CN110333264A - 测试相变材料导热系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种测试相变材料导热系数的方法，包括：将相变材料试样放置于热板和冷板之间；将冷板的温度调节至第一预设温度，热板的温度调节至起始温度；针对所述热板，在达到稳定状态后，多次采集该热板的温度和表面热流，对所述温度和所述热流取平均值，得到温度平均值和热流平均值；调节所述热板的温度从所述起始温度至终止温度，每隔第二预设温度获取一次所述温度平均值和所述热流平均值；根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，得到所述相变材料的导热系数。

Description

测试相变材料导热系数的方法
技术领域
本申请涉及相变材料技术领域，具体提供一种测试相变材料导热系数的方法。
背景技术
相变材料(Phase change materials,PCMs)是指随温度变化而形态(相)改变并能吸收或释放大量潜热的物质，其在相变温度区间内的蓄热能力远大于普通建筑材料的显热蓄热能力，并且在相变过程中保持温度恒定相变构件性能受热物性影响，包括：比热容、潜热量、导热系数。导热系数是影响含相变储能材料的构件吸、放热过程的重要因素。
国内外导热系数还是依靠实验测量获得。测量方法可分为两类：稳态法和非稳态法。稳态法缺点是比较原始，测定时间较长，对环境要求苛刻；非稳态法的缺点是求解过程较复杂。
稳态法和非稳态法测试导热系数适用于各向同性、均质的材料，但是相变材料的变物性材料，它的物性参数比热容、导热系数都随温度的变化而变化，并不是一个定值，而现有的测试方法都假设导热系数和比热容不变，这与材料本身的性质是相悖的。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种测试相变材料导热系数的方法，包括：将相变材料试样放置于热板和冷板之间；将冷板的温度调节至第一预设温度，热板的温度调节至起始温度；针对所述热板，在达到稳定状态后，多次采集该热板的温度和表面热流，对所述温度和所述热流取平均值，得到温度平均值和热流平均值；调节所述热板的温度从所述起始温度至终止温度，每隔第二预设温度获取一次所述温度平均值和所述热流平均值；根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，得到所述相变材料的导热系数。
在一些实施例中，所述根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，得到所述相变材料的导热系数，包括：
对多个所述温度平均值和多个所述热流平均值进行拟合，得到所述温度平均值和所述热流平均值的对应曲线；将所述对应曲线代入到如下公式中，求得所述导热系数：
λ(T)＝f′(T)
其中，T为热板温度，λ(T)为热板温度为T时的导热系数，f′(T)为温度平均值和热流平均值的对应曲线方程的一阶导数。
在一些实施例中，所述稳定状态为：所述热板的温度波动在±0.01℃/30min。
在一些实施例中，所述热板的厚度和所述冷板的厚度差别小于2％。
在一些实施例中，所述试样的数量为两个，所述冷板的数量为两个，所述热板的数量为一个，在所述热板的一侧依次设置有所述试样以及所述冷板，在所述主加热板的另一侧与所述一侧对称设置；两块所述试样的形状相同、大小相同；两块所述冷板的温度均匀且相等。
在一些实施例中，在所述热板和所述试样之间设置有保护加热板。
本申请实施例提供的相变构件及其导热系数的测试方法中，只需调控热板的温度，测量其表面的热流，操作方便，能够测试相变材料在相变区间导热系数随温度的变化情况，从而反应变化规律，对增强相变材料导热系数的研究提供了可靠的手段。
附图说明
图1是本申请实施例提供的相变构件的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的接近理想一维热流分布示意图。
图3是本申请实施例提供的测试相变构件导热系数的方法的示意图。
图4是本申请实施例提供的热板温度和热流值的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1示出了本申请实施例提供的相变构件的结构示意图。如图1所示，该相变构件包括热板101、两块保护加热板102、两块试样103及两块冷板104。
在热板101的一侧依次设置有一块保护加热板102、一块试样103及一块冷板104，在主加热板101的另一侧与上述一侧对称设置。
其中，两块试样103的形状相同、大小相同；两块冷板104的温度均匀且相等。
在一些实施例中，可以通过在保护加热板102与热板101之间布置温差热电偶，以控制保护加热板102的加热量，使其内边(靠近热板101的边)的温度始终跟踪保护加热板102外圈(靠近试样103的边)的温度，这样就能够尽可能减小热板101测量区域侧面热损，使得中心测量区产生如图2所示接近理想一维热流分布。
下面结合上述的相变构件对本申请实施例提供的测试相变构件导热系数的方法来进行详细说明。
图3示出了本申请实施例提供的测试相变构件导热系数的方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤301，将相变材料试样放置于热板和冷板之间。
