CN105424741A

CN105424741A - 一种复合相变材料潜热测定装置和测定方法

Info

Publication number: CN105424741A
Application number: CN201510988997.0A
Authority: CN
Inventors: 陈喜明; 谢泽伟; 罗刚; 任俊
Original assignee: Shenzhen Institute of Building Research Co Ltd
Current assignee: Xiong'an Lvyan inspection and Certification Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105424741B

Abstract

本发明公开了一种合相变材料潜热测定装置，采用三明治的结构形式在复合相变材料的试样的两边分别用两块相同面积的平板热流计夹住，平板热流计的外层再用两块面积更大的恒温铝板紧贴固定，恒温铝板上可以设置出一个凹槽，平板热流计内置在凹槽中，平板热流计和试块四周使用保温隔热材料封住，固定在恒温铝板中心区域，试样的温度由恒温铝板精确控制，恒温铝板的温度由恒温装置精确控制，平板热流计测量试块升降温过程中进出的热流量的大小，通过使用平板热流计测量一系列小幅度升/降温过程中复合相变材料试样吸收/放出的绝对热量，再通过公式简单计算得到试样的显热和潜热。本发明还公开了一种复合相变材料潜热测定方法。

Description

一种复合相变材料潜热测定装置和测定方法

技术领域

本发明涉及潜热测定技术领域，尤其涉及一种复合相变材料潜热测定装置和测定方法。

背景技术

相变材料(PCM,PhaseChangeMaterial)在一定温度范围内，能够以环境和材料的温差作为推动力改变其物理状态(汽-液、固—液等)，实现储热或放热。利用这一储能特性，将PCM与传统建筑材料(如水泥砂浆、石膏墙板等)相结合应用到建筑物中，可以储存夜间环境的冷量供白天房间制冷使用，或是储存白天太阳能供夜间采暖使用，从而达到建筑物的节能效果，并且降低峰值电能消耗，削峰填谷，缓解城市电力紧张状况；相变材料还可以提高建筑围护结构的蓄热能力，降低室内温度的波动性，提高建筑物的舒适性。可见其在建筑围护结构、供暖储热系统和空调储冷系统等建筑节能方面的应用具有广阔的前景。

相变材料在相变过程中往往以非固态形式出现，而且耐久性较差，不能直接作为建筑材料使用，因此，一般需要先经过微胶囊封装或是多孔介质固化等手段制成复合相变材料后，再通过掺入到水泥砂浆或是石膏等建筑材料的方法制成复合相变材料。在实际工程应用中，必须根据复合相变材料的整体热物理性质来选择合适的相变材料。相变温度和相变潜热是衡量相变材料应用范围与储能性能首先要考虑到的两个主要热物理性质。常用的分析测试方法为差示扫描量热仪法(DSC)，其原理是利用补偿方法建立热流量随温度或时间的变化曲线。但由于DSC方法的取样量极少(<50mg)，而复合相变材料在取样量少时应视为非匀质材料，故其测试结果不能很好地反映材料整体的热物性能，因此该方法不适合对复合相变材料相变温度和潜热的分析，仅适合对单一成分物质热物理性质的分析。其他方法如采用测量相变材料和参比物在空气中加热或冷却时温度随时间变化的曲线的方法(T-History方法)，通过计算得出相变材料的相变潜热，但由于复合相变材料相变过程中温度会有一定的变化，计算过程中相变起始点的判断会受到实验者的主观影响，导致测量结果有一定的偏差。除上述方法之外，也有研究报道采用水浴加热方法测量复合相变材料的相变潜热，但由于复合相变材料的导热系数小，无法保证相变材料的均匀受热，测量结果的准确性也受到质疑，用此方法测量复合相变材料的相变潜热，测量结果的准确性更加无法保证。

也就是说，对于单一相变材料的主要性能指标，已经有了检测方法，但是实际应用中需要将相变材料制成复合相变材料才能在工程中作为建筑材料使用，而所述单一相变材料的性能指标并不能充分代表该复合相变材料的性能，例如复合相变材料的潜热并不是完全可以按照产品说明中相变材料所占比例进行计算的，更何况有些厂家并没有严格按照配方将价格较贵的相变材料的分量加足。必需提供复合相变材料的主要性能指标给建筑设计人员，并且要使用于实际工程的复合相变材料有办法进行检测。目前国内外尚无科学、准确的测量复合相变材料相变潜热的装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合相变材料潜热测定装置，以实现：

1)通过对大块的复合相变材料试样直接测量，减少DSC法取样量过少带来的误差，真实反映复合相变材料的热物性；

2)适用于绝大多数复合相变材料储热性能的测试，这里的复合相变材料既包括经过微胶囊封装和多孔介质固化的复合相变材料，也包括由水泥砂浆和石膏等掺杂的复合相变材料制作的建筑围护结构材料；

