本發(fā)明屬于顆粒材料導(dǎo)熱性能測試技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種陶瓷球床有效熱導(dǎo)率測試平臺。

背景技術(shù)：

顆粒材料的導(dǎo)熱行為在熱能動力，化工，建筑，生物工程和航空航天領(lǐng)域中被廣泛的關(guān)注，尤其是其在球床中的導(dǎo)熱行為。如核聚變反應(yīng)中固態(tài)增殖劑的導(dǎo)熱與冷卻，化工和生物工程中的顆粒球床反應(yīng)等都需要顆粒材料的導(dǎo)熱性能，需要測試材料的有效熱導(dǎo)率。特別地,在核能領(lǐng)域中，顆粒組成的球床具有傳熱或者在線產(chǎn)氚等功能，球床顆粒在不同氣氛，溫度，氣體壓力，氣體流量下的有效熱導(dǎo)率是非常重要的參數(shù)，需要測量。

球床有效熱導(dǎo)率的測量方法是在固體材料熱導(dǎo)率測試方法的基礎(chǔ)上發(fā)展來的。固體材料熱導(dǎo)率的測試方法一般可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，兩種方法測的數(shù)據(jù)具有一致性，但個別數(shù)值存在差異。穩(wěn)態(tài)法是在滿足穩(wěn)態(tài)條件的情況下，在已知厚度的樣品中建立起溫度梯度并達到穩(wěn)定后進行測量，通過控制熱流來計算熱導(dǎo)率。穩(wěn)態(tài)法是測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)典方法，具有原理清晰，適用的測量溫度寬等優(yōu)點，但其測量時間長。非穩(wěn)態(tài)法也稱瞬態(tài)法或動態(tài)法，指的是實驗中對處于熱平衡狀態(tài)的試樣施加某種熱干擾，同時測量試樣對熱干擾的響應(yīng)(溫度隨時間的變化)，然后根據(jù)響應(yīng)曲線確定試樣材料熱導(dǎo)率。非穩(wěn)態(tài)法多用于研究高導(dǎo)熱材料，或在高溫下進行測量，其特點是測量時間段，精確性高，但受測量方法限制，多用于高導(dǎo)熱，高溫區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)測量。

現(xiàn)有技術(shù)中測量陶瓷顆粒球床有效熱導(dǎo)率也主要采用了兩種方法，主要涉及核能領(lǐng)域。日本原子能研究院的相關(guān)測量裝置使用瞬態(tài)熱線法，位于IKET及荷蘭的研究者采用穩(wěn)態(tài)圓柱法；國內(nèi)來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的專利201510106712.6結(jié)合了穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，一套裝置中同時采用兩種方法測量陶瓷球床有效熱導(dǎo)率。已采用的相關(guān)裝置中采用了鎧裝或者有保護層的熱電偶，有的還用了破壞球床堆積特性的熱電偶支撐架，上述因素均會導(dǎo)致熱電偶測溫準確度低，而且由于導(dǎo)熱較好的熱電偶支撐架和鎧裝體或者保護套的存在會導(dǎo)致熱電偶測量的并非是測溫點的溫度而是熱電偶支撐架的溫度或者會受熱電偶支撐架溫度的干擾。除此之外，測量裝置的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)多是單獨的數(shù)據(jù)顯示和存儲以及輸出，然后再次處理才獲得最終測量結(jié)果，并沒有直接實時顯示測量結(jié)果或者顯示數(shù)據(jù)處理過程，更無法估計測量結(jié)果的可信度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種陶瓷球床有效熱導(dǎo)率測試平臺，其能夠在基本不破壞球床堆積特性的基礎(chǔ)上更加真實測量不同氣氛，不同氣體流量，不同系統(tǒng)壓力，不同溫度下陶瓷球床內(nèi)部溫度分布，同時利用測試程序?qū)崿F(xiàn)測量結(jié)果的動態(tài)顯示和輸出并給出結(jié)果評估，具有結(jié)構(gòu)簡單、測試便捷可靠等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種陶瓷球床有效熱導(dǎo)率測試平臺，包括球床容器組件、加熱組件、供氣組件、抽氣組件和數(shù)據(jù)采集分析組件，其中：

所述球床容器組件包括球床外容器，該球床外容器內(nèi)通過支撐套筒安裝有樣品室，該樣品室包括球床壁、熱電偶上定位板和熱電偶下定位板，三者構(gòu)成用于放置陶瓷顆粒的球床，該樣品室內(nèi)設(shè)置有用于測量球床徑向和軸向溫度分布的熱電偶；

