CN108680600B - 一种新型材料测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种新型材料测试装置及测试方法，属于导热系数测试技术领域，提出了一种管状保温材料导热系数测试装置和方法，包括测试管道和热水箱，测试管道设置在测试箱内，测试箱内设置有制冷设备，热水箱内设置有加热设备，测试管道外设置有待测量的保温材料层，其特征在于，进水管和/或回水管上设置有流量计，测试管道的内壁、外壁分别设置有第一温度传感器、第二温度传感器，保温材料层的外表面设置有第三温度传感器，测试管道的进水口处、出水口处分别设置有第四温度传感器、第五温度传感器，热水箱内设置有第六温度传感器，测试箱内设置有第七温度传感器。本发明解决了现有技术中管状保温材料导热系数测量误差较大，实际测量仍然不够准确的问题。

Description

一种新型材料测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于导热系数测试技术领域，涉及一种管状保温材料导热系数测试装置及测试方法。

背景技术

保温材料是管道保温的主要方法，保温材料的导热性能是其性能中重要参数指标之一，因此保温材料导热系数更准确的测试，对新材料的研发和参数性能的检测都有重要的意义。目前，对管道的保温层材料导热系数的测量，是通过对板状试件进行测量，虽然能够准确测量板状保温材料的导热系数，但是，其不能准确反应出管状保温材料的实际导热系数。申请公布号为CN 105911090A的中国发明专利申请公开了一种新型导热系数测试装置及方法，其通过测量加热系统在传热稳定后一定时间内所消耗的电功率来计算管状保温材料的导热系数，测量误差较大，实际测量仍然不够准确，数值不稳定性很差。

发明内容

本发明提出管状保温材料导热系数测试装置及测试方法，解决了现有技术中的上述问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种管状保温材料导热系数测试装置，包括测试管道和与所述测试管道通过进水管、回水管连接的热水箱，所述测试管道设置在测试箱内，所述测试箱内设置有制冷设备，所述热水箱内设置有加热设备，所述测试管道外设置有待测量的保温材料层，其特征在于，所述进水管和/或所述回水管上设置有流量计，所述测试管道的内壁、外壁分别设置有第一温度传感器、第二温度传感器，所述保温材料层的外表面设置有第三温度传感器，所述测试管道的进水口处、出水口处分别设置有第四温度传感器、第五温度传感器，所述热水箱内设置有第六温度传感器，所述测试箱内设置有第七温度传感器，

所述制冷设备、所述加热设备、所述流量计、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器均与温度采集控制系统连接。

作为进一步的技术方案，所述回水管靠近所述测试管道的一端设置有排气阀，所述测试箱的底部设置有排水阀，所述热水箱上设置有注水口，所述进水管上设置有水泵。

作为进一步的技术方案，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器均为热电偶。

作为进一步的技术方案，所述测试箱内设置有水位限位器。

作为进一步的技术方案，所述流量计为电磁流量计。

本发明还提出一种管状保温材料导热系数测试方法，包括以下步骤，

S1：将保温材料层装于测试管道外壁，控制所述制冷设备和所述加热设备使得所述测试箱内所述第七温度传感器所测温度和所述热水箱内所述第六温度传感器所测温度均平衡，达到传热稳定；

S2：所述流量计测量传热稳定时所述热水箱内水的流量q₁，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器分别测量所述测试管道内壁、所述测试管道外壁、所述保温材料层外壁的温度t₁、t₂、t₃，所述第四温度传感器、所述第五温度传感器分别测量所述测试管道进水口、出水口处的温度t₆、t₇；

S3：将所述保温材料层从所述测试管道外壁除去，调节所述测试管道内热水的流量，使得保持所述第四温度传感器、第五温度传感器分别所测所述测试管道的进水口处温度、出水口处温度不变，传热稳定后，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器分别测量此时所述测试管道内壁、所述测试管道外壁的温度t₄、t₅，所述流量计测量此时所述测试管道内热水的流量为q₂；

S4：由以上数据计算得出所述保温材料层的导热系数λ₂。

作为进一步的技术方案，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：计算无所述保温材料层时，所述测试管道上消耗的热量Q₁和所述测试管道进出口温度差所计算出的热量Q₃，

