阅读说明：本技术 一种简易测量液体导热系数的实验装置 (Experimental device for simply measure liquid coefficient of heat conductivity ) 是由 焦冬生 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种简易测量液体导热系数的实验装置,该装置包括两根上下分布的金属圆柱,其中上端圆柱作为热源,下端圆柱作冷源,上端圆柱的下圆柱端面和下端圆柱的上圆柱端面相对设置,在所述下圆柱端面和所述上圆柱端面上分别以圆柱中心为圆心设置一个圆形槽道用于放置O形圈,放置该O形圈后,热源和冷源之间构成测液腔,在上端圆柱和下端圆柱相对的圆柱端部且靠近待测液体附近沿圆周方向分别开设多个测试孔,该测试孔内放置温度传感器用于测试冷源和热源温度。将本装置测量并进一步计算得到的参数带入导热系数计算公式即可得到液体导热系数。本发明实验原理明确,结构简单,易于测试,设备成本低,有利于推广。(The invention relates to an experimental device for simply measuring the heat conductivity coefficient of liquid, which comprises two metal cylinders which are distributed up and down, wherein the upper end cylinder is used as a heat source, the lower end cylinder is used as a cold source, the lower cylinder end surface of the upper end cylinder and the upper cylinder end surface of the lower end cylinder are oppositely arranged, a circular channel which takes the cylinder center as the circle center is respectively arranged on the lower cylinder end surface and the upper cylinder end surface and is used for placing an O-shaped ring, after the O-shaped ring is placed, a liquid measuring cavity is formed between the heat source and the cold source, a plurality of test holes are respectively arranged at the opposite cylinder end parts of the upper end cylinder and the lower end cylinder and close to the liquid to be measured along the circumferential direction, and temperature sensors are arranged in the test holes and are used for testing the temperatures of the cold source and the heat source. Parameters obtained by measurement and further calculation of the device are substituted into a heat conductivity coefficient calculation formula The liquid thermal conductivity can be obtained. The invention has the advantages of clear experimental principle, simple structure, easy test, low equipment cost andis beneficial to popularization.)

一种简易测量液体导热系数的实验装置

技术领域

本发明属于传热学和传热实验教学领域，具体涉及一种简易测量液体导热系数的实验装置。

背景技术

传热实验中，基于平板法测量液体导热系数的实验理论是根据傅立叶定律导出的一维平板热传导方程，即：

对式子(1)进行变换得到计算导热系数的公式：

测量出上式右边的有关参数即可计算出液体的导热系数k(Wm^-1K^-1)值。上式中A(m²)为热功率Q(W)垂直穿过待测液体的面积；T_h(K),T_c(K)分别为待测液体的热面和冷面的温度；δ(m)为测试液体的厚度。

为了抑制液体因温差而产生的自然对流，影响导热系数的测量，通常采用顶部加热的措施。通常热量Q由电加热器或接恒温水浴的换热器提供。而电加热器的功率用下式(3)更容易测量，且测量精度高，

Q＝IU (3)

上式中I(A)为电流，U(V)为电压。

用恒温水浴提供热量则用下式计算

(4)式中，为质量流量，C_p(Jkg^-1K^-1)为定压比热，△T(K)为前后温差，该式所测参数多，引入的系统误差也大。所以实验常采用公式(3)做热量测量和计算依据。

为了保证电加热器的热量尽可能多的垂直穿过液体达到冷面，在测试系统周围用低导热系数的材料做成的隔热层，既降低热损又能降低外界干扰，保证测试环境的稳定。

发明内容

为了达到实验原理明确，结构简单，易于测试，便于学生安装调试和实践操作的效果，本发明提供了一种简易测量液体导热系数的实验装置，以期提高教学质量，并且该设备成本低，有利于推广。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案如下：

