基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置

1.本发明涉及流体热导率测试技术领域，具体涉及一种基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置。


背景技术：

2.随着飞行器马赫数不断增加，航空发动机的燃气温度升高，发动机中空-油散热器或再生冷却系统内的航空煤油通常需要跨越临界点，经历从亚临界到超临界的转变过程。由于超临界状态的特殊性，临界点附近微小的温度变化就能引起煤油热物性的剧烈变化，亚/ 超临界状态下航空煤油在管路内的流动、换热过程和流体状态下有很大不同，因此研究包括亚/超临界条件下的航空煤油热导率在内的热物性对发动机冷却系统的设计和优化至关重要。
3.相关技术中，在满足测量误差的情况下，热导率测试装置的测试温度上限只有550k，已经无法满足如今超声速航空发动机的冷却系统设计需求。因此，迫切需要设计新的试验装置对以航空煤油为代表的流体在高温条件下的热导率进行测量。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此本发明提出一种基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置，该基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置对流体的热导率具有较高的检测精度，并适于对高温流体的热导率进行测量。
6.根据本发明实施例的基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置，包括第一容器，所述第一容器具有第一腔体，所述第一腔体适于容纳流体；第一加热器，所述第一加热器设于所述第一容器的顶部以加热所述第一腔体内上方的所述流体；短热线测试组件，所述短热线测试组件包括短热线探头和电阻电路，所述短热线探头贯穿所述第一容器的顶部，以便所述短热线探头接触和检测位于所述第一腔体内上方的所述流体，所述电阻电路适于检测所述短热线探头的短热线电阻；计算模块，所述计算模块用于根据所述短热线电阻和所述短热线电阻变化时间并基于短热线法计算得出所述流体的热导率。
7.根据本发明实施例的基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置对流体的热导率具有较高的检测精度，并适于对高温流体的热导率进行测量。
8.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括第二加热器，所述第一容器为导热件，所述第二加热器与所述第一容器的外周壁面连接，所述第一加热器与所述第一容器的顶部的外壁面连接。
9.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括第二容器，所述导热件和所述第一加热器和所述第二加热器设于所述第二容器内，所述第一加热器、第二加热器和所述导热件的外周与所述第二容器的内壁之间具有第二腔体，所述第二腔体用于容纳无氧阻燃气体，所述第二容器设有贯穿所述第二容器壁厚以连通所述第二
腔体的一氧化碳报警器。
10.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括隔热层，所述隔热层套设在所述第一加热器、所述第二加热器和所述导热件的外周，所述第二腔体位于所述隔热层与所述第一容器之间。
11.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括热电偶，所述热电偶贯穿所述导热件的顶部，以便所述热电偶接触和测试位于所述第一腔体上方的所述流体。
12.在一些实施例中，所述电阻电路为四线法电路。
13.在一些实施例中，所述第一容器具有本体和盖体，所述本体设有凹槽，所述本体与所述盖体可拆卸连接，以便将所述凹槽封闭形成所述第一腔体，所述凹槽具有靠近所述凹槽槽口的第一端和远离所述凹槽槽口的第二端，所述第一端的截面小于所述第二端的截面。
14.在一些实施例中，所述本体具有第一面，盖体具有第二面，所述第一面与第二面相对，所述第一面和/或所述第二面开设有密封槽，所述密封槽嵌设有紫铜垫片，所述紫铜垫片用于在所述本体与所述盖体连接时密封。