步骤302，将冷板的温度调节至第一预设温度，热板的温度调节至起始温度。
其中，热板的厚度和冷板的厚度差别小于2％。
步骤303，针对热板，在达到稳定状态后，多次采集该热板的温度和表面热流，对温度和热流取平均值，得到温度平均值和热流平均值。
其中，稳定状态为：热板的温度波动在±0.01℃/30min。
步骤304，调节热板的温度从起始温度至终止温度，每隔第二预设温度获取一次温度平均值和热流平均值。
步骤305，根据多个温度平均值和多个热流平均值，得到相变构件的导热系数。
在本实施例中，只需调控热板的温度，测量其表面的热流，操作方便，能够测试相变材料在相变区间导热系数随温度的变化情况，从而反应变化规律，对增强相变材料导热系数的研究提供了可靠的手段。
本申请实施例提供的测试相变构件导热系数的方法不仅能够测量温度不连续变化的相变构件的导热系数，还可以测量温度连续变化的相变构件的导热系数。
在一些实施例中，根据多个温度平均值和多个热流平均值得到相变构件的导热系数，可以通过以下方法来实现：
对多个温度平均值和多个热流平均值进行拟合，得到温度平均值和热流平均值的对应曲线。
将所述对应曲线代入到如下公式中，求得所述导热系数：
λ(T)＝f′(T)
其中，T为热板温度，λ(T)为热板温度为T时的导热系数，f′(T)为温度平均值和热流平均值的对应曲线方程的一阶导数。
导热系数的计算公式可以采用如下步骤得到：
根据傅里叶定律：
其中，q为热流密度，λ为导热系数，x为在导热面上的坐标，T为热板温度。
由上述公式可得：
qdx＝-λ(T)dT
在相变材料的厚度方向进行积分，可得：
其中，T1为冷板温度，T为热板温度，d为相变构件厚度。
定义连续函数：
可得
最后可得，相变材料导热系数的计算公式为：
λ(T)＝f′(T)
其中，T为热板温度，λ(T)为热板温度为T时的导热系数，f′(T)为温度平均值和热流平均值的对应曲线方程的一阶导数。
下面以测量石蜡构件的导热系数例子来详细说明本申请实施例提供的测试相变构件导热系数的方法。
制作两块相同的石蜡构件(30cm×30cm×3.3cm)，冷板温度控制到26℃，热板温度从27℃开始，每隔1℃测量1次，记录下此时的热板温度和热流，直到热板温度达到32℃。
测量热板温度和热流时，先检测热板是否达到稳态，即热板的温度波动在±0.01℃/30min时达到稳态，在达到稳态后测量三次热板的温度取平均值作为热板的温度测量值，测量三次热流取平均值作为热流的测量值。
测量的结果如表1所示。
表1
热板温度(℃) 27 28 29 30 31 32
热流(W/m<sup>2</sup>) 33.35 49.29 71.51 83.85 98.75 114.49
针对表1中的数据进行拟合，其拟合结果如图4所示。
由于采用的双试样，实验中的热流值公式应为：
可得：
最后可得到导热系数的值为0.267W/(m·k)。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，包括：
将相变材料试样放置于热板和冷板之间；
将冷板的温度调节至第一预设温度，热板的温度调节至起始温度；
针对所述热板，在达到稳定状态后，多次采集该热板的温度和表面热流，对所述温度和所述热流取平均值，得到温度平均值和热流平均值；
调节所述热板的温度从所述起始温度至终止温度，每隔第二预设温度获取一次所述温度平均值和所述热流平均值；
根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，得到所述相变材料的导热系数。
2.根据权利要求1所述的测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，所述根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，得到所述相变材料的导热系数，包括：
对多个所述温度平均值和多个所述热流平均值进行拟合，得到所述温度平均值和所述热流平均值的对应曲线；
将所述对应曲线代入到如下公式中，求得所述导热系数：
λ(T)＝f′(T)
其中，T为热板温度，λ(T)为热板温度为T时的导热系数，f′(T)为温度平均值和热流平均值的对应曲线方程的一阶导数。
3.根据权利要求1或2所述的测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，所述稳定状态为：所述热板的温度波动在±0.01℃/30min。
4.根据权利要求1或2所述的测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，所述热板的厚度和所述冷板的厚度差别小于2％。
5.根据权利要求1或2所述的测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，所述试样的数量为两个，所述冷板的数量为两个，所述热板的数量为一个，在所述热板的一侧依次设置有所述试样以及所述冷板，在所述主加热板的另一侧与所述一侧对称设置；
两块所述试样的形状相同、大小相同；
两块所述冷板的温度均匀且相等。
6.根据权利要求5所述的测试相变材料导热系数的方法，其特征在于，在所述热板和所述试样之间设置有保护加热板。
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