一种测定复合相变储能材料相变潜热的装置与方法

摘要

一种测定复合相变储能材料相变潜热的装置与方法属于建筑材料测试技术领域。目前测定复合相变材料热物性能的常用方法存在样品用量少、误差大、代表性差等明显不足之处。本专利发明了一种测定复合相变储能材料相变潜热的装置，并提出了相应的测试方法。特点是在恒温水浴保温条件下采用圆盘状电阻丝加热大剂量相变材料，用多组热电偶测得试样温度随时间的变化曲线并进行回归分析，从而能够真实地反映复合相变材料的热物性。本测试对于复合相变材料的推广与应用，特别是在建筑节能方面的应用具有重要意义。

权利要求

1.一种测定复合相变储能材料相变潜热的方法，应用如下装置，该装置包括：试验筒、加热装置、测量装置、数据采集装置和计算机；

试验筒由恒温水槽和试验内筒组成；试验内筒的筒盖上分布三个孔，用于安装加料漏斗、温度计及热电偶；加热装置为一个盘状的电阻丝放置在试验内筒底部；测量装置包括测量试验内筒温度变化的温度计和测量相变材料温度变化的多组热电偶；多组热电偶由数据采集装置连接到计算机中；

其特征在于：

根据多组热电偶测得的温度随时间的变化值分别得到每一个电热偶的温度~时间曲线，将多条曲线进行拟合，得到关于试样温度随时间变化的一条综合曲线；另外，根据温度计测量的数据得到试验内筒中温度随时间的变化曲线；通过以下计算方法得出复合相变材料的相变潜热值：公式： Q2= W·△t －C·m·△T

Q2 即为复合相变材料的相变潜热；

式中：W：电阻丝额定功率；

△t=t2-t1 ，t1 ,t2分别是相变材料的相变开始和结束的时间；

C：热量计的比热，m是热量计的质量；

△T=T2-T1 ;T1 ,T2 分别是热量计内对应着相变材料的相变开始和结束时的温度；

用Q2除以所测试的相变材料的质量，得出单位质量相变材料的相变潜热。

说明书

一种测定复合相变储能材料相变潜热的装置与方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑材料测试技术领域。具体说是一种测定相变储能材料相变潜热的装置与方法，该方法原理科学、测试简单方便，结果能够准确地反映复合相变材料的相变潜热的大小。

背景技术

[0002] 相变材料PCM(phase change material)利用其相变潜热进行蓄放热，具有相变温度小、蓄放热密度大、相变温度选择广泛及节能效果显著等特点。将相变材料与传统建筑材料(如水泥、石膏等)相结合应用到建筑围护结构中可以改善建筑物的节能效果，明显降低温度的波动性，提高建筑物的舒适性，具有广阔的应用前景。在实际应用中，需要选择具有合适相变温度和相变潜热的相变材料，并且与建筑材料结合后应具有优良的耐久性，目前单一成分的相变材料已无法满足要求，大量应用的多为复合相变材料。

[0003] 然而，目前还没有科学、准确的测量复合相变材料相变潜热的方法，人们只能采用传统的差示扫描量热法(DSC)测量，其原理是利用补偿方法建立热流量随温度或时间的变化曲线，但该方法存在以下显著不足：DSC方法的取样量极少(1mg～50mg)，代表性差、测试试样无法反映复合相变材料的组成，实际上只是反映了复合相变材料的局部成分，因此不能很好地反映材料整体的热物性能。除此之外，也有少量研究报道采用水浴加热方法测量复合相变材料的相变潜热，但由于复合相变材料的导热系数小，无法保证相变材料的均匀受热，测量结果的准确性也受到质疑。

[0004] 因此，发明一种测量复合相变材料相变潜热的新方法，能够准确地反映其热物性，有利于复合相变储能材料在建筑领域内的推广应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于：1)通过对大剂量的复合相变材料试样直接加热，减少DSC法取样量过少和水浴加热方法带来的误差，真实反映复合相变材料的热物性；2)同时通过对数据采集和处理方式的改进，提出一种较为稳定准确的计算分析方法。

[0006] 一种测定复合相变储能材料相变潜热的装置，其特征在于包括：试验筒、加热装置、测量装置、数据采集装置和计算机；

[0007] 试验筒由恒温水槽和试验内筒组成；试验内筒的筒盖上分布三个孔，用于安装加料漏斗、温度计及热电偶；加热装置为一个盘状的电阻丝放置在试验内筒底部；测量装置包括测量试验内筒温度变化的温度计和测量相变材料温度变化的多组热电偶；多组热电偶由数据采集装置连接到计算机中。

[0008] 根据多组热电偶测得的温度随时间的变化值分别得到每一个电热偶的温度～时间曲线，将多条曲线进行拟合，得到关于试样温度随时间变化的一条综合曲线；另外，根据温度计测量的数据得到试验内筒中温度随时间的变化曲线；通过以下计算方法得出复合相变材料的相变潜热值：

[0009] 公式：Q2＝W·Δt-C·m·ΔT

[0010] Q2即为复合相变材料的相变潜热；

[0011] 式中：W：电阻丝额定功率；

[0012] Δt＝t2-t1，t1，t2分别是相变材料的相变开始和结束的时间；

[0013] C：热量计的比热，m是热量计的质量；

[0014] ΔT＝T2-T1；T1，T2分别是热量计内对应着相变材料的相变开始和结束时的温度；

[0015] 用Q2除以所测试的相变材料的质量，得出单位质量相变材料的相变潜热。

[0016] 本发明能够减少传统方法的误差，具有简单、快捷、准确等特点，能够很好地反映复合相变材料的热物性。

附图说明

[0017] 图1为试验装置示意图

[0018] 图2试验内筒中温度变化曲线

[0019] 图3相变材料温度变化曲线

[0020] 图中标号如下：

[0021] 1、恒温水槽 2、实验内筒 3、水溶液搅拌器 4、实验内筒支座 5、进排水管 6、加热管 7、循环水泵8、加料漏斗 9、温度计 10、测温热电偶 11、盘状电阻丝12、数据采集装置13、计算机。

