引用本文
崔金生, 侯绪研, 邓宗全, 潘万竞, 姜生元. 真空颗粒系统有效导热系数测量试验台研制及试验.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(2): 457-464
CUI Jin-sheng, HOU Xu-yan, DENG Zong-quan, PAN Wan-jing, JIANG Sheng-yuan. Measurement system and experiment study of the effective thermal conductivity of granular system in a vacuum. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(2): 457-464  
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真空颗粒系统有效导热系数测量试验台研制及试验
崔金生, 侯绪研, 邓宗全, 潘万竞, 姜生元
哈尔滨工业大学 宇航空间机构及控制中心,哈尔滨 150001
通讯作者:侯绪研(1982-),男,副教授,硕士生导师.研究方向:星球车采样技术.E-mail:houxuyan@hit.edu.cn

作者简介:崔金生(1986-),男,博士研究生.研究方向:星球采样技术.E-mail:cuijinsheng86625@163.com

基金:国家自然科学基金项目(51105092)
摘要

基于稳态热流计法,研制了可实现不同真空环境和温度下测试颗粒系统有效导热系数的试验台,并基于此试验台对HIT-LS1#型模拟月壤在不同真空度和不同温度下进行了有效导热系数测定试验.试验结果显示:模拟月壤的有效导热系数随着温度的升高而增大,并随着真空度的提高而减小.真空度对颗粒系统的有效导热系数存在较大影响,尤其是在高真空的情况下.

关键词: 工程热物理; 试验台研制; 热流计法; 有效导热系数; 颗粒系统; 模拟月壤; 真空
中图分类号:TK121 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)02-0457-08
Measurement system and experiment study of the effective thermal conductivity of granular system in a vacuum
CUI Jin-sheng, HOU Xu-yan, DENG Zong-quan, PAN Wan-jing, JIANG Sheng-yuan
Research Center of Aerospace Mechanism and Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
Abstract

Based on steady-state heat metering method, a measurement system is developed, which can be used to test the effective conductivity of a granular system under different temperature and vacuum degree. Using this measurement system, experiments for HIT-LS1# lunar soil simulant are conducted. The results show that the effective thermal conductivity of the lunar soil simulant increases with temperature, and decreases with the increase in vacuum degree. Vacuum degree has on obvious impact on the effective thermal conductivity, especially in the case of high vacuum.

Keyword: engineering thermophysics; measurement system development; heat flow meter method; effective thermal conductivity; granular system; lunar soil simulant; vacuum
0 引 言

我国探月最终要实现将月球表面及深层月壤通过无人自动采样带回地球.实现钻取采集月表下月壤必须保证钻取过程中钻具的热安全性.根据前期规划, 钻取采样装置需要能够采集月表下至少2 m的月壤[1].在钻进过程中, 钻具切削摩擦月岩与月壤, 不断产生热量, 钻具温度不断上升.由于月球白天温度可达到120 ° C以上, 月表处于高真空状态, 月壤导热率低且没有辅助的散热设施, 钻取采样工况恶劣, 钻具可能因温升明显而烧钻或使钻杆内的采样取心机构受到影响[2, 3].为保证钻具热安全性, 针对月面高真空, 高低温环境对钻具钻进取心过程中钻具热安全性的研究是十分必要的, 而研究的重要基础之一, 就是要了解月壤的热物性.

