一种固体材料热扩散系数测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及材料热物性参数测试技术领域，公开了一种固体材料热扩散系数测试系统，包括：水循环系统产生一循环水流，循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；温度控制系统控制循环水流的温度，使其保持恒温；温度采集与分析系统采集所述平板状试样的绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。本实用新型专利技术利用高温循环流动的水作为热源，与被测试样间不存在接触热阻，有利于保证足够的测试精度。通过控制毕渥数Bi，使水与试样表面间符合第一类边界条件下的换热过程，达到直接解算热扩散系数的目标。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术涉及材料热物性参数测试
，公开了一种固体材料热扩散系数测试系统，包括：水循环系统产生一循环水流，循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；温度控制系统控制循环水流的温度，使其保持恒温；温度采集与分析系统采集所述平板状试样的绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。本技术利用高温循环流动的水作为热源，与被测试样间不存在接触热阻，有利于保证足够的测试精度。通过控制毕渥数Bi，使水与试样表面间符合第一类边界条件下的换热过程，达到直接解算热扩散系数的目标。【专利说明】一种固体材料热扩散系数测试系统
本技术属于材料热物性参数测试
，具体涉及一种固体材料，特别是具有不渗水性固体材料的热扩散系数测试系统。
技术介绍
热扩散系数作为固体材料重要的参数，表征了材料的传热性能以及温度均衡性能，是分析材料中导热过程的重要指标；并且在材料、能源、建筑、国防、化工、制冷工程等领域有着重要的用途，随着现代工业的发展其测试方法也一直是研究热点之一。已有测试方法主要分为稳态法和非稳态法，稳态法是基于傅里叶导热定律之上的，主要包括圆管法、热流计法、防护热板法等，但是稳态法往往因为实验时间较长同时存在接触热阻而运用场合受到限制。非稳态法由于测试周期短，往往可同时获取导热系数，而被广泛采用，主要包括闪光法、径向热流法、可动热源法、Forbes棒法、周期热流法等。但实际应用中仍存在一些问题，例如闪光法只能应用于不透光材料，径向热流法在热源均匀度、功率波动、侧向热流损失等方面仍没有得到较好解决，同时大多数采用固体热源的方法对于热源与被测物体间的接触热阻问题表征仍存在困难。
技术实现思路
针对现有测固体材料热扩散系数测试方法存在的不足，本技术提出了一种新的固体材料热扩散系数测试系统。 为达到上述目的，本技术提出了一种上述的固体材料热扩散系数测试系统，包括水循环系统，温度控制系统，温度采集与分析系统； 所述水循环系统，用于产生循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大； 所述温度控制系统，用于控制循环水流的温度，使其保持恒温； 所述温度采集与分析系统，用于采集试样绝热侧表面温度变化，并利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。 优选的，所述水循环系统包括外箱体，内箱体，底部柱形通道，螺旋叶片装置，联轴器和电机；所述内箱体置于所述外箱体内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样放在外箱体的顶部、内箱体顶部上方，所述内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道；所述底部柱形通道位于所述内箱体底与外箱体底部之间，所述螺旋叶片位于所述底部柱形通道内，通过联轴器与电机连接，利用电机带动旋转，挤压底部柱形通道中的水，产生循环水流，与平板状试样一面接触产生对流换热。所述螺旋叶片装置为蜗片蜗杆装置。 优选的，所述温度控制系统包括温度控制器和加热棒，所述温度控制器根据预先设置的温度，通过加热棒控制水的温度和使其恒温； 优选的，所述温度采集与分析系统包括温度测点，温度采集和传输装置，数据处理装置；所述温度测点采集试样绝热侧表面温度变化并转化为电流信号，传输给温度采集和传输装置；所述温度采集和传输装置将采集信号传输给所述数据处理装置，数据处理装置利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。 更优选的，平板状试样的宽度 < 底部柱形通道的长度，以消除流体在过流断面边界处速度不均匀带来的影响。 本技术主要适用于具有不渗水性的固体如金属、玻璃等材料的热扩散系数测量，具有以下有益效果: 1、利用高温循环流动的水作为热源，温度均匀性好，且与被测试样间不存在接触热阻，有利于保证足够的测试精度。 