3)通过测量和计算可以得到复合相变材料的相变温度、潜热和固液态的比热。

4)可以直接对复合相变材料试样进行测试，不需要参比物；

5)装置简单，制作成本低，操作方便，自动化程度高。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述复合相变材料潜热测定装置的复合相变材料潜热测定方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复合相变材料潜热测定装置，包括：固定底座、平板热流计、保温框、恒温板、恒温装置、数据采集仪、夹紧装置和计算装置，其中，所述平板热流计、所述保温框和所述恒温板均内置固定在所述固定底座中，所述恒温板包括第一恒温板和第二恒温板，所述第一恒温板和所述第二恒温板间隔设置，所述平板热流计包括面积相同的第一平板热流计和第二平板热流计，所述第一平板热流计和所述第二平板热流计间隔设置，所述第一平板热流计和所述第二平板热流计设置在所述第一恒温板和所述第二恒温板之间，试样设置在所述第一平板热流计和所述第二平板热流计之间，所述第一恒温板、所述第一平板热流计、所述试样、所述第二平板热流计和所述第二恒温板依次贴覆接触且被所述夹紧装置夹紧固定，所述保温框将所述试样与所述第一平板热流计和所述第二平板热流计的四周密封，所述第一恒温板和所述第二恒温板均内置有用于恒温流体流动的第一流体通道，所述第一流体通道与所述恒温装置连通从所述恒温装置中提取所述恒温流体，所述试样表面设置有多组热电偶，所述数据采集仪用于采集所述热电偶、所述第一平板热流计和所述第二平板热流计的数据，所述计算装置接收所述数据采集仪采集的数据并计算得出测试结果。

优选的，上述第一流体通道包括设置在所述第一恒温板中的第一子流体通道和设置在所述第二恒温板中的第二子流体通道，所述第一子流体通道和所述第二子流体通道为U形通道或者W形通道或者蛇形通道，所述恒温流体自所述恒温装置流出，流经所述第一子流体通道和所述第二子流体通道后再流回到所述恒温装置中。

优选的，上述恒温流体为恒温水，所述恒温装置中内置有用于盛放水的水槽以及控制水温的冷源装置和温控装置。

优选的，上述冷源装置包括顶盖、冰箱和冰水混合水槽，所述冰水混合水槽放置在所述冰箱的底部，所述水槽放置在所述冰水混合水槽的上方，所述水槽与所述冰水混合水槽之间设有热交换管，所述顶盖盖在所述冰箱的上方的开口处，所述水槽中的水流过浸没在所述冰水混合水槽内的冰水混合物中的所述热交换管后再回到所述水槽中。

优选的，上述水槽采用两根U型不锈钢管支撑在所述冰水混合水槽的上方，所述两根U型不锈钢管的四根直立的立管均穿过所述水槽的底部且其露出在所述水槽内的长度与所述水槽中的水的高度相同且与所述水槽的底部焊接密封，所述两根U型不锈钢管的两根横管浸没且支撑在所述冰水混合水槽的底部，所述热交换管为所述两根U型不锈钢管。

优选的，每根所述U型不锈钢管的一个立管上设置有进水口和第一出水口，所述第一出水口的高度高于所述进水口，另一个立管上设置有第二出水口，进入所述进水口的所述水的一部分从所述第一出水口喷出到所述水槽中，所述水的另一部分经过所述U型不锈钢管的底部后由所述另一个立管上设置的所述第二出水口喷回到所述水槽中，所述两根U型不锈钢管上共四个出水口的出水方向两两垂直设置，，均沿水平方向喷出，搅动所述水槽中的水，形成环流。

