CN110595991A - 一种相变材料耐久性循环测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种相变材料耐久性循环测试装置及测试方法，一种相变材料的耐久性循环测试装置，包括控制装置、冷水电动二通阀、冷水储存器、冷水产生器、冷水泵、热水电动二通阀、热水储存器、热水产生器、热水泵、样品测试箱、样品存放盒和温控器探头，所述热水产生器通过管道连接热水泵，热水泵通过管道连接热水储存器，热水储存器一侧通过管道连接热水电动二通阀，热水电动二通阀通过管道连接样品测试箱；热水储存器另一侧通过热水电动二通阀连接样品测试箱；冷水产生器通过管道连接冷水泵。
Description
技术领域
本发明属于相变材料耐久性循环测试技术领域，具体涉及一种相变材料的耐久性循环测试装置及测试方法。
背景技术
随着能源与环境问题的日益突出，可以解决能量在时间和空间上不匹配矛盾的相变蓄能技术得到了各行业广泛关注，作为能量的载体，相变材料具有储热密度高，储热放热近似恒温、过程简单易控等特点。相变材料在建筑方面的应用主要有四种方式：直接加入法、浸渗法、微胶囊封装法和定型相变材料。直接加入法是指将相变材料与水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料直接混合。这种方法简便易行，经济成本较低，但相变材料在液体状态下的渗漏以及与建筑材料的不相容是它的最大弊端。浸渗法是指将混凝土、砖块、墙板等建筑材料浸泡在液相相变材料中，并利用毛细管吸附作用或真空吸附方法将相变材料吸收到其内部微小空隙中。但在长期的应用中也存在着相变材料的泄漏问题。微胶囊封装法将微量的相变材料加入到微观的聚合物胶囊中，然后将一定量的微胶囊粉末与建筑材料（混凝土、石膏板以及聚合物等）混合组成复合建筑节能材料。微胶囊封装可以有效地防止相变材料的泄漏，增大相变材料的表面积从而提高传热速率。但由于其高昂的封装成本，很难实现规模化生产。目前除微胶囊法外，另外一个比较流行的方法是定型相变材料。制作定型相变材料需要相变材料和支撑材料。将两种材料在液体状态或玻璃化状态下按照一定的比例进行混合，再进行冷却，将支撑材料冷却到玻璃化转变温度以下制成定型相变材料。这种方法最大的优点是相变材料与支撑材料一体化，支撑材料可以起到封装的作用。但在长期的应用中也存在着相变材料的泄漏问题。
在相变储能系统中，相变材料完成1次熔融和结晶过程为1个循环周期，周期内经过1次吸热过程和1次放热过程，实现能量的储存和释放。相变材料的选择应该遵循以下几个原则：相变潜热高，能够储存或释放更多的热量；相变温度适宜，能满足需要，相变的可逆性好，能尽量避免过冷或过热现象；材料导热系数大；相变过程有较小的膨胀收缩性；相变材料密度大，比热容大；无毒；吸热和放热时温度变化尽可能小、生态友好；成本低，制造方便，在相变过程中性能稳定、易于操作。除此之外，实际运用时还应解决相变材料的耐久性问题，即：相变材料在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体泄露的问题。
目前，国内外针对相变材料在循环过程中热物理性质退化问题有一些研究方法。张东丽等人（张东. 脂肪酸分子合金相变材料的热稳定性[J]. 建築材料學報, 2008, 11(3): 283-287.）利用差示扫描热量技术（DSC）研究了脂肪酸分子合金作为相变材料经56、112、200、400、710次循环后的相变温度和相变潜热的变化。Anant Shukla等人（Shukla A,Buddhi D, Sawhney R L. Thermal cycling test of few selected inorganic andorganic phase change materials[J]. Renewable Energy, 2008, 33(12): 2606-2614.）将石蜡放在烘箱中进行加热熔化， 当整个样品完全变成液体时，熔化结束， 从烘箱中取出样品后立即开始凝固实验，并使其在室温下冷却。 每隔2分钟记录一次温度。AnantShukla等人采用此方法对3种不同的石蜡进行相变试验后得到经过1500次加热循环后的石蜡相变温度和相变潜热的变化。