CN105548245A - 固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法。它包括相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒、模数转换器、计算机；相变材料容器空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器对称中心上方插入一个液相材料投入口，液相材料投入口与玻璃管连接，玻璃管内部插入一根加热棒，其加热温度与初始温度保持一致，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器中，模数转换器导出的数字信号传输到计算机。本发明基于固-液相变凝固过程中体积收缩的数据，经过合理的假设以及严格的推导，能够在一定精度范围内实现容器内相变材料的凝固率、整体换热系数等关键传热性能参数的自动测量、运算和显示。

Description

固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法

技术领域

本发明属于相变材料参数测量领域，具体涉及一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法。

背景技术

诸如在堆积床型储热换热器中的储热单元、太阳能光热利用储热罐、实验室中相变材料在不同形状容器中的凝固试验等工程和试验背景下，由于凝固后固相相变材料是不透明的，所以容器内相变材料在凝固过程中的内部具体情况是无法直接观测的，目前凝固过程中凝固率、整体换热系数等关键传热性能参数的相关结果只能通过数值模拟进行预测，缺乏有效的实验测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对边界温度是已知的且波动较小的情况下，提供一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法。

一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，它包括相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒、模数转换器、计算机；相变材料容器空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器对称中心上方插入一个液相材料投入口，液相材料投入口与玻璃管相通，玻璃管上设有液位传感器，且管体内部插有一根加热温度与边界温度保持一致的加热棒，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器中，模数转换器导出的数字信号传输到计算机。

所述的相变材料容器为对称、规则形状的容器。

进一步的所述的对称、规则形状可选择球形、长方体、正方体或圆柱体。

液相材料投入口可以为容器内相变材料在凝固收缩的过程中向容器中心补充液相材料时提供通道，加热温度与边界温度保持一致的加热棒可以保证补液通道在凝固过程中始终通畅。

一种基于上述装置的固-液相变材料凝固传热性能参数测试方法，它的步骤如下：

1)在计算机中输入相变材料容器的形状信息，输入当地重力加速度g，当相变材料容器为球形时，输入凝固温度T_s、初始温度T_i、冷却温度T_c、时间间隔Δt、球形容器的半径R、玻璃管的内半径r₁、液相材料投入口的外半径r₂、加热棒半径r_hr、液相材料投入口的深度H₁、液相材料投入口与球心的距离H₂、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k_L、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、凝固潜热L、导热系数k_S，其中，固相相变材料的密度ρ_S、导热系数k_S均采用冷却温度与凝固温度的算术平均值下的参数值；

2)冷却凝固开始后开始测试，装置记录液相相变材料在玻璃管中的液面初始高度H_o，并实时记录以开始测试为起点的凝固过程进行的总时间t，液位传感器以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在玻璃管中的液面下降过程中的瞬时高度H，计算得到固相相变材料的收缩体积V_S，计算公式如下：

$V_S=\mathrm{\π}(r_1^2-r_{hr}^2)(H-H_o)---\left(1\right)$

计算得到球形容器的总容积V_C，计算公式如下：

$V_C=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-{\mathrm{\πr}}_2^2{H}_1---\left(2\right)$

根据设定参数V_C和ρ_L，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_L(3)

之后，通过分析凝固过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

$\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_S}+\frac{M-m}{{\mathrm{\ρ}}_L}=V_C+V_S---\left(4\right)$

式中，m表示已经凝固的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料凝固过程中的瞬时凝固率f：

$f=\frac{m}{M}=\frac{(V_C+V_S){\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{M\ρ}}_S}{({\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_S)M}---\left(5\right)$

根据能量守恒定律，通过相变材料传出球形容器的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

$Q=mL+{\mathrm{mC}}_{p,L}(T_i-T_s)+{\mathrm{mC}}_{p,S}\left(\frac{T_s-T_c}{2}\right)+(M-m)C_{p,L}\left(\frac{T_i-T_s}{2}\right)---\left(6\right)$

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR²(7)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

$q^{\′\′}=\frac{1}{A}\frac{dQ}{dt}\≈\frac{1}{A}\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}---\left(8\right)$

凝固过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

$h=\frac{q^{\′\′}}{T_s-T_c}---\left(9\right)$

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

$Nu=\frac{hR}{k_L}---\left(10\right)$

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

$Ste=\frac{C_{p,S}(T_s-T_c)}{L}---\left(11\right)$

衡量凝固过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

$Gr=\frac{{{\mathrm{\ρ}}_L}^{2}g\mathrm{\β}(T_s-T_i)R^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(12\right)$

