页岩热传导参数的测试装置及其测试方法与流程
本发明涉及传热学技术领域，特别涉及一种页岩热传导参数的测试装置及其测试方法。
背景技术：
热传导是热量交换(热传导、对流、辐射)的三种基本方式之一，导热系数(又称热导率)是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。
材料又分为良导体和不良导体两种。对于良导体一般用瞬态法测量其导热系数，即通过测量正在导热的流体在某段时间内通过的热量。对于不良导体则用稳态平板法测量其导热系数。所谓稳态即样品内部形成稳定的温度分布时即为稳态。在现有技术中通过稳态法对不良导体进行测量导热系数时，由于导热系数不能直接测量得到，需要根据实验测得其它特定的参数，再根据特定的参数计算得到导热系数，因此，在现有技术中的实验测试装置计算导热系数时需要测得的特定参数较多，且通过根据实验测得的特定参数计算导热系数的过程复杂。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种页岩热传导参数的测试装置及其测试方法，其能够简单快速的对多个样品进行热传导参数的测试，并根据测试得到的参数快捷方便的计算得到导热系数。
本发明实施例的具体技术方案是：
一种页岩热传导参数的测试装置，所述页岩热传导参数的测试装置包括：
具有轴线的壳体，所述壳体具有内壳、外壳和散热片，所述内壳形成一容纳腔，该容纳腔的横截面呈圆形，所述散热片连接内壳和外壳；
设置在所述容纳腔中的多个沿所述轴线方向排列的隔热挡板，相邻所述隔热挡板之间形成相独立的多个区域；
至少设置在一个所述区域中的加热盘和冷却盘，所述加热盘和冷却盘之间形成用于安装页岩实验样品的样品槽；所述加热盘和所述冷却盘均能够进行升温；
用于测量所述加热盘温度的第一测温件；用于测量所述冷却盘温度的第二测温件。
优选地，所述壳体被分成上壳体和下壳体，所述上壳体的两端设置有上侧板，所述下壳体的两端设置有下侧板，所述上壳体和所述下壳体之间通过铰链连接的方式相连接，优选地，所述上壳体和所述下壳体相接触处设置有密封条。
优选地，所述散热片为多个，其绕所述轴线呈圆周分布，所述散热片沿径向方向延伸。
优选地，所述加热盘和所述冷却盘内部均设置有均匀分布的铁棒，所述铁棒上以螺旋方式缠绕有导电线，所述导电线在通电时能够使得铁棒产生磁场，以对加热盘或冷却盘进行加热。
优选地，所述第一测温件为红外温度仪，所述第一测温件设置在所述加热盘的侧方；所述第二测温件为红外温度仪，所述第二测温件设置在所述加热盘的侧方。
优选地，所述页岩实验样品的尺寸与所述样品槽相同。
一种采用如上述任一所述的页岩热传导参数的测试装置的页岩热传导参数的测试方法，包括以下步骤：
将页岩实验样品安装入样品槽，以使所述页岩实验样品与所述加热盘、冷却盘相接触；
对所述页岩实验样品相接触的加热盘进行加热；
通过所述第一测温件检测所述加热盘的温度，通过所述第二测温件检测所述冷却盘的温度，在所述加热盘和所述冷却盘的温度不变时记录下此时加热盘的温度t1和冷却盘的温度t2；
将所述页岩实验样品从所述样品槽中取出，在页岩实验样品取出之后，对所述冷却盘加热以使其温度高于t2；
待所述冷却盘温度高于t2后，停止对所述冷却盘进行加热，并采集所述冷却盘在不同时间下的温度值，由此计算得到所述冷却盘在温度t2时的冷却速率；
基于所述页岩实验样品的直径d、厚度h、加热盘的温度t1、冷却盘的温度t2以及冷却盘在温度t2时的冷却速率计算得到所述页岩实验样品的导热系数。
优选地，在步骤待所述冷却盘温度高于t2后，停止对所述冷却盘进行加热，并采集所述冷却盘在不同时间下的温度值，由此计算得到所述冷却盘在温度t2时的冷却速率中，每隔预设时间采集所述冷却盘的温度值，通过冷却速度的曲线计算得到所述冷却盘在温度t2时的冷却速率为：
