CN207540934U - 水蒸气扩散系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水蒸气扩散系数测量装置，包括测试室、天平系统。本实用新型利用测试室营造恒温恒湿环境，利用天平系统获得待测材料的重量变化情况，由Fick第二定律推导得到测量公式，从而计算得到水蒸气扩散系数。待测样品加工成球状，四周都能吸湿，能在短时间内达到饱和吸湿状态，从而缩短了测量时间。进行一次测量即可获得待测样品在某温度、某相对湿度下的水蒸气扩散系数。本实用新型在测量水蒸气扩散系数的同时，还可以得到待测样品在该温度、该相对湿度下的饱和含湿量。进而了解材料的湿物性以及热湿耦合传递情况，最终可以实现多孔材料在不同工况下的使用情况预估，预测材料的使用寿命以及防范湿度过大带来的不利影响。
Description
技术领域
本实用新型属于材料湿物性测量领域，具体涉及一种材料水蒸气扩散系数测量装置。
背景技术
能源问题是当代社会的重要问题，能源消耗不但引发了能源安全问题，还导致了环境的污染。建筑作为高能耗产业之一，故而对建筑节能的研究具有重要意义。在建筑热环境改变的过程中，传热和传质是两个紧密联系的因素，通过研究建筑围护结构的热湿耦合传递状况，才能准确衡量建筑结构的节能效果。建筑围护结构多采用多孔材料，为了更好地加强围护结构的性能，人们对多孔建筑材料的热湿迁移原理及数学过程进行了大量实验和研究，由于测定各种热湿迁移特性参数存在困难，各种相关研究到目前为止还未形成统一的理论。其中，水蒸气扩散系数是描述建筑材料湿传递的重要参数，也是求解湿迁移问题的基本量。
目前所采用的水蒸气扩散系数测量方法多为在水蒸气的扩散状态处于定常态时获得其流量和浓度梯度的变化量，利用公式计算得扩散系数。但该方法耗时长，对实验环境的要求高，应用难度大。所以，发明出一种快速并准确测量水蒸气扩散系数的方法具有了重要的现实意义。
发明内容
本实用新型提供一种水蒸气扩散系数测量装置，并且在测量材料水蒸气扩散系数的同时，还可测量材料的饱和吸湿量。
本实用新型的水蒸气扩散系数测量装置包括：用于营造恒温恒湿环境的测试室和用于采集和记录待测样品重量变化的天平系统；
所述测试室内装有风扇、加湿装置、除湿装置、电热装置、半导体制冷装置、温湿度传感器、温湿度控制仪、挡风筒，温湿度控制仪的输入端与温湿度传感器连接，温湿度控制仪的信号输出端与电热装置、半导体制冷装置连接，风扇安装于测试室内右侧的顶部及左侧的底部；
所述天平系统由电子天平、水平板、天平支架、挂钩和计算机构成，天平支架搭建在测试室外部且不与测试室接触，水平板为有机玻璃板，放置于天平支架上，用于水平支撑电子天平，电子天平放置于水平板上，与计算机相连，计算机记录天平称重的实时数据，挂钩悬挂在电子天平底部。
优选的，所述测试室内顶部设有与外界相通的孔洞，半径为2厘米；挡风筒安装在孔洞下方、测试室顶部，挡风筒为圆柱形有机玻璃桶，挡风筒内径为10厘米，挡风筒底面圆心与孔洞圆心重合。
优选的，所述的水平板上设有一个半径为2厘米的孔洞，孔洞圆心与测试室顶部孔洞圆心重合。
优选的，所述的挂钩表面涂抹有防水材料，挂钩底部为十字型吊篮状，用于放置待测样品。
优选的，所述待测样品为球状样品。
本实用新型提供的水蒸气扩散系数测量装置结构简单，利用测试室营造恒温恒湿环境，利用天平系统获得待测材料的重量变化情况，由Fick第二定律推导得到测量公式，从而计算得到水蒸气扩散系数。待测样品加工成球状，四周都能吸湿，能在短时间内达到饱和吸湿状态，从而缩短了测量时间。进行一次测量即可获得待测样品在某温度、某相对湿度下的水蒸气扩散系数。本实用新型在测量水蒸气扩散系数的同时，还可以得到待测样品在该温度、该相对湿度下的饱和含湿量。天平支架不与测试室接触，可有效防止测试室在工作过程中的震动对电子天平的微扰，从而保证实验结果的准确性。测试室内部的挡风筒可有效防止测试室内空气流动而引起的样品晃动。挂钩表面涂抹有防水材料，防止挂钩表面因吸附水分而导致的误差。
附图说明
图1是球状材料水蒸气扩散系数测量原理图；
图2是本实用新型的水蒸气扩散系数测量装置的主视图。
具体实施方式
本实用新型能完成对材料水蒸气扩散系数的测量，还可得到对应的饱和含湿量。测量原理如下：
水蒸气在材料内部的扩散符合Fick定律。根据这一定律，当水蒸气扩散通过某一固体横截面时，介质中每一横截面的扩散通率与浓度梯度和扩散系数的乘积呈比例，浓度梯度是传递的推动力。当材料为球体时，水蒸气由外向内扩散，如图1，图中箭头表示水蒸气扩散方向。此时，扩散方程可以表示为：
式中，D为水蒸气的扩散系数，m2·s-1；C为水蒸气的浓度，mol·m-2；t为时间，s；r为径向距离，m。
初始条件和边界条件分别为
C＝C0，0<r<R，t＝0 (2)
C＝C∞，r＝R，t>0 (3)
C＝0，r＝0，t>0 (4)
式中，C0为t＝0时刻的吸附浓度，mol·m-2，C∞是吸附平衡时扩散质的吸附浓度，mol·m-2，R为球体半径，m。
利用式(2)(3)(4)对式(1)求解，可得到：
式中，Mt为t时刻的吸附量，mol·g-1；M∞是饱和吸附量，mol·g-1；n为自然数。