优选的，上述温控装置包括温控仪、加热管和温度传感器，所述加热管设置在所述水槽的底部，所述温控仪接收所述温度传感器的信号并根据所述信号控制所述加热管进行加热。

优选的，上述水槽的外壁包覆保温材料层。

优选的，上述顶盖为聚苯材料制成。

优选的，上述固定底座通过所述夹紧装置将所述第一恒温板、所述第一平板热流计、所述试样、所述第二平板热流计和所述第二恒温板夹紧固定。

本发明还提供一种复合相变材料潜热测定方法，包括：步骤1)制备试样，所述试样与平板热流计的对接面积与所述平板热流计的工作面积相同；步骤2)平板热流计校准；步骤3)用两个所述平板热流计将所述试样夹住，用两个恒温板将两个所述平板热流计夹住，通过恒温装置控制所述恒温水的温度，所述恒温板通过内部的第一流体通道内流通所述恒温水实现恒温；步骤4)测试步骤：①、设置好恒温装置中的温控仪控制的所述水槽中的流体的温度，确保水槽内的温度能够稳定在每个测试温度±0.05℃的范围内；②、在升温测试过程中，初始温度至少从试样的融化温度减10℃处开始；在降温测试过程中，初始温度至少从试样的凝固温度+10℃处开始；③、测定名义相变温度为A℃的复合相变材料，首先确定测试温度范围M℃～N℃和升温间隔L℃，由此确定一系列测试温度，如M℃，M+L℃，M+2L℃，......，N-L℃，N℃，其中，所述M℃＜A℃＜N℃；④、将循环水槽的水温控制在M℃，待恒温板、平板热流计和试样三者在此温度达到平衡后，通过两块平板热流计进入试样的总热量应该为零，此时记录得到一条纵坐标值接近于零的水平线；⑤、将水槽的温度设置在M+L℃，立刻开始测量并记录通过两块平板热流计进入试样的总热量，当恒温板、平板热流计和试样三者在新的温度下再次达到新的平衡，此时测量得到的总热量即为试样和平板热流计温度从M℃升到M+L℃时所需要的总热量；⑥、使用同样的方法，测量并记录M+L℃～M+2L℃，M+2L℃～M+3L℃，......，N-2L℃～N-L℃，N-L℃～N℃每段升温过程中通过两块平板热流计进入试样的总热量，通过计算可以得到复合相变材料在升温过程中每个温度段的吸热状况，包括材料相变前后的显热和相变过程中的潜热；⑦、在升温测试过程结束后，仍将循环水槽温度设置在N℃并保持恒温板、平板热流计和试样三者温度的平衡，然后开始测量复合相变材料降温放热的状况，每次将温度降低L℃，测量N℃～N-L℃，N-L℃～N-2L℃，......，M+2L℃～M+L℃，M+L℃～M℃各段降温过程中通过两块平板热流计流出试样的总热量，计算复合相变材料的显热和潜热；步骤5)计算方法：每段升温/降温过程中复合相变材料吸收/放出的总热量可由以下公式计算得到：

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

或

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

式中：

h——升温/降温过程中复合相变材料吸收/放出的热量，kJ/kg；

q_i,1,q_i,2——两块平板热流计的测量读数，W/m²；

q_eq,1,q_eq,2——两块平板热流计温度平衡时的基线读数，W/m²；

Δt——平板热流计测量记录的时间间隔，s；

A——平板热流计的面积，m²；

m——试样的质量，kg；

ρ——试样的密度，kg/m³；

d——试样的厚度，m；

C_p,1,C_p,2——平板热流计的比热容，kJ/kg；

ΔT——每段升温/降温的温差，℃；

C_oth——其他辅助材料，如试样容器、保温框材料的比热容，kJ/kg；

n——测量记录的次数；

将计算得到的每段升温/降温的总热量h与对应的温度差ΔT作图，可得到试样在整个过程中的吸/放热情况，即测定复合相变材料潜热。

优选的，上述步骤1)还包括在制备试样时，对于固态复合试样，可将试样切成与平板热流计面积一样大小，厚度为10-20mm的板块，直接进行测试；对于发生固液相变的试样，须制备一个外形尺寸与上述板块相同的薄壁盒状容器，将试样熔化后灌入容器之中进行测试。

本发明提供的复合相变材料潜热测定装置的改进点在于，在一定温度范围内，使用平板热流计测量一系列小幅度升/降温过程中复合相变材料试块吸收/放出的绝对热量，测量过程中复合相变材料试块的温度由恒温槽中的循环流体和恒温板控制，经过试块的热量由两块面积相等的平板热流计测量，试样与平板热流计四周采用隔热材料封住，防止与周围空气的热交换，测试结果经过数据采集装置和计算机进行采集和计算处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的固定底座、平板热流计以及恒温板的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的恒温装置的二维结构示意图；

图4为本发明实施例提供的恒温装置的三维结构示意图；

图5为本发明实施例提供的某试样焓值的测试结果图。

上图1-5中：

固定底座1、恒温板2、保温框3、平板热流计4、试样5、第一流体通道6、冰水混合水槽7、水槽8、温控装置9、数据采集仪10、计算装置11、三通阀12、第一子流体通道13、夹紧装置14、温度传感器21、冰水混合物22、热交换管23、进水口24、保温材料层25、加热管26、第一出水口27、顶盖28、进水管29、出水管30、第二出水口31、水32、冰箱33、铝网34、U型不锈钢管35。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图5，图1为本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的固定底座、平板热流计以及恒温板的爆炸结构示意图；图3为本发明实施例提供的恒温装置的二维结构示意图；图4为本发明实施例提供的恒温装置的三维结构示意图；图5为本发明实施例提供的某试样焓值的测试结果图。