但以上测试方法要不是采用昂贵的设备仪器进行熔化凝固测试，经济成本高，对仪器的使用寿命造成影响，就是采用人工的方法，耗时耗力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种相变材料耐久性循环测试装置及测试方法，通过以太阳能集热器为主，以小型电加热锅炉为辅生产热水，用热水存储器存储热水，采用夜间谷价电供电小型制冷机生产冷水，用冷水存储器储存冷水，采用温控器测量样品内部温度和热水储存器内热水温度，通过温控器、冷热水通断控制装置和冷热水泵协同作用，温控器根据测得的温度信号按照测试的要求控制各电动二通阀、冷热水泵与辅助加热的小型电加热锅炉的开启和关闭，通过设置循环测试次数或测试时间，来控制整个装置系统的启停，实现了既节能又无需人工看管，可全天24小时运行，自动化加热冷却相变材料的相变材料耐久性循环测试过程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种相变材料的耐久性循环测试装置，包括控制装置、冷水电动二通阀、冷水储存器、冷水产生器、冷水泵、热水电动二通阀、热水储存器、热水产生器、热水泵、样品测试箱、样品存放盒和温控器探头，所述热水产生器通过管道连接热水泵，热水泵通过管道连接热水储存器，热水储存器一侧通过管道连接热水电动二通阀，热水电动二通阀通过管道连接样品测试箱；热水储存器另一侧通过热水电动二通阀连接样品测试箱；冷水产生器通过管道连接冷水泵，冷水泵通过管道连接冷水储存器，冷水储存器一侧通过管道连接冷水电动二通阀 ，冷水电动二通阀通过管道连接样品测试箱，冷水储存器另一侧通过冷水电动二通阀连接样品测试箱；样品存储盒上部具有进料口，待测试的样品置于样品存放盒内，所述样品存放盒内配置温控器探头，用以测量样品内部的温度；所述热水储存箱内布置有温控器探头。
所述冷水产生器为小型制冷机，制冷机夜间产生的低温水通过管道流到冷水存储箱内。
所述热水产生器为太阳能集热器或小型电加热锅炉，太阳能集热器在白天产生的热水通过管道流到热水存储器内，控制装置包括温度处理器，相变材料由进料口倒入，温控器探头设于样品存储盒内，用于测量样品内部的温度，温度处理器通过接收温控器探头的温度信号来控制制冷水电动二通阀、热水电动二通阀、冷水泵、热水泵启停、小型电加热锅炉的启停状态。
相对于现有技术，本发明通过控制装置和冷热水通断控制装置协同作用，以太阳能为主电加热为辅作为热源，提供热水、以夜间谷价电供电小型制冷机作为冷源，提供冷水。通过测量样品内部温度进行判断，自动切换热水和冷水，实现了整个测试过程的自动化，无需人工监管，同时有效地把可再生能源与夜间谷价电结合在一起，体现了该测试装置的节能性。而样品存放器采用扁平状薄片式的设计，相对于传统的罐装的存放容器，扁平状薄片式的存放容器增大了相变材料与冷热水的换热面积，加快了相变材料的熔化凝固的速率。
进一步地，所述冷热水通断控制装置包括四个电动二通阀和两个水泵，所述四个电动二通阀和两个水泵分别安装在样品测试装置与热水储存器和冷水存储器连接管道上。
进一步地，所述控制装置包括计数器、时间控制器和温控器，所述计数器通过两个水泵的启停状态变化来计数，进而控制整个测试过程的启停；所述时间控制器通过倒计时的方式来控制整个测试过程的启停；所述温控器通过测得的样品内部和热水存储器内的温度分别控制冷热水通断控制装置内部的四个电动二通阀和两个水泵的启停以及小型电加热锅炉的启停。
进一步地，所述热水发生器包括太阳能集热器和小型电加热锅炉，所述太阳能集热器在白天可以产生60℃的热水，当太阳能集热器产生的水温不够的时候，小型电加热锅炉开启。热水发生器与热水储存器之间管道上设有进水阀和排水阀。
进一步地，所述冷水发生器为小型制冷机，所述小型制冷机采用夜间谷价电供电，可产生10℃左右的低温水，所述冷水发生器与冷水储存器之间的管道上设有进水阀和排水阀。
进一步地，所述样品测试装置通过管道与冷热水通断控制装置连接，样品测试装置内部有样品存放器，所述样品存放器采用厚底为0.5mm的铜片焊接而成，样品存放器的整体厚度为5mm，所述样品存放盒内部布置有温控器的温度探头。
本发明还提供了一种相变材料耐久性循环测试方法，该方法基于本发明所述的相变材料耐久性测试装置，包括以下步骤：
S1：在控制装置中设置试验条件参数，所述试验条件参数包括试验方式、试验高温和试验低温。
S2：开启两个热水电动二通阀和热水泵，样品测试装置内通入热水，给测试材料加热，直至温控器测得样品内部温度达到试验的高温。
S3：两个热水电动二通阀和热水泵自动关闭，两个冷水电动二通阀和冷水泵自动开启，样品测试装置内通入冷水，给测试样品冷却，直至温控器测得样品内部温度达到试验低温，两个冷水电动二通阀和冷水泵关闭，两个热水电动二通阀和热水泵开启 。
