专利名称：一种测量液体导热系数的方法及其装置的制作方法
一种测量液体导热系数的方法及其装置
技术领域：
本发明涉及一种测量导热系数的方法及装置，尤其是一种测量液体导热系 数的方法及装置。
背景4支术
在热交换技术领域里， 一个系统中只要存在温度梯度，或者两个不同温度 的系统发生接触，就会产生能量的传递。它只在迁移过程中才存在，它既不能 直接测量，也不能直接观察到，但它所产生的效应是可以观察到的，同时也是 可以间接测量出来的。这种由于温差引起的能量迁移过程统称为"传热"。
一切传热过程都包括能量的传递和转换。而温差是一切传热现象的推动力， 是物体间产生传热的必要条件。由于传热的机理很复杂，不只随温差而异，而
且还受各种不同物理定律所支配，因而传热现象往往同时包含几种不同机理的换热过程。 一般根据换热过程的机理，把传热归纳为三种方式热传导(简称 导热)、对流和热辐射。
测量物质的导热系数是国内外特别关注的项目，与它密切相关的传热学已 经广泛应用于生产科技领域。测量物体导热系数的方法众多，归结起来有以下 几个方面
(1 )根据导热过程的宏观机理区分
有两大类稳态法和非稳态法。稳态法是指待测试样上温度分布达到稳定 后进行测试，通过稳态的导热微分方程，直接测得导热系数。此方法特点是 实验公式简单，但实验时间较长，并需测量导热量和若干点的温度。非稳态法 是指实验测量中试样温度随时间变化，通过不稳定导热微分方程，测得导温系 数，间接算得导热系数。此方法特点是实-睑公式较复杂，实验时间短，需测 试样上若干点的温度随时间变化的规律， 一般不必测量导热量。
(2)才艮据导热热流在试样上的流向来区分
如圆柱试样，按热流是径向还是轴向，可区分为径向热流法和纵向热流法。
(3)才艮据试样的形状区分
如平板法，圆柱体法，圆球法，同心球法，矩形棒法等。 所有测量导热系数的实验方法都是基于傅立叶定律。傅立叶定律又称导热 基本定律，是现象学的定律，即是由现象中观察得到的而不是从第一定律导出 的。它是由法国数学家傅立叶(Fourier 1822年)在固体导热现象时提出的。 它是一个向量表达式，描述了导热热流与其温度梯度之间的关系，其一般表达 式为
^-峰r"rfr (J) (l.l)
其中e为单位时间通过某一给定面积的热量，单位为W; S为垂直热流方向上 的截面面积，单位为/w2; grac^为温度梯度，单位为。C/m; k为导热系数，单位 是w/m.。C;负号表示热流方向是沿着温度下降的方向，即与温度梯度的方向相 反。
从理论上粗略可以估计液体的导热系数一般在0. 07~0. 7『/(献)的范围内。 在一般的情况下，测量固体导热系数的方法为稳态平板法，测量气体导热 系数用热线法。
对于液体的导热机理，至今还存在着两种不同的观点。 一种观点认为液体 的导热机理类似于气体，只是情况更为复杂，因为液体分子间的距离比较近， 分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。另一种观点则认为液体的导热 机理类似于非金属固体，主要靠弹性波的作用。在分子力和分子运动的竟争中， 液态是两者势均力敌的状态理想气体中分子运动占绝对优势——完全无序模 型；理想晶体中分子力占主导地位——完全有序模型。完全无序模型和完全有 序模型的理论都很成熟，液体的情况介于两个极端之间，非常难以处理，至今 没有统一的理论模型。目前还无法从理论上圆满地解释导热系数随温度(或压 力)的变化关系。现有的实验数据证明，大多数液体的导热系数随温度的升高 而下降，但是也有少数液体(如水和汞)例外，这是因为它们的分子之间存在 着较强的締合作用，能够生成两个或两个以上的締合分子。当温度升高时，分 子热运动就加强了，締合作用就被削弱，因而締合分子的质量也随之减小，故 导热系数随着温度的升高而增大。另外，由于水和甘油具有较大的c，p值，所以 它们的导热系数较其他液体大。液体实际上可认为是不可压缩的，故压力对液 体导热系数的影响很小，可以忽略。总之， 一般固态物质的导热系数较高，液 体次之，气体最低。
