CN111122645B - 一种相变材料冷热循环稳定性测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种相变材料冷热循环稳定性测试系统和测试方法，测试系统包括循环模块、切换控制模块、过滤膜、第一样品池和第二样品池，第一样品池和第二样品池内设有相变材料，第一样品池和第二样品池的流入端和流出端设置有过滤膜，过滤膜可使换热介质通过且可阻挡相变材料通过，切换控制模块用于更改循环模块与第一样品池、第二样品池的管路连接方式，循环模块连接第一样品池和第二样品池，循环模块改变换热介质的状态参数以使相变材料吸热或放热。测试方法包括：换热介质经过循环模块提高温度和压力，使第二样品池内的相变材料吸热；换热介质经过循环模块降低压力和温度，使第一样品池内的相变材料放热等步骤。

Description

一种相变材料冷热循环稳定性测试系统和测试方法

技术领域

本申请涉及但不限于材料测试领域，特别是一种相变材料冷热循环稳定性测试系统和测试方法。

背景技术

相变材料是一种利用相变潜热实现能量的存储与释放的新型储能材料，将相变材料应用到建筑材料中，可有效减少室内能耗、节约能源，因此相变材料的应用十分广泛。相变材料的热性能主要通过储热能、相变温度、导热性能和稳定性等四个方面来表示，其中稳定性是指相变材料经过冷热循环后相变点和相变焓值的变化。

一次冷热循环是指相变材料的一个熔化-凝固或凝固--熔化的过程，而A级相变材料的循环稳定性测试需要经过10000次循环，现有的稳定性测试系统或测试方法均是通过间接换热的方式，即将相变材料装在固定容器内，容器放在固定槽中，向固定槽内循环通入冷热液体，实现对相变材料的冷热交替。冷热源与相变材料不能直接接触，且换热面积小，因此实现一次冷热循环需要45～200min，非常耗时；冷热源分别放置，稳定性测试系统体积大，对冷热源一直恒温，浪费能源。

发明内容

本申请提供了一种相变材料冷热循环稳定性测试系统和测试方法，可加快稳定性测试速度。

本申请提供了一种相变材料冷热循环稳定性测试系统，测试系统包括循环模块、切换控制模块、过滤膜、第一样品池和第二样品池，

所述第一样品池和所述第二样品池内设有相变材料，所述第一样品池和所述第二样品池的流入端和流出端设置有所述过滤膜，所述过滤膜可使换热介质通过且可阻挡所述相变材料通过，所述切换控制模块用于更改所述循环模块与所述第一样品池、所述第二样品池的管路连接方式，所述循环模块连接所述第一样品池和所述第二样品池，所述循环模块改变所述换热介质的状态参数以使所述相变材料吸热或放热。

本申请还提供了一种相变材料冷热循环稳定性测试方法，采用前述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，测试方法包括以下步骤：

换热介质经过循环模块提高温度和压力；

换热介质经过第二样品池使第二样品池内的相变材料吸热；

换热介质经过循环模块降低压力和温度；

换热介质经过第一样品池使第一样品池内的相变材料放热；

通过切换控制模块使上述循环路径反向进行。

相比于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供的相变材料冷热循环稳定性测试系统，通过使用过滤膜，将相变材料与换热介质直接接触，增大换热面积，省去了传统技术中用于盛放相变材料的中间容器换热的恒温槽，大大加快了相变材料冷热循环的速度，进而加快了相变材料稳定性测试的速度。并且，由于省去了换热槽、冷源和热源的恒温槽，从而大大减小了测试系统整体的体积；省去了中间不必要的换热过程，从而提高了换热效率。此外，本申请提供的测试系统结构相对简单，工作可靠性高，使用寿命长，大大提高了该测试系统的实用性。

本申请提供的相变材料冷热循环稳定性测试方法，整体流程便于自动化控制实现，有利于加快稳定性测试速度，缩短测试周期。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统第一样品池内相变材料放热、第二样品池内相变材料吸热时的结构示意图；

图2为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统第一样品池内相变材料吸热、第二样品池内相变材料放热时的结构示意图；

