CN111289560B - 一种测定相变材料热物性系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定相变材料热物性系统及方法，包括：装有待测相变材料的相变材料容器、水循环系统、加热控制系统和数据采集控制装置；所述加热控制系统用于通过水循环系统对相变材料容器进行加热或冷却，从而改变所述相变材料的状态，所述数据采集控制装置用于计算相变材料的热物性。本发明解决了现有技术中缺少可以将这些热物性全部测量的系统或者方法，以及由于相变材料混合不均，造成测量结果误差较大不能为工程应用提供准确的数据，以及测量成本高的问题。

Description

一种测定相变材料热物性系统及方法

技术领域

本发明涉及相变材料技术领域，特别涉及一种测定相变材料热物性系统及方法。

背景技术

市场上测定相变材料的熔化热和凝固热一般取少量样品测量，少量样品并不能完全代表制备的相变材料的热物性。在样品制备过程中，少量样品的配制容易产生混合不均、测量误差大等问题，所以对测量精度提出了更高的要求。有些仪器可以专门用来测量相变材料的熔化热，但是对于结晶水合盐，不能测出相变材料的凝固热，例如用差示扫描量热法测相变材料的熔化热和凝固热，如果待测相变材料为结晶水合盐，仪器从低温加热相变材料，加热温度超过相变材料的熔点，继续加热结晶水流失，降温过程中不能测出相变材料的凝固热。另外，相变材料在使用过程中，不仅需要知道相变材料的相变潜热，显热储存的部分能量也需要计算在内。通过仪器测出的相变材料熔化热作为相变材料的熔化焓，但是在工程应用中相变材料的相变是一个复杂的过程，相变材料熔化温度需要高于相变材料熔点10～20℃或者更高才能满足加热要求，相变材料放热过程也需要将温度降低到相变材料凝固点以下10～20℃才能满足要求。相变储能材料在实际应用中一般先通过实验测定相变材料的热物性，包括：固态比热容、液态比热容、熔化热、凝固热以及储热量。如果需要测定相变材料的比热容，需要专门的仪器来测量。目前缺少可以将这些热物性全部测量的系统或者方法。复合材料的制备一般采用共混法或者真空吸附的方法，很容易造成相变材料混合不均，复合效果差等问题，取样会造成更大的误差，不能为工程应用提供准确的数据。市场上测量相变材料凝固热一般采用液氮冷却，测量成本较高。空冷方式虽然测量成本低，但是空冷的冷却速度较慢，不便于快速测出结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定相变材料热物性系统及方法，以解决现有技术中缺少可以将这些热物性全部测量的系统或者方法，以及由于相变材料混合不均，造成测量结果误差较大不能为工程应用提供准确的数据，以及测量成本高的问题。