国内外有关物理实验和热学著作中对固体和气体导热系数的测定介绍很详 细，方法很多，但在液体导热系数的测定这一领域却几乎是一片空白。稳态法 是研究的热门，但技术不成熟。在稳态法中，其一要保证热量的一维传播，否 则不满足傅立叶定律。其二，必须正确而精确地进行<务正，即在传热过程中热 量损失的精确计算。在现有公布的测量液体导热系数的实验方法和测量仪器中， 几乎全都没有准确的修正方法。
如DTI —811型液体导热系数测定仪利用多层同心套管圆柱法测定液体导热 系数。加热管与盛液筒之间有两层套管，套管与加热管同心，层间径向距离为l 一l. 5mm。盛液筒两端用聚四氟乙烯密封塞密封。盛液筒的外侧由恒温水套恒温， 恒温水套分为两部分， 一是侧面水套， 一是端头水套，两水套串联，保证温度 相同。水套的温度由恒温水浴控制或改变。加热管内均匀的绕有电阻丝，通一 恒定电流，经过一段时间稳定后，加热管发出的热量一部分(G)经过盛液筒 中的液体以径向导热的方式传给恒温水套中的循环水，加热管的表面温度"和盛 液筒的外侧温度^将维持不变。液体传导的热量即为加热管产生的热量，等于端 部的热损失(込)和径向传导的热量)之和。其中加热管产生的热量是可 以计算的，端部的热损失(込) 一般确定为常数，则可以推导出径向传导的热
量(a )。而径向传导的热量(a)与液体导热系数、仪器的几何常数、加热管
表面温度"和盛液筒外側温度^的温度差有关，而"和〔维持不变，仪器的几何 常数可以测量，因此可以推导出液体的导热系数。
该测试方法的主要问题是对热量损失估计严重不足。只考虑了柱体两端热 阻的影响，而未考虑两端的热传导损失，这项是不可忽略的。另外，整个系统 都存在热阻，而不仅仅是在柱体两端。在整个热传导过程中，由于热阻而导致 的热损失约占系统总传热的40%左右。其对热损失严重估计不足，测量出来的结 果与实际值相差甚远，实用价值很低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简单准确的测量液体导热系数的方法 和装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种测量液体导热系数的方法，其设置一耐高温同轴双层管，其中外管设 待测液体注入口，内管为加热管，内管两端分别与温度控制器及显示系统相连， 然后将待测液体装于内、外管之间的夹层内，再使内管温度上升，当内、外管 之间达到热平衡时，测出内、外管层间的温度差，计算出内管提供的热量，利 用傅立叶导热基本定律，得到液体导热系数。
其中所述使内管温度上升之方法为在内管中插入一根电热丝，同时填 充耐高温液体，测试时，在电热丝上通以电流，使其温度上升；或在内管内注 入可循环流动的高温液体，使内管温度上升。
其中所述高温液体的温度高于待测液体10。C。
其中所述内管采用电热丝加热时，其液体导热系数表达式为
式中
/ -通过电热丝的电流；
[/ -电热丝两端的电压；
A -内管的温度；
"i-内管半径；
^ -外管温度； "2 一外管半径；
Z -外管的长度。
其中所述内管采用温度恒定、流速稳定之循环水加热时，其液体导热系 数表达式为
"-^
式中
c -循环水的比热； 循环水的密度； ^ - Af时间内循环水水流的体积；
^ -内管的温度；
^-内管半径； S -外管温度；
"2 一外管半径；
丄-外管的长度； △r2 -内管两端温差； △7;-内外管温度差。