S4：重复步骤S2和S3过程，循环通入热水和冷水，直至完成设置的要求。
有益效果
相对于现有相变材料耐久性循环测试方法，本发明采用程序控制，实现了自动化的冷热水循环测试过程，以可再生能源为主电加热为辅，产生热水，以夜间谷价电制冷，产生冷水，通过测量热水储存器内热水温度和样品内部温度进行判断，自动切换热水和冷水及小型电锅炉的启停，使得整个测试过程即节能也无需人工看管，自动加热冷却相变材料，有效地结合了可再生能源和谷价电。
附图说明
图1为本发明相变材料耐久性能循环测试装置的结构示意图。
图2为本发明相变材料耐久性能循环测试装置样品存放盒的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
一种相变材料的耐久性循环测试装置；包括控制装置1、冷水电动二通阀2、冷水储存器3、冷水产生器4、冷水泵11、热水电动二通阀5、热水储存器6、热水产生器7、热水泵12、样品测试箱8、样品存放盒9和温控器探头10，所述热水产生器7通过管道连接热水泵12，热水泵12通过管道连接热水储存器6，热水储存器6一侧通过管道连接热水电动二通阀5，热水电动二通阀5通过管道连接样品测试箱8；热水储存器6另一侧通过热水电动二通阀5连接样品测试箱8；冷水产生器4通过管道连接冷水泵11，冷水泵11通过管道连接冷水储存器3，冷水储存器3一侧通过管道连接冷水电动二通阀2 ，冷水电动二通阀2通过管道连接样品测试箱8，冷水储存器3另一侧通过冷水电动二通阀2连接样品测试箱8；样品存储盒9上部具有进料口14，待测试的样品置于样品存放盒9内，所述样品存放盒9内配置温控器探头10，用以测量样品内部的温度；所述热水储存箱6内布置有温控器探头。
所述冷水产生器4为小型制冷机，制冷机夜间产生的低温水通过管道流到冷水存储箱3内，
所述热水产生器7为太阳能集热器或小型电加热锅炉，太阳能集热器在白天产生的热水通过管道流到热水存储器6内，控制装置1包括温度处理器，相变材料由进料口14倒入，温控器探头10设于样品存储盒9内，用于测量样品内部的温度，控制装置1分别连接制冷水电动二通阀2、热水电动二通阀5、冷水泵11、热水泵12、小型电加热锅炉，温度处理器通过接收温控器探头10的温度信号来控制制冷水电动二通阀2、热水电动二通阀5、冷水泵11、热水泵12启停、小型电加热锅炉的启停状态。
一种相变材料耐久性循环测试方法，包括以下步骤：
1、在控制系统中设置相应的实验条件参数，所述测试参数至少包括试验方式、试验高温和试验低温；
2、在白天，热水产生器开启，产生的热水储存在热水储存器内；在夜间，冷水产生器开启，生产的冷水储存在冷水储存器内；
3、首先，热水电动二通阀和热水泵开启，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，待样品内部的温度达到设置的试验高温时，热水电动二通阀和热水泵关闭，不再流入样品测试箱；冷水电动二通阀和冷水泵开启，冷水通过管道流过冷水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品冷却，待样品内部的温度达到设置的试验低温时，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，不再流入样品测试箱，热水电动二通阀和热水泵开启，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，往复循环，直至完成所需要的测试时间或者测试循环次数。
请参阅图1，其为本实施例的相变材料耐久性循环测试装置的结构示意图。该测试装置包括控制装置1、冷水电动二通阀2、冷水储存器3、冷水产生器4、冷水泵11、热水电动二通阀5、热水储存器6、热水产生器7、热水泵12、样品测试箱8、样品存放盒9和温控器探头10。所述热水产生器7、热水储存器6、样品测试箱8、热水电动二通阀5和热水泵12通过管道连接。所述冷水产生器4、冷水储存器3、样品测试箱8、冷水电动二通阀2 和冷水泵11通过管道连接。如图2所示，待测试的样品置于样品存放盒9内，所述样品存放盒9内配置温控器探头10，用以测量样品内部的温度。所述热水储存箱6内布置有温控器探头，用以测量热水温度。所述控制装置1通过接受温控器探头10和温控器探头的温度信号来控制冷水电动二通阀2、热水电动二通阀5、冷水泵11、热水泵12的以及小型电加热锅炉的启停状态。
