专利名称：纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于流体传热技术领域，即一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置。
背景技术：
磨削是重要的精密加工方法，它主要用来提高工件表面精度和表面完整性。但是磨削过程中切屑层厚度比较薄，与切削相比相差几十倍至几百倍，如此小的切削厚度会使其比切削力非常大，比能很高，产生大量的热量，其中大约60% -95%的热量被传入工件， 仅有不到10%的热量被切屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处，而聚集在工件表面层形成局部高温。工件表面温度常可高达1000°C以上，在表面层形成极大的温度梯度(可达600-1000°C /mm)，所以磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。特别是当温度在界面上超过某一临界值时就会引起表面的热损伤(表面的氧化、烧伤、残余应力和裂纹)，其结果将会导致零件的抗磨损性能降低，应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性变差，从而降低零件的使用寿命和工作可靠性。同时，磨削周期中工件的累积温升，也导致工件产生尺寸精度和形状精度误差。此外，磨削热会加剧砂轮的磨损，导致加工成本的提高。为了消除或降低磨削热的影响，人们采用流动导热介质参与磨削过程，达到了带走热量的目的。目前采用的流体导热介质主要有液体和气体两种。气体主要是冷气喷射。 液体有液氮和磨削液等，其中，应用最广的是磨削液。目前使用的磨削液可以分为两大类 即油基磨削液和水基磨削液。油基磨削液一般是在各种纯矿物油中加入极性添加剂等成份，为了环保的目的，也有采用植物油做主要成份的。水基磨削液又分为乳化液和溶解液两种，乳化磨削液为油和水的乳化液，溶解磨削液是在水中加入可溶性的合成润滑剂形成的溶解液。磨削液的功能主要有以下四个方面润滑作用；冷却作用；清洗作用；防锈作用等。 油基磨削液润滑性能优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。由强化换热理论可知，固体材料的传热能力远大于液体和气体，常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级。表1对比了固体和液体材料的导热系数值，由此可以判断，悬浮有金属、非金属或聚合物固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大许多。如果在磨削介质中添加固体粒子，可显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力， 极大弥补磨削加工中冷却能力不足的缺陷。此外，纳米粒子(指尺寸为I-IOOnm的超细微小固体颗粒)在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减摩和高承载能力等摩擦学性质。本发明将纳米级固体粒子加入磨削介质中制成纳米流体，依靠磨床中磨削液的供液装置喷入磨削区，对工件起到冷却和润滑的作用。表1几种常用材料的导热系数材料铜铝氧化铜氧化铝碳纳米管金刚石硅水机油乙二醇导热系数 /WOn-K)—140123719. 640300023001480. 6130. 1450. 253纳米流体热特性用导热系数和对流换热系数来衡量，导热系数和对流换热系数的测量方法很多，根据不同的测量对象和测量范围有各种适用的方法。从传热机理上分，包括稳态法和非稳态法；稳态法包括平板法、护板法、热流计法等；非稳态法又称为瞬态法，包括热线法、热盘法、激光法等。根据试样的形状又可以分为平板法、圆柱体法、圆球法、热线法等。现在应用较多的是瞬态热线法，因为理论上来讲，热线法是固体、液体、气体的导热系数都是可以测量的，是现在国际导热系数应用领域内公认的最好的测试方法。但无论采用哪种测量方法目前都不能在同一台设备上既能测量流体的导热系数，又能测量对流换热系数，而且也不能模拟实际磨削工况进行测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，在同一台设备上既能测量流体的导热系数，又能测量对流换热系数，而且对流换热系数是在模拟磨削加工实际工况条件下测量的。上述目的是由以下技术方案实现的研制一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，包括纳米流体导热系数测量装置和对流换热系数测量装置。其特点是所说的纳米流体导热系数测量装置是由储液箱、液压泵、调节阀、进液管、铜管、套管、低温CO2气体、 金属丝支架、引出导线、钼丝、纳米流体、位置传感器、端盖、短出液管、长出液管、惠斯通电桥测量电路、直流电源、数据采集器、计算机构成。所说的储液箱、液压泵、调节阀、进液管、铜管、套管、低温CO2气体、钼丝、纳米流体、位置传感器、端盖各有两只，左右平行相对布置，液压泵的下端和储液箱相联接，上端和调节阀相连，调节阀上端依次和进液管、铜管和端盖相联接。所说的液压泵为离心泵，输出压力为0. 25-1. 2MPa，供液量为10-90L/min.所说的铜管内安装有金属丝支架、钼丝、纳米流体、位置传感器；每个铜管布置有两个L形的金属丝支架和引出导线，钼丝与金属丝支架的L形端部相连，每个金属丝支架穿过端盖与一根引出导线相连；在铜管侧壁上开有小圆孔分别与短出液管和长出液管贯通相连，短出液管和长出液管的下端分别和储液箱相连，在铜管小圆孔的下端安装有位置传感