目前, 关于月壤热物性的研究, 仅有针对美国阿波罗系列采集样品的测量数据可查[4, 5, 6], 文献中仅仅对采集样品进行了导热系数的测定, 对于我国探月研究还远远不够.获取模拟月壤在不同真空环境和温度下的导热系数值, 可以了解模拟月壤的热性能, 实现对真空钻进采样过程钻具传递给模拟月壤热量的计算.导热系数反映了材料的热性能, 获得准确的导热系数值, 有助于对温度场进行准确预测或利用相关软件进行准确仿真.颗粒系统是由大量颗粒与间隙介质组合而成, 通常, 颗粒系统的导热系数是指表征包括颗粒传热, 颗粒间介质传热和对流, 以及颗粒辐射的综合传热效果的系数, 也叫做有效导热系数.由于颗粒系统传热的复杂性, 无论是早期还是近年来, 试验研究都是研究颗粒系统有效导热系数非常重要的一个手段.早在1961年, Woodside等[7]就通过瞬态热线法对5种不同的颗粒系统导热系数进行了测量, 发现孔隙率, 颗粒导热系数, 间隙介质导热系数等因素对颗粒系统有效导热系数均存在影响; Tavman等[8]也通过瞬态热线法发现小麦颗粒在含水率为9.17%~38.65%范围内, 其有效导热系数随着含水率的增加而线性增加; Bala等[9]通过理论计算和基于瞬态热带法的试验研究, 对常温常压下铜颗粒系统的导热系数与孔隙率的关系进行了研究; 高崇等[10]提出了一种在常温常压下测定固体催化剂颗粒有效导热系数的新方法, 该方法能直接测量催化剂颗粒在真实反应温度下的导热系数, 且适用于具有规则形状的多种异型催化剂; 张建智等[11]依据稳态圆筒壁法测量导热系数的原理, 通过试验发现颗粒系统的导热系数随着颗粒粒径, 密度, 温度的增大而增大; 毕胜山等[12]采用瞬态热线法对纳米颗粒工质的导热系数进行了试验研究, 其导热系数随着颗粒浓度增大而增大, 随着温度的升高而降低; 刘晓燕等[13]利用断电热线法对多种颗粒系统的导热系数进行了测定并与之前其他学者的理论值进行比较; 于明志等[14]通过Hotdisk热常数分析仪进行试验研究, 发现对于玻璃珠模拟的颗粒型含湿多孔介质, 其导热系数随含湿率的增大呈非单调递增趋势.基于大量的试验研究与科学方法的进步, 理论与仿真也成为研究颗粒系统有效导热系数的一个重要方面.Weidenfeld等[15]通过研究发现颗粒基础面积是影响颗粒系统有效导热系数的另一个重要因素; Bahrami等[16]建立了一个预测由等径颗粒规则排列并充满静止气体的颗粒系统有效导热系数的传热模型, 其模型考虑了颗粒直径, 材料, 表面粗糙度, 载荷以及气体的稀薄度, 温度, 压力等参数, 其计算结果与试验结果有较高的一致性; Vargas等[17, 18]提出了一种新的数值计算方法(称为Thermal particle dynamic method), 并基于此方法对颗粒系统的传热特性进行了仿真模拟, 证明了该方法的有效性; Nguyen等[19]基于离散元(DEM)方法, 对土堆卸载过程中的颗粒流传热情况进行了模拟分析, 考虑了颗粒之间的摩擦流动和热传导, 他们发现流动颗粒系统的传热特性还与颗粒摩擦和流动速度有关; Bahrami等[20, 21]建立了一个近似模型, 预测了带有气体介质的圆形粗糙颗粒系统的接触热阻, 他们认为当颗粒接触确定时, 存在一种特定的接触曲面使得接触热阻最小; Zhang等[22]进一步利用离散元方法进行了颗粒直径, 体积分数, 配位数等因素对粗糙表面颗粒等效导热系数影响的研究; 李小波等[23]应用分子动力学模拟的方法, 研究了纳米金刚石颗粒的导热系数对温度和颗粒尺寸的依赖关系.

从已有文献可以看出, 出于实际环境和需求, 针对颗粒系统有效导热系数的研究一般不考虑颗粒辐射影响, 也不考虑不同真空度对其的影响, 而这些对探月过程中对月壤的进一步认识都是非常重要的.本文的目的是研制可实现真空环境下测试复杂颗粒系统有效导热系数的试验装置, 目的是探究模拟月壤及其他颗粒系统在不同真空度下有效导热系数随温度的变化以及不同真空度对其有效导热系数的影响.

