一种基于保护热板法的用于多孔金属材料有效热导率的快速测定装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及传热性能测试技术领域，具体的说，设及多孔金属材料有效热导率的 测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 多孔金属材料具有重量轻、传质能力好、机械强度高、比表面积大等特点，因此多 孔金属材料大量地用于催化剂载体领域。多孔材料作为载体时，其导热性能对催化剂的催 化性能及寿命有着很大的影响。良好热导率的载体，有助于移去反应热，避免催化剂表面局 部过热。有效热导率是反映物质热传导能力的系数，但由于受到多孔材质、多孔骨架、孔隙 率、理论适用性等多方面限制，多孔结构的热导率一直未能有统一并且使用范围广泛的，理 论公式，因此对于热导率实验测试方法和技术的探索，仍是新型多孔金属材料热导率数据 的主要来源。
[0003] 保护热板法是一种稳态测量方法，具有原理简单，可准确、直接地获得热导率的优 点。在保护热板法的测量过程中，有两个关键点，一是一维稳态热流状态的建立，二是热流 量的测定。一维稳态热流状态的建立往往需要等到系统达到热平衡状态，即加热器释放出 来的热量等于通过待测样品散失出去的热量。由于绝热材料的引入，使得运个稳态过程的 建立十分缓慢，所W构建一维稳态热流状态需要花费大量的时间，往往在5-6个小时W上。 另一方面，热流量的测定需要用到热流传感器，运便增加了实验测量的投入。所W需要简 单、快速、准确、易实现、低投入的测定方法，来实现对多孔金属材料有效热导率的测定。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是:提供一种成本低、步骤少、测 量快速的基于保护热板法的用于多孔金属材料有效热导率的快速测定装置和方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于保护热板法的用于多孔金属材料有效热导率的快速测定装置，包括:位 于待测样品的热端的保护热板测试单元，与保护热板测试单元相接的溫控及计时单元，位 于待测样品的冷端的水冷单元，采集待测样品的冷端和热端溫度的溫度采集单元;保护热 板测试单元包括主加热器、绝热层、侧面辅助加热器、底面辅助加热器;水冷单元包括水冷 头;水冷头覆盖待测样品的上端面，主加热器覆盖待测样品的下端面，绝热层将待测样品的 侧面和主加热器包裹，侧面辅助加热器覆盖绝热层的侧面，底面辅助加热器覆盖绝热层的 下端面。
[0007] 水冷单元包括水累、水箱、水冷排、质量块;水冷头、水累、水箱、水冷排依次通过水 路连接管相接，水冷排再与水冷头通过水路连接管相接;质量块位于水冷头的上端面。
[000引溫控及计时单元包括底面辅助加热器溫度反馈热电偶、侧面辅助加热器溫度反馈 热电偶、主加热器溫度反馈热电偶、控制底面辅助加热器溫度的溫控仪、控制侧面辅助加热 器溫度的溫控仪、控制主加热器溫度的溫控仪、电源、功率计、通电计时器、可调变压器；电 源、功率计、控制主加热器溫度的溫控仪、可调变压器依次串接，通电计时器并联接入控制 主加热器溫度的溫控仪的输出口；主加热器溫度反馈热电偶与控制主加热器溫度的溫控仪 相接;侧面辅助加热器溫度反馈热电偶与控制侧面辅助加热器溫度的溫控仪相接，控制侧 面辅助加热器溫度的溫控仪与电源相接;底面辅助加热器溫度反馈热电偶与控制底面辅助 加热器溫度的溫控仪相接，控制底面辅助加热器溫度的溫控仪与电源相接。本段所说的= 个热电偶，优选的采用线型0.5mmK型热电偶;各部分通过电气连接组成;=个溫控仪W继电 器方式输出，WPID方式控制;通电计时器的工作电压为220V，W配合溫控仪的使用。
[0009] 底面辅助加热器溫度反馈热电偶位于绝热层和底面辅助加热器之间，侧面辅助加 热器溫度反馈热电偶位于绝热层和侧面辅助加热器之间，主加热器溫度反馈热电偶位于主 加热器的上端面。