ο所说的铜管外侧加装一套管，在套管和铜管之间的夹层内填充低温(X)2气体。所说的引出导线分别接入惠斯通电桥测量电路中，直流电源的两端通过a节点和 c节点和惠斯通电桥测量电路相连，数据采集器分别和惠斯通电桥测量电路中b节点、d节点以及计算机相连。所说的对流换热系数测量装置是由镍铬合金电阻丝、直流稳压电源、电流表、电压表、外壁温度传感器、流体截面温度传感器、入口温度传感器、出口温度传感器、传感器测量信号采集器、流量计、压力计、温度计、流量计和冷却器构成，其特征是所说的镍铬合金电阻丝、直流稳压电源、电流表、电压表构成加热回路，给铜管内的纳米流体加热，以获得和磨削工况相同的热流边界条件。所说的外壁温度传感器共有四只，均勻布置在铜管下端和长出液管之间的铜管的外壁上。所说的流体截面温度传感器共有三只，均勻布置在纳米流体相同高度的半径截面上。所说的入口温度传感器、出口温度传感器分别安装在铜管内纳米流体入口和出口处。所说的传感器测量信号采集器分别与外壁温度传感器、流体截面温度传感器、入口温度传感器、出口温度传感器相连构成信号采集系统，传感器测量信号采集器为16通道信号采集分析系统。所说的流量计、压力计与进液管相连。所说的温度计、流量计和冷却器连接在长出液管上。本发明的有益效果是在同一台设备上既能完成纳米流体导热系数的测量，又能完成对流换热系数的测量，而且用液压泵模拟磨削加工的磨削液供液系统，用镍铬合金电阻丝给纳米流体加热来获得和磨削工况相同的热流边界条件，不仅设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，对实际更有指导意义。
图1是这种实施例的导热系数和对流传热系数测量装置简图；图2是这种实施例的导热系数数据采集系统图；图3是这种实施例的温度传感器布置图。图中可见引出导线1、金属丝支架2、出口温度传感器3、位置传感器4、纳米流体 5、温度计6、流量计7、传感器测量信号采集器8、外壁温度传感器9、流体截面温度传感器 10、钼丝11、入口温度传感器12、冷却器13、流量计14、进液管15、压力计16、镍铬合金电阻丝17、直流稳压电源18、电流表19、电压表20、低温CO2气体21、铜管22、套管23、调节阀对、液压泵25、储液箱沈、惠斯通电桥测量电路27、直流电源观、数据采集器四、计算机30、 短出液管31、长出液管32、端盖33。
具体实施例方式本发明总的构思是提供一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，在同一台设备上既能测量纳米流体的导热系数，又能测量纳米流体的对流换热系数，而且对流换热系数是在模拟磨削加工实际工况条件下测量的，不仅设备利用率高，而且测量准确、可靠性高，更符合实际工况，对实际更有指导意义。下面结合附图介绍一种实施例图1是这种实施例的导热系数和对流传热系数测量装置简图，由纳米流体导热系数测量装置和对流换热系数测量装置构成。首先测量纳米流体的导热系数，结合图1，图2可见，纳米流体导热系数测量装置是由储液箱26、液压泵25、调节阀24、进液管15、铜管22、套管23、低温CO2气体 21、金属丝支架2、引出导线1、钼丝11、纳米流体5、位置传感器4、端盖33、短出液管31、长出液管32、惠斯通电桥测量电路27、直流电源观、数据采集器四、计算机30构成。测量开始时，取两根热容量为零，直径为17 μ m，长度分别为119mm和42mm的钼丝11固定在线膨胀系数和钼丝11相同的金属丝支架2的L形端部，将每个铜管22的两个引出导线1的外伸端和惠斯通电桥测量电路27相连。工作时，启动液压泵25，纳米流体5从储液箱沈中吸出， 经过调节阀对、进液管15进入到铜管22中，当纳米流体5在铜管22中的液面达到位置传感器4预设高度时，关闭液压泵25，这时钼丝11完全浸泡在铜管22中的纳米流体5当中。 图2所示为导热系数数据采集系统图，由惠斯通电桥测量电路27、直流电源观、数据采集器四、计算机30组成。艮为1 Ω的0. 01级精密电阻，&和R4为阻值100 Ω的0. 01级精密电阻，R1和R3为电阻温度系数很低的可调电阻，Rl和Rs分别表示长短钼丝的电阻。采集数据前，先输入5mA的小电流至ac两端，调节札和R3使电桥处于平衡状态，此时电桥输出电Ubd 为零。开始采集数据，直流电源输出一恒定的直流电流I至ac两端，长、短钼丝的温度将升高，电阻值分别升高和dRs，电桥输出电压dUbd与两钼丝电阻变化量和dRs之间的关
系为
权利要求