1 方案比较与测试原理

测量物质导热系数的方法主要分为稳态法和瞬态法(非稳态法)两类.稳态法即测量导热系数过程中, 物质内部各点温度不随时间的变化而改变; 瞬态法则是在测量导热系数过程中, 物质内部温度随时间变化的测量方法.稳态法主要包括热板法, 防热护板法, 热流计法, 圆管法等.瞬态法主要包括热线法, 热带法, 常功率热源法, 激光闪射法等.稳态法测量原理清晰, 可以准确直接测得被测物质的导热系数, 测量时间长, 对环境条件要求比较高, 对热源要求高, 常用于测量中低导热系数的物质; 同时, 由于测量要求对被测物质进行长时间保温, 一般只能用于测量干燥物质的导热系数.瞬态法是比较新的测量方法, 一般用于测量中高导热系数, 并且导热系数和比热容基本趋于常数的物质, 具有测量时间短, 测量精确, 测温范围宽, 对环境要求较低, 样品容易制备的特点; 但是, 如果被测物质的导热系数随温度变化较大, 需要提供恒温环境以测量不同温度下的物质导热系数.

本文的目标是要测量真空环境下颗粒系统的有效导热系数, 可以预见, 真空下的颗粒系统有效导热系数会相对较小, 同时, 为了除去含水量的影响, 需要干燥的颗粒样品(真空环境对干燥样本有利[24]).从这两点看, 稳态法是比较合适的方法.

另外, 颗粒系统的热传导主要分为三部分:第一部分为颗粒之间的热传导, 主要与颗粒材料的热物性及颗粒的大小, 排列等特性有关; 第二部分为颗粒间隙气体的热传导和对流, 主要与间隙介质的热物性, 浓度, 流动性有关; 第三部分为颗粒孔隙之间的辐射传热, 主要与颗粒材料的辐射特性及颗粒温度有关.可以确定, 无论是考虑颗粒材料本身传热, 介质传热还是辐射传热, 都与颗粒系统的温度有密切的关系, 所以, 颗粒系统的有效导热系数一般都受到颗粒系统温度的影响.而在瞬态法中, 为了测量这种影响, 必须同时提供真空和恒温环境, 在增加成本的同时, 会给试验带来更多的误差因素, 影响测量准确性.而在稳态法中, 由于颗粒系统的温度场在测量时不发生变化, 只要按照需要, 将颗粒温度场增加至所需温度(虽然会有温差), 即可作为测量的恒温环境, 减小成本, 试验环节, 试验误差.所以, 综合考虑以上因素, 本文采用稳态法进行导热系数的测量.

平板热流计法可以准确地测量物体的导热系数, 属稳态法.这种方法适合测量模拟月壤这类多孔隙材料或纤维材料, 其通常是将测试样品置于热板和冷板之间, 样品存在一定的温度梯度, 用经校正的热流计测量通过测试样品的热流.在稳态传热过程中, 任意时刻从热板传入的热量等于整体散失的热量.其原理图如图1所示.

图1 平板热流计法原理图Fig.1 Schematic of the flat heat flow meter method

通过试验测得稳态后的上, 下板温度t1 , t2, 将样品厚度d和通过样品的热流q代入下式即可得到样品对应状态下的导热系数λ :

λ=qdt1-t2(1)

由于本文所涉及的试验是在真空下进行, 空气对流几乎不存在, 而辐射的散热效果也非常小(在本文试验的最高温度下小于空气对流的1/10), 同时考虑到需要在真空中试验的复杂和不便性, 本文忽略了其"边缘效应", 并没有采用带有辅助加热器或保护层的保护热流计法.

2 真空颗粒系统导热系数试验台设计

热流计法测量导热系数的主要装置由加热单元, 冷却单元, 热流计, 试件组成.由于本试验要在较高的温度下进行测量, 故选用高温型热流传感器, 这类传感器的厚度较大.为了降低热流传感器厚度对试验的影响, 只使用一个高温热流传感器铺设在模拟月壤表面, 获得通过模拟月壤的热流密度值.装置布置示意图见图2.

图2 热流计法装置布置示意图Fig.2 Schematic of layout of heat flow meter method

试验设计方案如图3所示.试验台主要由真空系统和热系统两大系统组成.