15.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括加压容器，所述加压容器具有压力腔，所述压力腔通过第一管路与所述第一腔体的底部连通，所述压力腔用于容纳具有一定压力的所述流体，所述第一容器顶部开设有第三阀门，所述第三阀门适于控制所述第一腔体与外界连通。
16.在一些实施例中，所述压力腔包括从下至上依次设置的流体腔层和气体腔层，所述流体腔层适于与所述流体对应，所述气体腔层适于与所述无氧阻燃气体对应，所述无氧阻燃气体的密度小于所述流体的密度，所述加压容器设有与所述气体腔层连通的安全阀。
17.在一些实施例中，所述气体腔层连接有第三管路，所述第三管路用于将所述气体腔层与恒压无氧阻燃气体连通。
18.在一些实施例中，基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置还包括常压容器，所述常压容器具有常压腔体，所述常压容器通过第二管路与所述第一腔体的底部连通，所述第一管路上设有第一阀门，所述第一阀门适于控制所述第一管路通断，所述第二管路上设有第二阀门，所述第二阀门适于控制所述第二管路通断。
附图说明
19.图1是本发明一实施例的基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置的示意图。
20.图2是本发明另一实施例的基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置的示意图。
21.图3是电阻电路原理图。
22.图4是图1的第一容器的爆炸图。
23.附图说明：
24.基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置100；
25.热导率测试容器1；
26.第一容器11；
27.本体111；凹槽1111；第一面1112；
28.盖体112；密封槽1121；第二面1122；
29.隔热层12；
30.第二腔体13；
31.第二容器141；
32.一氧化碳报警器142；
33.电阻电路15；
34.直流电源151；标准电阻152；短热线153；第一电压表154；第二电压表155；
35.热电偶16；
36.第一加热器171；
37.第二加热器172；
38.第三阀门181；
39.压力容器2；
40.第三管路21；
41.安全阀22；
42.第一管路23；
43.第一阀门24；
44.气体腔层25；
45.常压容器3；
46.第二阀门31；
47.第二管路32；
48.流体4。
具体实施方式
49.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
50.本发明实施例的基于瞬态短热线法的亚超临界流体热导率测试装置100(以下简称测试装置100)包括第一容器11、第一加热器171、短热线测试组件15和计算模块(图中未示出)。第一容器11具有第一腔体，第一腔体适于容纳流体4。第一加热器171设于第一容器11的顶部以加热第一腔体内上方的流体。短热线测试组件5包括短热线探头(图中未示出)和电阻电路15，短热线探头贯穿第一容器11的顶部，以便短热线探头接触和检测位于第一腔体内上方的流体4，电阻电路15适于检测短热线探头的短热线电阻。计算模块用于根据短热线电阻和短热线电阻变化时间并基于短热线法计算得出流体的热导率。
51.本发明实施例通过将第一加热器171设置在第一容器11的顶部，可将第一容器11内上方的流体4的温度高于第一容器11内下方的流体4的温度，由于在高温下流体4的密度随着温度的增大而减小，所以第一加热器171对流体4加热后位于第一容器11上方的流体 4密度减小，较高温度的流体4会始终存在于远离第一加热器171的流体4的上方，因此可有效减小流体4的对流，进而可提高热导率检测精度。
52.同时，基于短热线法的短热线153较短，使得与短热线测试组件连接的第一容器11可具有较小的容积，进而使第一容器11的第一腔体具有较大的表面积与体积的比值，相比于较大容积，第一加热器171加热小容积的第一容器11内的流体4会更加均匀，进而可减小流体4对流并使热导率的检测较为准确。
53.由于温度越高，流体4对流越是明显，在检测时流体4温度波动大，对应地，在高温下难以检测流体4的热导率。本发明实施例通过对第一容器11的顶部加热，同时使用较小容积的第一容器11可减小流体4的对流，因此，在检测误差范围内，该测试装置100能够在较高温度下检测流体4的热导率。