为了解决以上问题，本发明通过以下技术方案实现。

一种测定相变材料热物性系统，包括：

装有待测相变材料的相变材料容器、水循环系统、加热控制系统和数据采集控制装置；

所述加热控制系统用于通过水循环系统对相变材料容器进行加热或冷却，从而改变所述相变材料的状态，所述数据采集控制装置用于计算相变材料的热物性。

优选地，所述水循环系统包括水槽，循环泵、带有散热扇的散热器、出水管路、入水管路、第一流体流量测量装置和第二流体流量测量装置；

所述相变材料容器置于所述水槽内部，浸没在所述水槽内部中水中；

所述加热控制系统包括：传热部件、加热器、搅拌器、第一温度传感器和第二温度传感器；

所述搅拌器置于所述水槽的内部底部；所述加热器置于所述水槽内部；

所述传热部件环绕所述相变材料容器外侧壁设置；

所述水槽的一侧底部设有第一出水口，所述水槽的一侧顶部设有第一进水口；

所述出水管路的一端与所述第一出水口连通，其另一端与所述散热器的第二进水口连通；

所述入水管路的一端与所述第一进水口连通，其另一端与所述散热器的第二出水口连通；

所述循环泵设置在所述出水管路上；

所述第一流体流量测量装置设置于所述第一出水口处，用于测量流出所述水槽的出水水量，并将该出水水量传送给所述数据采集控制装置；

所述第二流体流量测量装置设置于所述第一入水口处，用于测量流进所述水槽的进水水量，并将该进水水量传送给所述数据采集控制装置；

若干个所述第一温度传感器设置于所述水槽内，均用于检测所述水槽内的水温，并将测得的水温传送给所述数据采集控制装置；

所述第二温度传感器设置于所述相变材料容器内部，用于检测所述相变材料容器内部的相变材料的温度，并将其测得的所述温度传送给所述数据采集控制装置；

所述数据采集控制装置用于根据接收到的相变材料的温度、所述水温、所述出水水量和进水水量计算出所述相变材料的热物性。

优选地，所述传热部件为若干个环绕所述相变材料容器外部的翅片。

优选地，所述加热控制系统还包括：绝热层；所述绝热层包覆所述水槽。

优选地，所述第一温度传感器为两个，其中一个设置于所述水槽的第一出水口处，另一个设置于所述水槽的第一进水口处。

另一方面，本发明还提供一种基于如上文所述的测定相变材料热物性系统的测定相变材料热物性方法，其特征在于，包括：

步骤A1、获取实验前水槽内水温和相变材料容器中相变材料温度，打开搅拌器，打开加热器，打开数据采集控制装置；

步骤A2、记录待测相变材料和水槽中水温的变化，电加热加热功率不变，相变材料和水的温升突变时，记录此刻加热时间、待测相变材料温度和水温，计算相变材料固态比热容；

电加热产生热量为W₁，电加热加热时间τ₁，W₁＝Pτ₁；

相变材料吸收热量Q_m1，相变材料在τ₁时间段内温差Δt_m1，相变材料的质量m₁，Q_m1＝c₁m₁Δt_m1；此时间段水吸收热量Q_w1′，水在第一段时间内温差为Δt_w1′，水的质量为m，水的比热容为c：Q_w1′＝cmΔt_w1′；

能量守恒定律W₁＝Q_w1+Q'_w1；

求得相变材料的热物性中的固态比热容

步骤A3，继续加热，直至相变材料相变过程结束，待测相变材料和水温出现第二次突变，记录此刻加热时间τ₂；

相变材料熔化热为L_m，根据能量守恒定律，L_w＝W₂，W₂＝P(τ₂-τ₁)，L_m＝P(τ₂-τ₁)；

步骤A4，继续升温10～20℃，分别记录升温后相变材料的温度和水温，计算相变材料液态比热容c₂，相变材料温度变化为Δt_m2，水温变化为Δt_w2′，Q₂＝c₂m₁Δt_m2，Q₂＇＝cmΔt_w2＇，W₃＝P(τ₃-τ₂-τ₁)，W₃＝Q₂+Q₂＇，得出

相变材料的热物性中的储热量为Q_s，Q_s＝Q₁+L_m+Q₂，Q_s＝Pτ₃。

优选地，还包括：步骤B1，开始测量相变材料的凝固热，记录相变材料液态初始温度，打开循环泵，同时开启第一和第二水流量测量装置，第一和第二水温测量装置，开始冷却相变材料。

步骤B2，降温过程中水出现第一次温度突变点时，记录此时刻水的温度和相变材料的温度，测量流经水槽水的质量m_w和进口水温t_in、出口水温t_out；

步骤B3，水温和相变材料温度下降过程出现第二个突变点时，记录此时间段内水吸收的热量Q_w2，相变材料凝固热L_s，Q_w2＝cm_w(t_out-t_in)，L_s＝Q_w2，计算得出相变材料的热物性中的凝固热L_s＝cm_w(t_out-t_in)。

步骤B4，继续降温10～20℃，取出相变材料，测量过程结束。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明构建了一种测定相变材料热物性系统，提供了一种全新的实验方法，消除或者降低小样品测量产生的误差，能够实现快速准确测量相变材料的固、液态比热容，相变潜热和单位质量相变材料的储热量。

本系统连续运行时可以测相变材料的循环稳定性，相变材料的老化程度可以通过每次循环测得温度差异进行表征，效率高，经济性好。

本系统可以连续测量相变材料的特性，测量方法科学，计算公式合理、数据采集准确、系统运行稳定。

本发明所构建了全新的测试系统，系统简单、可操控性强、占用空间小、容易维护，可以供院校和研究所实验研究、教学展示，也可以进行相关技术推广。在相变材料装置外侧设计翅片，增强导热，实现对相变材料和水几乎同时加热。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种测定相变材料热物性系统的结构框图；

图2为本发明一实施例提供的一种测定相变材料热物性方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明提出的一种测定相变材料热物性系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

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“包括一个……”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。

