相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及到相变材料物理性能测试技术领域,具体涉及到相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法及装置。
背景技术
相变材料通过改变自身相的形式(固—气、固—液,液—气)来吸收和释放大量热量,而在相变过程中其保持着温度不变的特性,具有储热密度大、结构紧凑、工作稳定性好的特点。因此,相变材料在建筑节能、室温调控、冷链物流和个人体温调节方面具有广泛应用。
相变材料的热物理性能包括:相变温度、比热容和相变潜热,准确的热物理性能是相变材料应用的基础。然而,获得相变材料热物理性能参数却并不是一件容易的事。当前,针对相变材料热物理性能的测量,一般要借助专业设备如差分扫描量热仪(DifferentialScanning Calorimetry,DSC),但是这种专业设备只有专业研究所才具备。测量一次相变材料热物理性能的费用一般在500~2000元之间,随着相变材料种类和成分的变化获得不同相变材料热物理性能参数,补全材料数据库,对任何一家企业来说都是一笔不小的开销。
中国发明专利申请(公开号:CN111830081A)在2020年公开了一种相变材料熔化潜热测量方法及装置,其测量方法包括:S1,将加热棒插装至密封容器中,加热棒与密封容器之间的间隙区域填充相变材料;S2,对加热棒通电,实时采集加热棒外壁面上的温度,监测加热棒的加热功率,获取加热棒外壁面上的热流密度和相变材料当前的固液界面位置;S3,基于加热棒的发热量及相变材料的潜热与显热建立热平衡方程,获取相变材料当前的熔化潜热值;该发明测试结构简单,能够降低测量成本,可测量相变材料的熔化潜热值,但是不便于同时获取相变测量的比热容和相变温度等参数,而且在试验过程中需要加热并调控加热状态,为此还需要设置散热器,装置构建相对复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种简便有效的相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法及装置,减少企业开支提高经济效益。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法,所述测量方法包括如下步骤:
S1:将液态的相变材料注入储料室,将纯净水注入储液室中,盖上隔热盖,所述储料室位于所述储液室中,所述纯净水的初始温度大于液态的所述相变材料的初始温度;用热电偶分别记录液态的所述相变材料和所述纯净水的初始温度以及热平衡时的温度,作出温度曲线;
S2:根据能量守恒定理,液态的所述相变材料吸热,所述纯净水放热,基于显热平衡方程根据初始温度和热平衡时的温度计算出相变材料的比热容;
S3:将所述储料室从所述储液室内取出并放入冰箱中冷冻,直至液态的所述相变材料变为固态的相变材料,然后将所述储料室重新放入所述储液室中;再次用热电偶记录所述相变材料和纯净水的初始温度以及热平衡时的温度,作出温度曲线;
S4:利用温度曲线得出相变材料的相变温度,然后列出相变材料的显热和潜热热平衡方程,计算相变材料的潜热值;
S5:改变纯净水的初始温度,重复几次实验,取多次实验的相变材料相变温度、比热容和潜热值的平均值作为最终值。
本测量方法是基于显热热平衡数据计算潜热热平衡数据,从而获得相变材料的相变温度、比热容和熔化潜热值等热物理性能参数;具有结构简单、成本低廉、测试速度快和重复精度高的特点;节约了测试节本,为相变材料的应用和推广提供了基础。
本测量方法,不需要设置复杂昂贵的测试设备,也不用设置加热装置,在测量过程中无需加热和升温控制,测量成本较低、操作也相对方便,测量周期较短,通过数据的采集和合理的计算就能够获取相变材料的相变温度、熔化潜热和比热容,不用分别测试。
本方法充分利用了纯净水的吸热、散热和换热的能力,通过纯净水与相变材料温度差的设置,采用热电偶测量相变材料和纯净水的初始温度以及热平衡时的温度,并实时测量过程温度值,有利于温度变化曲线的设置,通过曲线变化获取相变温度,为后续潜热值的计算提供基础。
而且本装置和方法由于设置简单,可重复性强,因此可以重复测量同一相变材料,通过设置不同的初始温度值,在反复多次的重复试验后,能够求得平均值,更加准确的反映出测量的准确性和有效性。
进一步的,在步骤S1中,所述热电偶为两根,分别插入到所述储料室和所述储液室的中心位置,以中心位置处的温度作为平均温度,并且所述储液室的初始温度与所述储料室的初始温度的温度差值在28-32℃;所述储液室由低导热材料构成,所述储料室由薄厚度的高导热材料构成,所述纯净水加在所述储液室内壁与所述储料室外壁围成的空间内。