优选地，在步骤基于所述页岩实验样品的直径d、厚度h、加热盘的温度t1、冷却盘的温度t2以及冷却盘在温度t2时的冷却速率计算得到所述页岩实验样品的导热系数中，其包括：
根据所述冷却盘的冷却速率和所述冷却盘的自然散热速率得到第一关系式，所述第一关系式如下：
其中，m表示所述冷却盘的质量，c表示所述冷却盘的比热容，q全表示自然散热时所述冷却盘的总热量，q表示在稳态时的所述冷却盘的总热量；
根据所述冷却盘在不同阶段散热面积不同得到第二关系式，所述第二关系式如下：
其中，s稳态表示所述冷却盘在稳态时的散热面积，s散热表示所述冷却盘在自然散热时的散热面积；
基于所述第一关系式、所述第二关系式、傅里叶传热公式、所述页岩实验样品的直径d、厚度h、加热盘的温度t1、冷却盘的温度t2得到所述页岩实验样品的导热系数，计算公式如下：
其中，λ表示所述页岩实验样品的导热系数。
本发明的技术方案具有以下显著有益效果：
本申请中的页岩热传导参数的测试装置能够对多个页岩实验样品同时进行热传导参数的测试，在进行测试时，将页岩实验样品安装至加热盘和冷却盘之间形成的样品槽，将加热盘加热至加热盘和冷却盘的温度不再变化时记录在此时加热盘的温度t1和冷却盘的温度t2。取出页岩实验样品，然后再将冷却盘加热至高于t2的温度，在冷却盘冷却时计算得到冷却盘在t2温度下的冷却速率。在特定条件下，基于冷却盘的散热速率等于页岩实验样品的导热速率，因此，可以根据冷却盘的散热速率变相计算得到页岩实验样品的导热系数。通过稳态法对不良导体进行测量导热系数时，由于导热系数不能直接测量得到，本申请中的测试装置只需要测量少量几个的特定参数，后期便能够通过实验测得的特定参数直接计算得到不良导体页岩的导热系数。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置的剖视图；
图2为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置壳体内的原理图；
图3为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置开启状态下的侧视图；
图4为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置闭合状态下的侧视图；
图5为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置中加热盘或冷却盘的俯视图。
以上附图的附图标记：
1、壳体；11、内壳；12、外壳；13、散热片；14、上壳体；15、下壳体；16、上侧板；17、下侧板；18、密封条；2、隔热挡板；3、加热盘；31、铁棒；32、导电线；4、冷却盘；5、页岩实验样品；6、第一测温件；7、第二测温件；8、显示屏；9、控制器；10、铰链。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了能够简单快速的对多个样品进行热传导参数的测试，并根据测试得到的参数快捷方便的计算得到导热系数，在本申请中提出了一种页岩热传导参数的测试装置，图1为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置的剖视图，图2为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置壳体内的原理图，图3为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