[发明专利]一种测量液体导热系数的方法及其装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种测量导热系数的方法及装置，尤其是一种测量液体导热系数的方法及装置。

【背景技术】

在热交换技术领域里，一个系统中只要存在温度梯度，或者两个不同温度的系统发生接触，就会产生能量的传递。它只在迁移过程中才存在，它既不能直接测量，也不能直接观察到，但它所产生的效应是可以观察到的，同时也是可以间接测量出来的。这种由于温差引起的能量迁移过程统称为“传热”。

一切传热过程都包括能量的传递和转换。而温差是一切传热现象的推动力，是物体间产生传热的必要条件。由于传热的机理很复杂，不只随温差而异，而且还受各种不同物理定律所支配，因而传热现象往往同时包含几种不同机理的换热过程。一般根据换热过程的机理，把传热归纳为三种方式：热传导(简称导热)、对流和热辐射。

测量物质的导热系数是国内外特别关注的项目，与它密切相关的传热学已经广泛应用于生产科技领域。测量物体导热系数的方法众多，归结起来有以下几个方面：

(1)根据导热过程的宏观机理区分：

有两大类：稳态法和非稳态法。  稳态法是指待测试样上温度分布达到稳定后进行测试，通过稳态的导热微分方程，直接测得导热系数。此方法特点是：实验公式简单，但实验时间较长，并需测量导热量和若干点的温度。非稳态法是指实验测量中试样温度随时间变化，通过不稳定导热微分方程，测得导温系数，间接算得导热系数。此方法特点是：实验公式较复杂，实验时间短，需测试样上若干点的温度随时间变化的规律，一般不必测量导热量。

(2)根据导热热流在试样上的流向来区分：

如圆柱试样，按热流是径向还是轴向，可区分为径向热流法和纵向热流法。

(3)根据试样的形状区分：

如平板法，圆柱体法，圆球法，同心球法，矩形棒法等。

所有测量导热系数的实验方法都是基于傅立叶定律。傅立叶定律又称导热基本定律，是现象学的定律，即是由现象中观察得到的而不是从第一定律导出的。它是由法国数学家傅立叶(Fourier 1822年)在固体导热现象时提出的。它是一个向量表达式，描述了导热热流与其温度梯度之间的关系，其一般表达式为：

Q＝-kSgradT(J)    (1.1)

其中Q为单位时间通过某一给定面积的热量，单位为W；S为垂直热流方向上的截面面积，单位为m²；gradT为温度梯度，单位为℃/m；k为导热系数，单位是w/m·℃；负号表示热流方向是沿着温度下降的方向，即与温度梯度的方向相反。

从理论上粗略可以估计液体的导热系数一般在0.07～0.7W/(mK)的范围内。

在一般的情况下，测量固体导热系数的方法为稳态平板法，测量气体导热系数用热线法。

对于液体的导热机理，至今还存在着两种不同的观点。一种观点认为液体的导热机理类似于气体，只是情况更为复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。另一种观点则认为液体的导热机理类似于非金属固体，主要靠弹性波的作用。在分子力和分子运动的竞争中，液态是两者势均力敌的状态：理想气体中分子运动占绝对优势——完全无序模型；理想晶体中分子力占主导地位——完全有序模型。完全无序模型和完全有序模型的理论都很成熟，液体的情况介于两个极端之间，非常难以处理，至今没有统一的理论模型。目前还无法从理论上圆满地解释导热系数随温度(或压力)的变化关系。现有的实验数据证明，大多数液体的导热系数随温度的升高而下降，但是也有少数液体(如水和汞)例外，这是因为它们的分子之间存在着较强的缔合作用，能够生成两个或两个以上的缔合分子。当温度升高时，分子热运动就加强了，缔合作用就被削弱，因而缔合分子的质量也随之减小，故导热系数随着温度的升高而增大。另外，由于水和甘油具有较大的c，ρ值，所以它们的导热系数较其他液体大。液体实际上可认为是不可压缩的，故压力对液体导热系数的影响很小，可以忽略。总之，一般固态物质的导热系数较高，液体次之，气体最低。

国内外有关物理实验和热学著作中对固体和气体导热系数的测定介绍很详细，方法很多，但在液体导热系数的测定这一领域却几乎是一片空白。稳态法是研究的热门，但技术不成熟。在稳态法中，其一要保证热量的一维传播，否则不满足傅立叶定律。其二，必须正确而精确地进行修正，即在传热过程中热量损失的精确计算。在现有公布的测量液体导热系数的实验方法和测量仪器中，几乎全都没有准确的修正方法。