一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料熱物性參數(shù)測試【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法與系統(tǒng)，包括：水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一循環(huán)水流，循環(huán)水流與平板狀試樣的一面接觸，進(jìn)行對流換熱；所述循環(huán)水流與試樣表面間的對流換熱系數(shù)足夠大到使畢渥數(shù)Bi趨于無窮大；溫度控制系統(tǒng)控制循環(huán)水流的溫度，使其保持恒溫；溫度采集與分析系統(tǒng)采集所述平板狀試樣的絕熱側(cè)表面溫度變化，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。本發(fā)明利用高溫循環(huán)流動的水作為熱源，與被測試樣間不存在接觸熱阻，有利于保證足夠的測試精度。通過控制畢渥數(shù)，使水與試樣表面間符合第一類邊界條件下的換熱過程，達(dá)到直接解算熱擴(kuò)散系數(shù)的目標(biāo)。
【專利說明】一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法與系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料熱物性參數(shù)測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種固體材料，特別是具有不滲水性固體材料的熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱擴(kuò)散系數(shù)作為固體材料重要的參數(shù)，表征了材料的傳熱性能以及溫度均衡性能，是分析材料中導(dǎo)熱過程的重要指標(biāo)；并且在材料、能源、建筑、國防、化工、制冷工程等領(lǐng)域有著重要的用途，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展其測試方法也一直是研究熱點(diǎn)之一。已有測試方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法是基于傅里葉導(dǎo)熱定律之上的，主要包括圓管法、熱流計(jì)法、防護(hù)熱板法等，但是穩(wěn)態(tài)法往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時間較長同時存在接觸熱阻而運(yùn)用場合受到限制。非穩(wěn)態(tài)法由于測試周期短，往往可同時獲取導(dǎo)熱系數(shù)，而被廣泛采用，主要包括閃光法、徑向熱流法、可動熱源法、Forbes棒法、周期熱流法等。但實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題，例如閃光法只能應(yīng)用于不透光材料，徑向熱流法在熱源均勻度、功率波動、側(cè)向熱流損失等方面仍沒有得到較好解決，同時大多數(shù)采用固體熱源的方法對于熱源與被測物體間的接觸熱阻問題表征仍存在困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有測固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法存在的不足，本發(fā)明提出了一種新的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法與系統(tǒng)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下列技術(shù)方案:
[0005]一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法，其特征在于，涉及水循環(huán)系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，溫度采集與分析系統(tǒng)，包括以下具體步驟:
[0006]產(chǎn)生循環(huán)水流，所述循環(huán)水流與平板狀試樣的一面接觸，進(jìn)行對流換熱；所述循環(huán)水流與試樣表面間的對流換熱系數(shù)足夠大到使畢渥數(shù)Bi趨于無窮大；
[0007]控制循環(huán)水流的溫度，使其保持恒溫；
[0008]采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
[0009]本發(fā)明同時提出了一種上述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，包括水循環(huán)系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，溫度采集與分析系統(tǒng)；
[0010]所述水循環(huán)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生循環(huán)水流，所述循環(huán)水流與平板狀試樣的一面接觸，進(jìn)行對流換熱；所述循環(huán)水流與試樣表面間的對流換熱系數(shù)足夠大到使畢渥數(shù)Bi趨于無窮大；
[0011]所述溫度控制系統(tǒng)，用于控制循環(huán)水流的溫度，使其保持恒溫；
[0012]所述溫度采集與分析系統(tǒng)，用于采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化，并利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
[0013]優(yōu)選的，所述水循環(huán)系統(tǒng)包括外箱體，內(nèi)箱體，底部柱形通道，螺旋葉片裝置，聯(lián)軸器和電機(jī)；所述內(nèi)箱體置于所述外箱體內(nèi)，所述外箱體、內(nèi)箱體的頂部分別開放，平板狀試樣放在外箱體的頂部、內(nèi)箱體頂部上方，所述內(nèi)箱體壁與外箱體壁之間形成水循環(huán)通道；所述底部柱形通道位于所述內(nèi)箱體底與外箱體底部之間，所述螺旋葉片位于所述底部柱形通道內(nèi)，通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，利用電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，擠壓底部柱形通道中的水，產(chǎn)生循環(huán)水流，與平板狀試樣一面接觸產(chǎn)生對流換熱。所述螺旋葉片裝置為蝸片蝸桿裝置。
[0014]優(yōu)選的，所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器和加熱棒，所述溫度控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度，通過加熱棒控制水的溫度和使其恒溫；
