CN107228880A - 用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制系统及其方法 - Google Patents

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邵雪峰
朱子钦
郑梦莲
冯飙
曾轶
宋嘉文
黄元凯
胡楠
俞自涛
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Abstract

本发明公开了一种用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统及其方法。所述系统应用于相变材料储放热循环性能测试领域，包括高温恒温浴、低温恒温浴、高温流体循环夹套、低温流体循环夹套、绝热隔板、自动升降杆、程序控制器、数据采集仪、相变材料试样管。本发明分别通过高温流体循环夹套和低温流体循环夹套实现相变材料的熔化储热和凝固放热，实现高温恒温流体和低温恒温流体完全分离；通过绝热隔板实现高温流体循环夹套和低温流体循环夹套之间无热交换；通过自动升降杆实现相变材料储热和放热的自动切换；通过程序控制器实现相变材料储放热循环性能测试的自动控制；通过数据采集仪记录的参数实现相变材料多次储放热循环性能的测试。

Description

用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制系统及其方法
技术领域
本发明属于相变材料储放热循环性能测试领域，具体涉及一种用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制系统及其方法。
背景技术
储热技术可有效缓解热能供求在时间、地点及强度上不匹配的矛盾，提高热能利用效率。相比显热储热技术，相变储热技术具有储热密度高、储放热过程近乎等温、体积变化小、维护简单以及储热系统结构紧凑等优点，可用于回收工业余热而进行移动式供热，也可用于电子器件冷却、太阳能热利用、建筑及航空航天等领域。
相变(储热)材料的储放热循环稳定性能、耐热性能及可靠性对相变储热技术的高效应用至关重要，因此在相变储热系统运行前对相变材料进行多次储放热循环稳定性能、耐热性能及可靠性测试具有重要意义。
目前用于相变材料储放热循环稳定性能和耐热性能的测试装置主要有两类，第一类装置的特征在于，首先将相变材料储存容器置于高温环境中使相变材料熔化储热，达到储热的目的，储热完成后移入低温环境中冷却凝固，达到放热的目的，如此循环，这类装置的不足在于相变材料储存容器在移动过程中受外界环境影响及人为因素等影响测试准确性，且操作复杂、测试效率低；第二类装置的特征在于，将相变材料储存容器置于恒温环境中，通入高温流体使相变材料熔化储热，储热完成后通入低温流体使相变材料凝固放热，如此循环，这类装置的主要局限在于只能采用不同温度的同种液体作为高温流体和低温流体，缩小了相变材料储放热测试的温度范围。
发明内容
本发明针对已有测试系统和技术的不足，提出一种用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制系统及其方法
本发明的技术方案如下：
本发明首先公开了一种用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统，包括高温恒温浴、低温恒温浴、高温流体循环夹套、低温流体循环夹套、绝热隔板、自动升降杆、程序控制器、数据采集仪、相变材料试样管；高温恒温浴通过循环管路与高温流体循环夹套相连；低温恒温浴通过循环管路与低温流体循环夹套相连；高温流体循环夹套与低温流体循环夹套在竖直方向上叠加放置，且两个夹套内的空间互相连通；该连通空间内设置有相变材料试样管；自动升降杆与相变材料试样管连接，相变材料试样管在所述连通空间内可上下移动；程序控制器分别与高温恒温浴、低温恒温浴、自动升降杆和数据采集仪电连接,程序控制器控制高温恒温浴、低温恒温浴、自动升降杆的启停；高温流体循环夹套和低温流体循环夹套之间通过绝热隔板隔开。
