CN103995018B - 辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，包括试验箱、多路温度巡检仪、温控仪，其中试验箱包括光源室、隔热室、第一温控制室、第一测温室、第二温控室、第二测温室；光源室的内部安装有光源，第一温控室内安装有第一电热丝和第一热电偶，第一测温室内安装有第二热电偶，第二温控室内安装有第二电热丝和第三热电偶，第二测温室内安装有第四热电偶，标准构件右侧为第一试验箱端壁，相变构件右侧为第二试验箱端壁，第一试验箱端壁和第二试验箱端壁可拆卸；本发明提供了一种以辐射蓄热为主要蓄热方式的相变构件相对导热系数的测试方法与装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量材料导热系数的装置与方法，特别是涉及一种测量相变构件相对导热系数的装置与方法。
背景技术
目前，已有国内外研究者的实验测试数据表明，相变材料的导热系数在相变区间内随着温度的变化会发生较大变化，且相比于固相及液相的导热系数相差较大。这为掺入相变材料的相变构件的导热性能的评价带来了极大困难。相变材料在相变区间内的导热性能不止受到材料本身特性的影响，还受到由于相变所引起的潜热的蓄、放以及液相自然对流的影响。除此之外，物质本身微观结构的变化同样有可能引起其导热特性发生巨大变化。这样，单纯从导热系数出发就很难从理论上去解释与评价相变材料在相变区间内的导热性能。变物性构件的导热特性可以用相对导热系数去评价。但相比于其他变物性构件，相变构件在建筑应用中的蓄热方式主要辐射蓄热而不是温差蓄热及对流蓄热。所以，开发出一种以辐射蓄热为主要蓄热方式的相变构件相对导热系数测试的方法与装置将更加具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置与一种相应测量方法，用于实现相变构件的相对系数的测量，并且做出对相变构件在导热系数变化很大的相变区间内的导热性能的综合评价。
一种辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，包括试验箱、多路温度巡检仪、温控仪，其中试验箱包括光源室、隔热室、第一温控室、第一测温室、第二温控室、第二测温室；光源室的内部安装有光源，第一温控室内安装有第一电热丝和第一热电偶，第一测温室内安装有第二热电偶，第二温控室内安装有第二电热丝和第三热电偶，第二测温室内安装有第四热电偶，标准构件右侧为第一试验箱端壁，相变构件右侧为第二试验箱端壁，第一试验箱端壁和第二试验箱端壁可拆卸；第一电热丝、第二电热丝分别与温控仪相连接，第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶分别与多路温度巡检仪相连接。
所述隔热室由左右两侧的透镜和隔热透光板以及试验箱壁围成。
第一温控室和第二温控室空间体积相等，第一测温室和第二测温室空间体积相等。
试验箱的壳体为保温壳，保温壳的内部填充有聚氨酯泡沫。
光源室内的试验箱壁上开有通风口，通风口处安装有风扇。
隔离室主要用于进一步将光源室与温控室进行隔离，以减少透镜的导热温控室内空气温度的影响；隔离室的右侧壁为隔热透光板，以使光源发出的光平行通过。
温控室内设有电热丝，目的是当温控室内的空气温度与测试构件向光面的表面温度产生差值时，通过电热丝的加热可以防止测温室内的空气与测试构件由于温差而产生自然对流，以保证测试构件的向光面只有辐射热量的流入而无由于对流换热而导致的热量的流入或流出。
测温室在进行非稳态热量测试时是密封的，内有少量的空气，通过对测温室内空气温度的测定可以得到从测试构件背光面流出的热量；当进行稳态导热系数测试时，测温室右侧的试验箱端壁是敞开的，这样测试构件通过向光面的辐射和背光面的散热可以达到稳态。
多路温度巡检仪内接入测试构件向光面、背光面及测温室热电偶，用于检测测试构件两侧的温度，并绘制温度随时间的变化曲线，温控仪用于对电热丝进行加热控制。
利用上述辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置测量相变构件相对导热系数的方法包括如下步骤：
(1)、将相变构件、标准构件、试验箱冷却至各自温度均匀；
(2)、使相变构件与标准构件温度相等，且使该温度低于相变构件的固化温度；
(3)、将相变构件及标准构件装入试验箱；
(4)、打开光源及风扇对相变构件及标准构件进行持续加热，直至相变构件的向光面及背光面温度均高于相变构件的固化温度，开始计时；