结合图1和图2所示，本实施例提供了一种测定相变材料热物性系统，包括：装有待测相变材料的相变材料容器20、水循环系统(图中未标号)、加热控制系统(图中未标号)和数据采集控制装置10；所述加热控制系统用于通过水循环系统对相变材料容器进行加热或冷却，从而改变所述相变材料的状态，所述数据采集控制装置10用于计算相变材料的热物性。

具体的如图1所示，所述水循环系统包括水槽120，循环泵90、带有散热扇80的散热器70、出水管路(图中未标号)、入水管路(图中未标号)、第一流体流量测量装置和第二流体流量测量装置；

所述相变材料容器20置于所述水槽120内部，浸没在所述水槽120内部中水中；所述加热控制系统包括：传热部件110、加热器50、搅拌器60、第一温度传感器(图中未示出)和第二温度传感器(图中未示出)；

所述搅拌器60置于所述水槽120的内部底部，用于在加热器50对水进行加热时对水进行搅拌，使得水温升的更均匀；所述加热器50置于所述水槽120内部；所述传热部件110环绕所述相变材料容器20外侧壁设置。

所述水槽120的一侧底部设有第一出水口(图中未标号)，所述水槽120的一侧顶部设有第一进水口(图中未标号)；所述出水管路的一端与所述第一出水口连通，其另一端与所述散热器70的第二进水口(图中未标号)连通；

所述入水管路的一端与所述第一进水口连通，其另一端与所述散热器70的第二出水口(图中未标号)连通；所述循环泵90设置在所述出水管路上，其为水槽120内的水向散热器70流动，以及所述散热器70的水向所述水槽120内流动的动力。所述第一流体流量测量装置(图中未示出)设置于所述第一出水口处，用于测量流出所述水槽120的出水水量，并将该出水水量传送给所述数据采集控制装置10。所述第二流体流量测量装置(图中未示出)设置于所述第一入水口处，用于测量流进所述水槽120的进水水量，并将该进水水量传送给所述数据采集控制装置10。

若干个所述第一温度传感器(图中未示出)设置于所述水槽120内，均用于检测所述水槽120内的水温，并将测得的水温传送给所述数据采集控制装置10。所述第二温度传感器(图中未示出)设置于所述相变材料容器20内部，用于检测所述相变材料容器20内部的相变材料的温度，并将其测得的所述温度传送给所述数据采集控制装置10。所述数据采集控制装置10用于根据接收到的相变材料的温度、所述水温、所述出水水量和进水水量计算出所述相变材料的热物性。

优选地，在本实施例中，所述传热部件110为若干个环绕所述相变材料容器20外部的翅片。使得所述相变材料受热均匀。

优选地，所述加热控制系统还包括：绝热层30；所述绝热层30包覆所述水槽120。

优选地，所述第一温度传感器为两个，其中一个设置于所述水槽120的第一出水口处，用于测量出口水温；另一个设置于所述水槽120的第一进水口处，用于测量进口水温。

图1中的箭头方向为水流动方向。所述水循环系统用于冷却相变材料，进而测定相变材料凝固热，所述加热控制系统用于加热水槽120中的水，进而测定相变材料的熔化热。

测定相变材料凝固热时，首先循环泵90开启，水槽120中的水开始循环，高温水流经散热器70时，高温水从散热器70下面口中流入，从上面口中流出，散热器70开始散热，同时散热扇80加强散热器70散热，高温水经过散热器70降温后变成低温水进入水槽120中，完成循环。水槽120进出口流体流量测量装置测定水量的大小，流体进出口温度测量装置测定冷却过程中水温的大小变化。

所述数据采集控制装置10与加热器50连接。所述水槽120中水温高于相变材料容器20时，相变材料开始升温，翅片110增强相变材料容器20的传热，提高测量效率。相变材料升温经历三个变化，分别是显热变化、潜热变化、显热变化。所述第一温度传感器能实时监测所述水槽120的温度，所述第二温度传感器能实时测量所述相变材料容器20中相变材料的温度，并将信号传送给所述数据采集控制装置10，所述数据采集控制装置10根据接收到的温度信息，进而计算相变材料的不同物理参数。所述绝热层30由多层绝热材料构成，减少测量过程漏热，进而降低系统误差。