本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定装置，包括：固定底座1、平板热流计4、保温框3、恒温板2、恒温装置、数据采集仪10、夹紧装置14和计算装置11，其中，平板热流计4、保温框3和恒温板2均内置固定在固定底座1中，恒温板2最好是恒温铝板，使用效果更好，固定底座1起到固定恒温板2、平板热流计4和被测的试样5的作用，恒温板2包括第一恒温板和第二恒温板，第一恒温板和第二恒温板间隔设置，平板热流计4包括面积相同的第一平板热流计和第二平板热流计，此处的面积相同指的是两者的工作面积相同，第一平板热流计和第二平板热流计间隔设置，第一平板热流计和第二平板热流计设置在第一恒温板和第二恒温板之间，试样5设置在第一平板热流计和第二平板热流计之间，第一恒温板、第一平板热流计、试样5、第二平板热流计和第二恒温板依次贴覆接触且被夹紧装置14夹紧固定，固定底座1通过夹紧装置14将第一恒温板、第一平板热流计、试样5、第二平板热流计和第二恒温板夹紧固定，保温框3将试样5与第一平板热流计和第二平板热流计的接触面的四周密封，也就是保温框3将试样5和平板热流计4四周封住，以确保热量主要从平板热流计4和试样5的接触面进行交换，第一恒温板和第二恒温板均内置有用于恒温流体流动的第一流体通道6，第一流体通道6与恒温装置连通从恒温装置中提取恒温流体，试样5表面设置有多组热电偶，数据采集仪10用于采集热电偶、第一平板热流计和第二平板热流计的数据，计算装置11接收数据采集仪采集的数据并计算得出复合相变材料潜热。计算装置11可以为电脑，试样5各个表面埋有多组热电偶，用以测量试样温度的均匀性。两块平板热流计4和多组热电偶的测试读数由数据采集仪自动采集，并通过电脑进行处理，绘制出热流和温度随时间的变化曲线。

其中，第一流体通道6可以是管路，当然也可以采用其他方式，例如第一恒温板为两个板在厚度方向对接拼合形成时，两个板的内侧分别开设凹槽，两个凹槽对接时形成第一流体通道6，第二恒温板同理。

其中，两个平板热流计4是完全相同的两个，其面积与被测试件一致，可将试样5夹在两块平板热流计4之间、保温框3的内孔尺寸与试样5和平板热流计4一致，可使夹有试样5的平板热流计4组合能够镶嵌在保温框3的内孔中，恒温板2为两块完全相同的中空金属板，其尺寸与保温框3的外尺寸一致，将两块恒温板2夹住镶有试样5/平板热流计4组合的保温框3时，其共同的组合呈现为一个六面立方体，该立方体被夹紧装置固定在固定底座1中。

其中，水在恒温装置与恒温板之间的流动情况具体为，水从恒温装置中依靠水泵提供的动力，经过进水管29进入到恒温板2中，在进入恒温板2时，依次经过三通阀12、第一连接软管、第一流体通道6、第二连接软管、三通阀12后从恒温板2中流出，然后再经过出水管30回到恒温装置的水槽8中。

本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定装置主要是采用三明治的结构形式在复合相变材料的试样的两边分别用两块相同面积的平板热流计4夹住，平板热流计4的外层再用两块面积更大的恒温铝板紧贴固定，恒温铝板上可以设置出一个凹槽，平板热流计4内置在凹槽中，平板热流计4和试样5四周使用保温隔热材料封住，固定在恒温铝板中心区域，试样5的温度由恒温铝板精确控制，恒温铝板的温度由恒温装置精确控制，平板热流计4测量试样5升降温过程中进出的热流量的大小。

通过在试样5的两面通过恒温板2施加相同的温度，当整体温度达到平衡后，将试样5两边的温度同时升高/降低相同的温度(1～2℃)，使用平板热流计4测量在重新达到温度平衡整个过程中经过试样5表面的总热流通量。通过多次改变试样5两边的温度，在相变温度±10℃的范围内依次测量一系列温度下对应的总热流通量，根据热流通量计算试块每个阶段升温(或降温)所吸收(或放出)的热量，再扣除平板热流计4和其他材料(如封装材料和保温材料)在此过程中吸收(或放出)的热量，从而可以计算出试样5的显热和潜热。再通过观察每个升温(或降温)阶段试块吸收(或放出)热量的大小，找出试样吸收(或放出)热量值发生突变的那个升温(或降温)阶段，就可以判断试样的相变温度范围，通过使用平板热流计4测量一系列小幅度升/降温过程中复合相变材料试样吸收/放出的绝对热量，再通过公式简单计算得到试样的显热和潜热。

其中，两个平板热流计4和试样5具有相同的面积，此处指的是，试样5与平板热流计4两者接触的面的面积是相同的，都是100mm×100mm的规格，试样5的厚度控制在10～20mm，被夹在两个平板热流计4之间。

为了进一步优化上述方案，第一流体通道6包括设置在第一恒温板中的第一子流体通道和设置在第二恒温板中的第二子流体通道，第一子流体通道和第二子流体通道为U形通道或者W形通道或者蛇形通道，恒温流体自第一子流体通道和第二子流体通道中循环后流回到恒温装置中，通过使用循环系统进一步节能和降低污染，其中，第一子流体通道和第二子流体通道都呈多弯曲形状，增大自身在恒温板2中的流动行程，提高恒温效果，具体的，可以是通过一根进水管29从恒温装置中提取恒温流体然后通过一个三通阀12将恒温流体分别供给第一子流体通道13和第二子流体通道，同样，当恒温流体完成循环流出后同样通过一个三通阀集中到一个出水管30中流回到恒温装置中。

