CN104677933A - 一种定型相变材料存储/释放能量测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，包括测试容器，测试容器通过导线分别连接有信号调理模块和工控机，信号调理模块和工控机之间设置有A/D转换模块，工控机分别连接有时钟模块、显示屏和键盘。本发明的定型相变材料存储/释放能量测试装置适用范围较广，待测试样的尺寸可大可小，可满足比较精细的相变材料的研究要求，也适合比较粗大的材料的研究和开发；可以测量相变储能材料内部在相变过程中的温度分布情况，为研究相变机理提供实验数据；可同时测量多个试样；通过调节恒温容器的内部温度以及体积，可模拟不同的情况下的应用环境。与价格上百万元的DSC等热分析仪器相比，本发明提出的测试系统成本低廉。

Description

一种定型相变材料存储/释放能量测试装置

技术领域

本发明属于材料测试设备技术领域，具体涉及一种定型相变材料存储/释放能量测试装置。

背景技术

现有的测量相变材料的测试装置，主要是测量极少量相变材料的能量储放能力的，如DSC差示扫描热量仪，它由加热炉、样品托盘、温度传感器、信号调理器、A/D转换器、计算机依次连接构成。温度传感器用于测试坩埚底部的温度，信号调理器对来自温度传感器的模拟电信号进行放大和转换，输出信号转入A/D转换器，将模拟电信号转换成数字信号，并输入计算机。由计算机分析测试的升温降温曲线，确定相变行为参数，使监测过程自动化，且检测精度高，近年来DSC的应用发展很快，尤其在材料测试领域内得到了越来越广泛的应用。

但在实际使用中，对于测量定型相变材料来说，由于测量时定型相变材料用量较大，当使用DSC差示扫描热量仪去测量其能量储放能力时，存在误差较大，甚至无法正常完成测试的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，解决了现有的测量装置测量定型相变材料能量储放能力时存在的误差较大的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，包括测试容器，测试容器通过导线分别连接有信号调理模块和工控机，信号调理模块和工控机之间设置有A/D转换模块，工控机分别连接有时钟模块、显示屏和键盘。

本发明的特点还在于，

测试容器包括恒温容器，恒温容器的上端设置有控制面板，控制面板上设置有进水口，恒温容器的内壁设置有锯齿形的支撑架，支撑架的一侧垂直设置有托物盘，托物盘上放置有温度传感器，恒温容器的底部一侧设置有排水管，排水管的中部设置有电磁阀；恒温容器的底部设置有磁力搅拌器，磁力搅拌器的上方设置有磁力搅拌子；磁力搅拌器的一侧并且位于恒温容器的下方设置有加热装置；恒温容器的内部设置有液位传感器；温度传感器通过导线与所述信号调理模块连接；液位传感器通过导线与时钟模块连接。

控制面板分别通过导线与电磁阀、磁力搅拌器以及加热装置相连。

锯齿形支撑架的锯齿沿竖直方向均匀排列，托物盘嵌套于支撑架的一个锯齿中。

本发明的有益效果是：本发明的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置适用范围较广，待测试样的尺寸可大可小，可满足比较精细的相变材料的研究要求，也适合比较粗大的材料的研究和开发；可以测量相变储能材料内部在相变过程中的温度分布情况，为研究相变机理提供实验数据；可同时测量多个试样；通过调节恒温容器的内部温度以及体积，可模拟不同的情况下的应用环境。与价格上百万元的DSC等热分析仪器相比，本发明提出的测试系统成本低廉。

附图说明

图1是本发明一种定型相变材料存储/释放能量测试装置的结构示意图；

图2是本发明一种定型相变材料存储/释放能量测试装置中测试容器的结构示意图。

图中，1.测试容器，2.信号调理模块，3.时钟模块，4.A/D转换模块，5.显示屏，6.工控机，7.键盘；

101.控制面板，102.支撑架，103.温度传感器，104.磁力搅拌子，105.电磁阀，106.排水管，107.磁力搅拌器，108.加热装置，109.托物盘，110.液位传感器，111.恒温容器，112.进水口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，包括测试容器1，测试容器1通过导线分别连接有信号调理模块2和工控机6，信号调理模块2和工控机6之间设置有A/D转换模块4，工控机6分别连接有时钟模块3、显示屏5和键盘7。

