专利名称：变剪切率液体导热系数测量仪及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种变剪切率液体导热系数测量仪及测量方法，属于流体导热系数的测量技术领域。
背景技术：
对于流体，尤其是传热工质来说，导热系数是一项重要的输运特性，它直接影响到工质换热性能的好坏。一种新型换热工质在实际应用前，必须明确其导热系数及影响导热系数的因素，才能判断该换热工质在具体工况下的换热性能。研究表明，对于牛顿流体，其导热系数只与温度有关，而对于非牛顿流体，由于其微观结构复杂，不遵守牛顿内摩擦定律，使得其导热系数不仅与温度有关，还会受到剪切率的影响。剪切率是流体内部由剪切应力引起的应变对于时间的导数，即应变随时间的变化率，它能影响流体内部的微观结构，从而影响非牛顿流体的导热系数。随着现代工业的发展，水作为传统的换热工质已经无法满足换热性能的需求，各种具有强化换热效果的新型流体应运而生，如纳米流体、含有添加剂的水等，这些换热工质基本都是非牛顿流体，并且该流体在管道或者槽道等环境内流动时，都将不同程度上受到内壁摩擦和粘性内摩擦力的作用，从而导致流体内部存在一定的剪切应力，也就是说实际应用中流体内部剪切率不为零，非牛顿流体的导热系数将发生变化，并且不同的非牛顿流体的导热系数随剪切率的变化往往呈现出不同的规律，目前，主流的导热系数测量方法为瞬丝热线法，大部分的液体导热系数测量仪也是应用此方法，此方法准确，测量简单，此外还有许多其他方法，但这些方法均是在静态条件下测量液体的导热系数，没有考虑剪切率对导热系数的影响，也尚没有仪器能够直接测量以获得非牛顿流体在不同剪切率下的导热系数，也就无法研究剪切率对液体导热系数的影响，以及二者之间的关系，这对非牛顿流体热物性的研究以及实际应用都造成了影响。
发明内容
本发明是为了解决目前只能在静态条件下测量非牛顿流体的导热系数，对于非牛顿流体在不同剪切率下的导热系数无法进行测量的问题，提供一种变剪切率液体导热系数测量仪及测量方法。本发明所述变剪切率液体导热系数测量仪，它包括同轴双桶旋转装置、循环冷却系统、步进电机、加热棒、数据采集系统、计算机和水浴桶，所述同轴双桶旋转装置包括同轴设置的内桶和外桶，内桶和外桶之间具有容纳待测液体的空间，外桶的内径与内桶的外径比值大于1. 0小于1. 1，加热棒插入内桶的腔体内给待测液体加热，加热棒与内桶的桶壁间填充氧化镁，同轴双桶旋转装置居中放置于水浴桶内，内桶通过顶针与水浴桶的桶盖固定，步进电机通过动力输出轴带动外桶旋转，循环冷却系统用来对水浴桶内的液体进行冷却，内桶内壁上设置有第一热电偶，外桶的外壁上设置第二热电偶，水浴桶内设置温度计，
第一热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统的内桶温度信号输入端，第二热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统的外桶温度信号输入端，温度计的温度信号输出端连接数据采集系统的水浴温度信号输入端，数据采集系统的温度信号输出端连接计算机的温度信号输入端，计算机的温度采集控制信号输出端连接数据采集系统的控制信号输入端，计算机的电机控制信号输出端连接步进电机的控制信号输入端。
本发明所述基于上述变剪切率液体导热系数测量仪的导热系数测量方法，它包括以下步骤
步骤一设定水浴桶内的水浴温度和步进电机的转速ω，开启循环冷却系统和步进电机；同时，设置好可调功率加热电源的加热功率，给加热棒加热；
步进电机的转速ω为DA
O)=-,r3
D表示待测液体的预设置剪切率，
Δ为容纳待测液体的空间的径向厚度，
r3表示外桶的内径；
步骤二 通过数据采集系统采集温度计的温度信号以及第一热电偶的温度信号， 待水浴温度达到预设值并且第一热电偶采集的的温度信号稳定后，将该温度信号作为第一热电偶的温度信号t1;