这样的设置能够保证所述纯净水包裹所述储料室,并且纯净水的注入高度是大于相变材料的高度,确保相变材料各处的换热充分。
进一步的,根据步骤S2的方法,技术比热容的过程如下:液态的所述相变材料吸收的热量记为Q1,所述储料室吸收的热量记为Q2,所述纯净水放出的热量记为Q3,且Q1+
Q2=Q3;Q1=c1m1·△T1,Q2=c2m2·△T2,Q3=c3m3·△T3
△T1=T3-T1,△T2=T3-T1,△T3=T3-T2
m2=ρ2π(2r+d)dH,m3=ρ3π(R+r+d)(R-r-d)h
计算得到液态的所述相变材料的比热容为:
其中,c1、c2和c3分别是相变材料、储料室和纯净水的比热容,c3=4200J/(kg.℃);m1、m2和m3分别是相变材料、储料室和纯净水的质量,单位kg;T1、T2和T3分别是相变材料初始温度、纯净水初始温度和热平衡时温度,单位℃;R、r和d分别是储液室半径、储料室内径和储料室厚度,单位是m;h和H分别是液柱的高度和储料室的高度,单位m。
进一步的,在步骤S3中,冷冻后的所述相变材料再次放入所述储液室中,所述相变材料的吸热分为两部分,潜热吸热Q4和显热吸热Q5;相变潜热吸热时相变材料温度不变,显热吸热时温度上升,温度曲线拐点处即为相变材料的相变温度T4;相变材料的显热和潜热热平衡方程为:
Q4=m1·△H,Q5=c1m1·△T4,Q6=c2m2·△T5,Q7=c3m3·△T6
Q4+Q5+Q6=Q7,△T4=T6-T4,△T5=T6-T4,△T6=T6-T5;
计算可得所述相变材料的潜热值:
其中,ΔH是相变潜热值,单位J/kg;T4、T5和T6分别是相变温度、二次放入相变材料时储液室的初始温度和二次热平衡后的温度,单位℃;Q6和Q7分别是再次放入后储料室的吸热量和纯净水的放热量,单位J。
进一步的,步骤S5中平均值的计算公式为:
在上述计算模型建立和公式推导过程中,将方便测量的温度作为变量,而将与试验装置相关的储液室、储料室尺寸,相变材料、储料室和纯净水的质量等作为可控的量参入进分析计算,能够有效、准确的计算出测试结果,装置和方法带来的误差较小,计算的速度快,有利于快速测量和获取相变材料热物理性能参数,为企业补全材料数据库。
进一步的,一种相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量装置,所述装置包括保温筒、数据采集系统和数据处理系统;
所述保温筒包括储液室,以及设置在所述储液室中部的储料室,所述储液室上设置的隔热盖用于同时盖合密封所述储液室和所述储料室,所述储液室的侧壁还连接有液柱器;
所述数据采集系统包括多通道数据采集仪和多根热电偶,所述热电偶的一端分别插入所述储液室和所述储料室的中部、另一端分别通过线缆与所述多通道数据采集仪连接;
所述数据处理系统包括电脑主机,以及与所述电脑主机连接的显示器,所述电脑主机内预设有数据处理软件,所述电脑主机通过数据线与所述多通道数据采集仪连接。
本测量装置的结构简单,易于制作,所述储料室和所述储液室为两种不同材料构成的筒状器具,具有不同的作用,所述储料室具有良好的换热和传热特点,所述储液室具有保温密闭的功能,所述隔热盖与所述储液室一样具有隔热保温的作用,这样的设置能够让所述纯净水、所述相变材料和所述储料室的温度变化在同一密封容器内,有利于获取平衡温度,外在干扰较少。
进一步的,所述储液室的壁厚大于所述储料室的壁厚,所述储液室采用聚四氩乙烯制成,所述储料室采用纯铜制成,所述储料室的厚度为1-2mm,厚度较薄,使得相变材料与纯净水之间有较好的吸热、放热的交互过程。
进一步的,所述储液室为圆筒形,所述储料室也为圆筒形,所述液柱器通过上下两个通道与所述储液室连通并通过所述通道固定,所述液柱器上设有透明视窗并设有刻度。
在所述储液室的外周侧设置所述液柱器,有利于获取和观察到储液室内部纯净水水位的变化,同时对于储液室内纯净水的影响也较小。
进一步的,所述热电偶选用K型热电偶,使用温度范围-20℃~100℃,所述多通道数据采集仪选用10通道数据采集仪。
进一步的,所述数据采集系统和数据处理系统通过数据线构成闭环回路;所述数据处理系统在接收所述数据采集系统的数据信号后,通过DTM 1.0.4软件导出数据,并导入Origion 8.5软件中绘制温度曲线。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:1、本测量方法是基于显热热平衡数据计算潜热热平衡数据,从而获得相变材料的相变温度、比热容和熔化潜热值等热物理性能参数;具有结构简单、成本低廉、测试速度快和重复精度高的特点;节约了测试节本,为相变材料的应用和推广提供了基础;2、本测量方法,不需要设置复杂昂贵的测试设备,也不用设置加热装置,在测量过程中无需加热和升温控制,操作方便,测量周期较短,通过数据的采集和合理的计算就能够获取相变材料的相变温度、熔化潜热和比热容,不用分别测试;3、本测量装置的结构简单,易于制作,所述储料室具有良好的换热和传热特点,所述储液室和所述隔热盖具有良好的保温密闭的功能,这样的设置能够让所述纯净水、所述相变材料和所述储料室的温度变化在同一密封容器内,有利于准确获取热平衡时的温度,外在干扰较少。