为了进一步优化上述方案，恒温流体为恒温水，利用高比热的水作为恒温板2的冷/热源，可以精确控制恒温板2的温度(误差在±0.05℃之内)，恒温装置中内置有用于盛放水32的水槽8以及控制水温将水32变为恒温水的冷源装置和温控装置。水槽8也可称为循环水槽，其中，水槽8的外壁包覆保温材料层25，水槽8采用不锈钢制成，冷源装置包括顶盖28、冰箱33和冰水混合水槽7，顶盖28为聚苯材料制成，以隔绝恒温循环水与外界的热交换，冰水混合水槽7放置在冰箱33的底部，水槽8放置在冰水混合水槽7的上方，水槽8与冰水混合水槽7之间设有热交换管，顶盖28盖在冰箱33的上方的开口处，水槽8中的水32通过热交换管23从冰水混合水槽7中的水流过浸没在冰水混合水槽7内的冰水混合物中的热交换管23后再回到水槽8中，冰水混合水槽7中盛有约2/3容量的冰水混合物22，作为水槽8的冷源。冰箱33主要是为冰水混合水槽7中的冰水供冷，可以长时间保持冰水共混的状态，主要作用是让水32降温，温控装置9主要作用是让水32升温，通过冷源装置和温控装置9实现将水槽8中的水32变为恒温水。其中，温控装置9包括温控仪、加热管26和温度传感器21，加热管26设置在水槽8的底部的上方，温控仪接收温度传感器21的信号并根据信号控制加热管26进行加热，加热管26的外部罩有用于过滤的铝网34。温度传感器21为PT100温度传感器，PT100温度传感器为现有产品，温控仪中内置有升温程序，控制升温。冰水混合水槽7中的冰水混合物22作为水槽8的冷源，与加热管26共同控制水槽8中水32的温度，精度控制在±0.05℃之内。

其中，水槽8采用两根U型不锈钢管35支撑在冰水混合水槽7的上方，两根U型不锈钢管35的四根直立的立管均穿过水槽8的底部且其露出在水槽8内的长度与水槽8中的水的高度相同且与水槽8的底部焊接密封，两根U型不锈钢管35的两根横管浸没且支撑在冰水混合水槽7的底部，热交换管23为两根U型不锈钢管35，U型不锈钢管35采用不锈钢制作，其截面为矩形，其底部放到冰水中，支撑效果好，利用支撑水槽8的U型不锈钢管35的浸没在冰水混合物22中的部分作为热交换器可省去专用的热交换器23，即热交换器23实际上是U型不锈钢管35的一部分，使恒温的水槽8得到稳定可靠的冷源，并且，每根U型不锈钢管35的一个立管上设置有进水口24和第一出水口27，第一出水口27的高度高于进水口24，另一个立管上设置有第二出水口31，进入进水口24的水32分成两路，水32的一部分从第一出水口27喷出到水槽8中，水32的另一部分经过U型不锈钢管35的底部后由另一个立管上设置的第二出水口31喷回到水槽8中，两根U型不锈钢管35上共四个出水口的出水方向两两垂直设置，均沿水平方向喷出，搅动水槽8中的水，形成环流，例如，沿逆时针方向旋转数出水口，第一个出水口朝西喷水，那么第二个出水口向南喷水，第三个出水口向东喷水，第四个出水口向北喷水，如此形成环流，从而使循环的水槽8里的水混合更均匀，不需要搅拌装置。热交换管23中水的动力由冷却泵提供。

本发明实施例还提供一种复合相变材料潜热测定方法，包括：步骤1)制备试样5，试样5与平板热流计4的对接面积与平板热流计4的工作面积相同；步骤2)平板热流计4校准；步骤3)用两个平板热流计4将试样5夹住，用两个恒温板2将两个平板热流计4夹住，通过恒温装置控制恒温水的温度，恒温板2通过内部的第一流体通道6内通过恒温水实现恒温；步骤4)测试步骤：①、设置好恒温装置中的温控仪控制的水槽8中的流体的温度，确保水槽8内的温度能够稳定在每个测试温度±0.05℃的范围内；②、在升温测试过程中，初始温度至少从试样5的融化温度减10℃处开始；在降温测试过程中，初始温度至少从试样5的凝固温度+10℃处开始；③、以测定名义相变温度为A℃的复合相变材料为例，首先确定测试温度范围M℃～N℃和升温间隔L℃，由此确定一系列测试温度，如M℃，M+L℃，M+2L℃，......，N-L℃，N℃，其中，M℃＜A℃＜N℃；④、将循环水槽8的水温控制在M℃，待恒温板2、平板热流计4和试样5三者在此温度达到平衡后，通过两块平板热流计4进入试样5的总热量应该为零，此时记录得到一条纵坐标值接近于零的水平线；⑤、将水槽8的温度设置在M+L℃，立刻开始测量并记录通过两块平板热流计4进入试样5的总热量，当恒温板2、平板热流计4和试样5三者在新的温度下再次达到新的平衡，此时测量得到的总热量即为试样5和平板热流计4温度从M℃升到M+L℃时所需要的总热量；⑥、使用同样的方法，测量并记录M+L℃～M+2L℃，M+2L℃～M+3L℃，......，N-2L℃～N-L℃，N-L℃～N℃每段升温过程中通过两块平板热流计4进入试样的总热量，通过计算可以得到复合相变材料在升温过程中每个温度段的吸热状况，包括材料相变前后的显热和相变过程中的潜热；7、在升温测试过程结束后，仍将循环水槽8温度设置在N℃并保持恒温板2、平板热流计4和试样5三者温度的平衡，然后开始测量复合相变材料降温放热的状况，每次将温度降低L℃，测量N℃～N-L℃，N-L℃～N-2L℃，......，M+2L℃～M+L℃，M+L℃～M℃各段降温过程中通过两块平板热流计4流出试样的总热量，计算复合相变材料的显热和潜热；步骤5)计算方法：每段升温/降温过程中复合相变材料吸收/放出的总热量可由以下公式计算得到：

