测量含液多孔材料有效导热系数的实验装置及方法

本发明涉及稳态热流实验领域，具体是一种测量含液多孔材料有效导热系数的实验装置及方法。

背景技术：

1、多孔材料是一种由连通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，相对于连续介质而言，多孔介质具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，因而在各个领域有广泛应用。多孔材料有效导热系数的确定一直是工程和科研领域的热点问题，热能储存装置、建筑物供热制冷、空间技术、航空飞行、生物组织传热等都涉及到多孔材料的有效导热系数问题。

2、而含液多孔材料的有效导热系数一直是传热学中未解决的重大问题之一，因其在科学、工程和技术上的广泛应用而引起了人们的关注。海绵、松质骨、浸水土壤等是自然界中典型的含液多孔材料，对此类含液多孔材料有效导热系数的研究有助于探究自然界物质结构的传热特性；在防爆领域，现有的复合装甲在开孔泡沫里填充增稠液体以阻挡冲击波，对含液多孔材料有效导热系数进行研究可以进一步指导国防装备的设计以实现隔热、防爆一体化功能；开孔泡沫填充相变材料是提高储能效率的一种方法，研究含液多孔材料有效导热系数有助于解决热能存储等能源问题；人体的组织、细胞、细胞核等，是由间质流体等液体与蛋白纤维网络等固体骨架组成的含液多孔材料，其有效导热系数的研究对于生物热力学、医学等也具有重要指导意义。由此可见，含液多孔材料广泛存在于各个领域，研究其有效导热系数具有重要意义。

3、多孔材料：含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料；

4、导热系数：在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(k，℃)，在1秒内(1s)，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(w/(m·k)，此处为k可用℃代替)；

5、有效导热系数：导热系数仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，复合传热关系通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。

6、自然对流：对流是流体整体运动引起的质量传递。热对流是指流体运动引起的传热。只要存在温度梯度，即使没有强制流动，也可能由于密度变化和重力作用，出现浮力驱动的流动。在正常环境条件下，对于体积大于几毫升的流体，对流通常保持动态，不会出现完全静止不动的现象。这意味着，即使没有强制对流作用，对流实际上也会引起质量传递。在温度变化引起密度变化的情况下，这一效应称为自然对流或自由对流，也可以简称浮力对流。

7、目前，针对多孔材料导热系数的确定主要有稳态实验方法和瞬态实验方法。现有技术中，cn201810814355.2，cn201720461287.7，cn201811441483.3等中国专利申请，利用稳态法对固定、流体、良导体、不良导体等材料的导热系数进行测量，存在以下缺点：

8、1、现有的稳态热流计实验装置主要是针对块状固体这类单质进行测量，对样品的要求比较苛刻，无法测量填充液体后的含液多孔材料等此类非均匀多相材料的有效导热系数。

9、2、现有的装置侧面隔热性能有待提高，样品侧面的热对流和热辐射损失可能给测试结果带来较大误差，对导热系数较低的样品测量不够准确。

10、3、现有的装置大多忽略了空气自然对流，无法同时观察有无自然对流对导热系数的影响，若采用两个装置同时观察，成本较高。

技术实现思路

1、本发明为了解决非均质的多孔材料含有液体时的有效导热系数难题，提供了一种测量含液多孔材料有效导热系数的实验装置及方法，可以测量导热系数较低的含液多孔材料有效导热系数，并可以探究自然对流对有效导热系数的影响。

2、本发明提供了一种测量含液多孔材料有效导热系数的实验装置，包括上下对称设置的两个结构相同的实验仓，实验仓内放置含液多孔材料，每个实验仓均包括仓顶、仓壁和仓底；所述仓壁由气凝胶隔热板粘接而成，气凝胶隔热板外侧设置提供支撑的亚克力板；所述仓底为热板，热板外侧紧贴有薄膜电加热片，薄膜电加热片与热板之间粘接有热流计；所述仓顶为冷板，冷板外侧用设置有水冷散热器；所述含液多孔材料与实验仓底部的热板紧密接触，冷板放置于含液多孔材料上方并与含液多孔材料上表面紧密贴合；所述冷板外侧、热板外侧、仓壁内外侧分别粘结有热电偶。

3、进一步改进，所述气凝胶隔热板和热板使用强力胶粘接固定，接缝处使用防水硅胶密封，以防止实验样品中液体流失。

4、进一步改进，所述热板和冷板均采用导热铜片。

5、进一步改进，所述薄膜电加热片与热板之间粘接有热流计，测量通过实验样品的热流密度。

6、进一步改进，所述水冷散热器通过导热硅胶与冷板粘接。

7、进一步改进，所述冷板外侧贴合有阶梯式亚克力板，以防止其对实验样品造成压迫。

8、本发明还提供了一种测量含液多孔材料有效导热系数的实验方法，包括以下步骤：

9、1)组装权利要求1中所述测量含液多孔材料有效导热系数的实验装置；

10、2)将薄膜电加热片连接可调式直流稳压电源，提供一定值的热流；将热流计和热电偶均连接数据采集仪记录读数；使水冷散热器通过水管和泵外接恒温水浴箱中的恒温水流进行循环散热，从而对含液多孔材料表面进行散热；

11、3)薄膜电加热片同时对上下两个实验仓进行加热，上方实验仓热流向上流动，产生自然对流，下方的实验仓热流向下流动，自然对流影响忽略；

12、4)求解下方仓室中的含液多孔材料的热导系数：沿x轴的一维稳态导热由傅里叶导热定律式确定，因此含液多孔材料有效导热系数ke由下式决定为：

13、

14、其中q″net是通过试样的净热流量，定义为

15、q″net＝q″input-q″loss   (3)

16、式中q″input为总热流量，由热通量传感器测量得到，q″loss为损失热量流，由实验仓的内外壁温差δtw计算得到，实验仓的壁厚为d；亚克力板与气凝胶隔热层串联，使用热阻网络法，计算得到仓侧壁的有效导热系数，因此装置侧壁的热损失q″loss为：

17、

18、l是试样沿x轴方向的长度，te1为含液多孔材料上表面温度，te2为含液多孔材料下表面温度，δt是试样上下表面的温差，表示为

19、δt＝te1-te2   (5)

20、由于导热铜板与试样贴合紧密，热电偶置于热板和冷板外侧，此无法直接测得te1和te2，te1和te2的数值由热板外侧热电偶温度t1和冷板外侧热电偶温度t2确定：

21、

22、

23、将te1和te2代入式(5)就可得到δt，进而可以确定含液多孔材料有效导热系数ke。

24、本发明有益效果在于：

25、1.现有的稳态热流计实验装置主要是针对块状固体或者液体这类单质进行测量，而本发明提出了一种测量含液多孔材料有效导热系数的稳态热流实验装置，针对非均匀多孔介质进行测量，并提高装置的密封防水性能；

26、2.现有的装置样品侧面的热对流和热辐射损失可能给测试结果带来较大误差，对导热系数较低的样品测量不够准确。本发明装置的实验仓侧壁采用隔热性能较好的非透明气凝胶板，可以测量导热系数较低的含液多孔材料有效导热系数，减少热量向四周散失，保证一维传热；

27、3.现有的装置无法同时观察有无自然对流对导热系数的影响，本发明设计对称的上下实验仓同时进行实验，此时，薄膜电加热片同时对上下两个实验仓进行加热。上面的实验仓中，热流向上流动，会产生自然对流，而下面的实验仓中，热流向下流动，自然对流影响可以忽略。通过这样的设计，能够同时研究有无自然对流对有效导热系数的影响。