[0015]優(yōu)選的，所述溫度采集與分析系統(tǒng)包括溫度測點(diǎn)，溫度采集和傳輸裝置，數(shù)據(jù)處理裝置；所述溫度測點(diǎn)采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化并轉(zhuǎn)化為電流信號，傳輸給溫度采集和傳輸裝置；所述溫度采集和傳輸裝置將采集信號傳輸給所述數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)處理裝置利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
[0016]更優(yōu)選的，平板狀試樣的寬度 < 底部柱形通道的長度，以消除流體在過流斷面邊界處速度不均勻帶來的影響。
[0017]本發(fā)明主要適用于具有不滲水性的固體如金屬、玻璃等材料的熱擴(kuò)散系數(shù)測量，具有以下有益效果:
[0018]1、利用高溫循環(huán)流動的水作為熱源，溫度均勻性好，且與被測試樣間不存在接觸熱阻，有利于保證足夠的測試精度。
[0019]2、通過電機(jī)控制蝸片蝸桿裝置旋轉(zhuǎn)使水循環(huán)流動，調(diào)整與試樣接觸的水流速度改變對流換熱系數(shù)，進(jìn)而控制畢渥數(shù)Bi，使水與試樣表面間符合第一類邊界條件下的換熱過程，達(dá)到直接解算熱擴(kuò)散系數(shù)的目標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的原理簡圖。
[0021]圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖3為不同水循環(huán)流動速度Utl (m/s)時的平均換熱系數(shù)Ii111變化關(guān)系圖。
[0023]圖4為圖2的部分俯視圖。
[0024]圖5為圖2的部分左視圖。
[0025]圖中，平板狀試樣1、加熱棒2、電機(jī)3、聯(lián)軸器4、蝸片蝸桿裝置5、底部柱形通道6、外箱體7、內(nèi)箱體8、水循環(huán)通道9。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]如圖1所示，平板狀試樣1，初始溫度為h，其一側(cè)突然與溫度為100的流體接觸，另外一側(cè)面絕熱，設(shè)不考慮其側(cè)向熱傳導(dǎo)，則流體與固體表面間傳熱，可視為第三類邊界條件下的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其解析解如下:
【權(quán)利要求】
1.一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法，其特征在于，包括以下具體步驟: 產(chǎn)生一循環(huán)水流，所述循環(huán)水流與平板狀試樣的一面接觸，進(jìn)行對流換熱；所述循環(huán)水流與試樣表面間的對流換熱系數(shù)足夠大到使畢渥數(shù)Bi趨于無窮大； 控制循環(huán)水流的溫度，使其保持恒溫； 采集所述平板狀試樣的絕熱側(cè)表面溫度變化，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
2.—種權(quán)利要求1所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括水循環(huán)系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，溫度采集與分析系統(tǒng)； 所述水循環(huán)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生循環(huán)水流，所述循環(huán)水流與平板狀試樣的一面接觸，進(jìn)行對流換熱；所述循環(huán)水流與試樣表面間的對流換熱系數(shù)足夠大到使畢渥數(shù)Bi趨于無窮大； 所述溫度控制系統(tǒng)，用于控制循環(huán)水流的溫度，使其保持恒溫； 所述溫度采集與分析系統(tǒng)，用于采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化，并利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，所述水循環(huán)系統(tǒng)包括外箱體，內(nèi)箱體，底部柱形通道，螺旋葉片裝置，聯(lián)軸器和電機(jī)；所述內(nèi)箱體置于所述外箱體內(nèi)，所述外箱體、內(nèi)箱體的頂部分別開放，平板狀試樣放在外箱體的頂部、內(nèi)箱體頂部上方，所述內(nèi)箱體壁與外箱體壁之間形成水循環(huán)通道；所述底部柱形通道位于所述內(nèi)箱體底與外箱體底部之間，所述螺旋葉片位于所述底部柱形通道內(nèi)，通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，利用電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，擠壓底部柱形通道中的水，產(chǎn)生循環(huán)水流，與平板狀試樣一面接觸產(chǎn)生對流換熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器和加熱棒，所述溫度控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度，通過加熱棒控制水的溫度和使其恒溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度采集與分析系統(tǒng)包括溫度測點(diǎn)，溫度采集和傳輸裝置，數(shù)據(jù)處理裝置；所述溫度測點(diǎn)采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化并轉(zhuǎn)化為電流信號，傳輸給溫度采集和傳輸裝置；所述溫度采集和傳輸裝置將采集信號傳輸給所述數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)處理裝置利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測試樣熱擴(kuò)散系數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，平板狀試樣的寬度<底部柱形通道的長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測試方法的系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋葉片裝置為蝸片蝸桿裝置。
【文檔編號】G01N25/20GK103954650SQ201410182384
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】陳清華, 龐立, 黎賢東, 董長帥, 袁力, 吳亮, 徐曼曼 申請人:安徽理工大學(xué)