一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)和方法，包括試樣筒、加熱系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，所述試樣筒包括試樣筒體和試樣筒蓋，所述加熱系統(tǒng)包括加熱裝置、直流穩(wěn)壓電源以及交流電源，所述集氣系統(tǒng)包括集氣管和集氣裝置，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括探測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，所述試樣筒體的筒壁由內(nèi)到外包括發(fā)熱元件、保溫層和外殼，所述試樣筒蓋包括上筒蓋和下筒蓋，上筒蓋和下筒蓋之間通過所述集氣管和密封管相連，所述試樣筒蓋和所述試樣筒體之間設(shè)有石墨墊圈，所述加熱裝置設(shè)置于試樣筒的軸線位置，所述集氣裝置通過所述集氣管從所述試樣筒內(nèi)部收集氣體，所述探測裝置設(shè)置在所述試樣筒內(nèi)部偏離試樣筒軸線的位置。
【專利說明】一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)和方法，尤其適用于高溫分解會產(chǎn)生氣體的物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)測定。

【背景技術(shù)】
[0002]導(dǎo)熱系數(shù)是指在單位梯度作用下物料單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，該物理量是表征物料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)。堆積的塊狀物料可以視為是由多相物質(zhì)共存的一種組合體，例如堆積的塊煤就是由煤、煤中水分和空隙間的氣體所組成的組合體。該組合體內(nèi)的傳熱機(jī)理極為復(fù)雜，包括導(dǎo)熱、對流及輻射三種方式，所以塊狀物料的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)質(zhì)上是三種傳熱形式的表觀參數(shù)，是傳熱的總效果，故稱為等效傳熱系數(shù)。相比于物料的導(dǎo)熱系數(shù)，等效導(dǎo)熱系數(shù)使得研究堆積的塊狀物料內(nèi)部的傳熱過程更加簡單方便。
[0003]一般情況下，物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)只能采用實(shí)驗的方法來測量。非穩(wěn)態(tài)法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)出的導(dǎo)熱系數(shù)測量方法，通過測量樣品的溫度分布隨時間變化，從而來推算導(dǎo)熱系數(shù)。該方法的特點(diǎn)是測量時間短、精確性高、對環(huán)境要求低，多用于研究高導(dǎo)熱系數(shù)物料，或在高溫條件下進(jìn)行測量。其中熱線法的應(yīng)用范圍比較廣泛，已在液體、粉末狀、顆粒狀或塊狀材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定中得到應(yīng)用。熱線法在測量過程中，試樣的溫升和溫度梯度都很小，從而測得的結(jié)果可視為確定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值。利用熱線法測量時，試樣可在特定溫度下均勻加熱，避免了測定較高溫度下材料導(dǎo)熱系數(shù)而出現(xiàn)試樣表面過燒以及測量數(shù)據(jù)不能確切代表試樣導(dǎo)熱系數(shù)的問題。
[0004]目前熱線法大多用于測量常溫或較低溫度下的物料等效導(dǎo)熱系數(shù)，沒有測量高溫條件下物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，尤其是適合高溫可產(chǎn)氣物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定裝置。而物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)通常是溫度的函數(shù)，在不同溫度下物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)有較大差別。工業(yè)上的生產(chǎn)工況大多是在較高溫度下進(jìn)行，例如干餾、煅燒等，因此測量高溫條件下物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)更為重要。
[0005]申請?zhí)枮?00910144808.6的發(fā)明提供了一種測量松散煤體熱物性的方法及系統(tǒng)，可以一次性同時測松散煤體熱物性，包括導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率和比熱容。但是，該技術(shù)只能測定常溫下松散煤體的熱物性，不能獲得高溫下松散煤體的熱物理性質(zhì)，因此不能獲得松散煤體熱物性隨溫度的變化關(guān)系。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )解決的技術(shù)問題