Q₃＝Q₁+△Q₁；

S42：计算有所述保温材料层时，所述测试管道上消耗的热量Q₂和所述测试管道进出口温度差所计算出的热量Q₄，

Q₄＝Q₂+△Q₂；

其中，△Q₂和△Q₁均为损失的热量，r₁、r₂分别为所述测试管道的内表面半径、外表面半径，r₃为所述保温材料层外表面半径，c为水的比热容，ρ为水的密度；

S43：根据△Q₂和△Q₁相等，得出以下公式计算所述保温材料层的导热系数λ2，

本发明使用原理及有益效果为：

通过进行先后两次试验方法相同、试验参数相同的对比试验，待传热稳定后，再将两次试验消耗的热量进行差值运算，消除了试验系统误差，更进一步准确的测量了保温材料层的导热系数，同时采用流量计测量测试管道加上保温材料层前后两次试验下热水的流量的形式来计算，并且只需再测量两次试验测试管道内外壁温度，两次试验测保温材料层外壁温度，测试管道加上保温材料层后测试管道进水口出水口处的温度等参数，即能很好解决现有技术中管道保温材料测量复杂，并且测量精确度差的问题，很好的解决了行业内测量复杂难以简化的难题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明结构示意图；

图中：1-测试管道，2-进水管，3-回水管，4-热水箱，5-测试箱，6-制冷设备，7-加热设备，8-保温材料层，9-流量计，10-第一温度传感器，11-第二温度传感器，12-第三温度传感器，13-第四温度传感器，14-第五温度传感器，15-第六温度传感器，16-第七温度传感器，17-排气阀，18-排水阀，19-注水口，20-水泵，21-水位限位器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，本发明提出的一种管状保温材料导热系数测试装置，包括测试管道1和与测试管道1通过进水管2、回水管3连接的热水箱4，测试管道1设置在测试箱5内，测试箱5内设置有制冷设备6，热水箱4内设置有加热设备7，测试管道1外设置有待测量的保温材料层8，其特征在于，进水管2和/或回水管3上设置有流量计9，测试管道1的内壁、外壁分别设置有第一温度传感器10、第二温度传感器11，保温材料层8的外表面设置有第三温度传感器12，测试管道1的进水口处、出水口处分别设置有第四温度传感器13、第五温度传感器14，热水箱4内设置有第六温度传感器15，测试箱5内设置有第七温度传感器16，

制冷设备6、加热设备7、流量计9、第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器13、第五温度传感器14、第六温度传感器15、第七温度传感器16均与温度采集控制系统连接。

本实施例中测试箱5的壳体设计为保温壳，通过制冷设备6，以维持箱体内温度的均衡。本实施例中测试箱5内部与测试管道1上下端口进行封堵的部位安装橡胶层，同时使被测管在试验过程中保持管内密封状态。测试箱5、热水箱4和测试管道1的内外壁安装多个温度传感器、第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器13、第五温度传感器14、第六温度传感器15、第七温度传感器16，通过计算测量其各部位平均温度，以满足控制和后续计算的需要。本设备设计有保护装置，在测试箱5中通过水位限位器21和排水阀18来保护试验中出现的意外状况时，能及时停止试验和进行处理。

进一步，回水管3靠近测试管道1的一端设置有排气阀17，测试箱5的底部设置有排水阀18，热水箱4上设置有注水口19，进水管2上设置有水泵20。

进一步，第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器13、第五温度传感器14、第六温度传感器15、第七温度传感器16均为热电偶。

进一步，测试箱5内设置有水位限位器21。

本发明还提出一种管状保温材料导热系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：将保温材料层8装于测试管道1外壁，控制制冷设备6和加热设备7使得测试箱5内第七温度传感器16所测温度和热水箱4内第六温度传感器15所测温度均平衡，达到传热稳定；

S2：流量计9测量传热稳定时热水箱4内水的流量q₁，第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12分别测量测试管道1内壁、测试管道1外壁、保温材料层8外壁的温度t₁、t₂、t₃，第四温度传感器13、第五温度传感器14分别测量测试管道1进水口、出水口处的温度t₆、t₇；

S3：将保温材料层8从测试管道1外壁除去，调节测试管道1内热水的流量，使得保持第四温度传感器13、第五温度传感器14分别所测测试管道1的进水口处温度、出水口处温度不变，传热稳定后，第一温度传感器10、第二温度传感器11分别测量此时测试管道1内壁、测试管道1外壁的温度t₄、t₅，流量计9测量此时测试管道1内热水的流量为q₂；