具体的，所述冷水产生器4为小型制冷机，冷水产生器4与冷水存储器3之间配置有输出管和流回管。制冷机采用夜间的谷价电供电。制冷机夜间产生的低温水通过管道流到冷水存储箱3内，存储起来。
具体的，所述热水产生器7为太阳能集热器和小型电加热锅炉，热水产生器7与热水存储器6之间配置有输出管和流回管。太阳能集热器在白天工作，太阳能集热器在白天产生的热水通过管道流到热水存储器6内，存储起来。当太阳能集热器产生的水温不够的时候，小型化电加热锅炉开启。
具体的，所述控制装置包括温度处理器。所述温控器探头设有两个。如图2所示，相变材料由进料口14倒入，温控器探头10设于样品存储盒9内，用于测量样品内部的温度，温度处理器通过接收温控器探头10的温度信号来控制制冷水电动二通阀2、热水电动二通阀5、冷水泵11、热水泵12启停。
温控器探头布置于热水存储器6内，用来测量热水存储器6内的热水温度，温度处理器通过接收温控器探头的温度信号来控制小型电加热锅炉启停。
本实施例的工作原理是，以太阳能集热器为主，以小型电加热锅炉为辅产生热水，用热水存储器存储起来，采用夜间谷价电供电小型制冷机产生冷水，用冷水存储器储存起来，采用温控器测量样品内部温度和热水储存器内热水温度，通过冷热水通断控制装置和控制装置的协同作用，全天24小时运行，自动化加热冷却相变材料。
基于上述相变材料耐久性循环测试装置，本实施例还提供了一种相变材料耐久性循环测试方法，包括以下步骤：
（1）在控制系统中设置相应的实验条件参数，所述测试参数至少包括试验方式、试验高温和试验低温。具体的，所述试验方式分为以测试时间和循环次数为判断条件的测试方式。
（2）在白天，热水产生器开启，产生的热水储存在热水储存器内；在夜间，冷水产生器开启，生产的冷水储存在冷水储存器内。
（3）首先，热水电动二通阀和热水泵开启，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，待样品内部的温度达到设置的试验高温时，热水电动二通阀和热水泵关闭，不再流入样品测试箱；冷水电动二通阀和冷水泵开启，冷水通过管道流过冷水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品冷却，待样品内部的温度达到设置的试验低温时，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，不再流入样品测试箱，热水电动二通阀和热水泵开启，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，往复循环，直至完成所需要的测试时间或者测试循环次数。
本发明采用程序化的控制装置实现了自动测量样品内部温度并进行判断，自动切换热水和冷水，自动化的加热冷却相变材料的循环测试过程，热水以太阳能集热器产生为主，小型电加热锅炉为辅，通过热水储存器储存起来使用，当太阳能集热器产生的热水温度不够时，小型电锅炉辅助加热，冷水主要通过夜间谷价电供电小型制冷机产生，再通过冷水储存器储存起来使用，有效利用了可再生能源，避开了用电高峰期，同时，该装置可24小时全天运行，解决了人工监管问题，实现了整个测试过程的节能和自动化。同时被测试样品放置于扁平铜制容器中，相对于传统的罐装的存放容器，扁平状的存放容器增大了相变材料与冷热水的换热面积，加快了相变材料快速地熔化凝固。
下面基于上述相变材料耐久性循环测试装置及方法进行具体测试，以进一步说明本发明。
试验1：以循环次数为判断方式（循环1000次）
在控制系统界面输入相应的试验条件参数，至少包括被测样品内部的试验低温、被测样品内部的试验高温和试验次数；开启热水发生器和冷水发生器，待热水储存箱内热水温度不低于60℃和冷水储存箱内冷水不高于10℃时，开启热水电动二通阀和热水泵，热水（60℃）通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，待被测样品内部的温度达到设置的试验高温时，热水电动二通阀和热水泵关闭，不在流入样品测试箱；冷水电动二通阀和冷水泵开启，冷水（10℃以下）通过管道流过冷水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品降温，待样品内部的温度达到设置的试验低温时，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，不再流入样品测试箱，热水电动二通阀和热水泵开启，热水（60℃）通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，直至完成所需要的测试循环次数，停止测试，同时显示测试用时。
