CN203299151U - 一种定形相变材料相变函数测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种定形相变材料相变函数测量系统，包括测量装置、调控测量装置温度的温度控制系统、以及采集测量装置温度的温度信号采集系统；测量装置包括用于填装待测定的定形相变材料的金属管，金属管外侧设有加热丝，金属管的两端设有绝热塞，金属管内部的同一横截面的三个半径依次增大的圆周上分别设有第一、第二、第三热电偶，且金属管的内壁上设有第四热电偶、金属管的外壁上设有第五热电偶；温度控制系统的输入端与设置在金属管外壁上的温度测量器相连、温度控制系统的输出端与加热丝相连；温度信号采集系统的输入端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶相连。

Description

一种定形相变材料相变函数测量系统

技术领域

本实用新型属于热物性参数测量装置领域，具体涉及一种定形相变材料相变函数测量系统。

背景技术

能源危机以来，相变储能的基础和应用研究成为热门课题。相变材料不仅可以储存能量，还可以减小温度波动，起到移峰填谷的作用，然而传统的固-液相变材料在使用中要考虑到密封问题和传热效率低等问题。

定形相变材料的相变点、热容、潜热、导热系数等热物性参数是评价其性能好坏的重要指标。测量相变材料热容、潜热的方法主要有绝热量热法、差示扫描量热法（DSC），差热分析法（DTA）。绝热量热法虽然测量准确度高，但其测量过程十分复杂。差示扫描量热法（DSC），差热分析法（DTA）测量样品量过小（5-10mg）,对不均匀的材料测量误差较大，应用于工程材料的热容、潜热测量并不适合。而且这些测量方法有一些共同的缺点，即装置复杂昂贵，不能同时测定导热系数。

近年来不少学者意识到现有测量方法的不足，提出了几种改进的测量方法，其中比较有代表性的有我国学者张寅平提出的温变曲线分析法（Yinping,Z.;Yi,J.,A simple method,the T-history method,of determining the heat Of fusion.specificheat and thermal conductivity of phase-change materials.Meas Sei TechnoL1999,10.）和法国学者提出的正则化方法（Palomo Del Barrio,E.;Dauvergne,J.L.;Morisson,V.,A simple experimental method for thermal characterization ofshape-stabilized phase change materials.Journal of Solar Energy Engineering2009,131(4).）。前者仅利用相变材料和参比物水的温降曲线即可测定相变材料凝固点、比热、潜热、导热系数，并用该方法测量了一些水合盐、脂酸、石蜡和自研相变材料水合盐类的热物性，测试结果与文献值较为符合，但这种方法不适用于定形相变材料。后者则设计了一种简单的定形相变材料热物性参数测量方法，通过求解正则化算子得到相变函数。数学理论抽象，处理过程复杂，且仅对一种定形相变材料进行了测量,自2009年提出至今还未见其他研究者进行重复或类似实验。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种定形相变材料相变函数测量系统。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

包括测量装置、调控测量装置温度的温度控制系统、以及采集测量装置温度的温度信号采集系统；测量装置包括用于填装待测定的定形相变材料的金属管，金属管外侧设有加热丝，金属管的两端设有绝热塞，金属管内部的同一横截面的三个半径依次增大的圆周上分别设有第一、第二、第三热电偶，且金属管的内壁上设有第四热电偶、金属管的外壁上设有第五热电偶；温度控制系统的输入端与设置在金属管外壁上的温度测量器相连、温度控制系统的输出端与加热丝相连；温度信号采集系统的输入端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶相连。

所述的温度控制系统由依次相连的温度控制器，固态继电器和稳压电源组成；温度控制器的输入端与设置在金属管外壁上的温度测量器相连，稳压电源的输出端与加热丝相连。

所述的温度信号采集系统由数据采集器和用于显示测点温度的工控机组成，数据采集器的输出端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶相连，数据采集器的输出端与工控机相连。

所述的第一、第二、第三、第四、第五热电偶位于同一条直线上。

所述的金属管和加热丝的外部设有保温层。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型中使用金属管作为量热容器，同时使金属管的上下底绝热，并在其外壁设置加热丝进行均匀加热，使得后期数据处理过程中的边界条件变得十分简单，只需径向的数据处理。本实用新型的测量装置不仅减少了测量点的数量，而且降低了后期数据处理的难易程度，提高了后期数据处理的精准度；