S4：由以上数据计算得出保温材料层8的导热系数λ₂。

本实施例中，通过流量计9来实现管状保温材料导热系数λ2的测量，相比于电功率法，更加准确稳定，必将替代原有的电功率法，并且发明人创造性的将流量计法测量管状保温材料导热系数变成了现实，因为现有技术中，即使有人想到用流量计来测量管状保温材料导热系数λ2，也并没有人想到可行的实际测试方法，发明人创造性的将有保温层材料和无保温层材料进行的两次试验中，并且关键性的通过别人没有想到的保持两次试验的进水口温度和出水口温度相同，方而实现了利用流量计9进行导热系数的测量计算，这点也正是本发明的创新点所在，而且试验效果非常好，将会成为替代原有管状保温材料的新方法，创新性和可行性均取得了出人意料的效果，两次试验中的热量的变化由单一的流量变量所改变，这样才实现了应用于后续的计算中，也保证了此方法的创新性和可行性。

本发明中的流量计法与原有的功率法都是为了后续进行差运算，消除系统误差，所以很好的将规避了系统的误差，很好的解决了原有标准测量方法只能减小系统误差不能避免系统误差的缺陷，并且电功率法是在两次试验中保持管道的内壁温度和测试箱的温度相同，默认两次试验的t₁＝t₄，t₃＝t₅，而流量计法也需要保持管道的内壁温度和测试箱的温度相同，但是没有默认两次试验的t1≠t4,t3≠t5，因此电功率法误差更大，流量计法与其有着本质的区别，因而误差很小，非常适合实际测量，将会成为最新的管状保温材料替代方案，再结合本发明创新性的测量保持两次试验的进水口温度和出水口温度相同，从而将想法变成了事实。

进一步，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：根据傅里叶定律式(Ⅱ)，计算无保温材料层8时，测试管道1上消耗的热量Q₁和测试管道1进出口温度差所计算出的热量Q₃，

Q₃＝Q₁+△Q₁；

S42：计算有保温材料层8时，测试管道1上消耗的热量Q₂和测试管道1进出口温度差所计算出的热量Q₄，

Q₄＝Q₂+△Q₂；

其中，△Q₂和△Q₁均为损失的热量，r₁、r₂分别为测试管道1的内表面半径、外表面半径，r₃为保温材料层8外表面半径，c为水的比热容，ρ为水的密度；

测试方法要求：设备的各部位的温度共由15个温度传感器测得，其中设备测试箱5内部的第七温度传感器16有2个、热水箱4内部的第六温度传感器15有2个、第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12各3个，测试管道1的进水口、出水口的第四温度传感器13、第五温度传感器14各1个，待传热过程稳定后，流量计9测量两次试验的流量q1、q2，每隔10min测量一次参数，共测6次，试验时间为1h。

本发明为基于稳态法的新型导热系数测试装置，测试装置应符合以下要求：

测试箱5，设备试验箱内部空气温度应均衡，温度的调节范围为-15℃～室温；测试管道1内部的水温恒定，能充满、无空气，水温调节范围为室温～80℃。

S43：由能量守恒定律，由测试管道1进水口、出水口温度差所计算得到的热量Q₃等于测试管道1上消耗的热量Q₁与两端盖及缝隙所损失的热量△Q₁之和，即Q₃＝Q₁+△Q₁，而两次试验在相同试验参数、相同试验方法下进行，因此所损失的热量相同，即△Q₂＝△Q₁，根据△Q₂和△Q₁相等，对两次求得的热量进行差值运算得出Q₁-Q₂＝Q₃-Q₄，因此，将上述公式带入此式可以得出以下公式计算保温材料层8的导热系数λ2，