54.使用该测试装置测试热导率时包括如下步骤：标定短热线153的电阻温度系数；通过第一加热器171将流体4加热至亚临界或超临界对应的预设温度；通过短热线测试组件检测短热线153电阻，并将短热线153电阻数值及电阻值变化时间传递给计算模块；计算模块根据短热线153电阻和短热线153电阻变化时间并基于短热线法计算得出流体4的热导率。
55.在一些实施例中，测试装置100还包括第二加热器172，第一容器11为导热件，第二加热器172与第一容器171的外周壁面连接，第一加热器171与第一容器11的顶部的外壁面连接。这样第一加热器171和第二加热器172可同时对第一容器11内的流体4进行加热，有助于提高加热效率，同时，第一加热器171和第二加热器172通过导热件对流体4加热，可实现第一加热器171和第二加热器172不与流体4接触，当流体4为易燃流体或导电流体时，可防止流体4进入第一加热器171和第二加热器172进而保证测试装置100安全。
56.需要说明的是，本实施例对于导热件的材质不做限定，例如，导热件可钢，也可是铜。
57.在一些实施例中，测试装置100还包括第二容器141，导热件和第一加热器171和第二加热器172设于第二容器141内，第一加热器171、第二加热器172和导热件的外周与第二容器141的内壁之间具有第二腔体13，第二腔体13用于容纳无氧阻燃气体，第二容器13设有贯穿第二容器141壁厚以连通第二腔体13的一氧化碳报警器142。这样当第一容器13内的流体4为易燃流体，且第二腔体141内的无氧阻燃气体未充满第二腔体并混有少量空气，易燃流体泄漏进入第二腔体141内后，易燃流体和空气混合后进入第一加热器 171或第二加热器172可能会产生一氧化碳，与第二腔体141连通的一氧化碳报警器142 可对一氧化碳做出报警，以提示测试人员第一容器11已经泄漏，进而保证测试人员安全。
58.在一些实施例中，测试装置100还包括隔热层12，隔热层12套设在第一加热器171、第二加热器172和导热件的外周，第二腔体13位于隔热层12与第一容器11之间。这样隔热层12可减少第一加热器171和第二加热器172向第二腔体13散出的热量，进而可提高对第一容器11内的流体4的加热效率，同时，第二腔体141内的无氧阻燃气体不会因温度过高而导致第二腔体13内的气体出现压力过大使第二容器141炸裂的现象。
59.在一些实施例中，测试装置100还包括热电偶16，热电偶16贯穿导热件的顶部，以便热电偶16接触和测试位于第一腔体上方的流体。这样检测人员可在单位时间内查看位于第一腔体上方的流体4的温度，当单位时间内热电偶16显示的温度变化比较小时，可对流体4的热导率进行检测，进而可提高流体4的热导率的检测精度。
60.在一些实施例中，电阻电路15为四线法电路。
61.四线法电路如图3所示，短热线153、直流电源151和标准电阻152串联连接，第一电
压表154与标准电阻152并联以检测标准电阻152两端的电压，第二电压表155并联在短热线153两端以检测短热线153两端的电压。当给电路通直流电源151，通过测试标准电阻152两端的电压可计算电路的电流，然后通过测试短热线153两端电压并将电压除以电流可得短热线153的电阻，通过电阻的变化可得短热线的温度变化。
62.温度可通过下面的电阻和温度的关系式计算得出：
63.rh＝ath+0.8124
64.其中，rh表示短热线电阻，单位为ω，th表示短热线的平均温度，单位为℃，a为标定后的短热线电阻温度系数，当短热线为直径50μm、长1.5cm的铂丝时，标定后的温度系数为0.0031。
65.在一些实施例中，第一容器11具有本体111和盖体112，本体111设有凹槽1111，本体111与盖体112可拆卸连接，以便将凹槽1111封闭形成第一腔体，凹槽1111具有靠近凹槽1111槽口的第一端和远离凹槽1111槽口的第二端，第一端的截面小于第二端的截面。这样由于盖体112与凹槽1111槽口对应，同时凹槽1111的第一端的截面小于凹槽1111第二端的截面，所以盖体与第一腔体的作用面较小，当在第一腔体内模拟亚临界或超临界工况使第一腔体内的压力增大时，可使盖体112受力减小并增加盖体112与本体111连接的可靠性。
