CN208255104U - 一种固液相变材料体积变化率测试实验装置 - Google Patents

Abstract

一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，属于材料科学和海洋科学的交叉研究领域。所述装置包括液压装置、上位机、压力控制装置和温度控制装置。所述液压装置从下到上依次包括基座、液压缸和密封塞，所述压力控制装置包括依次管道连接的油箱、双向油泵、控制阀a和压力传感器，所述温度控制装置包括控制阀b、调控装置、循环水泵和恒温水箱，所述上位机分别与双向油泵、压力传感器、温度传感器、电加热器和制冷机组相接。本实用新型所述装置可准确模拟不同深度下海水的温度、压力等参数，用于研究不同相变材料、相变环境压力、外界流体温度和相变装置结构对相变材料体积变化率和相变速率的影响，揭示相变过程中两相界面的运动规律。

Description

一种固液相变材料体积变化率测试实验装置

技术领域

本实用新型属于材料科学和海洋科学的交叉研究领域，涉及一种固液相变材料体积变化率测试实验装置。

背景技术

近年来，人们对海洋资源开发、海洋科学研究和海洋环境探测的关注度日益加剧。作为一种重要的海洋观测手段，海洋观测平台凭借其结构简单、工作效率高、工作区域宽、隐蔽性能好、续航能力强等优点成为获取海洋环境信息的主要设备。海洋观测平台的续航能力对其工作效率起着至关重要的作用，研发高续航能力的观测平台已经成为一种必然趋势。然而，海洋观测平台的动力供应问题一直是制约其远距离、长时间作业的技术瓶颈。在能源领域，海洋温差能作为一种可再生的绿色能源，具有非常广阔的应用前景。尤其是利用海洋温差能进行发电，可以保证海洋观测平台长时间、远距离开展工作。

获取温差能的相变装置是温差动力系统中最主要的部件之一，其内部的相变材料在发生固液(液固)相变时产生体积变化，这种体积变化可驱动发电装置运转，将温差能转化为电能。相变装置的工作特性受多种因素的影响，包括相变材料特性、海水温度压力参数、相变装置尺寸等。现有实验装置仅能够调节温度或压力一项环境参数，无法同时研究相变材料体积变化率与温度和压力的关系，综上所述，本实用新型旨在研制一种测量相变材料体积变化率和相变速率的测试实验装置，以揭示相变过程中相变材料的体积变化规律以及影响体积变化的因素。

实用新型内容

解决的技术问题：为揭示固液相变材料在相变过程中的体积变化规律以及影响体积变化的因素，本实用新型提供一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，可用于研究不同温度、不同压力、不同相变装置尺寸条件下多种相变材料的体积变化规律，为基于温差能动力的海洋观测平台的研究提供前期的实验基础。

技术方案：一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，所述装置包括液压装置、上位机、压力控制装置和温度控制装置；

所述液压装置从下到上依次包括基座、液压缸和密封塞，所述液压缸包括进油口、载油区、活塞、测试区和顶端开口，所述进油口设于液压缸底部，所述载油区、活塞和测试区从下到上依次设于液压缸腔体内部，并且载油区和测试区互不连通，所述载油区装载液压油，所述测试区从下到上依次装载水和相变材料，所述密封塞设于液压缸顶端开口处；

所述压力控制装置包括依次管道连接的油箱、双向油泵、控制阀a和压力传感器，所述压力传感器与液压缸底部进油口管道连接；

所述温度控制装置包括调控装置和恒温水箱，所述液压装置设于恒温水箱内部，所述调控装置包括温度传感器、电加热器、制冷机组，所述温度传感器、电加热器和制冷机组设于调控装置内部，所述调控装置顶部设有出水管、底部设有进水管，所述恒温水箱顶部与调控装置出水管相接，所述恒温水箱底部与调控装置进水管相接；

所述上位机分别与双向油泵、压力传感器、温度传感器、电加热器和制冷机组相接。

作为优选，所述调控装置还包括搅拌器，所述搅拌器设于调控装置内部。

作为优选，所述调控装置顶部出水管上设有循环水泵，所述调控装置底部进水管上设有控制阀b。

作为优选，所述液压缸直径为20mm、30mm、40mm或者50mm。

作为优选，所述液压缸的外壁设有刻度线。

作为优选，所述上位机为戴尔OptiPlex系列上位机。

作为优选，所述压力传感器为单晶硅压力变送器。

作为优选，所述温度传感器为pt100铂电阻温度传感器。

作为优选，所述电加热器为法兰式电加热管。

作为优选，所述制冷机组为小型冷却水循环机。

有益效果：1.所述固液相变材料体积变化率测试实验装置，采用闭环反馈控制方法实现了实验装置内温度和压力等参数的调节，从而实现对温度和压力的精确控制；

2.所述固液相变材料体积变化率测试实验装置，配备有多种不同直径的液压缸，可用于研究相变装置结构对相变速率和体积变化率的影响；

3.所述固液相变材料体积变化率测试实验装置，在液压缸的外壁上标注有体积刻度线，由此可读出相变材料的体积变化率和相变速率；

4.待检测的相变材料在发生相变过程中其内部会出现真空气泡，由此导致体积测量出现较大误差，本装置通过在相变材料下部注入部分水，在相变过程中，水会在压力作用下填充入相变材料内部的气泡，从而减小了体积测量误差。