置开启状态下的侧视图，图4为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置闭合状态下的侧视图，如图1至图4所示，所述页岩热传导参数的测试装置可以包括：具有轴线的壳体1，所述壳体1具有内壳11、外壳12和散热片13，所述内壳11形成一容纳腔，该容纳腔的横截面呈圆形，所述散热片13连接内壳11和外壳12；设置在所述容纳腔中的多个沿所述轴线方向排列的隔热挡板2，相邻所述隔热挡板2之间形成相独立的多个区域；至少设置在一个所述区域中的加热盘3和冷却盘4，所述加热盘3和冷却盘4之间形成用于安装页岩实验样品5的样品槽；所述加热盘3和所述冷却盘4均能够进行升温；用于测量所述加热盘3温度的第一测温件6；用于测量所述冷却盘4温度的第二测温件7。
本申请中的页岩热传导参数的测试装置能够对多个页岩实验样品5同时进行热传导参数的测试，在进行测试时，将页岩实验样品5安装至加热盘3和冷却盘4之间形成的样品槽，将加热盘3加热至加热盘3和冷却盘4的温度不再变化时记录在此时加热盘3的温度t1和冷却盘4的温度t2。取出页岩实验样品5，然后再将冷却盘4加热至高于t2的温度，在冷却盘4冷却时计算得到冷却盘4在t2温度下的冷却速率。在特定条件下，基于冷却盘4的散热速率等于页岩实验样品5的导热速率，因此，可以根据冷却盘4的散热速率变相计算得到页岩实验样品5的导热系数。通过稳态法对不良导体进行测量导热系数时，由于导热系数不能直接测量得到，本申请中的测试装置只需要测量少量几个的特定参数，后期便能够通过实验测得的特定参数直接计算得到不良导体页岩的导热系数。
为了能够更好的了解本申请中的页岩热传导参数的测试装置，下面将对其做进一步解释和说明。图1所示，测试装置的壳体1具有一轴线，壳体1可以包括内壳11、外壳12和连接内壳11、外壳12的散热片13。为了提高内壳11、外壳12和散热片13之间的传热性，它们均优先采用热传导较好的金属制成。其中，内壳11内部形成一容纳腔，该容纳腔用于安装隔热挡板2、加热盘3、页岩实验样品5和冷却盘4等部件。为了使得冷却盘4、页岩实验样品5能够较为均匀的通过内壳11向外散热，容纳腔的横截面呈圆形，如此，安装如容纳腔中的加热盘3、冷却盘4、页岩实验样品5等等均呈圆柱体。
如图1所示，所述散热片13可以为多个，其绕所述轴线呈圆周分布，所述散热片13沿径向方向延伸。散热片13一方面起到连接固定内壳11和外壳12的目的，另外一方面能够将内壳11上的热量通过散热片13较快的传递至外壳12上。在一种优选的实施方式中，散热片13绕所述轴线呈均匀的圆周分布，这样可以保证内壳11上的热量传递至外壳12上的均匀性。
如图3和图4所示，为了能够将壳体1打开进而将页岩实验样品5安装进去，所述壳体1可以被分成上壳体14和下壳体15，所述上壳体14的两端设置有上侧板16，所述下壳体15的两端设置有下侧板17。通过上侧板16和下侧板17对壳体1的两端进行封闭。另外，所述上壳体14和所述下壳体15之间通过铰链连接的方式相连接，上壳体14的外壳12的侧壁处可以通过铰链10与下壳体15的外壳12的侧壁处相连接，从而使得壳体1具有开启状态和闭合状态。为了提高壳体1闭合状态下的封闭性，防止壳体1内安装的加热盘3、冷却盘4、页岩实验样品5通过上壳体14和所述下壳体15之间的缝隙局部对外散热过多，而导致加热盘3、冷却盘4、页岩实验样品5散热的不均衡，在所述上壳体14和所述下壳体15相接触处可以设置有密封条18，密封条18可以在上壳体14和所述下壳体15的外壳12周向上绕设一圈，从而减少壳体1在闭合状态内部的热量通过缝隙局部向外扩散过多。