[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種塊狀物料等效導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置和方法，可以實(shí)現(xiàn)測量高溫(〈1000°c)下塊狀分解可產(chǎn)氣物料(例如，塊煤、廢棄輪胎、固體垃圾、礦石等)的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明公開了一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，包括試樣筒、加熱系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，所述試樣筒包括試樣筒體和試樣筒蓋，所述加熱系統(tǒng)包括加熱裝置、直流穩(wěn)壓電源以及交流電源，所述集氣系統(tǒng)包括集氣管和集氣裝置，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括探測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，最高測定溫度1000°c，其中，所述試樣筒體包括發(fā)熱元件，所述發(fā)熱元件與所述交流電源相連，所述試樣筒蓋包括上筒蓋、下筒蓋和密封管，所述上筒蓋和所述下筒蓋之間通過所述集氣管和密封管相連，并且所述集氣管和所述密封管貫穿所述上筒蓋和所述下筒蓋，所述密封管和所述試樣筒蓋之間設(shè)有密封裝置，所述加熱裝置和所述探測裝置分別通過所述密封管從所述密封裝置中穿出，所述加熱裝置與試樣筒外的所述直流穩(wěn)壓電源相連，所述探測裝置與試樣筒外的所述數(shù)據(jù)采集裝置相連，所述集氣裝置通過所述集氣管從所述試樣筒內(nèi)部收集氣體，所述數(shù)據(jù)處理裝置對所述數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0010]所述試樣筒體的筒壁由內(nèi)到外包括發(fā)熱元件、保溫層和外殼，所述加熱裝置設(shè)置于試樣筒的軸線位置，所述探測裝置設(shè)置在所述試樣筒內(nèi)部偏離試樣筒軸線的位置。
[0011]進(jìn)一步地，所述測定系統(tǒng)包括循環(huán)水冷裝置，所述循環(huán)水冷裝置與所述上筒蓋相連。
[0012]進(jìn)一步地，所述集氣系統(tǒng)進(jìn)一步包括氣體冷卻裝置，其設(shè)置于所述集氣管和所述集氣裝置之間。
[0013]進(jìn)一步地,所述發(fā)熱元件為高溫電爐絲或者娃碳棒。
[0014]進(jìn)一步地，所述試樣筒蓋和所述試樣筒體之間設(shè)有石墨墊圈。
[0015]進(jìn)一步地，所述加熱裝置為熱線。
[0016]進(jìn)一步地，所述探測裝置為兩根K型熱電偶，所述兩個K型熱電偶位于以試樣筒軸線為中心的同一徑向平面上。
[0017]進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理裝置通過熱線法計算等效導(dǎo)熱系數(shù)。
[0018]本發(fā)明還公開了一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法，所述數(shù)據(jù)處理裝置通過以下步驟利用熱線法計算等效導(dǎo)熱系數(shù):
[0019]I)在試樣筒的軸線位置上插入加熱裝置，同時在偏離加熱裝置中心一定距離處設(shè)置探測裝置，并記錄探測裝置與加熱裝置中心之間的距離；
[0020]2)將待測試樣隨機(jī)裝入試樣筒中；
[0021]3)設(shè)定待測溫度，當(dāng)試樣筒體內(nèi)部達(dá)到待測溫度后，進(jìn)行保溫；
[0022]4)當(dāng)試樣筒內(nèi)試樣溫度到達(dá)穩(wěn)定態(tài)后，設(shè)置試樣筒的升溫速率，開始記錄時間和探測裝置處的溫度；
[0023]5)設(shè)定加熱裝置的加熱功率，從加熱裝置接通直流穩(wěn)壓電源開始，記錄時間和探測裝置處的溫度；
[0024]6)重復(fù)步驟3)至步驟5)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算獲得不同溫度下的物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
[0025]進(jìn)一步地，所述加熱裝置為熱線，所述探測裝置為兩根K型熱電偶，所述數(shù)據(jù)處理裝置基于兩根K型熱電偶測量的數(shù)據(jù)計算等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步包括:分別在有、無接通直流穩(wěn)壓電源條件下記錄時間和物料溫度以及熱線的加熱功率，根據(jù)A =計算等效導(dǎo)熱系數(shù)，其中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，q為加熱功率，！^和^分別為兩根K型熱電偶距離試樣筒軸線的距離，Λ Θ為q = O時，兩根K型熱電偶之間的溫差，Λ Θ’為q古O時，兩根K型熱電偶之間的溫差。
[0026](三)有益效果
[0027]I)本發(fā)明提供了一種等效導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置實(shí)現(xiàn)了高溫會發(fā)生分解反應(yīng)生成氣體的塊狀物料等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定。
[0028]2)試樣筒蓋采用上、下兩部分結(jié)構(gòu)，上部分冷卻，下部分密封，既保證橡膠蓋不會在高溫條件下融化而導(dǎo)致分解產(chǎn)生的氣體泄露；又實(shí)現(xiàn)對試樣筒的密封，且不會影響試樣筒內(nèi)的物料溫度。
[0029]3)試樣筒體筒壁中的發(fā)熱元件采用高溫電爐絲或硅碳棒，與交流電源相連，為試樣提供可程序升溫的熱量，提供了等效導(dǎo)熱系數(shù)測量的均勻的熱環(huán)境。