如图2所示，另一方面，本发明还提供一种基于如上文所述的测定相变材料热物性系统的测定相变材料热物性方法，其特征在于，包括：

步骤A1、获取实验前水槽内水温和相变材料容器中相变材料温度，打开搅拌器，打开加热器，打开数据采集控制装置；

步骤A2、记录待测相变材料和水槽中水温的变化，电加热加热功率不变，相变材料和水的温升突变时，记录此刻加热时间、待测相变材料温度和水温，计算相变材料固态比热容；

电加热产生热量为W₁，电加热加热时间τ₁，W₁＝Pτ₁；

相变材料吸收热量Q_m1，相变材料在τ₁时间段内温差Δt_m1，相变材料的质量m₁，Q_m1＝c₁m₁Δt_m1

此时间段水吸收热量Q_w1′，水在第一段时间内温差为Δt_w1′，水的质量为m，水的比热容为c：Q_w1′＝cmΔt_w1′；

能量守恒定律W₁＝Q_w1+Q'_w1；

求得相变材料的热物性中的固态比热容

步骤A3，继续加热，直至相变材料相变过程结束因为相变材料相变吸热，吸热过程温度不变，加热器产生的热量传递到水和相变材料中，待测相变材料和水温出现第二次突变，记录此刻加热时间τ₂；

相变材料熔化热为L_m，根据能量守恒定律，L_m＝W₂，W₂＝P(τ₂-τ₁)，L_m＝P(τ₂-τ₁)。

步骤A4，继续升温10～20℃，分别记录升温后相变材料的温度和水温，计算相变材料液态比热容c₂，相变材料温度变化为Δt_m2，水温变化为Δt_w2′，Q₂＝c₂m₁Δt_m2，q₂′＝cmΔt_w2′，W₃＝P(τ₃-τ₂-τ₁)，W₃＝Q₂+Q₂′，得出

相变材料的热物性中的储热量为Q_s，Q_s＝Q₁+L_m+Q₂，Q_s＝Pτ₃。

优选地，还包括：步骤B1，开始测量相变材料的凝固热，记录相变材料液态初始温度，打开循环泵，同时开启第一和第二水流量测量装置，第一和第二水温测量装置，开始冷却相变材料。

步骤B2，降温过程中水出现第一次温度突变点时，记录此时刻水的温度和相变材料的温度，测量流经水槽水的质量m_w和进口水温t_in、出口水温t_out；

步骤B3，水温和相变材料温度下降过程出现第二个突变点时，记录此时间段内水吸收的热量Q_w2，相变材料凝固热L_s，Q_w2＝cm_w(t_out-t_in)，L_s＝Q_w2，计算得出相变材料的热物性中的凝固热L_s＝cm_w(t_out-t_in)。

步骤B4，继续降温10～20℃，取出相变材料，测量过程结束。

综上所述，本发明构建了一种测定相变材料热物性系统，提供了一种全新的实验方法，消除或者降低小样品测量产生的误差，能够实现快速准确测量相变材料的固、液态比热容，相变潜热和单位质量相变材料的储热量。本系统连续运行时可以测相变材料的循环稳定性，相变材料的老化程度可以通过每次循环测得温度差异进行表征，效率高，经济性好。

本系统可以连续测量相变材料的特性，测量方法科学，计算公式合理、数据采集准确、系统运行稳定。本发明所构建了全新的测试系统，系统简单、可操控性强、占用空间小、容易维护，可以供院校和研究所实验研究、教学展示，也可以进行相关技术推广。在相变材料装置外侧设计翅片，增强导热，实现对相变材料和水几乎同时加热。