其中包括耐高温同轴双层管以及与微电压测试仪或直流电势差计连接的 热电偶；所述双层管内管为加热管，内置热源，内管两端连接温度控制器或显 示系统；内、外管之间盛装待测液体，外管设有待测液体注入口；所述热电偶 置于外管中，其两端分别紧贴内管外壁和外管内壁。
其中所述外管的长度与外管半径之比大于10。
其中所述热源为温度恒定、流速稳定之循环水；或为外接电源的电热丝 以及耐高温液体。
其中所述显示系统包含温度显示器、电压指示器和电流指示器。 其中所述热电偶至少为2个。 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
(1) 本发明仅采用双层管，相对现有技术而言结构非常简单；
(2) 本发明的加热管可以采用两种加热方式，适用于不同的液体，使用范
围广；
(3) 本发明加热管采用温度恒定、流速稳定之循环水加热时，适合耐高温
液体，循环水能够维持内管热量的恒定，而且便于计算内管热量；
(4) 本发明的加热管釆用电热丝加热，并注入耐高温液体时，适合高温易 燃液体，且耐高温液体能提高传导速度。
(5 )双层管的长度和外管半径满足一定的比例后热量沿长度方向的传导可 以忽略不计，不需要考虑端部损失，符合一维导热条件，公式推导简单，而且 测试简单易行。
图1 实施例一的双层管示意图 图2 实施例二的双层管示意图 图3双层管截面图 其中
l-内管 3-待测液体
2 -外管 4 -循环水
21-外管注入口
具体实施方式
本发明釆用稳态热线法原理测量液体的导热系数，利用傅立叶定律推导出 液体导热系数的公式。 本发明的原理如下
在稳定导热的问题中， 一维稳定导热是最常用的。所谓一维是指变量在空 间的变化只需要一维坐标来描述。因此，在一维稳定导热中温度梯度仅仅在单 一的坐标方向存在，也仅仅在这一方向上发生传热。如果系统的所有特征都不 随时间而改变，这个系统就称为稳定系统。
那么在一维稳定导热情况下，原来的偏微分方程就可转化成为常微分方程， 傅立叶定律就可表示为如下形式
5- 电热丝
6- 耐高温液体
<ifcfcc (1.2)
式中表示每秒通过材料截面积&所传输的热量，w/血是与热流方向 一致的温度梯度，负号表示热量沿温度减小的方向传递，比例系数A就是材料的 导热系数。如果t/0/A、 c/r/血和Aj已知，则有
考虑到气体与液体在流动性方面的相似性，则采用测量气体导热系数的稳 态热线法原理来测量液体导热系数。
根据上述原理，本发明具体测定方法为设置一耐高温的同轴双层玻璃管， 双层管的内管为加热管，内管两端分别连接其他仪器，如温度控制部分和数字 显示部分等。内、外管层间装设待测液体(外管设有待测液体注入口 )，然后提 高内管温度，或在内管内设置热源对内管进行加热，使内管温度上升，内管温 度的升高后热量可传递到待测液体，再由待侧液体传递到外管。当达到热平衡 时，测出内、外管层间的温度差，计算出内管提供的热量，再利用傅立叶导热 基本定律，便得到待侧液体的导热系数。温度控制部分采用现有技术中普通使 用的温控装置，控制误差为土rc。数字显示部分也采用现有^L术，其含有温
度显示，电压显示，电流显示。温度显示^r确到o. rc，电压显示^"确到o. imv，
电流显示精确到0. lmA。其热线法是在样品中插入一根电热丝，测试时，在电热 丝上通以电流，使其温度上升。循环水加热法是在内管内注入可循环流动的高 温液体，使内管温度上升。
本发明使用的测量装置为耐高温同轴双层管以及与微电压测试仪或直流电 势差计电连接的热电偶。双层管内管为加热管，内置热源，内管两端连接测试 温度控制器或显示系统；内、外管之间盛装待测液体，外管设有待测液体注入 口；热电偶置于外管中，其两端分别紧贴内管外壁和外管内壁。
实施例一
对于待测液体是耐高温的液体，本实施例的双层管的圆心一定要同轴，至