图3 测量颗粒系统有效导热系数试验方案图Fig.3 Map of effective thermal conductivity measurement system of granular system

2.1 真空系统

真空系统为试验提供真空环境, 同时为了测量真空度对颗粒系统导热特性的影响, 需要真空度具有一定的调节能力.真空系统主要由真空腔体, 抽真空装置, 真空测量装置, 机械电气接口等组成.

真空腔体由底部法兰, 透明真空罩, 密封圈等组成.其内部即为热系统的试验空间.考虑到加热板直径, 支架高度和布线空间, 设计真空罩内部空间为直径480 mm, 高度650 mm.底部法兰材料为不锈钢, 并经电抛光处理, 其上有抽真空的机械接口和加热, 温度传感器, 热流传感器的电气接口等.透明真空罩采用高强度有机玻璃进行加工, 可方便对内部情况进行观察.透明真空罩壁厚 S0可按下式计算[25]:

S0=1.25DPE·LD0.4(2)

式中: D为真空罩直径, mm; P为设计压强, MPa, 本文中 P取1个大气压, 即0.1 MPa; E为材料弹性模量, MPa, 本文中 E取3000 MPa; L为真空罩长度, mm.

根据式(2)计算得真空罩壁厚为10.96 mm, 考虑到设计裕度, 取实际真空罩壁厚为12 mm.

抽真空装置包括机械真空泵, 调节阀门, 波纹管管路.真空泵选用直联高速选片式真空泵, 它由泵支座, 油箱, 电机支座, 底板和泵芯组成.在空载的情况下, 抽真空系统可使真空腔体内极限真空度优于1 Pa.真空插头, 真空泵等采用卡箍密封.调节阀门用于手动调节真空度大小.

真空测量装置包括真空计, 真空规管.真空规管是测量真空度的传感器.真空规管根据测量原理的不同, 分为电阻规管, 热偶真空规管, 热阴极电离规管和冷阴极电离规管等.本试验选用的是一种电阻规管, 它采用经过稳定化处理, 热容量极小的热丝作为真空敏感元件, 并且具备环境温度自动补偿功能以及防护粉尘的能力, 具有量程宽, 响应快, 抗污染, 耐氧化, 漂移小, 寿命长, 性能稳定等特点.其最小分辨率可达0.1 Pa, 适用于粗, 低真空测量.真空规管测量出的信号传递给真空计, 信号经过处理后, 被测环境的真空度可显示在真空计上.

2.2 热系统

热系统是试验主系统, 用于对被测颗粒系统进行加热, 测温及热流检测, 以测量颗粒系统在对应真空度和温度下的有效导热系数.主要由热平衡装置, 温度测量装置, 热流测量装置, 机械电气接口等组成.

热平衡装置由加热板, 冷板, 加热电源, 颗粒槽等组成.加热板采用铸铜材料为外壳, 内部均匀布置电加热丝, 并预留用作安放温度传感器的孔位.试验中热板可以直流和交流通电加热.冷板使用紫铜材料加工, 导热系数高, 尺寸与加热板的尺寸一致.加热电源为艾德克斯(ITECH)IT6513直流稳压电源.为固定颗粒系统, 需要用颗粒槽放置颗粒样品, 颗粒槽选用碳化硅纤维制成.碳化硅纤维是一种陶瓷纤维, 最高使用温度可达1200 ° C, 有很好的耐热性及耐氧化性, 其在高温下强度保持率较好.

温度测量装置主要由温度传感器和温度巡检仪组成, 为测量模拟月壤上, 下表面的温度, 加热板和冷板内部安装了铂电阻温度传感器.测量样品每个表面的温度传感器数量应不少于10 A, 其中A是测量区域面积, 单位是m2.本装置中热板和冷板直径为220 mm, 于是, 分别在冷板和热板上布置3个温度传感器.温度传感器采用铂电阻Pt100, 并通过螺纹连接固定在热板和冷板上.传感器测头略微伸出板外, 且保持一致.传感器数值通过布置于真空腔体外部的XSLC09温度巡检仪实现多通道显示.