(5)、当相变构件向光面及背光面温度均高于相变构件的液化温度时，停止计时，并记录整个过程的时间τ，计算得出变相构件所接受的辐射热量为：
Qin＝q Sτ
(6)、测定第一测温室内空气的温升Δt1及第二测温室内空气的温升Δt2，进而得出相变构件在相变区间内的非稳态蓄热量Q1及相同时间段内标准构件的非稳态蓄热量Q2；
(7)通过标准构件的导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式便可求得相变构件的相对导热系数；
具体地，该待求的相对导热系数λ1的计算方法根据下式计算：
λ1/λ2＝Q1/Q2
本发明的有益效果是，提供了一种以辐射蓄热为主要蓄热方式的相变构件相对导热系数的测试方法与装置，通过该测试装置对相变构件的导热性能进行测试并得出相对导热系数，能够对相变构件在导热系数变化很大的相变区间内的导热性能进行综合评价。
下面结合附图对本发明的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置与方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置的正面剖视图；
图2为本发明的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置的俯视图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置包括试验箱6、多路温度巡检仪12、温控仪13，其中试验箱6包括有六个分室，分别为光源室7、隔热室8、第一温控制室9-1、第一测温室11-1、第二温控室9-2、第二测温室11-2；
试验箱6为矩形箱体，试验箱6的内部被透镜3-1、隔热透光板3-2分为三个空间区域，透镜3-1、隔热透光板3-2在试验箱6内部从左至右排列，透镜3-1的左边空间与试验箱6的箱壁构成第一区域，透镜3-1、隔热透光板3-2之间区域为第二区域，隔热透光板3-2的右边与试验箱6的箱壁构成第三区域，其中第一区域即为光源室7，第二区域即为隔热室8，第三区域被相互垂直设置的隔热板14和被测构件(被测构件包括标准构件10-1和相变构件10-2)分隔成四个区域，隔热板14与隔热透光板3-2相互垂直，被测构件包括标准构件10-1和相变构件10-2，且分布在隔热板14的两侧，标准构件10-1和相变构件10-2的面积大小相等；
标准构件10-1的左侧为第一温控室9-1，标准构件10-1的右侧为第一测温室11-1，相变构件10-2的左侧为第二温控室9-2，相变构件10-2的右侧为第二测温室11-2；第一温控室9-1和第二温控室9-2空间体积相等，第一测温室11-1和第二测温室11-2空间体积相等。
光源室7内的试验箱壁上开有通风口，通风口处安装有风扇1，光源室7的内部安装有光源2，第一温控室9-1内安装有第一电热丝4-1和第一热电偶5-1，第一测温室11-1内安装有第二热电偶5-2，第二温控室9-2内安装有第二电热丝4-2和第三热电偶5-3，第二测温室11-2内安装有第四热电偶5-4，标准构件10-1右侧为第一试验箱端壁，相变构件10-2右侧为第二试验箱端壁，第一试验箱端壁和第二试验箱端壁可拆卸；第一电热丝4-1、第二电热丝 4-2分别与温控仪13相连接，第一热电偶5-1、第二热电偶5-2、第三热电偶5-3、第四热电偶5-4分别与多路温度巡检仪12相连接。
上述实施例中的试验箱6的壳体为保温壳，保温壳的内部填充有聚氨酯泡沫，用于减小环境温度的波动对试验箱6内部的影响，并防止测温室内的热量散失；
光源室7内的光源2为大功率的灯泡，用于模拟太阳光辐射，右侧的透镜3-1一方面用于将光源发出的点光源变成平行线光源，以使光源均匀照射到被测构件上，另一方面用于隔离光源室和温控室，以减少灯光的散热对温控室内空气温度的影响；在光源2的上部设置风扇用于将光源产生的热量及时的带走；
隔离室8主要用于进一步将光源室7与温控室进行隔离，以减少透镜3-1的导热温控室内空气温度的影响；隔离室8的右侧壁为隔热透光板3-2，以使光源2发出的光平行通过；
温控室(包括第一温控室9-1、第二温控室9-2)内设有电热丝(包括第一电热丝4-1、第二电热丝4-2)，目的是当温控室内的空气温度与测试构件向光面的表面温度产生差值时，通过电热丝的加热可以防止测温室内的空气与测试构件由于温差而产生自然对流，以保证测试构件的向光面只有辐射热量的流入而无由于对流换热而导致的热量的流入或流出。