综上所述，本申请所述装置可准确模拟不同温度、压力参数的海水环境，并在此环境条件下研究相变材料的体积变化率和相变速率。

附图说明

图1是固液相变材料体积变化率测试实验装置结构示意图；

图2是调控装置结构示意图；

图3是温度闭环反馈控制系统原理图；

图4是压力闭环反馈控制系统原理图。

图中各数字代表含义如下，1.油箱；2.双向油泵；3.控制阀a；4.基座；5.控制阀b；6.调控装置；7.循环水泵；8.密封塞；9.恒温水箱；10.液压缸；11.活塞；12.压力传感器；13.上位机；14.温度传感器；15.电加热器；16.搅拌器；17.制冷机组。

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描述。以下实施例进一步说明本实用新型的内容，但不应理解为对本实用新型的限制。在不背离本实用新型精神和实质的情况下，对本实用新型方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本实用新型的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，参照图1，所述装置包括液压装置、上位机13、压力控制装置和温度控制装置。所述液压装置从下到上依次包括基座4、液压缸10和密封塞8，基座4用于固定液压缸10。所述液压缸10包括进油口、载油区、活塞11、测试区和顶端开口，所述进油口设于液压缸10底部，所述载油区、活塞11和测试区从下到上依次设于液压缸10腔体内部，并且载油区和测试区互不连通，所述载油区装载液压油，所述测试区从下到上装载水和相变材料，所述密封塞8设于液压缸10顶端开口处。在测试的压力范围内，密封塞8可以确保相变材料不会溢出。

所述压力控制装置用以调节液压缸10内的压力参数，压力控制装置包括依次管道连接的油箱1、双向油泵2、控制阀a 3和压力传感器12，所述压力传感器12与液压缸10底部进油口管道连接。所述上位机13分别与双向油泵2和压力传感器12相接。压力闭环反馈控制系统原理图参见图4，首先在上位机13中设定压力控制参数，使双向油泵2正向(将油箱1中液压油载入载油区)转动，打开控制阀a 3，将油箱1内的液压油注入液压缸10中的载油区，通过压力传感器12测量液压缸10内的压力参数，并将测量结果发送至上位机13，从而形成压力系统的闭环反馈控制。

所述温度控制装置用以调节恒温水箱9中的温度，温度控制装置包括调控装置6和恒温水箱9，所述液压装置设于恒温水箱9内部，所述调控装置6包括温度传感器14、电加热器15和制冷机组17，所述温度传感器14、电加热器15和制冷机组17设于调控装置6内部，所述调控装置6顶部设有出水管、底部设有进水管，所述恒温水箱9顶部与调控装置6出水管相接，所述恒温水箱9底部与调控装置6进水管相接。所述上位机13分别与温度传感器14、电加热器15和制冷机组17相接。温度闭环反馈控制系统原理图参见图3，首先在上位机13中设定温度控制参数，使恒温介质水通过管路在调控装置6和恒温水箱9中循环流动，温度传感器14用于测量恒温介质的温度并将测量结果传送至上位机13。若恒温介质的实际温度高于目标温度，则上位机13控制制冷机组17工作，以降低恒温介质的温度；若恒温介质的实际温度低于目标温度，则上位机13控制电加热器15工作，以提高恒温介质的温度。

实施例2

一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，参照图1，所述装置包括液压装置、上位机13、压力控制装置和温度控制装置。所述液压装置从下到上依次包括基座4、液压缸10和密封塞8，基座4用于固定液压缸10。所述液压缸10的直径为50mm，所述液压缸10包括进油口、载油区、活塞11、测试区和顶端开口，所述进油口设于液压缸10底部，所述载油区、活塞11和测试区从下到上依次设于液压缸10腔体内部，并且载油区和测试区互不连通，所述载油区装载液压油，所述测试区从下到上依次装载水和相变材料，所述密封塞8设于液压缸10顶端开口处。在测试的压力范围内，密封塞8可以确保相变材料不会溢出。