2.本实用新型提供的测量装置时的取样量远远大于现有的DSC等测量方法的取样量，而DSC取样量非常少，如果混合不均匀，会造成极大的误差，同时由于DSC取样量少，会加剧测量过程中的过热、过冷现象，导致测得的热物性参数存在一定的偏差，因此本实用新型由于取样量大，从而更适合对混合物进行测量，并且对混合不均匀的样品也能做到较为准确的测量，在测量有过冷现象的物质时能得到更为接近其应用状态下的热物性参数值；

3.本实用新型提供的测量装置小巧、简单、成本低，可直接应用于实验室中或工业现场。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中金属管的横截面示意图；

其中：1为温度控制器、2为固态继电器、3为稳压电源、4为加热丝、5为金属管、6为绝热塞、7为数据采集器、8为工控机、9为第一热电偶、10为第二热电偶、11为第三热电偶、12为第四热电偶、13为第五热电偶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1和图2，本实用新型包括测量装置、调控测量装置温度的温度控制系统、以及采集测量装置温度的温度信号采集系统；测量装置包括用于填装待测定的定形相变材料的金属管5，金属管5外侧设有加热丝4，金属管5和加热丝4的外部设有保温层，金属管5的两端设有绝热塞6，金属管5内部的同一横截面的三个半径依次增大的圆周上分别设有第一、第二、第三热电偶9、10、11，且金属管5的内壁上设有第四热电偶12、金属管5的外壁上设有第五热电偶13；第一、第二、第三、第四、第五热电偶9、10、11、12、13位于同一条直线上；温度控制系统由依次相连的温度控制器1，固态继电器2和稳压电源组成3；温度控制器1的输入端与设置在金属管5外壁上的温度测量器相连，稳压电源3的输出端与加热丝4相连；温度信号采集系统由数据采集器7和用于显示测点温度的工控机8组成，数据采集器7的输出端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶9、10、11、12、13相连，数据采集器7的输出端与工控机8相连。

本实用新型的工作过程为：

在室温下，将待测的定形相变材料放入金属管5中并塞紧绝热塞6，打开温度控制器1、固态继电器2、稳压电源3、数据采集器7和工控机8，用温度控制器1对金属管5外壁上的温度测量器的温度信号进行采集，用数据采集器7对第一、第二、第三、第四、第五热电偶9、10、11、12、13的温度信号进行采集，采集10-30min，待采集的数据稳定后，将温度控制器1的温度设置为所需的加热温度，对测量装置进行加热，直至其温度达到设定的温度，停止加热，待温度降到室温，即可得到各测量点的温度随时间的变化数据，将各测量点的温度随时间的变化数据进行数值计算和推导，能够得到定形相变材料的相变函数图，从定形相变材料的相变函数图中能够进一步导出其相变点、固态热容、液态热容、相变潜热和导热系数。

本实用新型中温度控制系统通过改变加热丝4中电流通断状态对测量装置的温度进行控制，温度控制器1采集金属管外壁面的温度信号，根据设定的加热温度调节固态继电器2的开关状态，从而控制稳压电源3输出状态，达到给加热丝4通电加热或断电不加热的调节目的。温度信号采集系统中的工控机8内带有配套软件，第一、第二、第三、第四、第五热电偶9、10、11、12、13的温度信号被数据采集器7采集后输入工控机8，从配套软件中可以得到各测量点的温度并自动将温度数据记录到工控机8中，配套软件还可以绘制出各测量点的温度随时间的变化曲线。

本实用新型测量时的具体步骤和计算采用的具体公式为：

1）将已知导热系数的粉末状的标准物质α-Al₂O₃放入金属管中，使第一、第二、第三热电偶埋在α-Al₂O₃中，塞紧绝热赛，室温下，采集第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度数据，待采集的温度数据均稳定后，将金属管加热至60-200℃并同时采集加热过程中的第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度数据，得到标准物质的第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度随时间的变化曲线，利用式[1]求出金属管的管壁的导热系数λ_w，

$S_{\mathrm{pc}}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{w}l}{\mathrm{\λ}V\ln (d_{\mathrm{out}}/d_{\mathrm{in}})}.S_{\mathrm{td}}---\left[1\right]$