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

或

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

式中：

q_i,1,q_i,2——两块平板热流计4的测量读数，W/m²；

q_eq,1,q_eq,2——两块平板热流计4温度平衡时的基线读数，W/m²；

Δt——平板热流计4测量记录的时间间隔，s；

A——平板热流计4的面积，m²；

m——试样的质量，kg；

ρ——试样的密度，kg/m³；

d——试样的厚度，m；

C_p,1,C_p,2——平板热流计4的比热容，kJ/kg；

ΔT——每段升温/降温的温差，℃；

n——测量记录的次数；

本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定方法主要是采用三明治的结构形式在复合相变材料的试样的两边分别用两块相同面积的平板热流计4夹住，平板热流计4的外层再用两块面积更大的恒温铝板紧贴固定，恒温铝板上可以设置出一个凹槽，平板热流计4内置在凹槽中，平板热流计4和试样5四周使用保温隔热材料封住，固定在恒温铝板中心区域，试样5的温度由恒温铝板精确控制，恒温铝板的温度由恒温装置精确控制，平板热流计4测量试样5升降温过程中进出的热流量的大小，采集平板热流计4测量的数据通过计算即可得到复合相变材料潜热，完成测定。本发明实施例提供的复合相变材料潜热测定方法能够实现：1)通过对大块的复合相变材料试样直接测量，减少DSC法取样量过少带来的误差，真实反映复合相变材料的热物性；2)适用于绝大多数复合相变材料储热性能的测试，这里的复合相变材料既包括经过微胶囊封装和多孔介质固化的复合相变材料，也包括由水泥砂浆和石膏等掺杂的复合相变材料制作的建筑围护结构材料；3)通过测量和计算可以得到复合相变材料的相变温度、潜热和固液态的比热。4)可以直接对复合相变材料试样进行测试，不需要参比物；5)装置简单，制作成本低，操作方便，自动化程度高。

为了进一步优化上述方案，对不同种类的试样进行测定，步骤1)还包括在制备试样5时，对于固态复合试样，可将试样5切成与平板热流计4面积一样大小，厚度为10-20mm的板块，直接进行测试；对于发生固液相变的试样，须制备一个外形尺寸与上述板块相同的薄壁盒状容器，将试样熔化后灌入容器之中进行测试。

在具体实施时，以某一试样为例，其具体的使用过程如下：

(1)试样5的制备：对于固态复合试样，如掺有微胶囊相变材料的石膏板或混凝土试块等，可将试样5切成与平板热流计4面积一样大小，厚度为10-20mm的板块，直接进行测试；对于发生固液相变的试样，如石蜡或生物质相变材料等，须制备一个外形尺寸与上述板块相同的薄壁盒状容器，将试样5熔化后灌入容器之中进行测试；

(2)热流计校准：根据平板热流计4的使用说明书对热流计系数进行校准；

(3)测试步骤：

1、在使用此复合相变材料潜热测定装置前，应先设置好温控仪的控制温度，确保循环水槽8内的水温能够稳定在每个测试温度±0.05℃的范围内；

2、在升温测试过程中，初始温度至少从试样5的融化温度减10℃处开始；在降温测试过程中，初始温度至少从试样5的凝固温度+10℃处开始；

3、以测定名义相变温度为25℃的复合相变材料为例，首先确定测试温度范围(如15～35℃)和升温间隔(如2℃)，由此确定一系列测试温度，如15，17，19，......，33，35℃。

4、将循环水槽8的水温控制在15℃，待恒温铝板、平板热流计4和试样5三者在此温度达到平衡后，通过两块平板热流计4进入试样5的总热量应该为零，此时记录得到一条纵坐标值接近于零的水平线；

5、将循环水槽8的温度设置在17℃，立刻开始测量并记录通过两块平板热流计4进入试样5的总热量，当恒温铝板、平板热流计4和试样5三者在新的温度下再次达到新的平衡，此时测量得到的总热量即为试样5和平板热流计4温度从15℃升到17℃时所需要的总热量；

6、使用同样的方法，测量并记录17～19，19～21，......，31～33，33～35℃每段升温过程中通过两块平板热流计4进入试样5的总热量，通过计算可以得到复合相变材料在升温过程中每个温度段的吸热状况，包括材料相变前后的显热和相变过程中的潜热；