[0030]4)集氣系統(tǒng)一方面可以實(shí)現(xiàn)熱解氣的存儲，保證實(shí)驗過程中無氣體排放；另一方面，由于高溫分解的氣體實(shí)時從試樣筒中排出，使得實(shí)驗中測量出的等效導(dǎo)熱系數(shù)包括了熱解氣體析出對其的影響。
[0031]5)本發(fā)明利用熱線法可以獲得不同溫度下的塊狀物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:1:試樣筒體、2:熱線、3:試樣筒蓋(其中3-1為試樣筒蓋上部分，3_2為試樣筒蓋下部分)、4:集氣管、5:熱電偶、6:橡膠蓋、7:循環(huán)水冷裝置、8:直流穩(wěn)壓電源、9:氣體冷卻裝置、10:集氣裝置、11:數(shù)據(jù)采集裝置、12:數(shù)據(jù)處理裝置、13:交流電源、14:石墨墊圈、15:密封管。
[0034]以下是【具體實(shí)施方式】，并結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明。

【具體實(shí)施方式】
[0035]本實(shí)施例中的測量系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)置包括試樣筒、加熱系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)四個部分。
[0036]試樣筒:試樣筒由試樣筒體I和試樣筒蓋3組成,試樣筒體和試樣筒蓋之間設(shè)有石墨墊圈14進(jìn)行密封。其中試樣筒體I筒壁由內(nèi)到外包括發(fā)熱元件、保溫層和外殼三個部分；發(fā)熱元件采用高溫電爐絲或硅碳棒，與交流電源13相連，為試樣提供可程序升溫的熱量。為了盡量消除外部環(huán)境干擾對測量精度的影響，試樣筒體I保溫層為耐火纖維保溫層，這種形式具有較好的保溫性能，外殼為不銹鋼材質(zhì)。試樣筒蓋3分為上、下兩部分，兩部分僅通過集氣管4和密封管15相連，其中密封管15可以插入熱線2和熱電偶5，避免試樣筒蓋上、下兩部分的溫度相互影響。試樣筒蓋上部分3-1預(yù)留有集氣管4、密封管15以及作為密封管與所述試樣筒蓋之間密封裝置的橡膠蓋6。上部分3-1與循環(huán)水冷裝置7相連，降低集氣管4和密封管15的溫度，保證橡膠蓋6不會在高溫條件下融化而導(dǎo)致漏氣；試樣筒蓋下部分3-2與石墨墊圈14和試樣筒體I相連，隔絕空氣，為試樣升溫提供密閉空間。
[0037]加熱系統(tǒng):加熱系統(tǒng)包括兩部分，一部分是為試樣筒體I的發(fā)熱兀件提供工作電源的交流電源13 ;另一部分包括熱線2，以及為熱線2提供工作電源的直流穩(wěn)壓電源8。
[0038]集氣系統(tǒng):塊狀物料(粒徑為5?50mm)在高溫下分解產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)過集氣管4導(dǎo)出，經(jīng)過冷卻裝置9冷卻后，進(jìn)入集氣裝置10儲存。集氣系統(tǒng)一方面可以實(shí)現(xiàn)熱解氣的存儲，保證實(shí)驗過程中無氣體排放；另一方面，由于高溫分解的氣體實(shí)時從試樣筒中排出，使得實(shí)驗中測量出的等效導(dǎo)熱系數(shù)包括了熱解氣體析出對其的影響。
[0039]數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng):數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括兩根K型熱電偶5、數(shù)據(jù)采集裝置11和數(shù)據(jù)處理裝置12。在偏離試樣筒軸線位置上設(shè)置熱電偶5，直接測量試樣中的溫度變化，溫度測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集裝置11進(jìn)行采集，并通過編程電纜傳輸至數(shù)據(jù)處理裝置12。
[0040]本發(fā)明采用熱線法對塊狀物料等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定。熱線法的基本原理是測量放置在試樣中線狀熱源的溫升以及物料內(nèi)部的溫度分布，根據(jù)熱移速度與物料特性的關(guān)系來獲得物料的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0041]與上述系統(tǒng)對應(yīng)的具體操作步驟如下:
[0042]1、在試樣筒的軸線位置上插入熱線，同時在偏離熱線中心一定距離處設(shè)置熱電偶測點(diǎn)，并記錄距熱線的距離。
[0043]2、將待測塊狀試樣(粒徑為5?50mm)隨機(jī)裝入試樣筒中；放上石墨墊圈，蓋上筒蓋，并將熱線和熱電偶從筒蓋上的密封管中穿出，用橡膠蓋將密封管密封。
[0044]3、將集氣管與集氣系統(tǒng)相連；筒蓋上部分與循環(huán)水裝置相連，并通入循環(huán)冷卻水；熱線與直流電源相連；兩根K型熱電偶與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相連；試樣筒與交流電源相連。
[0045]4、設(shè)定待測溫度，當(dāng)筒體達(dá)到待測溫度后，進(jìn)行保溫，保證筒體內(nèi)試樣溫度分布穩(wěn)定。
[0046]5、當(dāng)試樣筒內(nèi)試樣溫度到達(dá)穩(wěn)定態(tài)后，設(shè)置試樣筒的程序升溫速率，開始記錄時間和熱電偶處的溫度。
[0047]6、設(shè)定熱線的加熱功率，從熱線接通電源開始，記錄時間和熱電偶處的溫度。
[0048]7、重復(fù)步驟4-6，可根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)計算獲得不同溫度下的塊狀物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