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

$Fo=\frac{k_{S}t}{{\mathrm{\ρ}}_s{C}_{p,S}{R}^2}---\left(13\right)$

由此计算得到固-液相变材料凝固传热性能参数：瞬时凝固率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)通过基于体积收缩数据的关键传热性能参数的计算方法，能够通过实验的方法在一定精度范围内推算容器内相变材料的凝固率、整体换热系数等关键传热性能参数；

(2)配套有关键传热性能参数计算程序，计算程序中的容器形状、尺寸、边界条件、相变材料热物性等关键计算参数可以方便地输入，以适应多种复杂的计算应用对象；

(3)系统装置结构灵活、拆装简便，通过液相材料投入口和加热棒相结合的结构设计可以源源不断补充液体进入容器填补收缩体积，保证实验结果的精确度，同时，可以方便地通过改变玻璃管的直径调节测量精度以适应不同的需求；

(4)测试装置可以实现自动测量、运算和显示。

附图说明

图1是固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置的结构示意图；

图2是相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒的剖面示意图；

图3是相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒的俯视局部剖示意图，剖面的位置为图2中标出的A-A截面；

图中：相变材料容器1、液相材料投入口2、玻璃管3、加热棒4、模数转换器5、计算机6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-3所示，一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，它包括相变材料容器1、液相材料投入口2、玻璃管3、加热棒4、模数转换器5、计算机6；相变材料容器1空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器1对称中心上方插入一个液相材料投入口2，液相材料投入口2与玻璃管3相通，玻璃管3上设有液位传感器，且管体内部插有一根加热温度与边界温度保持一致的加热棒4，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器5中，模数转换器5导出的数字信号传输到计算机6。

所述的相变材料容器1为对称、规则形状的容器。

进一步的所述的对称、规则形状可选择球形、长方体、正方体或圆柱体。

液相材料投入口2可以为容器内相变材料在凝固收缩的过程中向容器中心补充液相材料时提供通道，加热温度与边界温度保持一致的加热棒4可以保证补液通道在凝固过程中始终通畅。

一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试方法，它的步骤如下

1)在计算机6中输入相变材料容器1的形状信息，输入当地重力加速度g，当相变材料容器1为球形时，输入凝固温度T_s、初始温度T_i、冷却温度T_c、时间间隔Δt、球形容器的半径R、玻璃管的内半径r₁、液相材料投入口的外半径r₂、加热棒半径r_hr、液相材料投入口的深度H₁、液相材料投入口与球心的距离H₂、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k_L、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、凝固潜热L、导热系数k_S，其中，固相相变材料的密度ρ_S、导热系数k_S均采用冷却温度与凝固温度的算术平均值下的参数值；

2)冷却凝固开始后开始测试，装置记录液相相变材料在玻璃管3中的液面初始高度H_o，并实时记录以开始测试为起点的凝固过程进行的总时间t，液位传感器3以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在玻璃管3中的液面下降过程中的瞬时高度H，计算得到固相相变材料的收缩体积V_S，计算公式如下：

$V_S=\mathrm{\π}(r_1^2-r_{hr}^2)(H-H_o)---\left(1\right)$

计算得到球形容器的总容积V_C，计算公式如下：

$V_C=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-{\mathrm{\πr}}_2^2{H}_1---\left(2\right)$

根据设定参数V_C和ρ_L，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_L(3)

之后，通过分析凝固过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

$\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_S}+\frac{M-m}{{\mathrm{\ρ}}_L}=V_C+V_S---\left(4\right)$

式中，m表示已经凝固的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料凝固过程中的瞬时凝固率f：

$f=\frac{m}{M}=\frac{(V_C+V_S){\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{M\ρ}}_S}{({\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_S)M}---\left(5\right)$

根据能量守恒定律，通过相变材料传出球形容器的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

$Q=mL+{\mathrm{mC}}_{p,L}(T_i-T_s)+{\mathrm{mC}}_{p,S}\left(\frac{T_s-T_c}{2}\right)+(M-m)C_{p,L}\left(\frac{T_i-T_s}{2}\right)---\left(6\right)$

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR²(7)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

$q^{\′\′}=\frac{1}{A}\frac{dQ}{dt}\≈\frac{1}{A}\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}---\left(8\right)$