2、通过电机控制蜗片蜗杆装置旋转使水循环流动，调整与试样接触的水流速度改变对流换热系数，进而控制毕渥数Bi，使水与试样表面间符合第一类边界条件下的换热过程，达到直接解算热扩散系数的目标。 【专利附图】【附图说明】 图1为本技术的原理简图。 图2为本技术【具体实施方式】的整体结构图。 图3为不同水循环流动速度u0 (m/s)时的平均换热系数Iini变化关系图。 图4为图2的部分俯视图。 图5为图2的部分左视图。 图中，平板状试样1、加热棒2、电机3、联轴器4、蜗片蜗杆装置5、底部柱形通道6、外箱体7、内箱体8、水循环通道9。 【具体实施方式】 下面结合附图和【具体实施方式】对本技术做进一步详细的说明。 如图1所示，平板状试样1，初始温度为h，其一侧突然与温度为100的流体接触，另外一侧面绝热，设不考虑其侧向热传导，则流体与固体表面间传热，可视为第三类边界条件下的一维非稳态传热过程，其解析解如下: 式中θ—过余温度，eq-tw β η一超越方程〔印# = f H勺系列解。O L Bi = y = 称为毕渥数，表示平板的导热热阻和其表面的对流换热热阻的比。 Fo = $称为傅里叶数，表示非稳态导热过程的无量纲时间。 基于第三类边界条件的公式(I)含有无穷项级数，无法直接求解，研究表明而当Fo >0.2时可取公式(I)的第一项代替整个无穷级数，其计算结果的误差在1%以内，足以满足工程计算精度要求: ^=二二严岭-^2) 对式⑵两边取对数，得 Ιηθ = -β^^1η[θ0 JX0^cos {β^⑶ 式(3)虽然较式⑴进行了大幅度简化，但仍包含两个未知数P1和？0，而无法通过测量温度Θ直接计算得到热扩散系数a。 研究表明，Bi — c?时，β i恒等于L 5708，从而式(3)中将只有一个未知数a，通过测量试样与水接触后绝热面(X = O)处的不同时刻τ的过余温度变化值Θ，可直接计算出 a。而实际上Bi不可能无穷大，但通过计算表明，当Bi数为30时，P1值为1.5202，与Bi数为^时的β i值1.5708，相对误差^ = 1S7=f。2= 3.2%，从而Bi只要大于30与假设其为无穷大(取β i = 1.5708)带来的误差在可接受范围内。 基于上述原理，本技术提出了一种固体材料热扩散系数测试系统，如图2所示，内箱体8置于外箱体7内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样I放在外箱体7的顶部、内箱体8顶部上方，内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道9 ;底部柱形通道6位于内箱体底与外箱体底部之间，蜗片蜗杆装置5位于底部柱形通道6内，蜗片蜗杆装置5通过联轴器4与电机3连接。加热棒2插于内箱体底与外箱体内，温度控制器控制加热棒2实现水的加热与保温，以得到设定温度的水。电机3通过联轴器4带动螺旋叶片5转动，压缩底部柱形通道6中的水，使其在水循环通道7中以一定速度循环流动，进而与平板状试样I对流换热。温度采集和分析系统中的温度测点采集平板状试样I绝热侧表面温度的变化，同时传输给温度采集和传输装置，温度采集和传输装置将信号转换为温度数值传送给微型计算机，进而代入(3)式算出热扩散系数a。不同水流速度可直接计算得到相应的对流换热系数h本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体材料热扩散系数测试系统，其特征在于，包括水循环系统，温度控制系统，温度采集与分析系统； 所述水循环系统，包括外箱体，内箱体，底部柱形通道，螺旋叶片装置，联轴器和电机；所述内箱体置于所述外箱体内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样放在外箱体的顶部、内箱体顶部上方，所述内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道；所述底部柱形通道位于所述内箱体底与外箱体底部之间，所述螺旋叶片位于所述底部柱形通道内，通过联轴器与电机连接，利用电机带动旋转，挤压底部柱形通道中的水，产生循环水流，与平板状试样一面接触产生对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大； 所述温度控制系统，用于控制循环水流的温度，使其保持恒温； 所述温度采集与分析系统，包括温度测点，温度采集和传输装置，数据处理装置；所述温度测点采集试样绝热侧表面温度变化并转化为电流信号，传输给温度采集和传输装置；所述温度采集和传输装置将采集信号传输给所述数据处理装置，数据处理装置利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：庞立，陈清华，黎贤东，董长帅，袁力，吴亮，徐曼曼，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34