所述加熱組件包括加熱爐、加熱絲和直流穩(wěn)壓供電電源，所述加熱爐的上下端分別設(shè)置有上法蘭和下法蘭，所述樣品室處于該加熱爐的均溫區(qū)內(nèi)，所述加熱絲沿軸向插入樣品室內(nèi)，其兩端分別通過鎖緊連接帽與電極連接桿相連，該電極連接桿與所述直流穩(wěn)壓供電電源相連；

所述供氣組件包括通過氣體管道相連的氣瓶和壓力傳感器，所述氣體管道上設(shè)置有流量計、閥門開關(guān)和進氣管道，該進氣管道與堵在所述熱電偶上定位板的陶瓷填充孔上的堵孔塞相連；

所述抽氣組件包括通過氣體管道相連的抽氣泵和背壓閥，該氣體管道上設(shè)置有閥門開關(guān)和出氣管道，該出氣管道與所述下法蘭相連；

所述數(shù)據(jù)采集分析組件包括彼此相連的數(shù)據(jù)采集單元和計算機，所述數(shù)據(jù)采集單元與所述熱電偶的正負極相連，并與所述壓力傳感器相連，所述計算機與所述流量計相連。

作為進一步優(yōu)選的，所述上法蘭包括上盲板法蘭和上開孔法蘭，所述下法蘭包括下開孔法蘭和下盲板法蘭，所述上盲板法蘭、上開孔法蘭、下開孔法蘭和下盲板法蘭均為可伐合金，并且上開孔法蘭、下開孔法蘭與所述球床外容器密封連接，此外，上開孔法蘭、下開孔法蘭分別通過無氧銅墊圈以及螺栓和上盲板法蘭、下盲板法蘭連接。

作為進一步優(yōu)選的，所述熱電偶采用對焊的裸熱電偶絲，其測溫點可沿球床軸向移動，其正負極分別通過所述熱電偶下定位板和熱電偶上定位板上按規(guī)律分布的小孔穿出并張緊固定。

作為進一步優(yōu)選的，所述熱電偶采用公共負極，其負極連接到熱電偶負極連接環(huán)上，并用熱電偶負極壓緊環(huán)壓緊，該熱電偶負極壓緊環(huán)同熱電偶負極接線柱相連；所述熱電偶正極絕緣密封后穿出所述下盲板法蘭。

作為進一步優(yōu)選的，所述熱電偶上定位板和熱電偶下定位板上的徑向測溫點不完全位于一條直線上，特別是直徑或者半徑所在的直線，而是平行偏離半徑或直徑所在直線一定距離。

作為進一步優(yōu)選的，所述進氣管道、熱電偶負極接線柱和位于上方的電極連接桿均通過密封塞和密封壓緊帽實現(xiàn)絕緣和密封后穿出所述上盲板法蘭；所述出氣管道同所述下盲板法蘭側(cè)面氣孔密封連接。

作為進一步優(yōu)選的，位于下方的所述電極連接桿采用聚四氟乙烯絕緣密封套和密封膠同所述下盲板法蘭絕緣密封。

作為進一步優(yōu)選的，所述樣品室由耐高溫、低膨脹、透明、電絕緣、導(dǎo)熱差的材料制成。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

1.本發(fā)明通過對球床容器組件、加熱組件、供氣組件、抽氣組件和數(shù)據(jù)采集分析組件等各個組件的結(jié)構(gòu)及具體設(shè)置位置的研究和設(shè)計，在基本不破壞球床堆積特性的基礎(chǔ)上更加真實測量不同氣氛、不同氣體流量、不同系統(tǒng)壓力、不同溫度下陶瓷球床內(nèi)部溫度分布，同時利用測試程序?qū)崿F(xiàn)測量結(jié)果的動態(tài)顯示和輸出并給出結(jié)果評估，具有結(jié)構(gòu)簡單、測試便捷可靠等優(yōu)點。

2.本發(fā)明采用直徑很細的對焊的裸線熱電偶絲提高了溫度測量的準確度，降低甚至基本消除了熱電偶對球床堆積特性的影響；降低了熱電偶定位或者支撐結(jié)構(gòu)對溫度測量和球床堆積特性產(chǎn)生的干擾或者影響；改善了數(shù)據(jù)采集與處理組件，使其可實時圖像化顯示動態(tài)數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)擬合)，實時給出測量結(jié)果，實時給出數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)擬合)評估參數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明陶瓷球床有效熱導(dǎo)率測試平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)和(b)為熱電偶排布位置示意圖；