一种简易测量液体导热系数的实验装置，该装置包括两个上下分布的金属圆柱，其中上端圆柱作为热源，内置电加热器，电加热器与直流电源相连，通过调节电压控制所述热源温度，下端圆柱作冷源，内置水冷散热器，该水冷散热器连接恒温水浴，以维持冷源恒温；

上端圆柱的下圆柱端面和下端圆柱的上圆柱端面相对设置，在所述下圆柱端面和所述上圆柱端面上分别以圆柱中心为圆心设置一个圆形槽道，圆形槽道的截面为圆形的一部分，所述圆形槽道用于放置O形圈，放置该O形圈后，热源和冷源之间构成测液腔，热源的热量将通过待测液体、O形圈向冷源传递；与测试液体接触的圆柱端面用数控机床铣平。

在上端圆柱和下端圆柱相对的圆柱端部且靠近待测液体附近沿圆周方向分别开设多个测试孔，该测试孔内放置温度传感器用于测试冷源和热源温度。

其中，所述圆形槽道的直径等于O形圈的公称直径D，其深度h小于O形圈截面直径d的1/2，所述待测液体的面积A通过公式获得，所述待测液体设计厚度通过公式δ₀＝d-2h获得。

其中，所述O形圈的导热面积小于待测液体导热面积的5-10％，且O形圈的尺寸满足

其中，在所述下圆柱端面和所述上圆柱端面上分别开一小孔作为排液孔和充液孔，所述充液孔和排液孔沿着圆柱端面直径方向相对设置，位于所述排液孔上端的所述上端圆柱上设置有与排液孔连通的空腔，该空腔作为储液腔。在充液口的外端可插入外径稍大的橡皮塞用于注射器注入待测液体和密封。

在热源金属块的重力作用下，O形圈会压变形，将导致液体的实际厚度δ小于设计厚度δ₀，而且厚度较小间隙窄用卡尺难以直接测量。为了便于测量实际厚度δ，其中，在上端圆柱和下端圆柱周向分别铣三个深宽各5mm的槽道用于间接测量待测液体的实际厚度δ，通过三点测量确保上下两测量面平行。其中，先测量热源的槽道距离下圆柱端面的距离x₁和冷源的槽道距离上圆柱端面的距离x₂，安装完成后测冷热源槽道的距离x，得实际液体厚度δ＝x-x₁-x₂。通过周向三点测量液体厚度值大小以确保待测液体的厚度均匀。

其中，在上端圆柱和下端圆柱相对的圆柱端部且靠近待测液体附近沿圆周方向分别开设四个测试孔，并且，基于下端圆柱上四个测试孔测得的四个温度值得到冷源温度，基于上端圆柱上四个测试孔测得的四个温度值得到热源温度。其中，冷源温度通过公式得到，热源温度通过公式得到。

其中，所述上端圆柱和下端圆柱外部设置圆柱形保温罩。

进一步的，利用前面提到关于传热原理的公式(2)和公式(3)，结合本发明的实验装置得到的上述待测液体的面积A、待测液体的实际厚度δ、热源温度和冷源温度就可得到待测液体的导热系数k。

本发明具有以下有益效果：本发明利用的实验原理明确，且结构简单，便于安装调试和实践操作；本发明通过先进数控机床的加工精度，表面光滑平整，密封性能好，系统误差小；其中使用了标准的工业产品O形圈，整个设备成本低，便于推广。

附图说明

图1为本发明的简易测量液体导热系数的实验装置示意图；

图2为O形圈结构示意图；

图3为热源结构示意图；

图4为冷源结构示意图；

图5为保温罩结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的简易测量液体导热系数的实验装置示意图，图2-5为装置部件结构示意图，其中用两根金属圆柱做测量液体导热系数的冷热源，上端圆柱做热源5，内置电加热器11，电加热器11与直流电源相连，通过调节电压控制热源温度；下端圆柱作冷源7，内置水冷散热器12，水冷散热器12接恒温水浴，维持冷源恒温。与测试液体接触的圆柱端头表面用数控机床铣平，并在该面以圆柱中心为圆心铣出一个圆形槽道10，槽道10的截面为圆形的一部分，圆形槽道用于放置O形圈6，圆形槽道10的直径等于O形圈的公称直径D，其深度h小于O形圈截面直径d的1/2。用O形圈6，热源5和冷源7上下构成测液腔1，数控机床加工精度高，利用金属自身的重量和O形圈弹性可以达到很好的密封作用。