测试容器1包括恒温容器111，恒温容器111的上端设置有控制面板101，控制面板上设置有进水口112，恒温容器111的内壁设置有锯齿形的支撑架102，支撑架102的一侧垂直设置有托物盘109，托物盘109上放置有温度传感器103，恒温容器111的底部一侧设置有排水管106，排水管106的中部设置有电磁阀105；恒温容器111的底部设置有磁力搅拌器107，磁力搅拌器107的上方设置有磁力搅拌子104；磁力搅拌器107的一侧并且位于恒温容器111的下方设置有加热装置108；恒温容器的内部设置有液位传感器110；温度传感器103通过导线与所述信号调理模块2连接；液位传感器110通过导线与时钟模块3连接。

控制面板101分别通过导线与电磁阀105、磁力搅拌器107以及加热装置108相连。

锯齿形支撑架102的锯齿沿竖直方向均匀排列，托物盘109嵌套于支撑架102的一个锯齿中。

使用时，先将待检测的定型相变材料放入测试容器1的恒温容器111中；托物盘109可以根据需要设置的高度嵌入于支撑架102的某一个锯齿中；控制面板101用于控制进水、排水、搅拌和加热，加热装置108负责水浴的温度的调节，磁力搅拌器107利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁力搅拌子104的转动，从而达到搅拌的目的。电磁阀105控制恒温容器111中的进水和排水。时钟模块3用于控制加热时间的控制。温度传感器103用来测试试样内部和外部温度，并与信号调理模块2相连。液位传感器110利用压力、磁场、电信号转换原理，检测出水位信号，实现对液位的检测与控制。信号调理模块2用于对来自温度传感器103的电信号进行放大和转换，输出的电信号经A/D转换模块4转换成数字信号，再将该数字信号输入到工控机6中，与此同时，工控机6将记录由温度传感器103测得的温度参数，并通过显示屏5实时显示，最后通过测量和分析定型相变材料在恒温容器中的温度变化曲线可以确定该定型相变材料的存储/释放能量的相关参数。

具体步骤如下：

步骤一：

常温水(T常温水＝25℃，V_水)通过进水管道，进入到恒温容器111(体积为V_容)中，待加水到一定量V_水时停止加入。测量过程以定型相变材料PEG10000/活性炭为例，由PEG10000/活性炭的DSC数据可知其相变温度(T _相变)大致在60℃左右。步骤一测量的是相变材料在相变前的热物参数，因此可采用恒温水浴(T_常温水＝55℃)来加热相变材料。在恒温容器111中先将常温水加热到55℃，并且一直保持此温度，再将待测的相变材料(T_PCM(α))放入恒温容器111中，此时恒温水刚好与相变材料的上表面处于同一水平面上而不浸没相变材料。同时将多个温度传感器103置于相变材料内部各个点，以便测量和记录相变材料内部不同点不同时刻的温度变化。待相变材料的温度(T_PCM(α))达到与恒温水(T_常温水＝55℃)相同时，持续5分钟左右，便可排出恒温水，相变材料置于恒温容器中不动，此过程中相变材料吸收的热量为Q_吸，恒温水放出的热量为Q_放。测量期间除手动加入相变材料外，一系列的机械过程和记录相变材料内部点的温度变化均由测量装置自动完成，实现自动化。

步骤二：

由于还需测量相变材料在相变前的平均质量热容(C_PCM(α))，因此在第一步的基础之上，再一次将常温水(T_常温水＝25℃，V_水)通过进水管道加入到恒温容器111(体积为V_容)中，同加热好的相变材料(T_PCM(α)＝55℃)一起置于其中。此时，由于相变材料和常温水存在温度差，相变材料会向常温水释放出热量(Q’_放)，水的温度便会升高，这时水的温度为T”_常温水，相变材料的温度为T”_PCM(α)，当水的升温速率变得非常缓慢时，方可停止测量。通过记录水的始末温度算出温差(ΔT水)并用公式(2)计算出常温水吸收的热量(Q’_吸)。最后根据公式(1)便可得出相变材料在相变前的平均质量热容 测量期间的一系列机械过程包括记录水温变化和相变材料内部不同点不同时刻的温度变化均可由测量装置自动完成，实现自动化。