如图1所示，多个隔热挡板2设置在所述容纳腔中，隔热挡板2沿所述轴线方向排列、隔热挡板2的形状与内壳11内部形成的容纳腔的横截面相匹配，从而使得相邻隔热挡板2之间形成相独立的多个区域，该区域用于设置加热盘3、冷却盘4、页岩实验样品5。隔热板的主要目的是为了尽可能的减小相邻区域内的热量的传递，避免在实验时相邻区域之间相互影响而造成实验数据不准确。在一种可行的实施方式中，隔热挡板2可以采用真空隔热板，其可以表面空气对流引起的热传递，阻止热量通过空气相互传递。
如图1和图2所示，在上述至少一个区域中设置有加热盘3和冷却盘4，加热盘3和冷却盘4分别与隔热挡板2相紧贴，加热盘3和冷却盘4之间形成用于安装页岩实验样品5的样品槽。页岩实验样品5的大小尺寸需要与样品槽大小尺寸一致，使得页岩实验样品5能够顺利放在样品槽中进行实验，避免页岩实验样品5与冷却盘4、加热盘3中间出现间隙。在一种优选的实施方式中，样品槽的厚度较薄，其可以选择在1cm左右，这样可以防止页岩实验样品5的侧臂上又过多的热量散失，以影响实验精度。
通过控制可以使得所述加热盘3和所述冷却盘4均能够独立进行升温。图5为本发明实施例中页岩热传导参数的测试装置中加热盘3或冷却盘4的俯视图，如图5所示，加热盘3和冷却盘4的大体部分可以由易导热的材料制成，例如金属材料。加热盘3和冷却盘4的形状需要与容纳腔的横截面相配合，例如加热盘3和冷却盘4均呈圆柱体状，其侧壁均能与内壳11相贴。
为了能够可控的、均衡的给加热盘3和冷却盘4进行加热，加热盘3和所述冷却盘4内部均设置有均匀分布的铁棒31。铁棒31可以为多根，其均匀的沿同一个方向延伸，且沿垂直于延伸方向的方向排列。铁棒31可以位于加热盘3或冷却盘4在厚度方向上的中部。所述铁棒31上以螺旋方式缠绕有导电线32，所述导电线32在通电时能够使得铁棒31产生磁场，以通过电磁加热的方式对加热盘3或冷却盘4进行加热。通过电磁加热的方式可以对同时对加热盘3或冷却盘4整个整体进行较为均匀的加热，避免传统加热过程中只能对加热盘3或者冷却盘4的局部进行加热。
如图1所示，第一测温件6用于测量所述加热盘3的温度，第二测温件7用于测量冷却盘4的温度。第一测温件6可以安装在加热盘3的侧方，第二测温件7可以安装在冷却盘4的侧方。为了能够保证测温的精度，以及测温的便捷性和可记录性，第一测温件6和第二测温件7可以选择电子测温装置，例如红外温度仪、热电偶等。
如图1和图2所示，页岩热传导参数的测试装置中可以包括控制器9，控制器9与电源、第一测温件6、第二测温件7、加热盘3和冷却盘4中的导电线32等相连接，其用于采集第一测温件6、第二测温件7的数据，并根据温度数据控制加热盘3和冷却盘4的加热或直接控制加热盘3和冷却盘4的加热以及整个测试过程的控制。控制器9可以安装在内壳11内，例如容纳腔两端的端部。
如图1所示，上壳体14的上侧板16或下壳体15的额下侧板17上可以安装有显示屏8，显示屏8与控制器9相电性连接，显示屏8可以用于显示测试装置的一些数据，例如，第一测温件6的温度、第二测温件7的温度，以及平衡时加热盘3和冷却盘4的温度，计算得到的冷却盘4的冷却速率等等。
采用本申请中的页岩热传导参数的测试装置的页岩热传导参数的测试方法可以包括以下步骤：
s101：将页岩实验样品5安装入样品槽，以使所述页岩实验样品5与所述加热盘3、冷却盘4相接触。
在本步骤中，首先将页岩样品制成至少一个标准尺寸的页岩实验样品5，使得样品能够完全塞入样品槽，同时避免在页岩实验样品5和加热盘3、冷却盘4之间留有缝隙，页岩实验样品5与内壳11相贴。将壳体1的上壳体14和下壳体15闭合，从而使得页岩实验样品5密封。若页岩实验样品5为多个，那么将每一个页岩实验样品5单独安装至一个区域中的样品槽中。