热流测量装置主要由热流计和高分辨率数字电压表组成, 本试验所用热流计为美国的FCR-200-M-K型号的热流计, FCR系列高温热流传感器由陶瓷高温材料制成, 配不锈钢外壳, 可精确测量, 记录和控制极端环境的热流.热流传感器圆形截面直径为0.625 inch(约15.9 mm), 如图4所示.因其尺寸很小, 故它与试件接触时, 表面温度相对均匀, 不会在热流计表面产生横向热流, 热电堆输出与通过试件的热流密度成正比, 测量结果准确.数字电压表使用的是PZ114A型数字电压表, 最小量程为20 mV, 最小分辨率为1 μ V.真空颗粒系统有效导热系数测量试验台如图5所示.

图4 热流传感器尺寸及实物Fig.4 Size and picture of heat flux transducer

图5 真空颗粒系统有效导热系数测量试验台Fig.5 Effective thermal conductivity measurement system of granular system

将热流传感器埋入被测样品或置于被测样品表面并压紧, 传感器将产生正比于热流的电压输出.按照下式即可计算出通过传感器的热流:

q=fe(3)

式中: f为标定系数, (W/m2)/mV; e为热流传感器电压输出, mV.

FCR-200-M-K热流传感器主要性能参数如下:标定系数为372.76 (W/m2)/mV; 标称阻抗为50 Ω ; 热流范围为0~15.8 kW/m2; 精度为± 5%; 最高使用温度为549 ° C.

3 试验与分析
3.1 试验步骤及试验对象

真空下测量模拟月壤有效导热系数试验步骤如下:

(1)安装装置, 将颗粒槽放置于冷板中心, 在其中填入自然状态的被测模拟月壤(未压缩), 并使填入的模拟月壤厚度等于颗粒槽高度; 将模拟月壤表面压平, 测量模拟月壤样品的厚度 d; 将高温热流传感器置于模拟月壤中心, 并将热板置于其上; 之后, 夹紧热板, 试件表面应与铜板严密接触, 不应有空隙存在.

(2)连接并仔细检查各接线电路, 对温度传感器, 热流传感器进行校准或调零.

(3)使用旋片式真空泵抽真空, 观察真空计显示数值, 并通过调节阀进行调节, 直至真空度到达预定值并稳定.

(4)使用直流稳压可调电源对热板进行加热, 观察热流计输出电势和样品上下表面温度值 t1、t2, 并每5 min记录一次, 加热到接近预定温度后, 微调电源电压, 当连续5次示数值在± 1%范围内, 且不单独向一个方向变化, 则认为系统达到热平衡状态; 温度和热流计数值取5次稳态数据的平均值.

(5)分别测量出稳态后的热流计电压表平均示数e, 热板平均温度和冷板平均温度的温差(t1-t2), 代入到式(1)(3)即可计算出此工况下材料的有效导热系数.

(6)重复步骤(3)(4)(5), 进行重复试验或其他工况的测试.

本试验用模拟月壤为哈尔滨工业大学制备的HIT-LS1#模拟月壤.其主要成分为取自吉林省白山市靖宇县的火山灰(火山沉积物在物理和机械性质上与月壤十分近似, 故研究人员从火山附近获取原材料, 根据月壤粒度分布, 化学成分及矿物组成, 制备模拟月壤).其物理参数如下:干密度为1.59 g/cm3; 孔隙比为0.9~1.2; 内聚力为1 kPa; 压缩系数为0.01~0.4; 内摩擦角为43° ~47° ; 承载力为25~36 kPa; 含水率< 5%; 粒径范围为0.03~0.5 mm.

3.2 试验结果与分析

对相近真空度下不同温度的模拟月壤有效导热系数进行了测试试验, 结果见表1和图6.