附图说明
图1为本发明相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法的流程示意图;
图2为本发明相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量装置的立体结构示意图;
图3为本发明相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量装置的局部剖视结构示意图;
图4为本发明储料室和储液室的尺寸示意图;
图中:1、保温筒;2、数据采集系统;3、数据处理系统;101、液柱器;102、相变材料;103、纯净水;104、隔热盖;105、储料室;106、储液室;201、多通道数据采集仪;202、热电偶;301、主机;302、显示器。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一:
如图2~图4所示,一种相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量装置,所述测量装置包括保温筒1、数据采集系统2和数据处理系统3;
所述保温筒1包括储液室106,以及设置在所述储液室106中部的储料室105,所述储液室106上设置的隔热盖104用于同时盖合密封所述储液室106和所述储料室105,所述储液室106的侧壁还连接有液柱器101;
所述数据采集系统2包括多通道数据采集仪201和多根热电偶202,所述热电偶202的一端分别插入所述储液室106和所述储料室105的中部、另一端分别通过线缆与所述多通道数据采集仪201连接;
所述数据处理系统3包括电脑主机301,以及与所述电脑主机301连接的显示器302,所述电脑主机301内预设有数据处理软件,所述电脑主机301通过数据线与所述多通道数据采集仪201连接。
本测量装置的结构简单,易于制作,所述储料室105和所述储液室106为两种不同材料构成的筒状器具,具有不同的作用,所述储料室105具有良好的换热和传热特点,所述储液室106具有保温密闭的功能,所述隔热盖104与所述储液室106一样具有隔热保温的作用,这样的设置能够让所述纯净水103、所述相变材料102和所述储料室105的温度变化在同一密封容器内,有利于获取平衡温度,外在干扰较少。
进一步的,所述储液室106的壁厚大于所述储料室105的壁厚,所述储液室106采用聚四氩乙烯制成,所述储料室105采用纯铜制成,所述储料室105的厚度为1-2mm,厚度较薄,使得相变材料102与纯净水103之间有较好的吸热、放热的交互过程。
进一步的,所述储液室106为圆筒形,所述储料室105也为圆筒形,所述液柱器101通过上下两个通道与所述储液室106连通并通过所述通道固定,所述通道和所述液柱器101也具备隔热功能,所述液柱器101上设有透明视窗并设有刻度。
在所述储液室106的外周侧设置所述液柱器101,有利于获取和观察到储液室106内部纯净水103水位的变化,这样的观察方式对储液室内纯净水的温度影响也较小。
进一步的,所述热电偶202选用K型热电偶,使用温度范围-20℃~100℃,所述多通道数据采集仪201选用10通道数据采集仪。
进一步的,所述数据采集系统2和数据处理系统3通过数据线构成闭环回路;所述数据处理系统3在接收所述数据采集系统2的数据信号后,通过DTM 1.0.4软件导出数据,并导入Origion 8.5软件中绘制温度曲线。通过绘制的温度曲线能够直观的看出相变材料、纯净水的温度变化趋势,有利于快速获取热平衡时的温度。
实施例二:
如图1~图4所示,一种相变材料相变温度、熔化潜热和比热容的测量方法,所述测量方法包括如下步骤:
S1:将液态的相变材料102注入储料室105中,将所述储料室105放置在所述储液室106中,将纯净水103注入储液室106中,盖上隔热盖104,所述纯净水103的初始温度大于液态的所述相变材料102的初始温度;用热电偶202分别记录液态的所述相变材料102和所述纯净水103的初始温度以及热平衡时的温度,作出温度曲线;
S2:根据能量守恒定理,液态的所述相变材料102吸热,所述纯净水103放热,基于显热平衡方程根据初始温度和热平衡时的温度计算出相变材料的比热容;