66.在一些实施例中，本体111具有第一面1112，盖体112具有第二面1122，第一面1112 与第二面1122相对，第一面1112和/或第二面1122开设有密封槽1121，密封槽1121嵌设有紫铜垫片，紫铜垫片用于在本体111与盖体1112连接时密封。这样本体111和盖体 112可实现密封，同时还具有耐高温的特点。
67.在一些实施例中，测试装置100还包括加压容器2，加压容器2具有压力腔，压力腔通过第一管路23与第一腔体的底部连通，压力腔用于容纳具有一定压力的流体4，第一容器11顶部开设有第三阀门181，第三阀门181适于控制第一腔体与外界连通。这样，打开第三阀门181即可将压力腔内的流体4注入第一腔体内，流体4在第一腔体内充满后关闭第三阀门181即可实现第一腔体内的流体4与压力腔内的流体4等压。由于流体4是通过第一管路23从第一腔体的底部注入，相比于从第一容器11的顶部注入，流体4与第一腔体的气体接触面积少，进而可减少气体溶入流体4并保证流体4的热导率检测精度，同时，由于流体4在被加热时，位于第一腔体轴心位置的流体4的温度小于第一腔体周壁和顶部的流体4的温度，当第一腔体内的流体4对流较强时，在检测时短热线153处的流体4会产生较大温差，并产生流体4热导率检测不准的现象，而从第一腔体的底部注入流体4，可减少流体4在第一容器11内对流，进而减小单位时间内短热线153处的流体4的温差，并提高流体4的热导率检测精度。
68.需要说明的是，本实施例对于加压容器2的类型不做限定，例如，加压容器2可以是蓄能器，也可是连接有泵、单向阀、第一溢流阀和第二溢流阀的储液罐，具体地，泵与储液罐之间通过第四管路连通，第四管路上设有单向阀，单向阀用于将流体4由泵向储液罐单方向流通，第一溢流阀与储液罐连接以便储液罐中的流体的压力大于第一溢流阀的预设压力时将流体排出储液罐，第二溢流阀设在第一管路23上，第二溢流阀用于储液罐中的流体的压力大于第二溢流阀的预设压力时将流体4排入第一腔体，此时第二溢流阀的预设压力与第一腔体的预设环境压力相等。
69.在一些实施例中，压力腔包括从下至上依次设置的流体腔层26和气体腔层25，流体腔层26适于与流体4对应，气体腔层25适于与无氧阻燃气体对应，无氧阻燃气体的密度小
于流体4的密度，加压容器2设有与气体腔层25连通的安全阀22。这样，由于第一容器11在模拟亚临界或超临界工况时，第一容器11及位于第一容器11内的流体4温度会升高，进而流体4密度减小并使流体4在第一容器11内压力增大，这时，部分流体4可通过第一管路23进入加压容器2内，并使气体腔层25的压力增大，当压力超过第一腔体的预设环境压力的阈值时，安全阀22打开，将无氧阻燃气体排出压力容器2，进而可防止第一容器11因压力过大而产生炸裂，同时，排出的气体可扩散到空气中，测试过程使用较为方便。
70.在一些实施例中，气体腔层25连接有第三管路21，第三管路21用于将气体腔层25 与恒压无氧阻燃气体连通。这样由于气体腔层25通过第三管路21与恒压无氧阻燃气体连通，同时流体腔层26通过第一管路23与第一腔体连通，因此第一腔体内的流体4的压力可保持与恒压无氧阻燃气体的压力相同。
71.在一些实施例中，测试装置100还包括常压容器3，常压容器3具有常压腔体，常压容器3通过第二管路32与第一腔体的底部连通，第一管路23上设有第一阀门24，第一阀门 24适于控制第一管路23通断，第二管路32上设有第二阀门31，第二阀门31适于控制第二管路32通断。这样，测试结束后，可关闭第一阀门24，以停止将流体4进入第一容器 11的第一腔体，然后打开第二阀门31和第三阀门181使第一腔体内的流体4进入常压容器3并冷却。将第一容器11内的流体4排出，不但可使测试装置100重量减轻以方便收纳，而且，排出的流体4可进行回收利用，以提高资源利用率。
72.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
74.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
75.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
76.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
77.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。