步骤三关闭步进电机，同时采集第二热电偶的温度信号t4 ； 步骤四计算机通过下述公式计算获得待测液体的导热系数1 In^k __rI_K2 - ^C\q-In^ + -In^K r\ h r39式中T1表示内桶的内径， r2表示内桶的外径， r4表示外桶的外径， 、表示第一热电偶输出的温度信号， t4表示第二热电偶输出的温度信号， &表示内桶内壁面的导热系数， k3表示外桶外壁面的导热系数， q表示加热棒的单位长度加热功率，q= |，Q为可调功率加热电源的总加热功率，1为加热棒长度c本发明的优点是本发明能够在待测液体的剪切率变化的情况下，时时检测，获得待测液体的导热系数，进而得到待测液体导热系数随剪切率和温度的变化关系，以更全面的分析影响液体导热系数的因素，这为非牛顿流体的热物性研究及实际应用打下了坚实的理论基础。5
本发明实现了待测液体动态条件下导热系数的测量，同轴双桶旋转装置，合理的设置内桶和外桶的长度，并配合加热区两端设置的绝热环，能有效减弱端部效应。加热棒与内桶的桶壁间填充氧化镁，使整个内桶沿径向和轴向材质分布均勻，热流密度均勻，从而形成一个与所求经验公式条件相一致的一维的导热模型。同轴双桶旋转装置能够很好的满足稳态法一维导热方程所要求的简化条件，系统误差约为1.5%，综合测量误差小于5%，剪切率的变化范围为Os—1 eoos—1，温度范围从o°c ioo°c，满足一般液体的测量需求，对研究特殊液体流变学及热物性特征有着重要意义。同时，本发明装置使用简单，通过计算机控制，免去了繁琐的计算，可通过计算机内部处理后，直接得到待测液体的导热系数。
图1为本发明的结构示意图2为同轴双桶旋转装置的结构示意图3为第一热电偶为采用11个热电偶测量内桶温度信号时，11个热电偶在内桶内壁上的分布示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述变剪切率液体导热系数测量仪，它包括同轴双桶旋转装置1、循环冷却系统2、步进电机3、加热棒4、 数据采集系统5、计算机6和水浴桶7，
所述同轴双桶旋转装置1包括同轴设置的内桶1-1和外桶1-2，内桶1-1和外桶 1-2之间具有容纳待测液体的空间，外桶1-2的内径与内桶1-1的外径比值大于1. 0小于 1. 1，加热棒4插入内桶1-1的腔体内给待测液体加热，加热棒4与内桶1-1的桶壁间填充氧化镁，同轴双桶旋转装置1居中放置于水浴桶7内，内桶1-1通过顶针与水浴桶7的桶盖固定，步进电机3通过动力输出轴带动外桶1-2旋转，循环冷却系统2用来对水浴桶7内的液体进行冷却，
内桶1-1内壁上设置有第一热电偶，外桶1-2的外壁上设置第二热电偶，水浴桶7 内设置温度计，
第一热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统5的内桶温度信号输入端，第二热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统5的外桶温度信号输入端，温度计的温度信号输出端连接数据采集系统5的水浴温度信号输入端，数据采集系统5的温度信号输出端连接计算机6的温度信号输入端，计算机6的温度采集控制信号输出端连接数据采集系统5 的控制信号输入端，计算机6的电机控制信号输出端连接步进电机3的控制信号输入端。
同轴双桶旋转装置1的内桶1-1固定，外桶1-2在步进电机3的带动下进行旋转； 加热棒4插入内桶1-1底部为了实现对待测液体的均勻加热，待测液体在外桶1-2的旋转过程中，受外桶1-2内壁面的摩擦作用，会形成环形缝隙剪切流动，这种流动赋予待测液体以不同的剪切率，通过控制步进电机3的转速可以设定剪切率值。对水浴桶7内的液体恒定功率加热，待温度场稳定后，测量内桶1-1内壁和外桶1-2外壁的温度，从而可求出待测液体的导热系数。在测量待测液体的过程中，要使所述空间内的待测液体稳定的剪切流动， 待测液体与旋转的外桶1-2接触会产生较大的速度，受离心力作用，依附于外桶1-2外壁，不会造成干扰流动而产生二次流现象。所述容纳待测液体的空间即为内桶1-1和外桶1-2 之间的环形缝隙。