7、在升温测试过程结束后，仍将循环水槽8温度设置在35℃并保持恒温铝板、平板热流计4和试样5三者温度的平衡，然后开始测量复合相变材料降温放热的状况，每次将温度降低2℃，测量35～33，33～31，......，19～17，17～15℃各段降温过程中通过两块平板热流计4流出试样的总热量，计算复合相变材料的显热和潜热；

(4)计算方法：

每段升温/降温过程中复合相变材料吸收/放出的总热量可由以下公式计算得到：

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

或

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t \cdot}{ρ \cdot d} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

式中：

q_i,1,q_i,2——两块平板热流计4的测量读数，W/m²；

Δt——平板热流计4测量记录的时间间隔，s；

A——平板热流计4的面积，m²；

m——试样5的质量，kg；

ρ——试样5的密度，kg/m³；

d——试样5的厚度，m；

C_p,1,C_p,2——平板热流计4的比热容，kJ/kg；

ΔT——每段升温/降温的温差，℃；

C_oth——其他辅助材料，如盛放试样5的容器、保温框3材料的比热容，kJ/kg；

n——测量记录的次数。

将计算得到的每段升温/降温的总热量h与对应的温度差ΔT作图，可得到试样在整个过程中的吸/放热情况，如图5所示，图5为采用本发明实施例提供复合相变材料潜热测定装置进行测定的某试样焓值的测试结果图，图5中，X轴0刻度线的上方为升温过程，下方为降温过程，从图5中可以看出试样的熔化温度在26～28℃，凝固温度在25～27℃，并可以计算出试样的显热约为2.0kJ/kg，潜热为219kJ/kg。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，包括：

固定底座(1)、平板热流计(4)、保温框(3)、恒温板(2)、恒温装置、数据采集仪(10)、夹紧装置(14)和计算装置(11)，

其中，

所述平板热流计(4)、所述保温框(3)和所述恒温板(2)均内置固定在所述固定底座(1)中，

所述恒温板(2)包括第一恒温板和第二恒温板，所述第一恒温板和所述第二恒温板间隔设置，所述平板热流计(4)包括面积相同的第一平板热流计和第二平板热流计，所述第一平板热流计和所述第二平板热流计间隔设置，所述第一平板热流计和所述第二平板热流计设置在所述第一恒温板和所述第二恒温板之间，试样(5)设置在所述第一平板热流计和所述第二平板热流计之间，所述第一恒温板、所述第一平板热流计、所述试样(5)、所述第二平板热流计和所述第二恒温板依次贴覆接触且被所述夹紧装置(14)夹紧固定，

所述保温框(3)将所述试样(5)与所述第一平板热流计和所述第二平板热流计的四周密封，

所述第一恒温板和所述第二恒温板均内置有用于恒温流体流动的第一流体通道(6)，所述第一流体通道(6)与所述恒温装置连通从所述恒温装置中提取所述恒温流体，

所述试样(5)表面设置有多组热电偶，

所述数据采集仪(10)用于采集所述热电偶、所述第一平板热流计和所述第二平板热流计的数据，所述计算装置(11)接收所述数据采集仪(10)采集的数据并计算得出测试结果。

2.根据权利要求1所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，所述第一流体通道(6)包括设置在所述第一恒温板中的第一子流体通道(13)和设置在所述第二恒温板中的第二子流体通道，

所述第一子流体通道(13)和所述第二子流体通道为U形通道或者W形通道或者蛇形通道，

所述恒温流体自所述恒温装置流出，流经所述第一子流体通道(13)和所述第二子流体通道后再流回到所述恒温装置中。

3.根据权利要求1所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，所述恒温流体为恒温水，所述恒温装置中内置有用于盛放水的水槽(8)以及控制水温的冷源装置和温控装置(9)。

4.根据权利要求3所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，所述冷源装置包括顶盖(28)、冰箱(33)和冰水混合水槽(7)，所述冰水混合水槽(7)放置在所述冰箱(33)的底部，所述水槽(8)放置在所述冰水混合水槽(7)的上方，所述水槽(8)与所述冰水混合水槽(7)之间设有热交换管(23)，所述顶盖(28)盖在所述冰箱(33)的上方的开口处，所述水槽(8)中的水流过浸没在所述冰水混合水槽(7)内的冰水混合物中的所述热交换管(23)后再回到所述水槽(8)中。

5.根据权利要求4所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，所述水槽(8)采用两根U型不锈钢管(35)支撑在所述冰水混合水槽(7)的上方，所述两根U型不锈钢管(35)的四根直立的立管均穿过所述水槽(8)的底部且其露出在所述水槽(8)内的长度与所述水槽(8)中的水的高度相同且与所述水槽(8)的底部焊接密封，所述两根U型不锈钢管(35)的两根横管浸没且支撑在所述冰水混合水槽(7)的底部，所述热交换管(23)为所述两根U型不锈钢管(35)。