其中：S_td为被测量物质的第四、第五热电偶的温度随时间的变化曲线的积分面积差，l是被测量物质的长度，λ是被测量物质的导热系数，V是被测量物质的体积，d_out是金属管外径，d_in是金属管内径，S_pc为函数G(T)/λ的积分面积， $G\left(T\right)={\mathrm{\λ}\▿}^{2}T\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dT}},$ t为时间，T为温度， ${\▿}^{2}T=\frac{(T_3-T_2)/(r_3-r_2)-(T_2-T_1)/(r_2-r_1)}{(r_3-r_1)/2},$ T₁、T₂和T₃分别为第一、第二、第三热电偶测得的温度，H为单位体积焓；

2）将待测的定形相变材料放入金属管中，使第一、第二、第三热电偶埋在定形相变材料中，塞紧绝热赛，室温下，采集第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度数据，待采集的温度数据均稳定后，将金属管加热至设定温度，设定温度比定形相变材料的相变温度上限高10-20℃，同时采集加热过程中的第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度数据，待采集的温度数据均再次稳定后继续测量10-30min，然后将金属管降至室温并同时采集降温过程中的第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度数据，得到定形相变材料的第一、第二、第三、第四、第五热电偶的温度随时间的变化曲线，再利用式[1]求出定形相变材料的导热系数λ；

3）利用

和式[2]，求出定形相变材料的相变前比热c_s，相变后比热c_l和相变潜热L，

$\left\{\begin{array}{cc}T<T_{\mathrm{sm}}& G\left(T\right)={\mathrm{\&rho;}}_s{c}_s\\ T_{\mathrm{em}}<T& G\left(T\right)={\mathrm{\&rho;}}_l{c}_l\\ T_{\mathrm{sm}}<T<T_{\mathrm{em}}& {\&Integral;}_{T_{\mathrm{sm}}}^{T_{\mathrm{em}}}G\left(T\right)\mathrm{dT}={\mathrm{\&rho;}}_l{c}_l{T}_{\mathrm{em}}-{\mathrm{\&rho;}}_s{c}_s{T}_{\mathrm{sm}}+{\mathrm{\&rho;}}_{l}L\end{array}\right.---\left[2\right]$ A

其中：T_sm,T_em分别为定形相变材料的相变起始温度和相变结束温度，ρ_s，ρ_l分别为定形相变材料的相变前密度和相变后密度。

本实用新型在测量时首先用标准物质确定金属管导热系数，运用标准物质可以将热电偶与金属管壁面的接触热阻，以及金属管表面腐蚀等因素对导热能力的影响包含在求得的导热系数中，使得测量得到的结果更加真实准确。

Claims (5)

1.一种定形相变材料相变函数测量系统，其特征在于：包括测量装置、调控测量装置温度的温度控制系统、以及采集测量装置温度的温度信号采集系统；测量装置包括用于填装待测定的定形相变材料的金属管（5），金属管（5）外侧设有加热丝（4），金属管（5）的两端设有绝热塞（6），金属管（5）内部的同一横截面的三个半径依次增大的圆周上分别设有第一、第二、第三热电偶（9、10、11），且金属管（5）的内壁上设有第四热电偶（12）、金属管（5）的外壁上设有第五热电偶（13）；温度控制系统的输入端与设置在金属管（5）外壁上的温度测量器相连、温度控制系统的输出端与加热丝（4）相连；温度信号采集系统的输入端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶（9、10、11、12、13）相连。

2.根据权利要求1所述的定形相变材料相变函数测量系统，其特征在于：所述的温度控制系统由依次相连的温度控制器（1），固态继电器（2）和稳压电源组成（3）；温度控制器（1）的输入端与设置在金属管（5）外壁上的温度测量器相连，稳压电源（3）的输出端与加热丝（4）相连。

3.根据权利要求1所述的定形相变材料相变函数测量系统，其特征在于：所述的温度信号采集系统由数据采集器（7）和用于显示测点温度的工控机（8）组成，数据采集器（7）的输出端与第一、第二、第三、第四、第五热电偶（9、10、11、12、13）相连，数据采集器（7）的输出端与工控机（8）相连。

4.根据权利要求1所述的定形相变材料相变函数测量系统，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四、第五热电偶（9、10、11、12、13）位于同一条直线上。

5.根据权利要求1所述的定形相变材料相变函数测量系统，其特征在于：所述的金属管（5）和加热丝（4）的外部设有保温层。

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