少耐100度的高温。如图1所示，外管2长25厘米，密封，外管长度与外管半 径之比大于10，外壁上设有待测液的入口 21 (高为2毫米-8毫米，孔径为8毫 米)；内管1长33厘米，两端各长出外管4厘米，以便接其它的仪器。在外管 侧面分别设两孔以安装热电偶7。孔的直径2mm,两孔相距135 mm，分别离管 的两端的距离为55隨。热电偶7与微电压测量仪或直流电势差计电连接，其一 端紧贴内管外壁，另一端紧贴外管内壁。热电偶产生的温差电动势是^UI、的， 必须用微电压测量仪或直流电势差计进行测量(可采用五位半数字万用表或直 流低压电势差计)；之所以设置两个热电偶7，是为了提高测量温度的准确性， 所测温差取它们的平均值。
测试时从外管注入口 21处注入待测液体3，由于液体受热后膨胀，外管注 入口21不能完全密封，用稍孩史厚一点的纸片遮住入口即可。内管l两端密封， 采用PH-IV型变温粘滞系数实验仪来产生循环水4，水流控制匀速。在内管l通 循环水4 一段时间后，热电偶7测量内外管的温差和内管两端的温差，在微电 压测量仪或直流电势差计显示温差稳定后，读取温差值。另测出PH-IV型变温 粘滞系数实验4义出水管排出 一定体积水所用的时间来求出它的流速。获得上述 数据后，可以计算出待测液体的导热系数。
内管1采用流动高温液体，液体的温度高于待测液体温度10。C左右为宜(最 高温度可到IOO'C)，总的原则是系统要慢慢加热。由于大多数液体的导热能力 较差，因而除了在径向方向有热量的传导，在轴向方向上不可避免的存在热量 传递，所以导热达到稳定的时间较长。但是在保证内管l水流速度控制在匀速， 双层管管长足够长的情况下，可以忽略轴向热量的传导，温度仅沿半径方向发 生变化，等温面都是同心柱面。因此，这属于一维温度场的导热问题，即待 测液沿径向存在一稳定梯度。
从误差的角度分析，双层管长度丄与外管半径^之比等于IO的情况下，双层 管两端的面积是外侧面积的1/20，损失的热量也是总热量的5%。在粗略测量某 液体的导热系数时，此时两端损失的热量可以忽略不计。因此，在双层管长度Z 与外管半径^之比大于10的条件下，可以认为双层管足够长，热量仅沿径向传 导。
设内管的温度为7;，半径为^，外管温度为72，半径为,2,管的长度为丄。由
于圆柱面的侧表面积随着r的增大而增大，所以在稳定导热时，通过任意半径r的
整个圆柱壁的热流量2都保持常数。那么，垂直于管轴取一截面，如图3所示，
在内管与外管间任取半径为r，厚度为a的薄圆筒状液层，设这个液层内外柱面
的温度差为W,每秒通过该柱面传输的热量为0，才艮据式(1.2)得
<formula>formula see original document page 12</formula>分离变量得
求积分得
<formula>formula see original document page 12</formula>说明圆壁内温度分布是一条对数曲线.根据边界条件
<formula>formula see original document page 12</formula>代入(l. 3)式得
所以导热系数为
<formula>formula see original document page 12</formula>( 1. 4 )
式中的丄、n、 ^均为仪器常数，需要考虑的是如何测量0、 7;、 r2。由于在
公式(3.4)中，只需求出(7;-r》即可，因此可用热电偶7测量内外管温差。至 此，本实施例的关键是如何测量单位时间内沿柱面传输的热量e。
由于要求内管i的温度维持在7;,故内管中的液体必须是流动的。从另一方 面来讲，内管中液体的流动必然会引起内管两端存在一个温度差Ar2(即7;-r3 )，