圖3(a)和(b)為球床容器組件的仰視圖和俯視圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種陶瓷球床有效熱導(dǎo)率測試平臺，其包括球床容器組件、加熱組件、供氣組件、抽氣組件和數(shù)據(jù)采集分析組件，其中，球床容器組件用于作為待測試對象陶瓷顆粒的容納器具，加熱組件用于實現(xiàn)待測試對象陶瓷顆粒的加熱，供氣組件用于為球床容器組件供氣，抽氣組件用于為球床容器組件抽出多余的氣體，數(shù)據(jù)采集分析組件用于通過編寫的數(shù)據(jù)處理與分析程序?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，實時圖像化顯示動態(tài)數(shù)據(jù)擬合，實時給出測量結(jié)果，實時給出數(shù)據(jù)擬合評估參數(shù)。通過上述各個部件的相互配合，可實現(xiàn)陶瓷球床有效熱導(dǎo)率的實時有效測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測試可靠等優(yōu)點。

下面將對各個部件逐一進行更為具體的說明。

如圖1所示，球床容器組件包括球床外容器27，其內(nèi)通過支撐套筒26安裝有樣品室，該樣品室包括球床壁28、熱電偶上定位板9和熱電偶下定位板14，球床壁28、熱電偶上定位板9和熱電偶下定位板14三者構(gòu)成用于放置陶瓷顆粒13的球床，該樣品室可選用耐高溫、低膨脹、透明、電絕緣和導(dǎo)熱差的材料制成，其內(nèi)設(shè)置有用于測量球床徑向和軸向溫度分布的熱電偶12。

其中，熱電偶12采用對焊的裸熱電偶絲，其測溫點可沿球床軸向移動，其正負極分別通過熱電偶下定位板14和熱電偶上定位板9上按規(guī)律分布的小孔穿出并張緊固定，其分布位置和規(guī)律見圖2所示，圖中A表示徑向測溫，B表示軸向測溫，熱電偶上定位板9和熱電偶下定位板14上的某組徑向測溫點并不完全位于一條直線上，特別是直徑或者半徑所在直線上，而是平行偏離半徑或直徑所在直線一定距離，該距離可根據(jù)實際需要進行設(shè)計。

進一步的，熱電偶12采用公共負極，其負極通過熱電偶負極連接裝置與數(shù)據(jù)采集分析組件相連，該熱電偶負極連接裝置包括熱電偶負極連接環(huán)6、熱電偶負極壓緊環(huán)32和熱電偶負極接線柱36(如圖3所示)，其中，熱電偶負極連接到熱電偶負極連接環(huán)6上，并用熱電偶負極壓緊環(huán)32壓緊熱電偶負極連接環(huán)6，熱電偶負極壓緊環(huán)32同熱電偶負極接線柱36連接，由電偶負極接線柱36將熱電偶的負極引出球床容器，而熱電偶12的正極經(jīng)絕緣密封后穿出下法蘭，具體穿出下法蘭中的下盲板法蘭16-2，然后與數(shù)據(jù)采集分析組件相連。

如圖1所示，加熱組件包括加熱爐7、加熱絲(棒)11和直流穩(wěn)壓供電電源10，加熱爐7的上下端分別設(shè)置有上法蘭和下法蘭，樣品室處于該加熱爐7的均溫區(qū)內(nèi)，加熱絲(棒)11沿軸向插入樣品室內(nèi)，其兩端分別通過鎖緊連接帽8、15與電極連接桿2、17相連，電極連接桿2、17通過電線與直流穩(wěn)壓供電電源10相連。

具體的，上法蘭包括上盲板法蘭4-1和上開孔法蘭4-2，下法蘭包括下開孔法蘭16-1和下盲板法蘭16-2，上盲板法蘭4-1、上開孔法蘭4-2、下開孔法蘭16-1和下盲板法蘭16-2均為可伐合金(KOVAR)，并且上開孔法蘭4-2、下開孔法蘭16-1與球床外容器27密封連接，此外，上開孔法蘭4-2、下開孔法蘭16-1分別通過無氧銅墊圈以及螺栓和上盲板法蘭4-1、下盲板法蘭16-2連接。

具體的，進氣管道31、熱電偶負極接線柱36和電極連接桿2均通過密封塞5和密封壓緊帽3實現(xiàn)絕緣和密封后穿出上盲板法蘭4-1；而電極連接桿17采用聚四氟乙烯絕緣密封套20和密封膠同下盲板法蘭16-2絕緣密封，然后穿出下盲板法蘭16-2，再與直流穩(wěn)壓供電電源10相連。

如圖1所示，供氣組件包括通過氣體管道相連的氣瓶30和壓力傳感器1，氣體管道上設(shè)置有流量計33、閥門開關(guān)34、35和進氣管道31，該進氣管道31為樣品室供氣，其與堵孔塞29相連，該堵孔塞29堵在熱電偶上定位板9的陶瓷填充孔37(如圖2所示)上。