测温室(包括第一测温室11-1、第二测温室11-2)在进行非稳态热量测试时是密封的，内有少量的空气，通过对测温室内空气温度的测定可以得到从测试构件背光面流出的热量。当进行稳态导热系数测试时，测温室右侧的试验箱端壁(包括第一试验箱端壁和第二试验箱端壁)是敞开的，这样测试构件通过向光面的辐射和背光面的散热可以达到稳态。
多路温度巡检仪内接入测试构件向光面、背光面及测温室热电偶，用于检测测试构件两侧的温度，并绘制温度随时间的变化曲线。
温控仪用于对电热丝进行加热控制。当温控室内空气温度与测试构件向光面的表面温度产生差值时，可以通过控制电热丝的加热来防止温控室内的空气与测试构件的对流换热造成的对实验结果的影响
基于上述实施例所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置测量相变构件相对导热系数的方法包括如下步骤：
(1)、将相变构件10-2、标准构件10-1、试验箱6冷却至各自温度均匀；
(2)、使相变构件10-2与标准构件10-1温度相等，且使该温度低于相变构件的固化温度；
(3)、将相变构件10-2及标准构件10-1装入试验箱6；
(4)、打开光源2及风扇1对相变构件10-2及标准构件10-1进行持续加热，直至相变构件10-2的向光面及背光面温度均高于相变构件10-2的固化温度，开始计时；
(5)、当相变构件10-2向光面及背光面温度均高于相变构件10-2的液化温度时，停止计时，并记录整个过程的时间τ；
具体地，在该步骤中，相变构件10-2向光面位置处的光照强度是在实验开始前提前测定得出的，实验进行时便是已知的，为q；相变构件10-2的面积即光照面积是由试验箱6尺寸决定的，即是已知的，为S，光照时间通过测试仪表进行记录，为τ，则相变构件所接受的辐射热量为：
Qin＝q Sτ
标准构件10-1与相变构件10-2的尺寸相同，且使用同一光源加热并同时计时，具有相同的加热功率、相同的面积及相同的加热时间，故标准构件10-1与相变构件10-2的加热量相同；
(6)、测定第一测温室11-1内空气的温升Δt1及第二测温室11-2内空气的温升Δt2，进而得出相变构件10-2在相变区间内的非稳态蓄热量Q1及相同时间段内标准构件10-1的非稳态蓄热量Q2；
具体地，在该步骤中，通过多路温度巡检仪12可以得到第一测温室11-1内空气的初始温度与最终温度，从而得到空气的温升Δt1；第一测温室11-1内空气的体积是由试验箱6的尺寸决定的，即是已知的，为V，空气的比热与密度分别为c、ρ，则相变构件10-2的背光面散失的热量为：
Qout1＝cρVΔt1
故根据能量守恒可以得出相变构件10-2吸收的热量为：
Q1＝Qin-Qout1
同理，通过多路温度巡检仪12可以得到第二测温室11-2内空气的初始温度与最终温度，从而得到空气的温升Δt2；第二测温室11-2内空气的体积与第一测温室11-1相同，为V，空气的比热与密度分别为c、ρ，则标准构件10-1背光面散失的热量为：
Qout2＝cρ VΔt2
故根据能量守恒可以得出标准构件10-1吸收的热量为：
Q2＝Qin-Qout2
(7)、通过标准构件10-1导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式便可求得相变构件10-2的相对导热系数；
具体地，该待求的相对导热系数λ1的计算方法根据下式计算：
λ1/λ2＝Q1/Q2
式中λ1、Q1分别为相变构件10-2的相对导热系数与非稳态蓄热量，λ2、Q2分别为标准构件10-1即普通构件的导热系数与非稳态蓄热量。Q1、Q2通过测试装置的非稳态测试得到，λ2通过已知的测试数据或测试装置的稳态测试得到，已知的测试数据指的是有关标准构件10-1的导热系数的参考资料或文献中所提供的导热系数，测试装置的稳态测试方法将在下文说明。
优选地，在步骤(7)中还包括：定期进行标准构件10-1的稳态导热系数进行测试，以修正测试构件的相对导热系数。这是由于，标准构件10-1受到诸如纯度、氧化、受潮等问题的影响，其导热系数会发生细微的变化，为避免此类问题的误差，还需定期进行标准构件10-1的稳态导热系数测试以修正实验测试结果。
优选地，进行标准构件10-1稳态导热系数测试包括：打开测温箱右侧端盖，并使标准构件10-1持续加热，当构件两侧的温度稳定即导热达到稳态时，即停止加热，通过测定标准构件10-1两侧的温度差便可得出其导热系数。
标准构件10-1的厚度通过尺寸测量得出，为δ，打开第一测温室11-1端盖进行标准构件的稳态测试，标准构件向光面与背光面的温度均达到稳定时，分别得到温度t1、t2，则标准构件的导热系数为：
λ2＝E·δ/(t1-t2)