步骤三：

常温水(T_常温水＝25℃，V_水)通过进水管道，放入恒温容器111(体积为V_容)中，待加水到一定量V_水时停止加入。采用恒温水浴(T’_常温水＝65℃)加热相变材料。在恒温容器中先将水加热到(65℃±3℃)，并且一直保持此温度，再将待测的相变材料放入恒温容器111中，此时恒温水刚好与相变材料的上表面处于同一水平面上而不浸没相变材料。同时将多个温度传感器103置于相变材料内部各个点，以便测量和记录相变材料内部不同点不同时刻的温度变化。因为相变材料在相变过程中还会以潜热的形式继续不断地吸收热量，因此当相变材料的温度(T’_PCM)与恒温水(T’_常温水＝65℃)温度相同时，还需以相同的温度在恒温容器中持续5分钟左右，之后方可排出恒温水，相变材料置于恒温容器中不动，此过程中相变材料吸收的热量为Q_吸，恒温水放出的热量为Q_放。测量期间的一系列机械过程包括记录水温变化和相变材料内部不同点不同时刻的温度变化均可由测量装置自动完成，实现自动化。

步骤四：

步骤四为测量相变材料在常压(大气压力101.325kPa)及其平衡温度下相变时的质量相变焓将常温水(T_常温水＝25℃，V_水)通过进水管道加入到恒温容器(体积为V_容)中，同加热好的相变材料(T’_PCM＝65℃左右)一起置于其中，常温水刚好与相变材料的上表面处于同一水平面上而不浸没相变材料。此时，由于相变材料和水具有温度差，相变材料会向水释放出热量(Q’_放)，水的温度便会升高，这时水的温度为T”_常温水，相变材料的温度为T”_PCM，当水的升温速率变得非常缓慢时，便可停止测量。通过记录水的始末温度算出温差(ΔT’_水)，并根据公式(2)计算出水吸收的热量(Q’ _吸)。最后根据公式(4)便可得出相变材料在常压(大气压力101.325kPa)及其平衡温度下相变时的质量相变焓测量期间的一系列机械过 程包括记录水温变化和相变材料内部不同点不同时刻的温度变化均可由测量装置自动完成，实现自动化。

步骤五：

因为步骤四中得出的相变焓是常压(大气压力101.325kPa)及其平衡温度下相变材料的质量相变焓，但有时需要其他温度下的相变数据。因此步骤五的实施是为了求得相变材料在相变后平均质量热容结合相变材料在相变前的平均质量热容运用状态函数法便可求得相变材料在其他温度下的质量相变焓具体过程与步骤一类似：将常温水(T常温水＝25℃，V_水)通过进水管道，进入到恒温容器(体积为V_容)中，待水加到一定量V_水时停止加入。定型相变材料PEG10000/活性炭的相变温度(T_相变)大致在60℃左右。步骤五测量的是相变材料相变后的热物参数，因此可采用恒温水浴(T’_常温水＝75℃)来加热相变材料。在恒温容器中先将常温水加热到75℃，并且一直保持此温度，再将待测的相变材料(T_PCM(α))放入恒温容器的样品架中，此时恒温水刚好与相变材料的上表面处于同一水平面上而不浸没相变材料。同时将多个温度传感器置于相变材料内部各个点，以便测量和记录相变材料内部不同点不同时刻的温度变化。待相变材料的温度(T’_PCM(β))达到与恒温水(T’_常温水＝75℃)相同时，持续5分钟左右，便可排出恒温水，相变材料置于恒温容器中不动，此过程中相变材料吸收的热量为Q_吸，恒温水放出的热量为Q_放。测量期间的一系列机械过程包括记录水温变化和相变材料内部不同点不同时刻的温度变化均可由测量装置自动完成，实现自动化。