其中，待测液体面积通过公式得到。

其中，待测液体设计厚度δ₀＝d-2h。

热源5的热量将通过待测液体、O形圈6和边缘夹层空气环向冷源7传递。由于空气导热系数低，边缘夹层空气环可以忽略不计。为了降低O形圈6导热造成的系统误差，O形圈6的导热面积小于液体导热面积的5-10％，实验选用符合的O形圈。金属抛光表面发射率低，热面通过辐射向冷面传热引起的热损低。

具体的，图2所示为O形圈结构示意图，图1为装置示意图，图3所示为热源结构示意图，图4所示为冷源结构示意图。

由于O形圈6具有弹性，上面放置的金属圆柱有一定的重量，O形圈6受压变形，实际测量厚度小于设计厚度δ₀。在圆柱周向铣三个深宽各5mm的槽道14便于间接测量待测液体的实际厚度δ，通过三点测量确保两面平行。其中，先测量热源5的槽道14距离下圆柱端面的距离x₁和冷源7的槽道14距离上圆柱端面的距离x₂，安装完成后测冷热源槽道14的距离x，得实际液体厚度δ＝x-x₁-x₂。

在圆柱端面的直径方向两端开一小孔，冷源端作充液孔9，热源端作排液孔2，排液孔上端的空腔为储液腔3。从下往上充待测液体，利于排除气泡，测试过程中液体受热膨胀，液体体积膨胀进入储液腔3，减小测试腔1内的热应力。在充液口9的外端可插入外径稍大的橡皮塞8用于注射器注入待测液体和密封。

在圆柱测试端靠近液体附近沿圆周方向开四个测试孔13，用于放置温度传感器，如热电偶或热电阻，用于测试热源和冷源温度。

冷端恒温通过公式得到。

热源温度通过公式得到。

为了降低热损，用图5所示圆柱形保温罩4将测试系统与外界分开，确保电加热器的热量尽可能通过液体传给冷源，最后，将本装置测量以及进一步计算得到的参数带入导热系数计算公式(2)得到液体导热系数。

下面通过一具体实施例作进一步说明。

用两根直径270mm的铜圆柱做测量液体导热系数的冷热源，上端圆柱做热源，内置电加热器，电加热器与60V直流电源相连，电功率1000W，通过调节电压控制热源温度。

下端圆柱作冷源，内置水冷散热器，水冷散热器接恒温水浴，恒温水浴功率1500W。

O形圈规格内径D＝250mm，线径d＝5.3mm。

圆形槽道截面直径5.3mm，深度为0.8mm。

金属抛光表面发射率低，辐射热损低。

在圆柱周向铣三个深宽5mm的槽道用于测量液体厚度，保证两面平行。

在直径方向两端开一小孔，冷源端作充液孔，热源端作排液孔，排液孔上端为储液槽。从下往上充液排除气泡，测试过程中液体受热膨胀，液体体积膨胀进入储液槽，减小测试腔内的热应力。

在圆柱测试端靠近液体附近沿圆周方向开四个测试孔，每个测孔内放置一支K型热电偶，用于测试热源和冷源温度。

采用两个一端封闭的不锈钢圆筒内填充30mm玻璃棉，再用不锈钢环片封口，作为保温罩，确保电加热器的热量尽可能通过液体传给冷源。

将本装置测量以及进一步计算得到的参数带入导热系数计算公式(2)得到液体导热系数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。