凝固过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

$h=\frac{q^{\′\′}}{T_s-T_c}---\left(9\right)$

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

$Nu=\frac{hR}{k_L}---\left(10\right)$

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

$Ste=\frac{C_{p,S}(T_s-T_c)}{L}---\left(11\right)$

衡量凝固过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

$Gr=\frac{{{\mathrm{\ρ}}_L}^{2}g\mathrm{\β}(T_s-T_i)R^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(12\right)$

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

$Fo=\frac{k_{S}t}{{\mathrm{\ρ}}_s{C}_{p,S}{R}^2}---\left(13\right)$

由此计算得到固-液相变材料凝固传热性能参数：瞬时凝固率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。

Claims (4)

1.一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，其特征在于，它包括相变材料容器(1)、液相材料投入口(2)、玻璃管(3)、加热棒(4)、模数转换器(5)、计算机(6)；相变材料容器(1)空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器(1)对称中心上方插入一个液相材料投入口(2)，液相材料投入口(2)与玻璃管(3)相通，玻璃管(3)上设有液位传感器，且管体内部插有一根加热温度与边界温度保持一致的加热棒(4)，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器(5)中，模数转换器(5)导出的数字信号传输到计算机(6)。

2.根据权利要求1所述的一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，其特征在于，所述的相变材料容器(1)为对称、规则形状的容器。

3.根据权利要求2所述的一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，其特征在于，所述的相变材料容器(1)呈球形、长方体、正方体或圆柱体。

4.一种利用权利要求1所述装置的固-液相变材料凝固传热性能参数测试方法，其特征在于，它的步骤如下

1)在计算机(6)中输入相变材料容器(1)的形状信息，输入当地重力加速度g，当相变材料容器(1)为球形时，输入凝固温度T_s、初始温度T_i、冷却温度T_c、时间间隔Δt、球形容器的半径R、玻璃管的内半径r₁、液相材料投入口的外半径r₂、加热棒半径r_hr、液相材料投入口的深度H₁、液相材料投入口与球心的距离H₂、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k_L、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、凝固潜热L、导热系数k_S，其中，固相相变材料的密度ρ_S、导热系数k_S均采用冷却温度与凝固温度的算术平均值下的参数值；

2)冷却凝固开始后开始测试，装置记录液相相变材料在玻璃管(3)中的液面初始高度H_o，并实时记录以开始测试为起点的凝固过程进行的总时间t，液位传感器(3)以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在玻璃管(3)中的液面下降过程中的瞬时高度H，计算得到固相相变材料的收缩体积V_S，计算公式如下：

$V_S=\mathrm{\π}(r_1^2-r_{hr}^2)(H-H_o)---\left(1\right)$

计算得到球形容器的总容积V_C，计算公式如下：

$V_C=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3-{\mathrm{\πr}}_2^2{H}_1---\left(2\right)$

根据设定参数V_C和ρ_L，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_L(3)

之后，通过分析凝固过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

$\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_S}+\frac{M-m}{{\mathrm{\ρ}}_L}=V_C+V_S---\left(4\right)$

式中，m表示已经凝固的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料凝固过程中的瞬时凝固率f：

$f=\frac{m}{M}=\frac{(V_C+V_S){\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{M\ρ}}_S}{({\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_S)M}---\left(5\right)$

根据能量守恒定律，通过相变材料传出球形容器的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

$Q=mL+{\mathrm{mC}}_{p,L}(T_i-T_s)+{\mathrm{mC}}_{p,S}\left(\frac{T_s-T_c}{2}\right)+(M-m)C_{p,L}\left(\frac{T_i-T_s}{2}\right)---\left(6\right)$

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR²(7)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

$q^{\′\′}=\frac{1}{A}\frac{dQ}{dt}\≈\frac{1}{A}\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}---\left(8\right)$

凝固过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

$h=\frac{q^{\′\′}}{T_s-T_c}---\left(9\right)$

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

$Nu=\frac{hR}{k_L}---\left(10\right)$

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

$Ste=\frac{C_{p,S}(T_s-T_c)}{L}---\left(11\right)$

衡量凝固过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

$Gr=\frac{{{\mathrm{\ρ}}_L}^{2}g\mathrm{\β}(T_s-T_i)R^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(12\right)$

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

$Fo=\frac{k_{S}t}{{\mathrm{\ρ}}_s{C}_{p,S}{R}^2}---\left(13\right)$

由此计算得到固-液相变材料凝固传热性能参数：瞬时凝固率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。