CN114460133A - 一种中量级化学储热材料热性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储热材料热性能测试领域，公开了一种中量级化学储热材料热性能测试装置及方法，所述测试装置包括中量反应舱、蒸汽输入管道，蒸汽输出管道、湿度测试腔、温度测试腔；外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体；湿度测试腔、温度测试腔一端均伸入中量反应舱内部，湿度测试腔内设置湿度感应探头、温度测试腔内设置温度感应探头；蒸汽输入管道一端连接蒸汽源，另一端伸入中量反应舱内部；蒸汽输出管道一端连接过余蒸汽收集器，另一端伸入中量反应舱内部；所述湿度测试感应探头、湿度测试感应探头与数据接收端连接。本发明有效解决了微量热焓测试只能通过实验台或工程测试进行的问题，具有操作简单，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于储热材料热性能测试领域，更具体地涉及一种中量级化学储热材料热性能测试装置及方法。
背景技术
储热技术是将热能在富余情况下于特定装置中储存起来，在需要的时候或者场合下释放，这在双碳政策下越来越体现出其带来的社会效益和可持续意义。储热方法在原理上来讲大概分为显热储热、相变储热和热化学储热三种，由于其储热方式不同，储热密度和储热温度也大不相同，但广泛来看可以包含低温至高温范围内的几乎所有应用场合。与另外两种相比，由于热化学储热储热密度具有数量级的差异，在中高温蓄热中具有不可取代的优势，这使得热化学储热技术在工业中的应用前景越来越凸显。
热化学储热技术的研究越来越多，综合来看主要集中在材料改性制备、反应器设计、实验台搭建测试、传热传质过程的数值模拟以及微观理论的研究，从技术理论来讲，材料的性能是居于热化学储热开发的核心，材料性能的优劣直接决定了热化学储热系统是否可行，效率是否能够达到工业应用标准。对于材料来讲，有几项重要的热性能参数，比如水合温度、水合时间、水合热焓、分解温度、分解时间、分解热容，转化率、转化速率、导热系数和比热容等，热焓和分解过程可以通过综合量热仪来测定，但是仅仅是5-10mg微量样品的参数表征，实际材料的水合/分解过程并不能测定。在已有的常规实验台系统中，可以测定千克级别的材料水合/分解温度特性曲线，但要搭建相应的热化学储热实验装置，一方面要考虑耐高温耐高压等问题，方案设计浪费大量时间和经费，另一方面由于存在温度、压力和应力数据参考的缺失，还存在潜在的安全问题。
发明内容
为解决现有技术微量热焓测试只能通过实验台或工程测试进行，测试成本高、测试不方便的问题，本发明提供一种中量级化学储热材料热性能测试装置及方法。
本发明采用的具体方案为：一种中量级化学储热材料热性能测试装置，所述测试装置包括中量反应舱、蒸汽输入管道，蒸汽输出管道、湿度测试腔、温度测试腔；
所述中量反应舱包括外腔体，所述外腔体内设置内腔体，所述外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体；
所述湿度测试腔一端伸入中量反应舱内部，所述湿度测试腔内设置湿度感应探头；
所述温度测试腔一端伸入中量反应舱内部，所述温度测试腔内设置温度感应探头；
所述蒸汽输入管道一端连接蒸汽源，另一端伸入中量反应舱内部；
所述蒸汽输出管道一端连接过余蒸汽收集器，另一端伸入中量反应舱内部；
所述湿度测试感应探头、湿度测试感应探头与数据接收端连接。
所述外腔体腔体壁的上方设置换热流体入口，所述换热流体入口与热源连接。
所述外腔体腔体壁的下方设置换热流体出口，所述换热流体出口与换热流体收集器连接。
所述换热流体入口与换热流体出口设置在所述中量反应舱的对角线顶点处。
所述中量反应舱的外腔体的表面上设置应力贴片。
本发明提供一种中量级化学储热材料热性能测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
(1)将中量反应舱内部抽真空，将待测材料置于中量反应舱的内腔体中；
(2)设定换热流体的温度为100-200℃，设定蒸汽温度为100-200℃，蒸汽的流量为5-10ml/min；
(3)开启数据接收端，在空腔内通入换热流体；
(4)在中量反应舱内部通入蒸汽，调节蒸汽温度至设定温度，待测材料进行水合反应，测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端；
(5)调节换热流体的温度为300-500℃，排除中量反应舱内的蒸汽，待测材料进行分解反应；测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端。