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置包括试验箱(6)，其特征在于，还包括多路温度巡检仪(12)、温控仪(13)，其中试验箱(6)包括光源室(7)、隔热室(8)、第一温控室(9-1)、第一测温室(11-1)、第二温控室(9-2)、第二测温室(11-2)；光源室(7)的内部安装有光源(2)，第一温控室(9-1)内安装有第一电热丝(4-1)和第一热电偶(5-1)，第一测温室(11-1)内安装有第二热电偶(5-2)，第二温控室(9-2)内安装有第二电热丝(4-2)和第三热电偶(5-3)，第二测温室(11-2)内安装有第四热电偶(5-4)，标准构件(10-1)右侧为第一试验箱端壁，相变构件(10-2)右侧为第二试验箱端壁，第一试验箱端壁和第二试验箱端壁可拆卸；第一电热丝(4-1)、第二电热丝(4-2)分别与温控仪(13)相连接，第一热电偶(5-1)、第二热电偶(5-2)、第三热电偶(5-3)、第四热电偶(5-4)分别与多路温度巡检仪(12)相连接。
2.根据权利要求1所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，所述隔热室(8)由左侧透镜(3-1)和右侧隔热透光板(3-2)以及试验箱壁围成。
3.根据权利要求2所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，第一温控室(9-1)和第二温控室(9-2)空间体积相等，第一测温室(11-1)和第二测温室(11-2)空间体积相等。
4.根据权利要求3所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，试验箱(6)的壳体为保温壳，保温壳的内部填充有聚氨酯泡沫。
5.根据权利要求4所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，光源室(7)内的试验箱壁上开有通风口，通风口处安装有风扇(1)。
6.根据权利要求5所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，测温室在进行非稳态热量测试时是密封的，内有少量的空气，通过对测温室内空气温度的测定可以得到从测试构件背光面流出的热量；当进行稳态导热系数测试时，测温室右侧的试验箱端壁是敞开的，这样测试构件通过向光面的辐射和背光面的散热可以达到稳态。
7.根据权利要求6所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置，其特征在于，多路温度巡检仪接入测试构件向光面、背光面及测温室热电偶，用于检测测试构件两侧的温度，并绘制温度随时间的变化曲线，温控仪用于对电热丝进行加热控制。
8.利用权利要求1至7中任一所述的辐射换热法测量相变构件相对导热系数的装置测量 相变构件相对导热系数的方法包括如下步骤：
(1)、将相变构件(10-2)、标准构件(10-1)、试验箱(6)冷却至各自温度均匀；
(2)、使相变构件(10-2)与标准构件(10-1)温度相等，且使该温度低于相变构件的固化温度；
(3)、将相变构件(10-2)及标准构件(10-1)装入试验箱(6)；
(4)、打开光源(2)及风扇(1)对相变构件(10-2)及标准构件(10-1)进行持续加热，直至相变构件(10-2)的向光面及背光面温度均高于相变构件(10-2)的固化温度，开始计时；
(5)、当相变构件(10-2)向光面及背光面温度均高于相变构件(10-2)的液化温度时，停止计时，并记录整个过程的时间τ，计算得出变相构件(10-2)所接受的辐射热量为：
Qin＝q Sτ
相变构件(10-2)向光面位置处的光照强度是在实验开始前提前测定得出的，实验进行时便是已知的，为q；
相变构件(10-2)的面积即光照面积是由试验箱(6)尺寸决定的，即是已知的，为S；
(6)、测定第一测温室(11-1)内空气的温升Δt1及第二测温室(11-2)内空气的温升Δt2，进而得出相变构件(10-2)在相变区间内的非稳态蓄热量Q1及相同时间段内标准构件(10-1)的非稳态蓄热量Q2；
(7)通过标准构件(10-1)的导热系数的已知数据并利用相对导热系数的定义式便可求得相变构件的相对导热系数；
具体地，该待求的相对导热系数λ1的计算方法根据下式计算：
λ1/λ2＝Q1/Q2
式中λ1、Q1分别为相变构件(10-2)的相对导热系数与非稳态蓄热量，λ2、Q2分别为标准构件(10-1)即普通构件的导热系数与非稳态蓄热量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |