瞬态双热线液体导热仪的研制及测试

　　1 引 言

　　导热系数是液体的一个重要输运性质,是反映介质换热能力的主要参数,在传热设计中是不可缺少的,由于现有的经验关联式不能广泛适应现场需要,液体的导热系数一般主要通过实验测得。目前测量方法一般分为两类[1-3]:稳态法和瞬态法。前者是在试样达到热稳定后通过测定其热量、温度梯度来确定, 测定时间较长。而后者测定量主要为温度随时间的变化关系,测定时间短。液体因为具有流动性,只要存在温度梯度,则在液体中实现纯导热过程就很难达到。所以实验要控制在一定的时间内,使液体通过浮升力加速的特征时间远远大于由于液体内部存在温度梯度而产生温度波的传播时间。本文采用双热线瞬态热线法,其优点是消除了热线的端部影响,减小系统误差,且结构简单、操作方便。

　　2 瞬态热线法原理

　　瞬态热线法的理论基础是无限大介质中的径向一维非稳态导热[4]。设有一根半径为r0的无限长金属线源竖直地插入液体中,线源的热导率无限大,热容量近似为零,液体和线源在初始时刻处于热平衡,设平衡温

　　3 液体导热仪的构成及工作原理

　　图 1 为导热仪的关键部件。样品容器为两支内径(直径)3.2mm 的圆柱形玻璃管。为了抑制自然对流，玻璃管的直径不宜太大。玻璃管底部开孔，顶部设置一橡皮球，添加被测样品时，轻轻挤压橡皮球，液体就从底部的小孔慢慢吸入。两根有效长度分别为130mm 和40mm，直径为50 μm 的铂丝竖直插入玻璃管中，并分别用上下两个滑块定位于轴心，滑块为外径=3.2mm的紫铜，其热膨胀系数与铂丝相近，滑块电阻很小，兼起导线的作用。滑块两端的弹簧将铂丝拉直，以防止其弯曲，影响测量精度。铂丝既是加热线源又是温度计。当同时给两根铂丝施加相同的电流时，两根铂丝产生同样的端部散热效应，其温差就等同于一根无限长热线的有限部分的温度上升，排除热丝的端部散热影响^[6,7]。玻璃容器由恒温水浴提供的乙二醇载冷剂保持恒温。

　　只要测量电流以及偏差电压对时间的变化，就可以由式(17)计算出液体的导热系数。电桥的偏差电压由数字电压表采集，电流由恒流源控制。采样时间控制在0～5s 范围内，如果时间过长，自然对流的影响会造成较大的误差。

　　4 导热仪的检验性测试

　　为了检验导热仪的可靠性和精度,对已有标准导热系数值[8]的乙醇、乙二醇、甘油(三者均为分析纯,纯度为99.999%)和蒸馏水进行了测试,其结果列于表1,最大偏差为2.66%,说明该装置有比较好的可靠性和精度。