步骤六：

与步骤二类似，在步骤五的基础之上，再一次将常温水(T_常温水＝25℃) 通过进水管道加入到恒温容器(体积为V_容)中，同加热好的相变材料(T’_PCM(β)＝75℃)一起置于其中。此时，由于相变材料和常温水存在温度差，相变材料会向常温水释放出热量(Q’_放)，水的温度便会升高，这时水的温度为T”_常温水，相变材料的温度为T”_PCM(x)，当水的升温速率变得非常缓慢时，方可停止测量。通过记录水的始末温度算出温差(ΔT”_水)并用公式(2)计算出常温水吸收的热量(Q’_吸)。根据公式(3)便可得出相变材料相变后的平均质量热容通过状态函数法，最后根据公式(4)得出相变材料在其他温度下的质量相变焓在测量期间的一系列机械过程包括记录水温变化和相变材料内部不同点不同时刻的温度变化均可由测量装置自动完成，实现自动化。

附计算公式： 

${\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{PCM}}=\frac{Q_p}{m(T_2-T_1)}=\frac{Q_p}{m({T^{\′}}_{\mathrm{PCM}}\left(x\right)-T_{\mathrm{PCM}}\left(x\right))}---\left(1\right)$

Q'_吸＝mC_水(T₂-T₁)＝mC_水(T″_常温水-T_常温水)  (2)

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\β}}{H}_m\left(T\right)={\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\β}}{H}_m\left(T_0\right)+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\β}}{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{PCM}}\·(T-T_0)\·m---\left(4\right)$

其中将(1)式中的Q_p换成(2)中的Q'_吸即可求得

本发明的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置适用范围较广，待测试样的尺寸可大可小，可满足比较精细的相变材料的研究要求，也适合比较粗大的材料的研究和开发；可以测量相变储能材料内部在相变过程中的温度分布情况，为研究相变机理提供实验数据；可同时测量多个试样；通过调节恒温容器的内部温度以及体积，可模拟不同的情况下的应用环境。与价格上 百万元的DSC等热分析仪器相比，本发明提出的测试系统成本低廉。

Claims (4)

1.一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，其特征在于，包括测试容器(1)，所述测试容器(1)通过导线分别连接有信号调理模块(2)和工控机(6)，所述信号调理模块(2)和所述工控机(6)之间设置有A/D转换模块(4)，所述工控机(6)分别连接有时钟模块(3)、显示屏(5)和键盘(7)。

2.如权利要求1所述的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，其特征在于，所述的测试容器(1)包括恒温容器(111)，所述恒温容器(111)的上端设置有控制面板(101)，所述控制面板(101)上设置有进水口(112)，所述恒温容器(111)的内壁设置有锯齿形的支撑架(102)，所述支撑架(102)的一侧垂直设置有托物盘(109)，所述托物盘(109)上放置有温度传感器(103)，所述恒温容器(111)的底部一侧设置有排水管(106)，所述排水管(106)的中部设置有电磁阀(105)；所述恒温容器(111)的底部设置有磁力搅拌器(107)，所述磁力搅拌器(107)的上方设置有磁力搅拌子(104)；所述磁力搅拌器(107)的一侧并且位于所述恒温容器(111)的下方设置有加热装置(108)；所述恒温容器的内部设置有液位传感器(110)；所述温度传感器(103)通过导线与所述信号调理模块(2)连接；所述液位传感器(110)通过导线与所述时钟模块(3)连接。

3.如权利要求2所述的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，其特征在于，所述的控制面板(101)分别通过导线与所述电磁阀(105)、磁力搅拌器(107)以及加热装置(108)相连。

4.如权利要求2或3所述的一种定型相变材料存储/释放能量测试装置，其特征在于，所述的锯齿形支撑架(102)的锯齿沿竖直方向均匀排列，所述的托物盘(109)嵌套于所述的支撑架(102)的一个锯齿中。