如圖1所示，抽氣組件包括通過氣體管道相連的抽氣泵24和背壓閥21，該氣體管道上設(shè)置有閥門開關(guān)22,23和出氣管道25，該出氣管道25與下法蘭相連。具體的，出氣管道25同下盲板法蘭16-2側(cè)面氣孔密封連接，出氣管道25與進氣管道31以及球床內(nèi)部形成氣體通路。

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集分析組件包括彼此相連的數(shù)據(jù)采集單元18和計算機19，數(shù)據(jù)采集單元18與熱電偶12的正負極相連，具體通過數(shù)據(jù)線與球床容器內(nèi)的熱電偶12正極以及熱電偶負極接線柱36相連，該數(shù)據(jù)采集單元18還與壓力傳感器1相連，所述計算機19與流量計33相連，該流量計33用于控制氣體流量，通過運行在計算機19上的數(shù)據(jù)處理與分析程序進行數(shù)據(jù)處理與分析。

實際操作中，氣瓶30提供氣體，流量計33控制氣體流量，壓力傳感器1測量系統(tǒng)氣壓，背壓閥21穩(wěn)定并控制系統(tǒng)氣壓，加熱爐7給球床加熱營造球床環(huán)境溫度，抽氣泵24用來除去非實驗所需氣體，直流穩(wěn)壓供電電源10給加熱絲(棒)11供電，而電極連接桿2,17是在便于密封的同時起導(dǎo)電作用，支撐套筒26采用耐高溫且熱膨脹小的材料，起承重作用，熱電偶12分別測量球床的徑向和軸向溫度分布。

以上為本發(fā)明實施例提供的用于測量陶瓷球床有效熱導(dǎo)率的平臺組成，為了便于理解，下邊針對其原理及測量操作進行詳細說明。

為了使用穩(wěn)態(tài)法，需要在已經(jīng)穩(wěn)定的由加熱爐控制的環(huán)境溫度下用中間加熱絲(棒)造成球床由內(nèi)到外的溫度差，通過測量球床的徑向溫度分布即可計算出球床有效熱導(dǎo)率。

在圓柱球床中，可以通過測定軸向的溫度來實現(xiàn)軸向無傳熱的假設(shè)，球床正中置一根加熱棒(絲)對球床產(chǎn)生熱流，造成溫度梯度。引入球床容器壁與球床的換熱系數(shù)α_w2，依據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)理論可得如下關(guān)系式：

式中：T(r)為球床半徑r處的溫度(K)；T_w2為球床容器內(nèi)表面的溫度(K)；Q為加熱棒(絲)外表面的熱流(W/m²)；R₁為加熱棒(絲)外徑(m)；α_w2為球床容器壁與球床的換熱系數(shù)(W/m²K)；R₂為球床內(nèi)徑(m)；k_e是球床的有效熱導(dǎo)率(W/m·K)；l是加熱絲加熱區(qū)域長度(球床高度)。

α_w2和T_w2的值在穩(wěn)態(tài)過程中基本不變，因此可認為任意半徑處的溫度T(r)跟ln(r/R₂)之間是線性關(guān)系，于是實驗中測定任意點r處的溫度，由T(r)對ln(r/R₂)進行最小二乘擬合，由所得斜率-(QR₁)/k_e即可得到在實驗發(fā)熱率Q條件下的有效熱導(dǎo)率k_e。

實驗開始前確定加熱爐的均溫區(qū)并使球床測溫點位于均溫區(qū)內(nèi)，確定好實驗中的氣體氛圍，流量，壓力以及球床環(huán)境溫度后開始實驗。增大背壓閥21的出口氣壓值，關(guān)閉氣瓶30出氣開關(guān)，使流量計33閥門處于常開狀態(tài)，打開閥門34，閥門35，閥門22，閥門23，然后打開抽氣泵24抽氣，觀察壓力傳感器1示數(shù)直到處于真空狀態(tài)時關(guān)閉閥門23和抽氣泵24，打開氣瓶30出氣開關(guān)，并控制流量計33流量，調(diào)節(jié)背壓閥21并觀察壓力傳感器1示數(shù)使系統(tǒng)內(nèi)氣壓處于需要的穩(wěn)定狀態(tài)；一段時間后開啟加熱爐7加熱并在所需溫度保持，球床內(nèi)各區(qū)域溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)后開啟直流穩(wěn)壓供電電源10，用恒定電流給加熱絲或加熱棒11供電，對球床進行內(nèi)部加熱直到球床內(nèi)部溫度再次處于穩(wěn)定狀態(tài)。整個過程中都在計算機19中運行測試程序，監(jiān)測各點測溫值，同時對T(r)和ln(r/R2)進行最小二乘擬合并圖形化動態(tài)顯示，獲得球床有效熱導(dǎo)率并評估測試結(jié)果。

說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。