内桶1-1的中心区域为加热区，采用加热棒4加热，加热棒4直径可选择为0. 02m, 长度为0. 28m,其加热区长度为0. 20m,阻值约为106 Ω，加热区位于加热棒4的中心区域，并与容纳待测液体的空间的中心区域相对应，所述加热区长度为加热棒4的有效加热长度。 加热棒4与内桶1-1的桶壁间填充氧化镁，氧化镁耐高温，导热均勻，有利于热流沿周向均勻分布。
内桶1-1内壁上的第一热电偶，采用11个测温热电偶，将其分布在内桶1-1轴向的五个不同位置，周向的三个不同位置，如图3所示，所有测温热电偶的导线均从内桶1-1 上口引出。
外桶1-2的外壁上设置的第二热电偶，可采用在该外壁上焊接三个热电偶，位于外桶1-2外壁的中心位置，与内桶1-1中段设置的热电偶的位置相对应，该三个热电偶带有快速接头，可安置在外桶1-2侧壁上。
具体实施方式
二 下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式还包括可调功率加热电源8，可调功率加热电源8用来给加热棒4 提供工作电源。
具体实施方式
三下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述内桶1-1的轴向长度与其外径的比值大于5并且小于10，
内桶1-1的端口处的侧壁上分别设置注液口 1-11和排气口，外桶1-2的桶底上设置排液口 1-21，
内桶1-1的端口处和桶底处均设置有绝热环1-12。
本实施方式中内桶1-1的内径T1可选择为0. 018m,内桶1-1的外径r2为0. 03m, 外桶1-2的内径r3为0. 0315m，外桶1-2的外径r4为0. 0355m,内桶1-1和外桶1-2的轴向长度L为0. 28m,内桶1-1上下两端设置的绝热环，可采用聚四氟乙烯制成，聚四氟乙烯的导热系数为0. 27ff/(m · K)，容纳待测液体的空间的径向厚度为0. 0015m，长度0. 25m，此时， 容纳待测液体的空间的容积为85ml，实际使用中，需要保证所述空间充满待测液体。内桶和外桶之间的空间的厚度可选择为1. 5mm，与其半径相比小于1/10，使外桶1_2最高转速为 300r/min，以水为例，其流动雷诺数Re约为1500，处于层流状态，符合原理对试样流动的要求。
排液口 1-21可由螺丝及聚四氟环锁紧。
注液口 1-11和排气口位于内桶1-1的上部，在周向上分布。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式所述水浴桶7的桶盖及桶壁上均包裹保温层。
所述保温层可采用泡沫塑料，水浴桶7的各出水口均由由带保温外套的塑料软管与循环冷却系统2连接，水浴桶7的进水口与出水口均设有阀门。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，本实施方式所述内桶1-1和外桶1-2之间容纳待测液体的空间的端口处由尼龙套环密封。
对于同轴双桶旋转装置1的密封，在设计上，为减少密封件，将内桶1-1和外桶1-2 形成一体式结构，开口朝上，在容纳待测液体的空间的端口处采用尼龙套环密封，是由于尼龙套具有摩擦阻力小、耐腐蚀等优点，能有效的降低内桶1-1和外桶1-2相对旋转过程中由摩擦产生的不稳定因素。
具体实施方式
六本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，本实施方式所述内桶1-1底部中心与外桶1-2底部中心通过聚四氟乙烯轴套定位，内桶1-1与外桶1-2的端口之间通过不锈钢轴承定位。