S3:将所述储料室105从所述储液室106内取出并放入冰箱中冷冻,直至液态的所述相变材料102变为固态的相变材料,然后将所述储料室105重新放入所述储液室106中;再次用热电偶202记录所述相变材料和纯净水的初始温度以及热平衡时的温度,作出温度曲线;
S4:利用温度曲线得出相变材料的相变温度,然后列出相变材料的显热和潜热热平衡方程,计算相变材料的潜热值;
S5:改变纯净水的初始温度,重复几次实验,取多次实验的相变材料相变温度、比热容和潜热值的平均值作为最终值。
本测量方法是基于显热热平衡数据计算潜热热平衡数据,从而获得相变材料102的相变温度、比热容和熔化潜热值等热物理性能参数;具有结构简单、成本低廉、测试速度快和重复精度高的特点;节约了测试节本,为相变材料的应用和推广提供了基础。
本测量方法,不需要设置复杂昂贵的测试设备,也不用设置加热装置,在测量过程中无需加热和升温控制,测量成本较低、操作也相对方便,测量周期较短,通过数据的采集和合理的计算就能够获取相变材料的相变温度、熔化潜热和比热容,不用分别测试。
本方法充分利用了纯净水103的吸热、散热和换热的能力,通过纯净水103与相变材料102温度差的设置,采用热电偶202测量相变材料和纯净水的初始温度以及热平衡时的温度,并实时测量过程温度值,有利于温度变化曲线的设置,通过曲线变化获取相变温度,为后续潜热值的计算提供基础。
而且本装置和方法由于设置简单,可重复性强,因此可以重复测量同一相变材料,通过设置不同的初始温度值,在反复多次的重复试验后,能够求得平均值,更加准确的反映出测量的准确性和有效性。
进一步的,在步骤S1中,所述热电偶202为两根,分别插入到所述储料室105和所述储液室106的中心位置,以中心位置处的温度作为平均温度,并且所述储液室106的初始温度与所述储料室105的初始温度的温度差值在30℃左右;所述储液室106由低导热材料构成,所述储料室105由薄厚度的高导热材料构成,所述纯净水103加在所述储液室106内壁与所述储料室105外壁围成的空间内。
这样的设置能够保证所述纯净水103包裹所述储料室105,并且纯净水103的注入高度是大于相变材料102的高度,确保相变材料各处的换热充分。
进一步的,根据步骤S2的方法,技术比热容的过程如下:液态的所述相变材料吸收的热量记为Q1,所述储料室吸收的热量记为Q2,所述纯净水放出的热量记为Q3,
Q1+Q2=Q3;
Q1=c1m1·△T1,Q2=c2m2·△T2,Q3=c3m3·△T3 (1)
△T1=T3-T1,△T2=T3-T1,△T3=T3-T2 (2)
m2=ρ2π(2r+d)dH,m3=ρ3π(R+r+d)(R-r-d)h (3)
由(1)、(2)和(3)中的公式计算得到液态的所述相变材料的比热容为:
其中,c1、c2和c3分别是相变材料、储料室和纯净水的比热容,c3=4200J/(kg.℃);m1、m2和m3分别是相变材料、储料室和纯净水的质量,单位kg,m1可由电子秤获得,m2和m3由公式计算获得;T1、T2和T3分别是相变材料初始温度、纯净水初始温度和热平衡时温度,单位℃;R、r和d分别是储液室半径、储料室内径和储料室厚度,单位是m;h和H分别是液柱的高度和储料室的高度,单位m。
进一步的,在步骤S3中,冷冻后的所述相变材料再次放入所述储液室中,所述相变材料的吸热分为两部分,潜热吸热Q4和显热吸热Q5;相变潜热吸热时相变材料温度不变,显热吸热时温度上升,温度曲线拐点处即为相变材料的相变温度T4;相变材料的显热和潜热热平衡方程为:
Q4=m1·△H,Q5=c1m1·△T4,Q6=c2m2·△T5,Q7=c3m3·△T6 (4)
Q4+Q5+Q6=Q7 (5)
△T4=T6-T4,△T5=T6-T4,△T6=T6-T5; (6)
结合公式(1)~(6)计算可得所述相变材料的潜热值:
其中,ΔH是相变潜热值,单位J/kg;T4、T5和T6分别是相变温度、二次放入相变材料时储液室的初始温度和二次热平衡后的温度,单位℃;Q6和Q7分别是再次放入后储料室的吸热量和纯净水的放热量,单位J。
进一步的,步骤S5中相变材料的比热容、相变温度和潜热值的平均值的计算公式为:
在上述计算模型建立和公式推导过程中,将方便测量的温度作为变量,而将与试验装置相关的储液室、储料室尺寸,相变材料、储料室和纯净水的质量等作为可控的量参入进分析计算,能够有效、准确的计算出测试结果,装置和方法带来的误差较小,计算的速度快,有利于快速测量和获取相变材料热物理性能参数,为企业补全材料数据库。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。