本发明直接对管道1的保温材料层8进行导热系数的测量，克服了现有导热系数测量方法中局限性的问题，使测试过程简便准确，更符合实际要求。本发明对管道1在带有保温材料层8和去除保温材料层8的情况下，流量计9分别测量其传热稳定时所对应的流量，对两次试验数据进行差运算，消除试验系统误差，将所得的数据用于后续导热系数的计算中，通过进行先后两次试验方法相同、试验参数相同的对比试验，待传热稳定后，再将两次试验消耗的热量进行差值运算，消除了试验系统误差，更进一步准确的测量了保温材料的导热系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管状保温材料导热系数测试装置，包括测试管道(1)和与所述测试管道(1)通过进水管(2)、回水管(3)连接的热水箱(4)，所述测试管道(1)设置在测试箱(5)内，所述测试箱(5)内设置有制冷设备(6)，所述热水箱(4)内设置有加热设备(7)，所述测试管道(1)外设置有待测量的保温材料层(8)，其特征在于，所述进水管(2)和/或所述回水管(3)上设置有流量计(9)，所述测试管道(1)的内壁、外壁分别设置有第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)，所述保温材料层(8)的外表面设置有第三温度传感器(12)，所述测试管道(1)的进水口处、出水口处分别设置有第四温度传感器(13)、第五温度传感器(14)，所述热水箱(4)内设置有第六温度传感器(15)，所述测试箱(5)内设置有第七温度传感器(16)，

管状保温材料导热系数测试装置的管状保温材料导热系数测试方法，包括以下步骤，

S1：将保温材料层(8)装于测试管道(1)外壁，控制所述制冷设备(6)和所述加热设备(7)使得所述测试箱(5)内所述第七温度传感器(16)所测温度和所述热水箱(4)内所述第六温度传感器(15)所测温度均平衡，达到传热稳定；

S2：所述流量计(9)测量传热稳定时所述热水箱(4)内水的流量q₁，所述第一温度传感器(10)、所述第二温度传感器(11)、所述第三温度传感器(12)分别测量所述测试管道(1)内壁、所述测试管道(1)外壁、所述保温材料层(8)外壁的温度t₁、t₂、t₃，所述第四温度传感器(13)、所述第五温度传感器(14)分别测量所述测试管道(1)进水口、出水口处的温度t₆、t₇；

S3：将所述保温材料层(8)从所述测试管道(1)外壁除去，调节所述测试管道(1)内热水的流量，使得保持所述第四温度传感器(13)、第五温度传感器(14)分别所测所述测试管道(1)的进水口处温度、出水口处温度不变，传热稳定后，所述第一温度传感器(10)、所述第二温度传感器(11)分别测量此时所述测试管道(1)内壁、所述测试管道(1)外壁的温度t₄、t₅，所述流量计(9)测量此时所述测试管道(1)内热水的流量为q₂；

S4：由以上数据计算得出所述保温材料层(8)的导热系数λ₂。

2.根据权利要求1所述的一种管状保温材料导热系数测试装置，其特征在于，所述制冷设备(6)、所述加热设备(7)、所述流量计(9)、第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)、第三温度传感器(12)、第四温度传感器(13)、第五温度传感器(14)、第六温度传感器(15)、第七温度传感器(16)均与温度采集控制系统连接。

3.根据权利要求1所述的一种管状保温材料导热系数测试装置，其特征在于，所述回水管(3)靠近所述测试管道(1)的一端设置有排气阀(17)，所述测试箱(5)的底部设置有排水阀(18)，所述热水箱(4)上设置有注水口(19)，所述进水管(2)上设置有水泵(20)。

4.根据权利要求1所述的一种管状保温材料导热系数测试装置，其特征在于，所述第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)、第三温度传感器(12)、第四温度传感器(13)、第五温度传感器(14)、第六温度传感器(15)、第七温度传感器(16)均为热电偶。

5.根据权利要求1所述的一种管状保温材料导热系数测试装置，其特征在于，所述测试箱(5)内设置有水位限位器(21)。

6.根据权利要求1所述的一种管状保温材料导热系数测试装置，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：计算无所述保温材料层(8)时，所述测试管道(1)上消耗的热量Q₁和所述测试管道(1)进出口温度差所计算出的热量Q₃，

Q₃＝Q₁+△Q₁；

S42：计算有所述保温材料层(8)时，所述测试管道(1)上消耗的热量Q₂和所述测试管道(1)进出口温度差所计算出的热量Q₄，

Q₄＝Q₂+△Q₂；

其中，△Q₂和△Q₁均为损失的热量，r₁、r₂分别为所述测试管道(1)的内表面半径、外表面半径，r₃为所述保温材料层(8)外表面半径，c为水的比热容，ρ为水的密度；

S43：根据△Q₂和△Q₁相等，得出以下公式计算所述保温材料层(8)的导热系数λ2，

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