图3为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试方法的流程示意图；

图4为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统的线路结构示意图一；

图5为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统的线路结构示意图二；

图6为本申请实施例所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统的线路结构示意图三；

图示说明：

1-循环模块，11-涡轮式压缩机，12-减压膨胀阀，13-循环管路，14-恒温膨胀阀，2-切换控制模块，3-过滤膜，4-第一样品池，5-第二样品池，6-测温模块，61-测温元件。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本申请实施例提供了一种相变材料冷热循环稳定性测试系统，如图1至图2所示，测试系统包括循环模块1、切换控制模块2、过滤膜3、第一样品池4和第二样品池5，第一样品池4和第二样品池5内设有相变材料，第一样品池4和第二样品池5的流入端和流出端设置有过滤膜3，过滤膜3可使换热介质通过且可阻挡相变材料通过，切换控制模块2用于更改循环模块1与第一样品池4、第二样品池5的管路连接方式，循环模块1连接第一样品池4和第二样品池5，循环模块1改变换热介质的状态参数(流体形式，例如：气态和液体转变)以使相变材料吸热或放热。

换热介质可在整个测试系统中(管路)自由流动，而相变材料被约束在第一样品池4和第二样品池5内，换热介质可直接进入第一样品池4和第二样品池5中与相变材料直接接触换热，以提高换热效率。具体地，通过过滤膜3对相变材料和换热介质加以区分，例如：过滤膜3上的孔直径大于换热介质的尺寸，且孔直径小于相变材料的尺寸。

测试的具体方法为：

如图3所示，换热介质经过循环模块1提高温度和压力；换热介质经过第二样品池5使第二样品池5内的相变材料吸热；换热介质经过循环模块1降低压力和温度；换热介质经过第一样品池4使第一样品池4内的相变材料放热；上述为一个完整的“第一样品池4相变材料放热，第二样品池5相变材料吸热”的过程。

通过切换控制模块2使上述循环路径反向进行，即：换热介质经过循环模块1提高温度和压力；换热介质经过第一样品池4使第一样品池4内的相变材料吸热；换热介质经过循环模块1降低压力和温度；换热介质经过第二样品池5使第二样品池5内的相变材料放热；上述为一个完整的“第一样品池4相变材料吸热，第二样品池5相变材料放热”的过程。

上述两个过程合在一起，即为一个完整的冷热循环。

切换控制模块2有两种控制方式：一是自行设置冷热介质通过样品池的循环时间，并记录冷-热循环的次数，例如：完成一个冷热循环的时间为t1，测试装置进行测试的时间为t2，则t2/t1的数值即为已进行的冷热循环的次数；二是设置测温模块6，并通过测温模块6的反馈控制切换方向，并记录冷-热循环的次数，例如：测温模块6的某个测温元件测得该处的换热介质温度升高至a1，当该测温元件再次测得该处的换热介质温度升高至a1时，即为一个完整的冷热循环，最终测温元件测得的次数即为已进行的冷热循环的次数。

本申请实施例将冷热源(即温度不同的换热介质)与相变材料直接接触，增大了换热面积，提高了换热效率，减少了换热时间；无冷热源的存储槽，装置体积小，节约能源，且能实现自动化循环。

在一示例性实施例中，如图1至图2所示，循环模块1包括气体压缩机构、气体膨胀机构和循环管路13，气体压缩机构设置在第一样品池4一端和第二样品池5一端相连的循环管路13上，气体膨胀机构设置在第一样品池4另一端和第二样品池5另一端相连的循环管路13上，气体压缩机构用于提高换热介质的温度和压力，气体膨胀机构用于降低换热介质的压力，并使换热介质由液态变为气态。其中，气体压缩机构可以是涡轮式压缩机11，气体膨胀机构可以是减压膨胀阀12。

循环模块1还包括恒温膨胀阀14，恒温膨胀阀14设置在气体压缩机构所在的循环管路13上。恒温膨胀阀14可以保证使换热介质由液态全部变为气态。

在一示例性实施例中，切换控制模块2包括四通阀。

通过四通阀实现循环管路13的变化，从而使第一样品池4内相变材料放热和吸热的过程交替进行。应当注意的是，四通阀在现有技术中有成熟的应用，在此不再赘述，其连接方式可按照本申请附图中的线路示意图所示进行连接。图4为详细的管路连接图，图5为第一样品池内相变材料放热、第二样品池内相变材料吸热时的情况(与图1对应)，图6为第一样品池内相变材料吸热、第二样品池内相变材料放热时的情况(与图2对应)。

在一示例性实施例中，测试系统还包括测温模块6，测温模块6设置为用于测量第一样品池4和第二样品池5的流入端和流出端处换热介质温度。

测试模块测量流入端和流出端处换热介质温度，可为切换控制模块2提供依据，即通过测温模块6的反馈控制切换方向，并记录冷-热循环的次数。具体地，测温模块6包括四个测温元件61(图中用A1、A2、B1和B2分别表示)，分别设置在第一样品池4流入端和流出端，以及第二样品池5的流入端和流出端。