表1 相近温度下不同真空度模拟月壤有效导热系数 Table 1 Effective thermal conductivity of lunar soil simulant under similar temperature and different vacuum degree

图6 不同真空度下模拟月壤有效导热系数变化Fig.6 Effective thermal conductivity of lunar soil simulant under different temperature

因为本试验中热流达到稳态是一个缓慢的过程, 不同时刻的真空度也会有微弱的变化, 但变化幅度一般小于当前真空度一个量级.同时, 试验中发现, 当温度升高时, 装置所抽真空效果更好(由于不同温度下空气的密度差别较大).

根据表1可以看出:随着真空度的提高(即压强降低), 有效导热系数也随之降低, 可见, 真空度对颗粒系统的有效导热系数也有较大的影响.分析可知, 当压强变低时, 模拟月壤之间的空气将越来越稀薄, 空气导热和对流传热将越来越少, 这是造成这种现象的主要原因.同时, 也可以看出, 这种影响在压强较低时将越来越明显.

对相近温度下不同真空度的模拟月壤有效导热系数进行了测试试验, 所得结果见表2和表3.

由表2可以看出:在真空度为104 Pa左右时, 随着温度的增加, 有效导热系数整体呈升高趋势, 从50.5 ° C到226.75 ° C, 升高了63.4%.在104 Pa下, 真空度可以通过调节阀较容易地进行控制, 虽然会有微小偏差, 但是基本对有效导热系数没有影响, 所以此时有效导热系数主要受到温度差异的影响.

表2 104Pa时不同温度下模拟月壤有效导热系数 Table 2 Effective thermal conductivity of lunar soil simulant under 104Pa and different temperature
表3 不同温度下极限真空度模拟月壤有效导热系数 Table 3 Effective thermal conductivity of lunar soil simulant under ultimate pressure and different temperature

根据前面的分析可以知道, 温度对颗粒系统有效导热系数的影响主要表现为对颗粒本身导热系数的影响和对颗粒辐射特性的影响.本试验中颗粒保持静止, 不会发生排列变化, 那么温度对颗粒本身导热系数的影响主要可以考虑为颗粒材料导热系数随温度变化和颗粒受热膨胀使得接触面积增加; 另外, 辐射对颗粒系统有效导热系数的影响也可能是一个重要方面.具体各因素的影响程度还需要更加深入的定量分析.

表3为不同温度下极限真空度时的有效导热系数.可以看出, 随着温度的增加, 系统极限真空度也对应发生变化.59.7 ° C时, 试验的真空度为19 Pa, 而试验进行到高温阶段时, 压强会有所减小, 最低的一组降至10 Pa.由于此时真空度难以准确控制, 温度和真空度同时对有效导热系数产生了影响, 所以表3中的有效导热系数并没有表现出明显的规律.但是, 仍然可以看出, 颗粒系统有效导热系数与温度和真空度的关系与本文之前所得到的结论是相符的, 同时也可以看出, 在高真空下, 真空度对有效导热系数的影响很大.

4 结束语

完成了可实现在不同真空环境和温度下测试颗粒系统有效导热系数试验台的研制.并在试验台研制的基础上, 对HIT-LS1#型模拟月壤进行了有效导热系数测定试验, 从试验结果可以看出, 其有效导热系数随着温度的升高而增大, 并随着真空度的提高(压强减小)而减小.真空度对颗粒系统的有效导热系数影响较大, 尤其是在高真空的情况下.温度对颗粒系统有效导热系数的具体影响方式和各因定量影响程度还需要进一步的建模分析.

在真空度约为104 Pa, 温度范围在50~226 ° C时, HIT-LS1#型模拟月壤的有效导热系数约为0.0670~0.1095 W/(m· K); 在真空度为10~20 Pa, 温度范围在60~165 ° C时, HIT-LS1#型模拟月壤的有效导热系数约为0.0219~0.0291 W/(m· K).

了解颗粒系统的导热特性是进行探月月面取样的基础之一.后续还将对不同的模拟月壤及其他颗粒系统进行更加全面完善的试验, 进一步了解颗粒系统的导热特性及其影响因素, 同时为后续的理论, 仿真及试验研究奠定基础.

The authors have declared that no competing interests exist.

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