[0010] 溫度采集单元包括:测量待测样品的热端溫度的热端溫度记录热电偶组，测量待 测样品的冷端溫度的冷端溫度记录热电偶组，与热端溫度记录热电偶组和冷端溫度记录热 电偶组分别连接的溫度采集卡。
[0011] 水冷头和待测样品之间设有锡锥纸，该锡锥纸的形状和大小与待测样品的上端面 相同；待测样品和主加热器之间设有锡锥纸，该锡锥纸的形状和大小与待测样品的下端面、 主加热器的上端面均相同。
[0012] 绝热层的材料为适应待测样品各种截面和侧面形状的柔性绝热材料。
[OOU] 热端溫度记录热电偶组和冷端溫度记录热电偶组均采用线型0. SmmK型热电偶;水 冷头和待测样品之间设有锡锥纸，冷端溫度记录热电偶组位于该锡锥纸的上端面;待测样 品和主加热器之间设有锡锥纸，热端溫度记录热电偶组位于该锡锥纸的下端面。
[0014] 溫控及计时单元中，功率计的输出端连入控制主加热器溫度的溫控仪的输入端， 控制主加热器溫度的溫控仪的输出端连入可调变压器的输入端，可调变压器的输出端与主 加热器相连，通电计时器并联在控制主加热器溫度的溫控仪的输出端，主加热器溫度反馈 热电偶置于主加热器的上端面的中屯、。
[0015] -种基于保护热板法的用于多孔金属材料有效热导率的快速测定方法，采用一种 基于保护热板法的用于多孔金属材料有效热导率的快速测定装置，有效热导率ke由下述表 达式获得：
[0016]
'其中，P为主加热器的输出功率，由功率计测量得到;H为测量样品 厚度，由测量样品量出；tam为控制主加热器溫度的溫控仪的工作周期中的主加热器的仅通 电的时间，由通电计时器测量得到;A为测量样品的名义截面积，由测量样品计算出；A T为 待测样品的冷端和热端的溫差，由溫度采集单元中的溫度采集卡测量得到；tct为控制主加 热器溫度的溫控仪的工作周期中的开始计时到最终停止计时的总测试时间。
[0017] 本发明的原理是：
[0018] 待测多孔金属样品放置于水冷头和主加热器之间，保护热板测试单元和水冷单元 共同构成通过待测样品的稳定一维热流状态，溫控及计时单元控制所有加热器溫度、累计 主加热器工作时间和显示主加热器工作功率，实现热流的快速测定。
[0019] 由傅里叶定律可知，在一维稳态传热的情况下，物体的有效热导率ke可用W下公 式表示：
[0020] ( 1 )
[0021] 具甲：具甲q刃飘m杏度，单位为J ? Hf2 ? S^; A T为物体测量时冷端与热端的溫 差，单位为K;H为测量样品厚度，单位为m;A为测量样品的名义截面积，单位为m2，Q为单位时 间传输热量，单位为J。
[0022] 本发明鉴于溫控仪的工作模式，是"通电-断电-通断-断电"运样的工作模式。因 此，在本发明中，当稳态一维热流状态达到后，假设在一次有效热导率的测试工作周期中， 从计时开始到结束，主加热器通电与断电（也就是总的测试时间）为tct，单位为S;而其仅通 电的时间为tam，单位为S ;主加热器的加热功率为P，单位为W ;那么受控制主加热器溫度的溫 控仪控制的主加热器的输出热量可W表示为：
[002；3]
(2)
[0024] 将式(2)带入式(1)，即得到变形后的有效热导率ke的表达式：
[0025]
(3)
[0026] 侧面辅助加热器及控制侧面辅助加热器溫度的溫控仪、底面辅助加热器及控制底 面辅助加热器溫度的溫控仪，均用于帮助建立稳态一维热流状态，减少热量向底面和侧面 流动，减小测量误差。
[0027] 本发明的具体操作如下：
[0028] (1)检查各热电偶正负极并完成实验装置的搭建并后，将可调变压器调至最小，接 通所有电源，使所有溫控仪处于待工作状态。
[0029] (2)调节与主加热器相连的控制主加热器溫度的溫控仪，使其溫度设定值升至需 要测试的溫度值;调节控制底面辅助加热器溫度的溫控仪和控制侧面辅助加热器溫度的溫 控仪，使其溫度设定值比控制主加热器溫度的溫控仪的设定值低15-25°C。调大可调变压 器，使主加热器的工作功率在60-80W。再开启水累，使水冷单元中的水循环起来。
[0030] (3)待控制主加热器溫度的溫控仪的显示溫度升至比设定值低20°C时，调小可调 变压器