应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种测定相变材料热物性系统，其特征在于，包括：

装有相变材料的相变材料容器、水循环系统、加热控制系统和数据采集控制装置；

所述加热控制系统用于通过水循环系统对相变材料容器进行加热或冷却，从而改变所述相变材料的状态，所述数据采集控制装置用于计算相变材料的热物性；

所述水循环系统包括水槽、循环泵、带有散热扇的散热器、出水管路、入水管路、第一流体流量测量装置和第二流体流量测量装置；

所述相变材料容器置于所述水槽内部，浸没在所述水槽内部中水中；

所述加热控制系统包括：传热部件、加热器、搅拌器、第一温度传感器和第二温度传感器；

所述搅拌器置于所述水槽的内部底部；所述加热器置于所述水槽内部；

所述传热部件环绕所述相变材料容器外侧壁设置；

所述水槽的一侧底部设有第一出水口，所述水槽的一侧顶部设有第一进水口；

所述出水管路的一端与所述第一出水口连通，其另一端与所述散热器的第二进水口连通；

所述入水管路的一端与所述第一进水口连通，其另一端与所述散热器的第二出水口连通；

所述循环泵设置在所述出水管路上；

所述第一流体流量测量装置设置于所述第一出水口处，用于测量流出所述水槽的出水水量，并将该出水水量传送给所述数据采集控制装置；

所述第二流体流量测量装置设置于所述第一进水口处，用于测量流进所述水槽的进水水量，并将该进水水量传送给所述数据采集控制装置；

若干个所述第一温度传感器设置于所述水槽内，均用于检测所述水槽内的水温，并将测得的水温传送给所述数据采集控制装置；

所述第二温度传感器设置于所述相变材料容器内部，用于检测所述相变材料容器内部的相变材料的温度，并将其测得的所述温度传送给所述数据采集控制装置；

所述数据采集控制装置用于根据接收到的相变材料的温度、所述水温、所述出水水量和进水水量计算出所述相变材料的热物性；

所述数据采集控制装置具体用于：获取实验前水槽内水温和相变材料容器中相变材料温度；

记录相变材料和水槽中水温的变化，记录电加热加热功率不变，相变材料和水的温升突变时的加热时间、相变材料温度和水温，计算相变材料固态比热容；

电加热产生热量为W₁，电加热加热时间τ₁，W₁＝Pτ₁；

相变材料吸收热量Q_m1，相变材料在τ₁时间段内温差Δt_m1，相变材料的质量m₁，Q_m1＝c₁m₁Δt_m1；此时间段水吸收热量Q_w1′，水在第一段时间内温差为Δt_w1′，水的质量为m，水的比热容为c：Q_w1′＝cmΔt_w1′；

能量守恒定律W₁＝Q_w1+Q′_w1；

求得相变材料的热物性中的固态比热容

记录此刻相变材料相变过程结束，相变材料和水温出现第二次突变时的加热时间τ₂；

相变材料熔化热为L_m，根据能量守恒定律，L_m＝W₂，W₂＝^P(τ₂-τ₁)，L_m＝^P(τ₂-τ₁)；

分别记录继续升温10～20℃后相变材料的温度和水温，计算相变材料液态比热容c₂，相变材料温度变化为Δt_m2，水温变化为Δt_w2′，Q₂＝c₂m₁Δt_m2，Q₂′＝cmΔt_w2′，W₃＝P(τ₃-τ₂-τ₁)，W₃＝Q₂+Q₂′，得出

相变材料的热物性中的储热量为Q_s，Q_s＝Q₁+L_m+Q₂。

2.如权利要求1所述的测定相变材料热物性系统，其特征在于，所述传热部件为若干个环绕所述相变材料容器外部的翅片。

3.如权利要求2所述的测定相变材料热物性系统，其特征在于，所述加热控制系统还包括：绝热层；所述绝热层包覆所述水槽。

4.如权利要求3所述的测定相变材料热物性系统，其特征在于，所述第一温度传感器为两个，其中一个设置于所述水槽的第一出水口处，另一个设置于所述水槽的第一进水口处。

5.一种基于如权利要求1～4中任意一项所述的测定相变材料热物性系统的测定相变材料热物性方法，其特征在于，包括：

步骤A1、获取实验前水槽内水温和相变材料容器中相变材料温度，打开搅拌器，打开加热器，打开数据采集控制装置；

步骤A2、记录相变材料和水槽中水温的变化，电加热加热功率不变，相变材料和水的温升突变时，记录此刻加热时间、相变材料温度和水温，计算相变材料固态比热容。

6.如权利要求5所述的测定相变材料热物性方法，其特征在于，还包括：

步骤B1，开始测量相变材料的凝固热，记录相变材料液态初始温度，打开循环泵，同时开启第一和第二流体流量测量装置，第一和第二温度传感器，开始冷却相变材料；

步骤B2，降温过程中水出现第一次温度突变点时，记录此时刻水的温度和相变材料的温度，测量流经水槽水的质量m_w和进口水温t_in、出口水温t_out；

步骤B3，水温和相变材料温度下降过程出现第二个突变点时，记录此时间段内水吸收的热量Q_w2，相变材料凝固热L_s，Q_w2＝cm_w(t_out-t_in)，L_s＝Q_w2，计算得出相变材料的热物性中的凝固热L_s＝cm_w(t_out-t_in)；

步骤B4，继续降温10～20℃，取出相变材料，测量过程结束。