本实施方式中通过聚四氟乙烯轴套和不锈钢轴承对内桶1-1和外桶1-2相对定位，是为了确保内桶1-1和外桶1-2的同轴度，保证容纳待测液体的空间在周向均勻。
外桶1-2与步进电机3之间可通过水浴桶7底部的口采用轴套连接，步进电机3 使用螺杆固定于水浴桶7的底盘。水浴桶7底部的口的密封使用内含骨架的唇形圈密封。
具体实施方式
七本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明， 本实施方式所述水浴桶7的侧壁上分别设置进水口、出水口及溢流口。
具体实施方式
八本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，本实施方式所述内桶1-1、外桶1-2及水浴桶7均由不锈钢制成。
水浴桶7的尺寸可选择为内径0. 24m,深0. 4m,水浴桶7的桶盖上设置有孔，供取出外桶1-2上第二热电偶的快速接头。
具体实施方式
九本实施方式为对实施方式四、五、六、七或八的进一步说明，本实施方式所述绝热环由聚四氟乙烯制成。
具体实施方式
十本实施方式为基于实施方式一所述变剪切率液体导热系数测量仪的导热系数测量方法，它包括以下步骤
步骤一设定水浴桶7内的水浴温度和步进电机3的转速ω，开启循环冷却系统2 和步进电机3 ；同时，设置好可调功率加热电源8的加热功率，给加热棒4加热；
步进电机3的转速ω为DA
ω =-,r3
D表示待测液体的预设置剪切率，
Δ为容纳待测液体的空间的径向厚度，
r3表示外桶1-2的内径；
步骤二 通过数据采集系统5采集温度计的温度信号以及第一热电偶的温度信号，待水浴温度达到预设值并且第一热电偶采集的的温度信号稳定后，将该温度信号作为第一热电偶的温度信号t1;
步骤三关闭步进电机3，同时采集第二热电偶的温度信号t4 ； 步骤四计算机6通过下述公式计算获得待测液体的导热系数1 In^k __rI__、r ΛΛ \2^1-O-q1 Ini +丄 lnr4Vr\ ^3 r3式中T1表示内桶1-1的内径， r2表示内桶1-1的外径， r4表示外桶1-2的外径，
、表示第一热电偶输出的温度信号，
t4表示第二热电偶输出的温度信号，
Ic1表示内桶1-1内壁面的导热系数，
k3表示外桶1-2外壁面的导热系数，
q表示加热棒4的单位长度加热功率，
q= ,，Q为可调功率加热电源8的总加热功率，1为加热棒4长度。
本实施方式中循环冷却系统2和水浴桶7配合，可通过控制水浴桶7中水浴温度，来控制待测液体的温度，从而达到在待测液体的不同温度下，测量其导热系数的目的。根据 DA公式《 =——，可知对步进电机3的转速ω的控制，即实现了对待测液体的剪切率的控制，因r3此实现了在不同剪切率下，测量待测液体导热系数。
本发明采用步进电机3作为动力输出装置，通过控制器及控制软件控制步进电机 3的转速，进而实现对待测液体剪切率的控制，步进电机3的最高分辨率能达到60000步/ 转，转速范围0 300r/min，结合装置几何尺寸，可实现剪切率变化范围0 660^。
循环冷却系统2自带水泵，使用带保温的软管与水浴桶7相连，流量为lOL/min，调温范围为_20°C 100°C，温度波动为0. 05°C。
数据采集系统5由计算机6控制，可同时监控15个热电偶的温度，每个通道的采集速率为5个/秒。
可调功率加热电源8为恒压恒流开关直流电源，输出最大功率为660W，电压精度为士0. 5 %，负载调整率为士0. 5%。可使加热棒4的单位长度加热功率达到5000W/m。
待测液体的导热系数1 的计算基于EXCEL表格开发，综合考虑测量仪的自身特性，将数据采集系统5获取的温度数值及其它参数代入待测液体的导热系数1 计算公式后，即可求得待测液体的导热系数