所述待测材料的质量为30-300g。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过中量级热化学储热材料热性能测试装置中的中量反应舱、蒸汽输入管道，蒸汽输出管道、湿度测试腔、温度测试腔；外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体，将待测材料置于中量反应舱的内腔体中，通过湿度感应探头，温度测试感应探头探测中量反应舱的内腔体中待测材料的温度与湿度的数据，实现了质量在30-300g之间的中量状态下的水合过程、分解过程测定，数据获取灵活简便、精度准确，弥补了微量热焓测试只能通过实验台或工程测试进行的空白，测试成本低，操作简单。
本发明在中量反应舱的外腔体的表面上设置应力贴片。应力贴片测定由于大幅度升降温或者材料体积变化引起的长向、宽向和高向的舱体应力数据，测试简单快捷。
附图说明
图1为本发明中中量级化学储热材料热性能测试装置原理图；
图2为中量级反应舱示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为图4的立体状态示意图；
图6为图2的侧视图；
图7为图6的B-B的剖面图；
图8为图7的立体状态示意图；
图9为图6的C-C的剖面图；
图10为图9的立体状态示意图；
图11为实施例1中水合过程转化率测试曲线；
图12为实施例2中分解过程转化率测试曲线。
其中，附图标记分别为：
1.中量反应舱；2.换热流体入口；3.蒸汽输入管道；4.蒸汽输出管道；5.湿度测试腔；6.温度测试腔；7.换热流体出口；8.待测材料；9.数据接收端；10.蒸汽源；11.热源；12.湿度测试端；13.过余蒸汽收集器；14.换热流体收集器；15.温度测试端。
具体实施方式
在下文将结合附图对本发明做进一步详细地说明，显然此处应该理解的是，所描述的实施方案不是全部的实施方案，仅用于解释说明本发明，而不限制本发明。
一种中量级化学储热材料热性能测试装置，所述测试装置包括中量反应舱1、蒸汽输入管道3，蒸汽输出管道4、湿度测试腔5、温度测试腔6；所述中量反应舱1包括外腔体，所述外腔体内设置内腔体，所述外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体；所述湿度测试腔5一端伸入中量反应舱1内部，所述湿度测试腔5内设置湿度感应探头；所述温度测试腔6一端伸入中量反应舱1内部，所述温度测试腔6内设置温度感应探头；所述蒸汽输入管道3一端连接蒸汽源10，另一端伸入中量反应舱1内部；所述蒸汽输出管道4一端连接过余蒸汽收集器13，另一端伸入中量反应舱1内部；所述湿度测试感应探头、湿度测试感应探头与数据接收端9连接。
所述外腔体腔体壁的上方设置换热流体入口2，所述换热流体入口2与热源11连接。
所述外腔体腔体壁的下方设置换热流体出口7，所述换热流体出口7与换热流体收集器14连接。
所述换热流体入口2与换热流体出口7设置所述中量反应舱1的对角线顶点处。
所述中量反应舱1的腔体的外表面上设置应力贴片。
本发明提供一种中量级化学储热材料热性能测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
(1)将中量反应舱内部抽真空，将待测材料置于中量反应舱的内腔体中；
(2)设定换热流体的温度为100-200℃，设定蒸汽温度为100-200℃，蒸汽的流量为5-10ml/min；
(3)开启数据接收端，在空腔内通入换热流体；
(4)在中量反应舱内部通入蒸汽，调节蒸汽温度至设定温度，待测材料进行水合反应，测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端；
(5)调节换热流体的温度为300-500℃，排除中量反应舱内的蒸汽，待测材料进行分解反应；测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端。
所述待测材料的质量为30-300g。
本发明应用的热化学储热材料设定为氧化镁，包括但不限于氧化钙、氧化铁、氧化钴和氧化锰等其他可进行热化学储热过程的材料，待测材料的质量在30-300g之间。
实施例1
取待测材料氧化镁50g，进行储热材料热性能测试。