1.一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，包括纳米流体导热系数测量装置和对流换热系数测量装置；其特点是所说的纳米流体导热系数测量装置是由储液箱 (26)、液压泵(25)、调节阀(M)、进液管(15)、铜管(22)、套管(23)、低温CO2气体(21)、金属丝支架(2)、引出导线(1)、钼丝(11)、纳米流体(5)、位置传感器(4)、端盖(33)、短出液管(31)、长出液管(32)、惠斯通电桥测量电路(27)、直流电源( )、数据采集器( )、计算机(30)构成。
2.根据权利要求1所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的储液箱(26)、液压泵(25)、调节阀(24)、进液管(15)、铜管(22)、套管(23)、低温CO2 气体(21)、钼丝(11)、纳米流体(5)、位置传感器、端盖(3 各有两只，左右平行相对布置，液压泵0 的下端和储液箱06)相联接，上端和调节阀04)相连，调节阀04)上端依次和进液管(15)、铜管(22)和端盖(33)相联接。
3.根据权利要求1所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的液压泵05)为离心泵，输出压力为0. 25-1.2MPa，供液量为10-90L/min.
4.根据权利要求1所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的铜管02)内安装有金属丝支架O)、钼丝(11)、纳米流体(5)、位置传感器(4)；钼丝(11)两端与金属丝支架O)的L形端部相连，金属丝支架O)穿过端盖(33)与引出导线(1)相连；在铜管02)侧壁上开有小圆孔分别与短出液管(31)和长出液管(32)贯通相连，短出液管(31)和长出液管(3 的下端分别和储液箱06)相连，在铜管0 小圆孔的下端安装有位置传感器(4)。
5.根据权利要求1所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的铜管0 外侧加装一套管(23)，在套管和铜管0 之间的夹层内填充低温 CO2 气体(21)。
6.根据权利要求1所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于所说的对流换热系数测量装置是由镍铬合金电阻丝(17)、直流稳压电源(18)、电流表 (19)、电压表(20)、外壁温度传感器(9)、流体截面温度传感器(10)、入口温度传感器(12)、 出口温度传感器⑶、传感器测量信号采集器⑶、流量计(14)、压力计(16)、温度计(6)、流量计⑵和冷却器(13)构成，其特征是所说的镍铬合金电阻丝(17)、直流稳压电源(18)、 电流表(19)、电压表OO)构成加热回路，给铜管02)内的纳米流体(5)加热，以获得和磨削工况相同的热流边界条件。
7.根据权利要求6所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的外壁温度传感器(9)共有四只，均勻布置在铜管0 下端和长出液管(3 之间的铜管0 的外壁上。
8.根据权利要求6所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的流体截面温度传感器10共有三只，均勻布置在纳米流体( 相同高度的半径截面上。
9.根据权利要求6所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于 所说的入口温度传感器(12)、出口温度传感器(3)分别安装在铜管02)内纳米流体入口和出口处。
10.根据权利要求6所述的纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置，其特征在于所说的传感器测量信号采集器(8)分别与外壁温度传感器(9)、流体截面温度传感器(10)、 入口温度传感器(12)、出口温度传感器C3)相连构成信号采集系统，传感器测量信号采集器(8)为16通道信号采集分析系统。
全文摘要
本发明属于流体传热技术领域，即一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置。其特点是在同一台设备上既能完成纳米流体导热系数的测量，又能完成对流换热系数的测量，而且用液压泵模拟磨削加工的磨削液供液系统，用镍铬合金电阻丝给纳米流体加热来获得和磨削工况相同的热流边界条件，不仅设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，解决了目前纳米流体导热系数和对流换热系数分别用不同设备测量的难题。
文档编号G01N25/20GK102323293SQ20111022133
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者丁玉成, 李晶尧, 李长河, 韩振鲁 申请人:青岛理工大学