但是在液体流速u匀速，双层管长度Z与外管半径/^之比大于10的条件下，A7^足 够小时(必须在保证热电偶7能测出的条件下)，可认为内管1的温度仍然恒定。
在A7^达到稳定后，内管1向外管2输出热量的速度必然与外管2内热量的 传导速度相等。测量循环水流速的方法很简单，只要测出PH-IV型变温粘滞系 数实验仪出水管排出 一定体积水所用的时间即的求出它的流速。
由此可用如下公式计算g:
设内管的导热速率为"，内管两端温差为^72，
由公式0'= i^Zk可得
八 c. m. Ar，c. v. p. A71，c p. u. Af Ar2 * tz i c 、
上式中u表示内管中水流的速度，p表示水的密度，c表示水的比热，s表示
内管的横截面积。
又由于已测出"时间内水流的体积为^
厂 L>lAf
v = — =-
v F
式中v表示单位时间内水流出的体积 人 ^ 2 A/
又e = 2
《=
(1.6)
由于采用稳态法进行测量，因此要求在温度分布达到稳定的时候进行温度 测量。也就是要求在两热电偶7温度值不再随时间变化时读取，需要说明的是 这样的做法似乎承认只要AF"A7T2不变就可以认为系统达到了稳定导体的状态，
实际上M;,M^不变并不i兌明7;、『2和r3、 r4 本身不变，即不说明系统导热已 达到稳定状态，但是环境温度的波动引起7;、 r2、 r3、 7;的波动，只要相对r,、 r2来说4艮小，就仍然可认为系统已近似达到稳定导热状态。 实施例二对于高温易燃液体来说，内管温度过高是很危险的。因此，本实施例在实 施例一的基础上进行了改进，以适用高温易燃液体导热系数的测量。如图2所示，双层管的尺寸结构与实施例一相同，但内管的加热方法不同。 内管1固定一电热丝5，同时填充耐高温液体6并密封，外管2装待测液体3。测试时从外管注入口 21处注入待测液体。内管1设置电热丝5后注入耐高 温液体6，填充耐高温液体6的作用是提高热传导速度。电热丝5外接电源，电 压和电流测量4义。在外管侧面分别设两孔安装2个热电偶7。孔的直径2mm，两 孔相距135 mm，分别离管的两端的距离为55 mm。热电偶7与微电压测量仪或 直流电势差计电连接，其一端紧贴内管外壁，另一端紧贴外管内壁。热电偶产 生的温差电动势是很小的，必须用微电压测量仪或直流电势差计进行测量(可 釆用五位半数字万用表或直流低压电势差计)；之所以设置两个热电偶7,是为 了提高测量温度的准确性，所测温差取它们的平均值。通电后电热丝5产生的 热量经耐高温液体6传到至内管壁，然后传导至待测液体3。在通电一段时间后， 微电压测量仪或直流电势差计显示温差不再变动时，读取热电偶的温差值，并 记录电热丝5的电压和电流。获得上述^L据后，可以计算出待测液体的导热系 数。设内管1的温度为7;，半径为r,，外管温度为7^，半径为/"2，管的长度为丄，S为截面面积。当被测物体上的各点温度不随时间变化时，该温度场为稳态温度场。则由傅立叶定律可知0 = -^5—r (L 7)取半径为r的液体截面，其面积为S = 2;zrZ (1.8)又由于热源所提供的热量为(1.9)其中，(1. 9)式中I为通过电热丝5的电流，U为电热丝5两端的电压。 则由上述三式(1.7)， (1.8)， (1.9)联立可以得到 " (1.10)假设待测液体3的导热系数在较小的温度范围内为一常数，对(1.10)式 积分整理后得2" A (1.11)由于也是采用稳态法进行测量，所以也要求在温度达到稳定的时候才能进 行温度测量。按照实施例一和实施例二的方法测量的结果如下 待测液(水)在53。C时，用循环水加热法得出的公式 A: = 0.453 ± 0.008 w/m . 。C待测液(水)在42。C时，用电热丝加热法得出的^^式 it = 0.349±0.001 (w/m . °C )由上可知，在不同温度、不同管径下，液体导热系数;t是不同的。以上所述实施例4叉表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。