所述压力控制装置用以调节液压缸10内的压力参数，压力控制装置包括依次管道连接的油箱1、双向油泵2、控制阀a 3和压力传感器12，所述压力传感器12与液压缸10底部进油口管道连接。所述上位机13分别与双向油泵2和压力传感器12相接，上位机13为戴尔OptiPlex系列上位机，压力传感器12为单晶硅压力变送器。压力闭环反馈控制系统原理图参见图4，首先在上位机13中设定压力控制参数，使双向油泵2正向(将油箱1中液压油载入载油区)转动，打开控制阀a 3，将油箱1内的液压油注入液压缸10中的载油区，通过压力传感器12测量液压缸10内的压力参数，并将测量结果发送至上位机13，若实际压力高于目标压力，则上位机13控制双向油泵2反转，将液压缸10内的液压油泵入油箱1；若实际压力低于目标压力，则上位机13控制双向油泵2正转，将液压油从油箱1泵入液压缸10，从而形成压力系统的闭环反馈控制。

所述温度控制装置用以调节恒温水箱9中的温度，温度控制装置包括控制阀b 5、调控装置6、循环水泵7和恒温水箱9，所述液压装置设于恒温水箱9内部，所述调控装置6包括温度传感器14、电加热器15、搅拌器16和制冷机组17，温度传感器14为pt100铂电阻温度传感器，所述电加热器15为法兰式电加热管，所述制冷机组17为小型冷却水循环机。所述温度传感器14、电加热器15、搅拌器16和制冷机组17设于调控装置6内部，所述调控装置6顶部设有出水管、底部设有进水管，所述调控装置6顶部设有出水管、底部设有进水管，所述恒温水箱9顶部与调控装置6出水管相接，所述恒温水箱9底部与调控装置6进水管相接，所述调控装置6顶部出水管上设有循环水泵7，所述调控装置6底部进水管上设有控制阀b 5。所述上位机13分别与温度传感器14、电加热器15和制冷机组17相接。温度闭环反馈控制系统原理图参见图3，首先在上位机13中设定温度控制参数，控制阀b 5打开，循环水泵7运转，使恒温介质水通过管路在调控装置6和恒温水箱9中循环流动，温度传感器14用于测量恒温介质的温度并将测量结果传送至上位机13。若恒温介质的实际温度高于目标温度，则上位机13控制制冷机组17工作，以降低恒温介质的温度；若恒温介质的实际温度低于目标温度，则上位机13控制电加热器15工作，以提高恒温介质的温度。搅拌器16可使调控装置6内的恒温介质受热(冷)均匀。

所述固液相变材料体积变化率测试实验装置的工作方式如下：首先在上位机13中设置需要模拟的温度、压力等环境参数，通过温度和压力控制系统将恒温水箱9中的介质温度和液压缸内的压力参数调整至目标值。以一定的采样频率读取液压缸外壁上的体积刻度，直至相变材料完全相变。计算相变材料的体积变化率和相变速率。更换相变材料类型和不同直径的液压缸，重复上述过程，探究不同相变材料和不同相变装置结构条件下相变材料的体积变化率和相变速率。

Claims (10)

1.一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述装置包括液压装置、上位机（13）、压力控制装置和温度控制装置；

所述液压装置从下到上依次包括基座（4）、液压缸（10）和密封塞（8），所述液压缸（10）包括进油口、载油区、活塞（11）、测试区和顶端开口，所述进油口设于液压缸（10）底部，所述载油区、活塞（11）和测试区从下到上依次设于液压缸（10）腔体内部，并且载油区和测试区互不连通，所述密封塞（8）设于液压缸（10）顶端开口处；

所述压力控制装置包括依次管道连接的油箱（1）、双向油泵（2）、控制阀a（3）和压力传感器（12），所述压力传感器（12）与液压缸（10）底部进油口管道连接；

所述温度控制装置包括调控装置（6）和恒温水箱（9），所述液压装置设于恒温水箱（9）内部，所述调控装置（6）包括温度传感器（14）、电加热器（15）和制冷机组（17），所述温度传感器（14）、电加热器（15）和制冷机组（17）设于调控装置（6）内部，所述调控装置（6）顶部设有出水管、底部设有进水管，所述恒温水箱（9）顶部与调控装置（6）出水管相接，所述恒温水箱（9）底部与调控装置（6）进水管相接；

所述上位机（13）分别与双向油泵（2）、压力传感器（12）、温度传感器（14）、电加热器（15）和制冷机组（17）相接。

2.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述调控装置（6）还包括搅拌器（16），所述搅拌器（16）设于调控装置（6）内部。

3.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述调控装置（6）顶部出水管上设有循环水泵（7），所述调控装置（6）底部进水管上设有控制阀b（5）。

4.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述液压缸（10）直径为20mm、30mm、40mm或者50mm。

5.根据权利要求1或3所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述液压缸（10）的外壁设有刻度线。

6.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述上位机（13）为戴尔OptiPlex系列上位机。

7.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述压力传感器（12）为单晶硅压力变送器。

8.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述温度传感器（14）为pt100铂电阻温度传感器。

9.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述电加热器（15）为法兰式电加热管。

10.根据权利要求1所述的一种固液相变材料体积变化率测试实验装置，其特征在于，所述制冷机组（17）为小型冷却水循环机。