在一示例性实施例中，测试系统还包括保温模块(图中未示出)，保温模块对第一样品池4、第二样品池5和循环管路13进行保温。

保温模块对整个测试系统进行保温，尤其对第一样品池4、第二样品池5和循环管路13进行保温，以降低热量散失，提高换热效率。

在一示例性实施例中，换热介质为氮气、氧气或者二氧化碳。

可根据相变材料相变点的不同选取不同的换热介质，换热介质为气体，选用比热容小的气体，如氮气、氧气、二氧化碳等。选用比热容小的气体，温度变化明显，便于测量，有利于提高测试系统整体的测量精度。

在一示例性实施例中，过滤膜3上的过滤孔直径大于换热介质的尺寸，且过滤孔直径小于相变材料的尺寸。

通过该方式使换热介质可自由通过过滤膜3，而相变材料无法通过过滤膜3。当然除上述方式外，还可采用其他手段使过滤膜3可对换热介质和相变材料加以区分，例如：换热介质的直径(尺寸)和相变材料的直径(尺寸)均小于过滤孔的直径，并且使相变材料和过滤膜3上带有同种电荷，从而使相变材料不会通过过滤膜3。

在测试系统中，气态的换热介质经过涡轮式压缩机11压缩后变成高温高压的气态，换热介质经过第二样品池5是放热过程(相变材料吸热)，给第二样品池5提供热量，经过第二样品池5后变成常温高压液态的换热介质；经过减压膨胀阀12减压压力降低，换热介质变成低温气态，从而吸收第一样品池4的热量(相变材料放热)，给第一样品池4提供冷源；然后气态的换热介质经过涡轮式压缩机11后温度升高，进入第二样品池5，给第二样品池5中的相变材料提供热量，循环工作。

在本申请中的描述中，需要说明的是，术语“多个”是指两个或更多个，“上”、“下”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的技术方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它技术方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的技术方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

Claims (9)

1.一种相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于：包括循环模块、切换控制模块、过滤膜、第一样品池和第二样品池，

所述第一样品池和所述第二样品池内设有相变材料，所述第一样品池和所述第二样品池的流入端和流出端设置有所述过滤膜，所述过滤膜可使换热介质通过且可阻挡所述相变材料通过，所述切换控制模块用于更改所述循环模块与所述第一样品池、所述第二样品池的管路连接方式，所述循环模块连接所述第一样品池和所述第二样品池，所述循环模块改变所述换热介质的状态参数以使所述相变材料吸热或放热；

所述循环模块包括气体压缩机构、气体膨胀机构和循环管路，所述气体压缩机构设置在所述第一样品池一端和所述第二样品池一端相连的循环管路上，所述气体膨胀机构设置在所述第一样品池另一端和所述第二样品池另一端相连的循环管路上，

所述气体压缩机构用于提高换热介质的温度和压力，所述气体膨胀机构用于降低所述换热介质的压力，并使换热介质由液态变为气态。

2.根据权利要求1所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，所述循环模块还包括恒温膨胀阀，

所述恒温膨胀阀设置在气体压缩机构所在的循环管路上。

3.根据权利要求1所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，所述气体压缩机构为涡轮式压缩机。

4.根据权利要求1所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，所述切换控制模块包括四通阀。

5.根据权利要求1所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，还包括测温模块，所述测温模块设置为用于测量所述第一样品池和所述第二样品池的流入端和流出端处换热介质温度。

6.根据权利要求1所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，还包括保温模块，所述保温模块对所述第一样品池、所述第二样品池和所述循环管路进行保温。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，所述换热介质为氮气、氧气或者二氧化碳。

8.根据权利要求7所述的相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，所述过滤膜上的过滤孔直径大于所述换热介质的直径，且过滤孔直径小于所述相变材料的直径。

9.一种相变材料冷热循环稳定性测试方法，采用如权利要求1至8中任意一项所述相变材料冷热循环稳定性测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

换热介质经过循环模块提高温度和压力；

换热介质经过第二样品池使第二样品池内的相变材料吸热；

换热介质经过循环模块降低压力和温度；

换热介质经过第一样品池使第一样品池内的相变材料放热；

通过切换控制模块使上述循环路径反向进行。

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