s102：对所述页岩实验样品5相接触的加热盘3进行加热。
通过测试装置中的控制器9对所述页岩实验样品5相接触的加热盘3进行恒定功率的加热，若页岩实验样品5为多个，则可以同时对不同区域中的加热盘3进行加热，一个区域的加热功率恒定即可，不同区域的加热功率可以不同。
s103：通过所述第一测温件6检测所述加热盘3的温度，通过所述第二测温件7检测所述冷却盘4的温度，在所述加热盘3和所述冷却盘4的温度不变时记录下此时加热盘3的温度t1和冷却盘4的温度t2。
在上述步骤中，若页岩实验样品5为多个，则分别记录下不同区域中加热盘3和所述冷却盘4的温度不变时此时加热盘3的温度t1和冷却盘4的温度t2。在温度不变时，可以认为冷却盘4的散热速率(冷却速率)与页岩实验样品5的传热速率相当，因此，页岩实验样品5的热传导速率就等同于冷却盘4的散热速率。
s104：将所述页岩实验样品5从所述样品槽中取出，在页岩实验样品5取出之后，对所述冷却盘4加热以使其温度高于t2。
在记录下加热盘3的温度t1和冷却盘4的温度t2之后，将壳体1的上壳体14和下壳体15开启，将所述页岩实验样品5从所述样品槽中取出，在页岩实验样品5取出之后，再将壳体1的上壳体14和下壳体15闭合，接着对所述冷却盘4加热以使其温度高于t2即可。若页岩实验样品5为多个，则每个区域中的冷却盘4加热至其温度高于该区域下冷却盘4的温度t2即可。一般而言，为了能够后续方便从冷却速度的曲线计算得到所述冷却盘4在温度t2时的冷却速率，冷却盘4加热上升超过t2的温度可以在10度以上。
s105：待所述冷却盘4温度高于t2后，停止对所述冷却盘4进行加热，并采集所述冷却盘4在不同时间下的温度值，由此计算得到所述冷却盘4在温度t2时的冷却速率。
在本步骤中，每隔预设时间采集所述冷却盘4的温度值，通过冷却速度的曲线计算得到所述冷却盘4在温度t2时的冷却速率为：
s106：基于所述页岩实验样品5的直径d、厚度h、加热盘3的温度t1、冷却盘4的温度t2以及冷却盘4在温度t2时的冷却速率计算得到所述页岩实验样品5的导热系数，其可以包括以下步骤：
s201：根据所述冷却盘4的冷却速率和所述冷却盘4的自然散热速率得到第一关系式，所述第一关系式如下：
其中，m表示所述冷却盘4的质量，c表示所述冷却盘4的比热容，q全表示自然散热时所述冷却盘4的总热量；
s202：根据所述冷却盘4在不同阶段散热面积不同得到第二关系式，所述第二关系式如下：
其中，s稳态表示所述冷却盘4在稳态时的散热面积，s散热表示所述冷却盘4在自然散热时的散热面积，q表示在稳态时的所述冷却盘4的总热量。
由于冷却盘4在散热阶段和测稳态温度阶段时的环境相同，但是散热面积不同，因此需要对不同阶段下的散热面积进行修正，因此得到了第二关系式。
s203：基于所述第一关系式、所述第二关系式、傅里叶传热公式、所述页岩实验样品5的直径d、厚度h、加热盘3的温度t1、冷却盘4的温度t2得到所述页岩实验样品5的导热系数，计算公式如下：
其中，λ表示所述页岩实验样品5的导热系数。
在本步骤中，根据傅里叶传热公式，传热速率的计算公式可以如下：
根据自然散热时冷却盘4的散热速率与稳态时页岩实验样品5的导热导热速率相等，因此上述计算公式再结合s201中的第一关系式、s202中的第二关系式可以换算得到：
通过上述方式只需要测量少量几个的特定参数t1、t2以及所述冷却盘4在温度t2时的冷却速率为：
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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