工作过程向内桶1-1和外桶1-2之间的空间加注待测液体，开始对加热棒4加热时，只需监控第一热电偶的温度，以及温度计的温度，待水浴桶7内温度场以及第一热电偶测得的温度值稳定后，步进电机3急停，迅速采集第二热电偶的温度，当第二热电偶设置了多个测试点，需将获得的所有有效数据进行平均，作为外桶1-2的外壁温度，计算获得待测液体的导热系数
本发明中，外桶1-2外壁的温度对于导热系数1 的求解十分关键，由于水浴桶7内的水流并非静止，对流换热情况复杂，不能用经验公式处理。而且，外桶1-2为旋转体，温度无法做到实时监测，因此，第二热电偶采用的热电偶需要特制有快速公插头，将快速插头置于特别加工的固定于外桶1-2壁上的托盘上，同时，水浴桶7的桶盖上需开出几个孔，带有快速插头的导线连接在数据采集系统5上。具体的测量方法为当实验稳定后，水浴温度场不随时间改变，迅速停下步进电机3，保持保数据采集系统5开启，将公母插头迅速连接，测量外桶1-2外壁温度，此种测量方法存在一定误差，因为外桶1-2停止转动后，对流换热强度降低，外桶1-2外壁温度会有一定的升高，但由于测量迅速，温度变化影响有限，可以忽略。
本发明中当内桶1-1内壁上设置11个测温热电偶，外桶1-2的外壁上焊接三个热9电偶，采用温度计测量水浴桶7的水浴温度，数据采集系统5采集共包括14个热电偶和一个普通温度计，其中内桶1-1内壁上的11个测温热电偶编号分别为A，B, C……K，如图3 所示，该11个测温热电偶均可采用贴壁式热电偶，精度一级，测温精度为0. 1K，单根裸丝直径为0. 254mm,绝缘层材料为Teflon，耐温150°C，线长2m，使用锡焊焊接于内桶1_1内壁表面，其中，A、B、E、H、K在内桶1-1轴向的同一直线上，用于测量整个内桶1-1在轴向上的温度变化，理论上由于存在端部效应，温度应该向两端逐渐降低，本发明中，可将内桶1-1的长度L与直径d的比值设置为L/d > 5，认为内桶1-1中心区域为绝热，若B、E、H三个热电偶温差不大，则说明中心区域只存在径向传热，可以忽略去轴向的热量散失。居于中间的热电偶E、F、G为核心测温热电偶，此三点温度的平均值为、的值，其余热电偶用于监控整个内桶1-1内壁面，尤其是中心区域的温度分布是否均勻，以确保测试结果的均勻性。另外， 由于技术问题，热电偶一经焊接，装置组装后边无法取出，也无法维修，故多路测量也是确保装置能够长期运行的保证。热电偶的导线紧靠内壁远离电热管，可埋于导热用的氧化镁内部。为保证其内部温度不至于过高，特额外将一热电偶焊接于一铁片上，埋于石英砂内， 并进行报警设置，防止内部温度过高导致热电偶绝缘层融合，热电偶失效等问题。
外桶1-2的外壁上焊接的三个热电偶，均焊接于外桶1-2的中心高度处，沿周向均勻分布，与内桶1-1的热电偶E、F、G的位置相对应。
测量水浴桶7水浴温度的普通温度计，精度选择为1°C。
权利要求
1.一种变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于它包括同轴双桶旋转装置(1)、循环冷却系统(2)、步进电机(3)、加热棒(4)、数据采集系统(5)、计算机(6)和水浴桶(7)，所述同轴双桶旋转装置(1)包括同轴设置的内桶(1-1)和外桶(1-2)，内桶(1-1)和外桶(1-2)之间具有容纳待测液体的空间，外桶(1-2)的内径与内桶(1-1)的外径比值大于1. 0小于1. 