优选的，所述的高温恒温浴与高温流体循环夹套相连的管路上设置有入口电磁阀Ⅰ和出口电磁阀Ⅰ；所述的低温恒温浴与低温流体循环夹套相连的管路上设置有入口电磁阀Ⅱ和出口电磁阀Ⅱ；所述的入口电磁阀Ⅰ、出口电磁阀Ⅰ、入口电磁阀Ⅱ和出口电磁阀Ⅱ受程序控制器控制调整各自开度。
优选的，高温流体循环夹套和低温流体循环夹套为一体化设计，相变材料试样管外侧设有升降槽道，自动升降杆和相变材料试样管外侧的升降槽道相匹配，实现相变材料试样管和高温流体循环夹套及低温流体循环夹套的内壳的无缝隙接触。实现相变材料试样管和高温流体循环夹套及低温流体循环夹套的内壳的无缝隙接触，提高了换热效率。
优选的，高温流体循环夹套和低温流体循环夹套的外壳通过绝热材料加工制成，弱化甚至消除了高温恒温流体及低温恒温流体和周围环境之间的传热；高温流体循环夹套和低温流体循环夹套的内壳通过导热材料加工制成。强化了相变材料和高温恒温流体及低温恒温流体之间的传热，提高了测试效率和准确性。
优选的，所述系统中相变材料试样管底部设置有绝热底板，弱化甚至消除了相变材料第二次及后续储热中和低温流体循环夹套之间的换热。
本发明还公开了一种应用所述系统的用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制方法，其特征在于：
将相变材料装入相变材料试样管并加盖绝热密封盖，然后将相变材料试样管放入高温流体循环夹套并固定；开启高温恒温浴，待高温恒温流体达到设定温度时，程序控制器控制入口电磁阀Ⅰ和出口电磁阀Ⅰ打开，高温恒温流体进入高温流体循环夹套，加热相变材料使其熔化储热，当相变材料温度达到高于其熔点的设定值时，视为其完全熔化，完成储热；
程序控制器控制入口电磁阀Ⅰ和出口电磁阀Ⅰ关闭，控制自动升降杆下降，将相变材料试样管下移至低温流体循环夹套，控制入口电磁阀Ⅱ和出口电磁阀Ⅱ打开，低温恒温流体进入低温流体循环夹套，冷却相变材料使其凝固放热；当相变材料温度达到低于其凝固温度的设定值时，视为其完全凝固，完成放热，
程序控制器控制入口电磁阀Ⅱ和出口电磁阀Ⅱ关闭，数据采集仪记录相变材料储放热一次，同时记录整个过程中相变材料的温度和时间；数据采集完成后，视为相变材料完成一个储放热循环，之后程序控制器控制自动升降杆上升，将相变材料试样管上移至高温流体循环夹套开始第二次循环测试，实现相变材料储放热循环性能测试，循环多次后，取出少许相变材料测量其相变焓值、导热系数、动力粘度、密度，热分解温度，结合数据采集仪记录的温度和时间评价相变材料的循环性能；
采用程序控制器设定高温恒温浴的温度为相变材料熔点以上某温度，设定相变材料在此温度下的储存时间，通过数据采集仪记录该过程的温度变化，存储结束后取出少许相变材料测量其相变焓值、导热系数、动力粘度、密度，热分解温度，实现相变材料的耐热性能测试的目的。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)通过程序控制器控制高温恒温浴、低温恒温浴、自动升降杆的启停，实现相变材料储放热循环性能测试的自动控制，安装简单、操作方便，实现相变材料的多次储放热循环性能测试。
(2)通过高温流体循环夹套加热相变材料使其熔化储热，通过低温流体循环夹套冷却相变材料使其凝固放热，实现高温恒温流体和低温恒温流体完全分离，测试过程中采用不同流体作为高温恒温流体和低温恒温流体，扩大了相变材料储放热测试的温度范围；
(3)通过在高温流体循环夹套和低温流体循环夹套之间设置绝热隔板来实现高温恒温流体和低温恒温流体之间无热交换，同时在相变材料试样管底部设置绝热隔板，避免了相变材料在放热过程中高温流体循环夹套中残余热量及储热过程中低温流体循环夹套残余热量的影响。
(4)高温流体循环夹套和低温流体循环夹套的外壳通过绝热材料加工制成，弱化甚至消除了高温恒温流体及低温恒温流体和周围环境之间的传热；高温流体循环夹套内壳和低温流体循环夹套内壳通过高导热材料加工制成，强化了相变材料和高温恒温流体及低温恒温流体之间的传热，提高了测试效率和准确性。