[0049]8、在整個實(shí)驗過程中，打開氣體冷卻裝置，對集氣管導(dǎo)出的熱解氣進(jìn)行降溫，便于在集氣裝置中進(jìn)行存儲。
[0050]上述步驟7中，可基于下文推導(dǎo)出的公式7獲得不同溫度下的塊狀物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。具體的推到過程如下:
[0051]假設(shè)一無限長圓柱體，放置在溫度按直線規(guī)律變化的電爐中，初始溫度為常數(shù)Ttl,則經(jīng)過時間t后，爐溫變?yōu)門。= T0+Bto在物料中心處有一條無限長的線熱源，其加熱功率為q(W/m)，由導(dǎo)熱理論可知，在無限大物體內(nèi)部由熱源引起的溫度場的變化，可由下述一維導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行描述:
ΘΘ (crΘ I οθλ
[0052]^7 = a IT +—I
ot Iv cr r or ^(I)
[0053]θ = T-T0(2)
[0054]初始條件:t= 0，Θ = O(3)

,?θ,
[0055]邊界條件:r= T1, ~A~^nr, =c!
(7/(4)

【權(quán)利要求】
1.一種等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，包括試樣筒、加熱系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，所述試樣筒包括試樣筒體和試樣筒蓋，所述加熱系統(tǒng)包括加熱裝置、直流穩(wěn)壓電源以及交流電源，所述集氣系統(tǒng)包括集氣管和集氣裝置，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括探測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，最高測定溫度1000°c，其中，所述試樣筒體包括發(fā)熱元件，所述發(fā)熱元件與所述交流電源相連，所述試樣筒蓋包括上筒蓋、下筒蓋和密封管，所述上筒蓋和所述下筒蓋之間通過所述集氣管和密封管相連，并且所述集氣管和所述密封管貫穿所述上筒蓋和所述下筒蓋，所述密封管和所述試樣筒蓋之間設(shè)有密封裝置，所述加熱裝置和所述探測裝置分別通過所述密封管從所述密封裝置中穿出，所述加熱裝置與試樣筒外的所述直流穩(wěn)壓電源相連，所述探測裝置與試樣筒外的所述數(shù)據(jù)采集裝置相連，所述集氣裝置通過所述集氣管從所述試樣筒內(nèi)部收集氣體，所述數(shù)據(jù)處理裝置對所述數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述試樣筒體的筒壁由內(nèi)到外包括發(fā)熱元件、保溫層和外殼，所述加熱裝置設(shè)置于試樣筒的軸線位置，所述探測裝置設(shè)置在所述試樣筒內(nèi)部偏離試樣筒軸線的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括循環(huán)水冷裝置，所述循環(huán)水冷裝置與所述上筒蓋相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述集氣系統(tǒng)進(jìn)一步包括氣體冷卻裝置，所述氣體冷卻裝置設(shè)置于所述集氣管和所述集氣裝置之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)熱元件為高溫電爐絲或者硅碳棒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述試樣筒蓋和所述試樣筒體之間設(shè)有石墨墊圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱裝置為熱線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述探測裝置為兩根K型熱電偶，所述兩根K型熱電偶位于以試樣筒軸線為中心的同一徑向平面上。
9.一種基于權(quán)利要求1或2所述的測定系統(tǒng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理裝置通過以下步驟利用熱線法計算等效導(dǎo)熱系數(shù): 1)在試樣筒的軸線位置上插入加熱裝置，同時在偏離加熱裝置中心一定距離處設(shè)置探測裝置，并記錄探測裝置與加熱裝置中心之間的距離； 2)將待測試樣隨機(jī)裝入試樣筒中； 3)設(shè)定待測溫度，當(dāng)試樣筒體內(nèi)部達(dá)到待測溫度后，進(jìn)行保溫； 4)當(dāng)試樣筒內(nèi)試樣溫度到達(dá)穩(wěn)定態(tài)后，設(shè)置試樣筒的升溫速率，開始記錄時間和探測裝置處的溫度； 5)設(shè)定加熱裝置的加熱功率，從加熱裝置接通直流穩(wěn)壓電源開始，記錄時間和探測裝置處的溫度； 6)重復(fù)步驟3)至步驟5)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算獲得不同溫度下的物料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
【文檔編號】G01N25/20GK104198524SQ201410370810
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】吳道洪, 鄭倩倩, 郭啟海, 丁力 申請人:北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司