权利要求
1.一种测量液体导热系数的方法，其特征在于设置一耐高温同轴双层管，其中外管设待测液体注入口，内管为加热管，内管两端分别与温度控制器及显示系统相连，然后将待测液体装于内、外管之间的夹层内，再使内管温度上升，当内、外管之间达到热平衡时，测出内、外管层间的温度差，计算出内管提供的热量，利用傅立叶导热基本定律，得到液体导热系数。
2. 根据权利要求l所述的一种测量液体导热系数的方法，其特征在于所 述使内管温度上升之方法为在内管中插入一根电热丝，同时填充耐高温液体， 测试时，在电热丝上通以电流，使其温度上升；或在内管内注入可循环流动的 高温液体，使内管温度上升。
3. 如权利要求2所述的一种测量液体导热系数的方法，其特征在于所述 高温液体的温度高于待测液体IO'C。
4. 如权利要求2所述的一种测量液体导热系数的方法，其特征在于所述 内管采用电热丝加热时，其液体导热系数表达式为式中/ -通过电热丝的电流； [/ -电热丝两端的电压； 石-内管的温度； ^ -内管半径； ^ -外管温度；"2 -外管半径；丄 -外管的长度。
5.如权利要求2所述的一种测量液体导热系数的方法，其特征在于所述 内管采用温度恒定、流速稳定之循环水加热时，其液体导热系数表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>式中c -循环水的比热；p-循环水的密度；f - a/时间内循环水水流的体积；T -内管的温度；-内管半径； ^ -外管温度；^ -外管半径；z -外管的长度； △r2 -内管两端温差； at;-内外管温度差。
6. —种测量液体导热系数的装置，其特征在于包括耐高温同轴双层管以 及与微电压测试仪或直流电势差计连接的热电偶；所述双层管内管为加热管， 内置热源，内管两端连接温度控制器或显示系统；内、外管之间盛装待测液体， 外管设有待测液体注入口；所述热电偶置于外管中，其两端分别紧贴内管外壁 和外管内壁。
7. 如权利要求6所述的一种测量液体导热系数的装置，其特征在于所述 外管的长度与外管半径之比大于10。
8. 如权利要求6所述的一种测量液体导热系数的装置，其特征在于所述 热源为温度恒定、流速稳定之循环水；或为外接电源的电热丝以及耐高温液体。
9. 如权利要求6所述的一种测量液体导热系数的装置，其特征在于所述 显示系统包含温度显示器、电压指示器和电流指示器。
10. 如权利要求6所述的一种测量液体导热系数的装置，其特征在于所 述热电偶至少为2个。
全文摘要
本发明公开了一种测量液体导热系数的方法及其装置。本发明采用稳态热线法原理测量液体导热系数，通过傅立叶导热基本定律分别推导出在一维稳定导热的条件下，使用不同热源时的液体导热系数计算公式，然后计算热源产生的热量即传导的热量，测量在达到热平衡时热量传导方向上特定点的温度差，从而计算出待测液体的导热系数。本发明采用耐高温同轴双层管，内管为温度稳定的加热管，内管和外管的层间装待测液体，外管长度与外管外径之比大于10。内管的加热可以采用恒温匀速的循环水；也可以采用电热丝法加热，同时填充耐高温液体。前者适用于一般液体，后者适用于高温易燃液体。本发明结构简单、使用范围广，而且测试的准确度高，能够简单准确的测量大部分液体的导热系数。
文档编号G01N25/18GK101113963SQ20071007629
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月3日 优先权日2007年7月3日
发明者吴永刚 申请人:吴永刚