上述材料的性能测试采用一种中量级化学储热材料热性能测试装置，所述测试装置包括中量反应舱1、蒸汽输入管道3，蒸汽输出管道4、湿度测试腔5、温度测试腔6；所述中量反应舱1包括外腔体，所述外腔体内设置内腔体，所述外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体；所述湿度测试腔5一端伸入中量反应舱1内部，所述湿度测试腔5内设置湿度感应探头；所述温度测试腔6一端伸入中量反应舱1内部，所述温度测试腔6内设置温度感应探头；所述蒸汽输入管道3一端连接蒸汽源10，另一端伸入中量反应舱1内部；所述蒸汽输出管道4一端连接过余蒸汽收集器13，另一端伸入中量反应舱1内部；所述湿度测试感应探头、湿度测试感应探头与数据接收端9连接。
所述外腔体腔体壁的上方设置换热流体入口2，所述换热流体入口2与热源11连接。所述外腔体腔体壁的下方设置换热流体出口7，所述换热流体出口7与换热流体收集器14连接。所述换热流体入口2与换热流体出口7设置所述中量反应舱1的对角线顶点处。
测试初始时，用真空泵将中量反应舱抽至临近真空状态，压力为40-50kPa，将反应舱内的空气和二氧化碳抽空，便于蒸汽进入以后和热化学储热材料接触并反应。
打开数据接收端。氧化镁反应的初始条件为150℃，将热源的温度设置为150℃，设定蒸汽温度为150℃，流量为5ml/min。打开阀门，将高温热源的热流体通过换热流体入口通入反应舱中，然后通过换热流体出口流出，收集在换热流体收集器中，此过程持续通入，使中量反应舱的温度保持在150℃左右，为水蒸气通入做好准备。
在中量反应舱温度恒定以后，打开蒸汽源，将蒸汽温度逐步调至150℃，稳定之后，打开阀门，通过蒸汽输入管道通入至反应舱中，反应舱内临近真空状态，蒸汽很快充满整个反应舱。水合反应进行，通过湿度测试腔内的湿度测试探头，温度测试腔内的温度测试探头，以及应力片持续采集温度、湿度和应力的参数。待测材料进行水合过程，在观测数据升温之后逐步降至稳定数据，水合过程测试完成，关闭相应阀门，停止测试。
进行分解测试，设定分解温度为450℃，关闭蒸汽源，排除中量反应舱内的蒸汽，调节换热流体的温度为450℃。持续监测反应舱内的温度和湿度，温度可以体现加热过程和吸热过程，湿度可以体现分解过程，即转化率问题。待温度降低以后升高至稳定状态，并且湿度测试显示已经无水蒸气产生，则分解过程测试完成。
实施例2
本实施例采用与实施例1相同的测试装置。
测试材料为氧化镁，测试材料的质量为30g。
打开数据接收端。氧化镁反应的初始条件为100℃，将热源的温度设置为100℃，设定蒸汽温度为100℃，流量为5ml/min。打开阀门，将高温热源的热流体通过换热流体入口通入反应舱中，然后通过换热流体出口流出，收集在换热流体收集器中，此过程持续通入，使中量反应舱的温度保持在100℃，为水蒸气通入做好准备。
在中量反应舱温度恒定以后，打开蒸汽源，将蒸汽温度逐步调至150℃，稳定之后，打开阀门，通过蒸汽输入管道通入至反应舱中，反应舱内临近真空状态，蒸汽很快充满整个反应舱。水合反应进行，通过湿度测试腔内的湿度测试探头，温度测试腔内的温度测试探头，以及应力片持续采集温度、湿度和应力的参数。待测材料进行水合过程，在观测数据升温之后逐步降至稳定数据，水合过程测试完成，关闭相应阀门，停止测试。
进行分解测试，设定分解温度为300℃，关闭蒸汽源，排除中量反应舱内的蒸汽，调节换热流体的温度为300℃。持续监测反应舱内的温度和湿度，温度可以体现加热过程和吸热过程，湿度可以体现分解过程，即转化率问题。待温度降低以后升高至稳定状态，并且湿度测试显示已经无水蒸气产生，则分解过程测试完成。
实施例3
本实施例采用与实施例1相同的测试装置。
测试材料为氧化镁，测试材料的质量为150g。
打开数据接收端。氧化镁反应的初始条件为200℃，将热源的温度设置为200℃，设定蒸汽温度为200℃，流量为5ml/min。打开阀门，将高温热源的热流体通过换热流体入口通入反应舱中，然后通过换热流体出口流出，收集在换热流体收集器中，此过程持续通入，使中量反应舱的温度保持在200℃左右，为水蒸气通入做好准备。
在中量反应舱温度恒定以后，打开蒸汽源，将蒸汽温度逐步调至200℃，稳定之后，打开阀门，通过蒸汽输入管道通入至反应舱中，反应舱内临近真空状态，蒸汽很快充满整个反应舱。水合反应进行，通过湿度测试腔内的湿度测试探头，温度测试腔内的温度测试探头，以及应力片持续采集温度、湿度和应力的参数。待测材料进行水合过程，在观测数据升温之后逐步降至稳定数据，水合过程测试完成，关闭相应阀门，停止测试。
进行分解测试，设定分解温度为500℃，关闭蒸汽源，排除中量反应舱内的蒸汽，调节换热流体的温度为500℃。持续监测反应舱内的温度和湿度，温度可以体现加热过程和吸热过程，湿度可以体现分解过程，即转化率问题。待温度降低以后升高至稳定状态，并且湿度测试显示已经无水蒸气产生，则分解过程测试完成。