(5)通过自动升降杆控制相变材料试样管在一体化高温流体循环夹套和低温流体循环夹套间自动升降，实现相变材料储热和放热过程的自动切换。
(6)通过数据采集仪记录相变材料储热和放热的次数及储放热过程的温度和时间，实现相变材料多次储放热循环性能的测试。
附图说明
图1为相变材料储放热循环性能测试系统图；
图2为一体化高低温流体循环夹套剖视图；
图3为相变材料试样管及升降槽道测视图；
附图中，各部件列表如下：
1：高温恒温浴； 2：低温恒温浴；
3：高温流体循环夹套； 4：低温流体循环夹套；
5：绝热隔板； 6：自动升降杆；
7：程序控制器； 8：数据采集仪；
9：相变材料试样管； 10：相变材料；
11：绝热密封盖； 12：入口电磁阀Ⅰ；
13：出口电磁阀Ⅰ； 14：入口电磁阀Ⅱ；
15：出口电磁阀Ⅱ； 16：升降槽道；
17：绝热底板； 18：高温流体循环夹套内壳；
19：低温流体循环夹套内壳；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统包括高温恒温浴1、低温恒温浴2、高温流体循环夹套3、低温流体循环夹套4、绝热隔板5、自动升降杆6、程序控制器7、数据采集仪8、相变材料试样管9。首先将一定质量相变材料10装入相变材料试样管9并加盖绝热密封盖11，然后将相变材料试样管9放入高温流体循环夹套3并固定；开启高温恒温浴1，待高温恒温流体达到设定温度时，程序控制器7控制入口电磁阀Ⅰ12和出口电磁阀Ⅰ13打开，高温恒温流体进入高温流体循环夹套3，加热相变材料10使其熔化储热，当相变材料10温度达到高于其熔点的设定值时，视为其完全熔化，完成储热；程序控制器7控制入口电磁阀Ⅰ12和出口电磁阀Ⅰ13关闭，控制自动升降杆6下降，将相变材料试样管9下移至低温流体循环夹套4，控制入口电磁阀Ⅱ14和出口电磁阀Ⅱ15打开，低温恒温流体进入低温流体循环夹套4，冷却相变材料10使其凝固放热；当相变材料10温度达到低于其凝固温度的设定值时，视为其完全凝固，完成放热，程序控制器7控制入口电磁阀Ⅱ14和出口电磁阀Ⅱ15关闭，数据采集仪8记录相变材料10储放热一次，同时记录整个过程中相变材料10的温度和时间。数据采集完成后，视为相变材料10完成一个储放热循环。之后程序控制器7控制自动升降杆6上升，将相变材料试样管9上移至高温流体循环夹套3开始第二次循环测试，实现相变材料10储放热循环性能测试。循环多次后，可取出少许相变材料10测量其相变焓值、导热系数、动力粘度、密度，热分解温度，结合数据采集仪8记录的温度变化和时间评价相变材料10的储放热循环性能。
如图2所示，高温流体循环夹套3和低温流体循环夹套4的外壳通过绝热材料加工制成，强化了相变材料10和高温恒温流体及低温恒温流体之间的传热；高温流体循环夹套内壳18和低温流体循环夹套内壳19通过高导热材料加工制成，弱化甚至消除了高温恒温流体及低温恒温流体和周围环境之间的传热，提高了测试效率和准确性。
如图3所示，高温流体循环夹套3和低温流体循环夹套4为一体化设计，它们的内壳设置有自动升降杆6，自动升降杆6和相变材料试样管9外侧的升降槽道16相匹配，实现相变材料试样管9和高温流体循环夹套3及低温流体循环夹套4的内壳的无缝隙接触，提高了换热效率。相变材料试样管9底部设置有绝热底板17，避免了相变材料10在凝固放热过程中高温流体循环夹套3中残余热量及储热过程中低温流体循环夹套4残余热量的影响。

Claims (5)

1.一种用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统，其特征在于包括高温恒温浴(1)、低温恒温浴(2)、高温流体循环夹套(3)、低温流体循环夹套(4)、绝热隔板(5)、自动升降杆(6)、程序控制器(7)、数据采集仪(8)、相变材料试样管(9)；