通过理想气体状态方程对方程(5)进行简化，可以得到关于含湿量的求解方程：
式中，Wt为t时刻的含湿量，g·g-1；W∞是饱和含湿量，g·g-1。
W∞为该对应相对湿度下的饱和含湿量。当测得某一温度下不同相对湿度的饱和含湿量时，以相对湿度为横坐标，材料的饱和含湿量为纵坐标，可以得到该材料饱和含湿量与空气相对湿度关系的散点图，用一条平滑曲线将这些点连接起来，即得到材料在特定温度下的等温吸湿曲线。
本实用新型的测量装置的主视图见图2，包括测试室、天平系统。
测试室由挡风筒5、风扇7、加湿装置8、除湿装置9、电热装置10、半导体制冷装置11、温湿度传感器12、温湿度控制仪13组成。温湿度控制仪13通过连接温湿度传感器12监测测试室内温度、相对湿度，通过连接位于底部的加湿装置8、除湿装置9调节测试室内的相对湿度，通过连接位于右侧面的电热装置10、半导体制冷装置11调节测试室内的温度。风扇7安装于测试室内右侧的顶部及左侧的底部，使测试室内恒温恒湿环境更加均匀。测试室内顶部设有与外界相通的孔洞，半径为2厘米。挡风筒5安装在测试室顶部孔洞下方、测试室顶部，为圆柱形有机玻璃桶，内径为10厘米，挡风筒底面圆心与测试室顶部孔洞圆心重合，可有效防止测试室内因空气流动而引起的样品晃动。
天平系统由电子天平1、水平板2、天平支架3、挂钩4和计算机14构成。天平支架3为搭建在测试室外部且不与测试室接触的稳定框架。水平板2为有机玻璃板，放置于支架上，用于水平支撑电子天平1。水平板上设有一个半径为2厘米的孔洞，水平板孔洞圆心与测试室顶部孔洞圆心重合。电子天平1放置于水平板2上，与计算机14相连。计算机14可记录天平称重的实时数据。挂钩4表面涂抹有防水材料，挂钩底部为十字型吊篮状，用于放置待测样品6。
待测样品6为球状样品。
采用本实用新型的测量装置的测量步骤如下：
首先对待测材料进行预处理。
将待测材料加工成半径3cm的球状样品，进行干燥处理。干燥处理采用烘干法，在烘干12小时后开始称重，时间间隔为2小时。当连续三次称重所得结果不呈单调变化，且标准差不超过平均值的1％时，认为样品已彻底干燥。
测量过程：
a)使用温湿度控制仪13设定温度、相对湿度，同时打开风扇7进行空气内循环，使测试室达到测量所需温度、相对湿度。
b)打开天平，进行校准、去皮操作。
c)温湿度传感器12监测到温度、相对湿度稳定后，测量人员戴上密封干燥的手套进行操作，打开测试室，将预处理过的待测样品6迅速放置于挂钩上，密封测试室。
d)样品的实时重量数据传入计算机14，每10秒钟记录一次；
e)每30分钟观察一次重量变化。当连续三次观察所得结果不呈单调变化，且标准差不超过平均值的1％时，认为样品吸湿达到饱和状态。
f)此时获得的W∞为该对应相对湿度下的饱和含湿量。将所得到的数据代入公式(6)，计算得到该材料在该温度和该相对湿度下的水蒸气扩散系数。
Claims (5)
1.一种水蒸气扩散系数测量装置，其特征在于，包括：用于营造恒温恒湿环境的测试室和用于采集和记录待测样品重量变化的天平系统；
所述测试室内装有风扇(7)、加湿装置(8)、除湿装置(9)、电热装置(10)、半导体制冷装置(11)、温湿度传感器(12)、温湿度控制仪(13)、挡风筒(5)，温湿度控制仪的输入端与温湿度传感器连接，温湿度控制仪的信号输出端与电热装置、半导体制冷装置连接，风扇安装于测试室内右侧的顶部及左侧的底部；
所述天平系统由电子天平(1)、水平板(2)、天平支架(3)、挂钩和计算机(14)构成，天平支架搭建在测试室外部且不与测试室接触，水平板为有机玻璃板，放置于天平支架上，用于水平支撑电子天平，电子天平放置于水平板上，与计算机相连，计算机记录天平称重的实时数据，挂钩悬挂在电子天平底部。
2.根据权利要求1所述的水蒸气扩散系数测量装置，其特征在于，所述测试室内顶部设有与外界相通的孔洞，半径为2厘米；挡风筒安装在孔洞下方、测试室顶部，挡风筒为圆柱形有机玻璃桶，挡风筒内径为10厘米，挡风筒底面圆心与孔洞圆心重合。
3.根据权利要求2所述的水蒸气扩散系数测量装置，其特征在于，所述的水平板上设有一个半径为2厘米的孔洞，孔洞圆心与测试室顶部孔洞圆心重合。
4.根据权利要求1所述的水蒸气扩散系数测量装置，其特征在于，所述的挂钩表面涂抹有防水材料，挂钩底部为十字型吊篮状，用于放置待测样品。
5.根据权利要求4所述的水蒸气扩散系数测量装置，其特征在于，所述待测样品为球状样品。
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|---|---|---|---|---|
| CN107894376A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-04-10 | 中国计量大学 | 水蒸气扩散系数测量装置及其测量方法 |
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2017
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