勻分布，與內(nèi)桶1-1的熱電偶E、F、G的位置相對(duì)應(yīng)。
測(cè)量水浴桶7水浴溫度的普通溫度計(jì)，精度選擇為1°C。
權(quán)利要求
1.一種變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于它包括同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置(1)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)(2)、步進(jìn)電機(jī)(3)、加熱棒(4)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)、計(jì)算機(jī)(6)和水浴桶(7)，所述同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置(1)包括同軸設(shè)置的內(nèi)桶(1-1)和外桶(1-2)，內(nèi)桶(1-1)和外桶(1-2)之間具有容納待測(cè)液體的空間，外桶(1-2)的內(nèi)徑與內(nèi)桶(1-1)的外徑比值大于1. 0小于1. 1，加熱棒⑷插入內(nèi)桶(1-1)的腔體內(nèi)給待測(cè)液體加熱，加熱棒⑷與內(nèi)桶 (1-1)的桶壁間填充氧化鎂，同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置⑴居中放置于水浴桶⑵內(nèi)，內(nèi)桶(1-1) 通過頂針與水浴桶(7)的桶蓋固定，步進(jìn)電機(jī)C3)通過動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)外桶(1- 旋轉(zhuǎn)，循環(huán)冷卻系統(tǒng)( 用來對(duì)水浴桶(7)內(nèi)的液體進(jìn)行冷卻，內(nèi)桶(1-1)內(nèi)壁上設(shè)置有第一熱電偶，外桶(1-2)的外壁上設(shè)置第二熱電偶，水浴桶 (7)內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，第一熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的內(nèi)桶溫度信號(hào)輸入端，第二熱電偶的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的外桶溫度信號(hào)輸入端，溫度計(jì)的溫度信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的水浴溫度信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的溫度信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(6)的溫度信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)(6)的溫度采集控制信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的控制信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)(6)的電機(jī)控制信號(hào)輸出端連接步進(jìn)電機(jī)(3)的控制信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于它還包括可調(diào)功率加熱電源(8)，可調(diào)功率加熱電源⑶用來給加熱棒⑷提供工作電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述內(nèi)桶 (1-1)的軸向長(zhǎng)度與其外徑的比值大于5并且小于10，內(nèi)桶(1-1)的端口處的側(cè)壁上分別設(shè)置注液口(1-11)和排氣口，外桶(1-2)的桶底上設(shè)置排液口(1-21)，內(nèi)桶(1-1)的端口處和桶底處均設(shè)置有絕熱環(huán)(1-12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述水浴桶(7) 的桶蓋及桶壁上均包裹保溫層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述內(nèi)桶(1-1) 和外桶(1-2)之間容納待測(cè)液體的空間的端口處由尼龍?zhí)篆h(huán)密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于內(nèi)桶(1-1) 底部中心與外桶(1-2)底部中心通過聚四氟乙烯軸套定位，內(nèi)桶(1-1)與外桶(1-2)的端口之間通過不銹鋼軸承定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述水浴桶(7) 的側(cè)壁上分別設(shè)置進(jìn)水口、出水口及溢流口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述內(nèi)桶 (1-1)、外桶(1-2)及水浴桶(7)均由不銹鋼制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7或8所述的變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述絕熱環(huán)由聚四氟乙烯制成。
10.一種基于權(quán)利要求1所述變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟一設(shè)定水浴桶(7)內(nèi)的水浴溫度和步進(jìn)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)速ω，開啟循環(huán)冷卻系統(tǒng)⑵和步進(jìn)電機(jī)(3)；同時(shí)，設(shè)置好可調(diào)功率加熱電源⑶的加熱功率，給加熱棒⑷加熱； 步進(jìn)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)速ω為
全文摘要
變剪切率液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法，屬于流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。它解決了解決目前只能在靜態(tài)條件下測(cè)量非牛頓流體的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于非牛頓流體在不同剪切率下的導(dǎo)熱系數(shù)無法進(jìn)行測(cè)量的問題。測(cè)量?jī)x包括同軸雙桶旋轉(zhuǎn)裝置、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、加熱棒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和水浴桶；測(cè)量方法首先給加熱棒加熱；然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集溫度計(jì)的溫度信號(hào)以及第一熱電偶的溫度信號(hào)，待水浴溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值并且第一熱電偶采集的的溫度信號(hào)穩(wěn)定后，將該溫度信號(hào)作為第一熱電偶的溫度信號(hào)t1；關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)采集第二熱電偶的溫度信號(hào)t4；計(jì)算獲得待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)k2。本發(fā)明適用于非牛頓流體在不同剪切率下的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102507640SQ20111031643
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者周文武, 徐鴻鵬, 李鳳臣, 陽倦成 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)