实施例4
测试材料为氧化镁，测试材料的质量为250g。
打开数据接收端。氧化镁反应的初始条件为150℃，将热源的温度设置为150℃，设定蒸汽温度为150℃，流量为5ml/min。打开阀门，将高温热源的热流体通过换热流体入口通入反应舱中，然后通过换热流体出口流出，收集在换热流体收集器中，此过程持续通入，使中量反应舱的温度保持在150℃左右，为水蒸气通入做好准备。
在中量反应舱温度恒定以后，打开蒸汽源，将蒸汽温度逐步调至150℃，稳定之后，打开阀门，通过蒸汽输入管道通入至反应舱中，反应舱内临近真空状态，蒸汽很快充满整个反应舱。水合反应进行，通过湿度测试腔内的湿度测试探头，温度测试腔内的温度测试探头，以及应力片持续采集温度、湿度和应力的参数。待测材料进行水合过程，在观测数据升温之后逐步降至稳定数据，水合过程测试完成，关闭相应阀门，停止测试。
进行分解测试，设定分解温度为450℃，关闭蒸汽源，排除中量反应舱内的蒸汽，调节换热流体的温度为450℃。持续监测反应舱内的温度和湿度，温度可以体现加热过程和吸热过程，湿度可以体现分解过程，即转化率问题。待温度降低以后升高至稳定状态，并且湿度测试显示已经无水蒸气产生，则分解过程测试完成。
对实施例1中氧化镁(50g)、微量(5mg、需借助进口仪器综合量热仪STA)、大量(3kg)进行测试，得到如下结果：
本发明热化学储热反应的水合过程和分解过程的测试方法中，测试质量在30g-300g范围内，在较少样品量的情况下完成了水合过程和分解过程的测试，获得了温度、湿度和反应器壁面应力参数，为实验室研究或者工程设计提供了测试方法与测试装置，填补了目前发展中的两项空白。
以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种中量级化学储热材料热性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括中量反应舱(1)、蒸汽输入管道(3)，蒸汽输出管道(4)、湿度测试腔(5)、温度测试腔(6)；
所述中量反应舱(1)包括外腔体，所述外腔体内设置内腔体，所述外腔体与内腔体之间形成空腔，所述空腔内设置换热流体；
所述湿度测试腔(5)一端伸入中量反应舱(1)内部，所述湿度测试腔(5)内设置湿度感应探头；
所述温度测试腔(6)一端伸入中量反应舱(1)内部，所述温度测试腔(6)内设置温度感应探头；
所述蒸汽输入管道(3)一端连接蒸汽源(10)，另一端伸入中量反应舱(1)内部；
所述蒸汽输出管道(4)一端连接过余蒸汽收集器(13)，另一端伸入中量反应舱(1)内部；
所述湿度测试感应探头、湿度测试感应探头与数据接收端(9)连接。
2.根据权利要求1所述的中量级化学储热材料热性能测试装置，其特征在于，所述中量反应舱(1)的外腔体的表面上设置应力贴片。
3.根据权利要求1所述的中量级化学储热材料热性能测试装置，其特征在于，所述外腔体腔体壁的上方设置换热流体入口(2)，所述换热流体入口(2)与热源(11)连接。
4.根据权利要求3所述的中量级化学储热材料热性能测试装置，其特征在于，所述外腔体腔体壁的下方设置换热流体出口(7)，所述换热流体出口(7)与换热流体收集器(14)连接。
5.根据权利要求4所述的中量级化学储热材料热性能测试装置，其特征在于，所述换热流体入口(2)与换热流体出口(7)设置在所述中量反应舱(1)的对角线顶点处。
6.一种中量级化学储热材料热性能测试方法，其特征在于，所述测试方法基于权利要求1-5所述的任意一项中量级化学储热材料热性能测试装置，所述测试方法包括如下步骤：
(1)将中量反应舱内部抽真空，将待测材料置于中量反应舱的内腔体中；
(2)设定换热流体的温度为100-200℃，设定蒸汽温度为100-200℃，蒸汽的流量为5-10ml/min；
(3)开启数据接收端，在空腔内通入换热流体；
(4)在中量反应舱内部通入蒸汽，调节蒸汽温度至设定温度，待测材料进行水合反应，测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端；
(5)调节换热流体的温度为300-500℃，排除中量反应舱内的蒸汽，待测材料进行分解反应；测定待测材料的温度与湿度数据，并将温度、湿度数据传输至数据接收端。
7.根据权利要求6所述的中量级化学储热材料热性能测试方法，其特征在于，所述待测材料的质量为30-300g。
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