6.根据权利要求5所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，每根所述U型不锈钢管(35)的一个立管上设置有进水口(24)和第一出水口(27)，所述第一出水口(27)的高度高于所述进水口(24)，另一个立管上设置有第二出水口(31)，进入所述进水口(24)的所述水的一部分从所述第一出水口(27)喷出到所述水槽(8)中，所述水的另一部分经过所述U型不锈钢管(35)的底部后由所述另一个立管上设置的所述第二出水口(31)喷回到所述水槽(8)中，所述两根U型不锈钢管(35)上共四个出水口的出水方向两两垂直设置，均沿水平方向喷出，搅动所述水槽(8)中的水，形成环流。

7.根据权利要求3所述的复合相变材料潜热测定装置，其特征在于，所述温控装置(9)包括温控仪、加热管(26)和温度传感器(21)，所述加热管(26)设置在所述水槽(8)的底部，所述温控仪接收所述温度传感器(21)的信号并根据所述信号控制所述加热管(26)进行加热。

8.一种复合相变材料潜热测定方法，其特征在于，包括：

步骤1)制备试样(5)，所述试样(5)与平板热流计(4)的对接面积与所述平板热流计(4)的工作面积相同；

步骤2)所述平板热流计(4)校准；

步骤3)用两个所述平板热流计(4)将所述试样(5)夹住，用两个恒温板(2)将两个所述平板热流计(4)夹住，通过恒温装置控制所述恒温水的温度，所述恒温板(2)通过内部的第一流体通道(6)内流通所述恒温水实现恒温；

步骤4)测试步骤：

①、设置好所述恒温装置中的温控仪控制的所述水槽(8)中的流体的温度，确保所述水槽(8)内的温度能够稳定在每个测试温度±0.05℃的范围内；

②、在升温测试过程中，初始温度至少从试样的融化温度减10℃处开始；在降温测试过程中，初始温度至少从试样的凝固温度+10℃处开始；

③、测定名义相变温度为A℃的复合相变材料，首先确定测试温度范围M℃～N℃和升温间隔L℃，由此确定一系列测试温度，如M℃，M+L℃，M+2L℃，......，N-L℃，N℃，其中，所述M℃＜A℃＜N℃；

④、将所述水槽(8)的水温控制在M℃，待所述恒温板(2)、所述平板热流计(4)和所述试样(5)三者在此温度达到平衡后，通过两块所述平板热流计(4)进入所述试样(5)的总热量应该为零，此时记录得到一条纵坐标值接近于零的水平线；

⑤、将所述水槽的温度设置在M+L℃，立刻开始测量并记录通过两块所述平板热流计(4)进入所述试样(5)的总热量，当所述恒温板(2)、所述平板热流计(4)和所述试样(5)三者在新的温度下再次达到新的平衡，此时测量得到的总热量即为试样(5)和平板热流计(4)温度从M℃升到M+L℃时所需要的总热量；

⑥、使用同样的方法，测量并记录M+L℃～M+2L℃，M+2L℃～M+3L℃，......，N-2L℃～N-L℃，N-L℃～N℃每段升温过程中通过两块平板热流计(4)进入试样(5)的总热量，通过计算可以得到复合相变材料在升温过程中每个温度段的吸热状况，包括材料相变前后的显热和相变过程中的潜热；

⑦、在升温测试过程结束后，仍将水槽(8)温度设置在N℃并保持所述恒温板(2)、所述平板热流计(4)和所述试样(5)三者温度的平衡，然后开始测量复合相变材料降温放热的状况，每次将温度降低L℃，测量N℃～N-L℃，N-L℃～N-2L℃，......，M+2L℃～M+L℃，M+L℃～M℃各段降温过程中通过两块所述平板热流计(4)流出试样的总热量，计算复合相变材料的显热和潜热；

步骤5)计算方法：

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t \cdot A}{m} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

或

h = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 1} - q_{e q, 1}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 1} \cdot Δ T] + [Σ_{i = 1}^{n} \frac{(q_{i, 2} - q_{e q, 2}) \cdot Δ t}{ρ \cdot d} - C_{p, 2} \cdot Δ T] - C_{o t h} \cdot Δ T

式中：

q_i,1,q_i,2——两块所述平板热流计(4)的测量读数，W/m²；

q_eq,1,q_eq,2——两块所述平板热流计(4)温度平衡时的基线读数，W/m²；

Δt——所述平板热流计(4)测量记录的时间间隔，s；

A——所述平板热流计(4)的面积，m²；

m——所述试样(5)的质量，kg；

ρ——所述试样(5)的密度，kg/m³；

d——所述试样(5)的厚度，m；

C_p,1,C_p,2——所述平板热流计(4)的比热容，kJ/kg；

ΔT——每段升温/降温的温差，℃；

n——测量记录的次数；

9.根据权利要求8所述的复合相变材料潜热测定方法，其特征在于，所述步骤1)还包括在制备所述试样(5)时，对于固态复合试样，可将所述试样(5)切成与所述平板热流计(4)面积一样大小，厚度为10-20mm的板块，直接进行测试；对于发生固液相变的试样，须制备一个外形尺寸与上述板块相同的薄壁盒状容器，将所述试样(5)熔化后灌入容器之中进行测试。