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测量物料热功率的量热计物理设计

范文

王燕伶王思佳刘红娟

摘要：量热计是用来测量物料热功率的工具，主要通过牛顿冷却定律中发热物体的表面与周围恒温环境的温度差在弛豫时间后会固定达到平衡状态，来确定物体的发热功率。量热计的设计工作必须要在量热计各部件能够实现需要的功能的前提下展开，因此，先要进行一个物理设计，对量热计的各部分功能原理进行讨论，对大体结构做出大概规划，有利于下一步量热计设计的工作的展开。

关键词：热功率;量热腔;导热壁

量热测量法可测量多种含钚物料：金属、合金、氧化物、氟化物、铀钚混合氧化物、混合氧化物燃料、废物、废料等，量热法可测量的放射性核素有：A、钚同位素B、HEU（几千克级）C、233U，D、237Np，E、242，244，245Cm，F、250，252Cf，G、241，242m，243AmH、氚I、裂变产物。量热鉴定法非常精确，尤其对于氚和241Am，可为其他NDA方法提供次级参考标准。量热鉴定法可对样品热量进行全覆盖测量，避免取样误差。当样品的同位素构成相同时，则peff相同而不需考虑样品基质。量热计的精确度很高，准确度的误差很小，误差可在刻度中被量化出来，只要样品没有密集到发生临界反应，则无论多大量都可被测量（测量范围内）。

1 量热计的结构

量热计的大体结构如下图所示，量热计大致由四部分构成，分别是发热物料、导热壁、隔热层和环境浴，这四部分组成了同轴圆桶，层层嵌套。

在隔热层内放置恒功率发热物料，测量其外表面温度T;环境浴内充满温度为T0的恒温水，使整个量热系统形成稳定的散热环境。恒功率发热物料释放的粒子动能被导热壁吸收后转化为热能，从而使导热壁的温度逐渐升高，导热壁热量又会传递给温度较低的隔热层，随着测量时间的进行，隔热层与恒温环境浴将形成稳定的温差，根据牛顿冷却定律

公式（3）的意义就是如果样品腔和环境浴之间存在热阻，那么对于一个发热功率是常数的样品，传输到环境的热量与样品中新产生的热量相等时，整个测量系统就会达到平衡（即导热壁与恒温环境浴将形成稳定温差）。平衡时物料的放熱功率与样品腔和环境之间的温度差成正比，比例系数即热导系数K（热阻RTh的倒数），K的大小取决于热传导路径长度、材料和表面形状。K常数是我们最终要获得的热功率与已测得温度差之间的重要比例系数，需要通过精确刻度获得。

因此式（3）就是热流量热计能够测量物料产热功率的原理和依据。

2 量热计核心

量热计核心是量热系统的核心部分，功能是盛放被测量物料，测量物料功率，并将功率信息转化为温度信息。双桥式量热计有两个结构完全一样的量热计核心（样品侧和参考侧），选取一个核心为例来进行结构说明。

量热计核心的结构（如下图所示）从外到内分别是：a.用于放置样品的铝罐;b.量热腔导热壁;c.内置电加热器;d.环氧树脂层;e.温度传感器;f.隔热层;g.不锈钢外壳;h.上下绝热塞;i.两端其余空间的塑料端塞。

2.1 样品罐

样品铝罐的功能就是盛放待测样品，在量热腔的正中心位置，一般使用导热性较好的铝材料制成，采用圆桶状或立方体状，体积则在保证能够精确测量样品功率的前提下越小越好，厚度会影响到量热计系统的平衡时间。根据待测样品大小，初步将样品罐定为内径为Φ20cm×30cm的圆筒状，厚度为0.2cm到1.2cm。

2.2 量热腔导热壁

在样品罐外紧挨着一层导热壁，用于将样品铝罐和其他后续结构进行物理隔离，同时也将物料产生的热量快速向外扩散。导热壁的材料可为铝或铜。材料的厚度应该尽可能薄。初步将导热壁定为内径为Φ20.4～22.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

2.3 内置电加热器

在导热壁外部是电加热器，电加热器用于加热样品腔内温度，使量热计系统可用于补偿测量法。内置电加热器是一根均匀环绕在更外部的环氧树脂层内侧上的线圈，并且两个量热计核心中的电加热器采用串联方式连接，以保证两个电加热器电流相等。初步将放置内置电加热器的空间间隔定为0.3cm到1cm。

2.4 环氧树脂层

在电加热器外部是一层环氧树脂层，环氧树脂层用于将电加热器和其他后续结构进行物理隔离。环氧树脂层也应尽量薄。初步将环氧树脂层定为内径为Φ21～24.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

2.5 温度传感器

温度传感器用于将样品腔和环境浴之间在达到热平衡后，最终形成的温度差探测出来，将温度信息转化为电压信息。现温度传感器分为两大类：惠斯通电桥和热电堆。

2.6 隔热层

事实上温度传感器与隔热层处于同一空间，空气隔热层的作用是为量热腔保温，便于量热腔与更外层的水浴形成明显的温度梯度，方便测量。空气隔热层的大小对量热计灵敏度影响极大。初步将空气隔热层的空间间隔定为0.3cm～2cm。

2.7 不锈钢外壳

在空气隔热层外就是不锈钢外壳，不锈钢外壳是量热计核心的最外层构造，用于隔绝水浴中水对量热计核心的直接接触。初步将不锈钢外壳定为内径为Φ21.6～28.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

2.8 上下绝热塞

在量热计核心的上下两端，还有绝热塞，用来防止热量从轴向流失，材料一般是环氧树脂，要求保温性极好。初步将上下绝热塞定为内径为Φ20.4～22.4cm×40cm的圆柱体。

3 水浴

水浴被用来向量热计系统提供恒温环境温度，以便量热计系统在热平衡后形成稳定的温度差。水浴由以下部分组成：保温箱体、去离子水、加热冷却装置、水循环装置、测量水温的温度计和控制调节水温的比例、积分、微分程序。

3.1 保温箱体、去离子水、加热冷却装置

保温箱体、去离子水、加热冷却装置构成了水浴的主体部分，保温箱体要求保温性能良好，不易受室温波动影响。加热冷却装置也应该选用功率适中，输出稳定不波动的装置。水浴的保温箱初步定为内径为Φ100cm～150cm×130～140cm的圆筒状。

3.2 水循环装置、测量水温的温度计

水循环电机是保证水浴温度均匀的装置，要求与水浴体积相配适，输出稳定。温度计用来检测水浴温度。

3.3 控制调节水温的比例、积分、微分程序

比例、积分、微分程序是配合加热冷却装置使用的程序，用于精确计算加热冷却装置的功率。

4 结构尺寸的设计方案

以下是上述讨论的各结构尺寸的总结得到的设计方案。

A样品罐：定为内径为Φ20cm×30cm的圆筒状，厚度为0.2cm到1.2cm。

B量热腔导热壁：定为内径为Φ20.4～22.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

C内置电加热器所需空间：空间间隔定为0.3cm到1cm。

D环氧树脂层：定为内径为Φ21～24.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

E温度传感器与隔热层所需空间：空间间隔定为0.3cm～2cm

F不锈钢外壳：定为内径为Φ21.6～28.4cm×120cm的圆筒状，厚度为0.2cm到0.5cm。

G上下绝热塞：定为内径为Φ20.4～22.4cm×40cm的圆柱体

H两端其余空间的塑料端塞：将量热计核心两端的其他空余使用塑料端塞封堵。

I水浴保温箱体：定为内径为Φ100cm～150cm×130～140cm的圆筒状。

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