1，加热棒⑷插入内桶(1-1)的腔体内给待测液体加热，加热棒⑷与内桶 (1-1)的桶壁间填充氧化镁，同轴双桶旋转装置⑴居中放置于水浴桶⑵内，内桶(1-1) 通过顶针与水浴桶(7)的桶盖固定，步进电机C3)通过动力输出轴带动外桶(1- 旋转，循环冷却系统( 用来对水浴桶(7)内的液体进行冷却，内桶(1-1)内壁上设置有第一热电偶，外桶(1-2)的外壁上设置第二热电偶，水浴桶 (7)内设置温度计，第一热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统(5)的内桶温度信号输入端，第二热电偶的温度信号输出端连接数据采集系统(5)的外桶温度信号输入端，温度计的温度信号输出端连接数据采集系统(5)的水浴温度信号输入端，数据采集系统(5)的温度信号输出端连接计算机(6)的温度信号输入端，计算机(6)的温度采集控制信号输出端连接数据采集系统(5)的控制信号输入端，计算机(6)的电机控制信号输出端连接步进电机(3)的控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于它还包括可调功率加热电源(8)，可调功率加热电源⑶用来给加热棒⑷提供工作电源。
3.根据权利要求1或2所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述内桶 (1-1)的轴向长度与其外径的比值大于5并且小于10，内桶(1-1)的端口处的侧壁上分别设置注液口(1-11)和排气口，外桶(1-2)的桶底上设置排液口(1-21)，内桶(1-1)的端口处和桶底处均设置有绝热环(1-12)。
4.根据权利要求3所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述水浴桶(7) 的桶盖及桶壁上均包裹保温层。
5.根据权利要求4所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述内桶(1-1) 和外桶(1-2)之间容纳待测液体的空间的端口处由尼龙套环密封。
6.根据权利要求4或5所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于内桶(1-1) 底部中心与外桶(1-2)底部中心通过聚四氟乙烯轴套定位，内桶(1-1)与外桶(1-2)的端口之间通过不锈钢轴承定位。
7.根据权利要求6所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述水浴桶(7) 的侧壁上分别设置进水口、出水口及溢流口。
8.根据权利要求7所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述内桶 (1-1)、外桶(1-2)及水浴桶(7)均由不锈钢制成。
9.根据权利要求4、5、7或8所述的变剪切率液体导热系数测量仪，其特征在于所述绝热环由聚四氟乙烯制成。
10.一种基于权利要求1所述变剪切率液体导热系数测量仪的导热系数测量方法，其特征在于，它包括以下步骤步骤一设定水浴桶(7)内的水浴温度和步进电机(3)的转速ω，开启循环冷却系统⑵和步进电机(3)；同时，设置好可调功率加热电源⑶的加热功率，给加热棒⑷加热； 步进电机(3)的转速ω为
全文摘要
变剪切率液体导热系数测量仪及测量方法，属于流体导热系数的测量技术领域。它解决了解决目前只能在静态条件下测量非牛顿流体的导热系数，对于非牛顿流体在不同剪切率下的导热系数无法进行测量的问题。测量仪包括同轴双桶旋转装置、循环冷却系统、步进电机、加热棒、数据采集系统、计算机和水浴桶；测量方法首先给加热棒加热；然后通过数据采集系统采集温度计的温度信号以及第一热电偶的温度信号，待水浴温度达到预设值并且第一热电偶采集的的温度信号稳定后，将该温度信号作为第一热电偶的温度信号t1；关闭步进电机，同时采集第二热电偶的温度信号t4；计算获得待测液体的导热系数k2。本发明适用于非牛顿流体在不同剪切率下的导热系数的测量。
文档编号G01N25/20GK102507640SQ20111031643
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者周文武, 徐鸿鹏, 李凤臣, 阳倦成 申请人:哈尔滨工业大学