高温恒温浴(1)通过循环管路与高温流体循环夹套(3)相连；低温恒温浴(2)通过循环管路与低温流体循环夹套(4)相连；高温流体循环夹套(3)与低温流体循环夹套(4)在竖直方向上叠加放置，且两个夹套内的空间互相连通；该连通空间内设置有相变材料试样管(9)；自动升降杆(6)与相变材料试样管(9)连接，相变材料试样管(9)在所述连通空间内可上下移动；程序控制器(7)分别与高温恒温浴(1)、低温恒温浴(2)、自动升降杆(6)和数据采集仪(8)电连接，程序控制器(7)控制高温恒温浴(1)、低温恒温浴(2)、自动升降杆(6)的启停；高温流体循环夹套(3)和低温流体循环夹套(4)之间通过绝热隔板(5)隔开。
2.根据权利要求1所述的用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统，其特征在于所述的高温恒温浴(1)与高温流体循环夹套(3)相连的管路上设置有入口电磁阀Ⅰ(12)和出口电磁阀Ⅰ(13)；所述的低温恒温浴(2)与低温流体循环夹套(4)相连的管路上设置有入口电磁阀Ⅱ(14)和出口电磁阀Ⅱ(15)；所述的入口电磁阀Ⅰ(12)、出口电磁阀Ⅰ(13)、入口电磁阀Ⅱ(14)和出口电磁阀Ⅱ(15)受程序控制器(7)控制，从而调整各自开度。
3.根据权利要求1所述的用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统，其特征在于高温流体循环夹套(3)和低温流体循环夹套(4)为一体化设计，相变材料试样管(9)外侧设有升降槽道(16)，自动升降杆(6)和相变材料试样管(9)外侧的升降槽道(16)相匹配，实现相变材料试样管(9)和高温流体循环夹套(3)及低温流体循环夹套(4)的内壳的无缝隙接触。
4.根据权利要求1所述的用于测试相变材料储放热循环性能的程序控制系统，其特征在于高温流体循环夹套(3)和低温流体循环夹套(4)的外壳通过绝热材料加工制成，高温流体循环夹套和低温流体循环夹套的内壳通过导热材料加工制成。
5.一种如权利要求2所述系统的用于相变材料储放热循环性能测试的程序控制方法，其特征在于：
将相变材料(10)装入相变材料试样管(9)并加盖绝热密封盖(11)，然后将相变材料试样管(9)放入高温流体循环夹套(3)并固定；开启高温恒温浴(1)，待高温恒温流体达到设定温度时，程序控制器(7)控制入口电磁阀Ⅰ(12)和出口电磁阀Ⅰ(13)打开，高温恒温流体进入高温流体循环夹套(3)，加热相变材料(10)使其熔化储热，当相变材料(10)温度达到高于其熔点的设定值时，视为其完全熔化，完成储热；
程序控制器(7)控制入口电磁阀Ⅰ(12)和出口电磁阀Ⅰ(13)关闭，控制自动升降杆(6)下降，将相变材料试样管(9)下移至低温流体循环夹套(4)，控制入口电磁阀Ⅱ(14)和出口电磁阀Ⅱ(15)打开，低温恒温流体进入低温流体循环夹套(4)，冷却相变材料(10)使其凝固放热；当相变材料(10)温度达到低于其凝固温度的设定值时，视为其完全凝固，完成放热。
程序控制器(7)控制入口电磁阀Ⅱ(14)和出口电磁阀Ⅱ(15)关闭，数据采集仪(8)记录相变材料(10)储放热一次，同时记录整个过程中相变材料(10)的温度和时间；数据采集完成后，视为相变材料(10)完成一个储放热循环，之后程序控制器(7)控制自动升降杆(6)上升，将相变材料试样管(9)上移至高温流体循环夹套(3)开始第二次循环测试，实现相变材料(10)储放热循环性能测试，循环多次后，取出少许相变材料(10)测量其相变焓值、导热系数、动力粘度、密度，热分解温度，结合数据采集仪(8)记录的温度和时间评价相变材料(10)的循环性能；
采用程序控制器(7)设定高温恒温浴(1)的温度为相变材料(10)熔点以上某温度，设定相变材料(10)在此温度下的储存时间，通过数据采集仪(8)记录该过程的温度变化，存储结束后取出少许相变材料(10)测量其相变焓值、导热系数、动力粘度、密度，热分解温度，实现相变材料(10)的耐热性能测试的目的。
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