试验2；以测试时间为判断方式（循环36小时）
在控制系统界面输入相应的试验条件参数，至少包括被测样品内部的试验低温、被测样品内部的试验高温和测试时间；开启热水发生器和冷水发生器，待热水储存箱内热水温度不低于60℃和冷水储存箱内冷水不高于10℃时，开启热水电动二通阀和热水泵，热水（60℃）通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，待被测样品内部的温度达到设置的试验高温时，热水电动二通阀和热水泵关闭，不再流入样品测试箱；冷水电动二通阀和冷水泵开启，冷水（10℃以下）通过管道流过冷水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品降温，待样品内部的温度达到设置的试验低温时，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，不再流入样品测试箱，热水电动二通阀和热水泵开启，热水（60℃）通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，直至完成所需要测试时间，停止测试，同时显示测试次数。
Claims (4)
1.一种相变材料的耐久性循环测试装置，其特征是:包括控制装置、冷水电动二通阀、冷水储存器、冷水产生器、冷水泵、热水电动二通阀、热水储存器、热水产生器、热水泵、样品测试箱、样品存放盒和温控器探头，所述热水产生器通过管道连接热水泵，热水泵通过管道连接热水储存器，热水储存器一侧通过管道连接热水电动二通阀，热水电动二通阀通过管道连接样品测试箱；热水储存器另一侧通过热水电动二通阀连接样品测试箱；冷水产生器通过管道连接冷水泵，冷水泵通过管道连接冷水储存器，冷水储存器一侧通过管道连接冷水电动二通阀 ，冷水电动二通阀通过管道连接样品测试箱，冷水储存器另一侧通过冷水电动二通阀连接样品测试箱；样品存储盒上部具有进料口，待测试的样品置于样品存放盒内，所述样品存放盒内配置温控器探头，用以测量样品内部的温度；所述热水储存箱内布置有温控器探头。
2.根据权利要求1所述的一种相变材料的耐久性循环测试装置，其特征是: 所述冷水产生器为小型制冷机，制冷机夜间产生的低温水通过管道流到冷水存储箱内。
3.根据权利要求2所述的一种相变材料的耐久性循环测试装置，其特征是:所述热水产生器为太阳能集热器或小型电加热锅炉，太阳能集热器在白天产生的热水通过管道流到热水存储器内，控制装置包括温度处理器，相变材料由进料口倒入，温控器探头设于样品存储盒内，用于测量样品内部的温度，温度处理器通过接收温控器探头的温度信号来控制制冷水电动二通阀、热水电动二通阀、冷水泵、热水泵启停、小型电加热锅炉的启停状态。
4.一种相变材料耐久性循环测试方法，其特征是:包括以下步骤：
第1步、在控制系统中设置相应的实验条件参数，所述测试参数至少包括试验方式、试验高温和试验低温；
第2步、在白天，热水产生器开启，产生的热水储存在热水储存器内；在夜间，冷水产生器开启，生产的冷水储存在冷水储存器内；
第3步、首先，热水电动二通阀和热水泵开启，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品加热，待样品内部的温度达到设置的试验高温时，热水电动二通阀和热水泵关闭，不再流入样品测试箱；冷水电动二通阀和冷水泵开启，冷水通过管道流过冷水电动二通阀进入到样品测试箱内，给样品存放盒里的待测样品冷却，待样品内部的温度达到设置的试验低温时，冷水电动二通阀和冷水泵关闭，不再流入样品测试箱，热水电动二通阀和热水泵开启，热水通过管道流过热水电动二通阀进入到样品测试箱内，往复循环，直至完成所需要的测试时间或者测试循环次数。
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| CN116399898A (zh) * | 2023-06-02 | 2023-07-07 | 深圳大学 | 相变材料耐久性的测试方法、设备及系统 |
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