具体实施方式

[0022] 具体技术方案是：

[0023] 1.测试设备

[0024] 主要组成部分包括：试验筒、加热装置、测量装置、数据采集装置和计算机。

[0025] 试验筒由恒温水槽1和试验内筒2组成。恒温水槽1内外层有隔热层，水槽中装有水溶液搅拌器3、进排水管5、加热管6与循环水泵7。试验内筒2放置在试验内筒支座4上，其筒口密闭性好以防漏水；筒盖上分布三个孔，用于安装加料漏斗8、温度计9及测温热电偶10。筒盖和筒壁内侧衬为软木或泡沫塑料保温层及耐腐蚀塑料层。

[0026] 加热装置为一个盘状的电阻丝11放置在试验内筒底部，电阻丝能够保证有恒定的加热功率。

[0027] 测量装置包括测量试验内筒温度变化的温度计9和测量相变材料温度变化的多组热电偶10。多组热电偶插入试样中，分别测量试样的温度变化。热电偶测得的数据由数据采集装置12采集导入到计算机13中，在计算机中绘制出温度随时间的变化曲线。

[0028] 2.测试原理：

[0029] 首先标定热量计的比热C，并称量其质量；然后将称量质量后的大剂量相变材料试样放入试验内筒中，用电阻丝给试样直接加热，多个热电偶分别插入试样并测量其不同部位的温度变化，同时用温度计测量试验内筒中的温度变化，根据多个热电偶测得的温度变化曲线、采用线性回归的方法得到相变材料的综合温度变化曲线。

[0030] 通入的热量Q由电阻丝功率W和加热时间Δt乘积求得；热量计吸收的热量Q1由热量计的比热C、质量m及温度变化ΔT乘积求得；则相变材料吸收的热量Q2＝Q-Q1。用Q2除以所测试的相变材料的质量，最后可以得出单位质量相变材料的相变潜热。

[0031] 3.具体测试步骤如下：

[0032] (1)标定热量计的比热C，称量其质量。

[0033] (2)称量相变材料试样的质量，然后放置在盘状加热电阻丝上，使试样层铺厚度较小且厚度均匀。将试样和电阻丝放入试验内筒中，同时将测温热电偶插入相变材料中，盖好试验内筒的筒盖。

[0034] (3)开启数据采集装置，打开加热电阻丝使其开始加热。记录温度计读数和测温热电偶读数，得到温度随时间的变化曲线。图2所示是试验内筒中温度计测量的温度随时间的变化曲线，图3是各测温热电偶测得的试样温度随时间的变化曲线。

[0035] (4)由图2、图3可知，复合相变材料的吸收潜热的时间在t1-t2之间，因此，可以得到：

[0036] Q＝W·Δt

[0037] Q1＝C·m·ΔT

[0038] Q2＝Q-Q1

[0039] Q2即为复合相变材料的相变潜热。

[0040] 其中：W：电阻丝额定功率；C：热量计的比热；m为热量计质量

[0041] Δt＝t2-t1；t1，t2分别是相变开始和结束的时间，在曲线上由作图法取得；

[0042] ΔT＝T2-T1；T1，T2分别是量热计内对应着相变开始和结束时间的温度；

[0043] (5)用Q2除以所测试的相变材料的质量，最后得出单位质量相变材料的相变潜热。

[0044] 例如：测量一种相变温度约为28℃左右，相变潜热约为108J/g的复合相变材料的相变潜热：

[0045] (1)标定热量计的比热C＝220J/(kg·℃)，并称量其质量为0.4kg。

[0046] (2)测试相变材料的相变温度变化

[0047] 调整恒温水槽的温度，使其稳定在相变材料估计的相变温度5℃以下，即22℃，静止放置24小时，然后关闭循环水泵备用。

[0048] 称取100g复合相变材料试样，均匀平铺在盘状加热电阻丝上，将电阻丝放入到试验内筒中；然后将测温热电偶插入相变材料中，要求三个热电偶的测点都在相变材料内部，但不能接触到加热电阻丝。盖好筒盖后记录此时温度计的读数。

[0049] 开启加热电阻丝电源，使其开始加热，同时开启数据采集装置和计算机，开始记录热电偶的数据，并绘制温度随时间的变化曲线。

[0050] 当绘制的曲线上表明温度已超过相变温度约5℃后，关闭加热电阻丝电源。

[0051] (3)计算相变材料的相变潜热

[0052] 将各热电偶得到的温度变化曲线回归，得到一条回归曲线，对该曲线求驻点的切线，切线相交的点即取为相变开始和结束的时间点。如图3所示：

[0053] 由公式：Q＝W·Δt

[0054] Q1＝C·m·ΔT

[0055] Q2＝Q-Q1

[0056] Q2即为复合相变材料的相变潜热

[0057] 其中：电阻丝额定功率W，实测值为20J/s；

[0058] 热量计的比热C＝220J/(kg·℃)，质量m为0.4kg；

[0059] 相变开始和结束的时间差Δt＝t2-t1＝542s

[0060] 量热计内对应着相变开始和结束时间的温度差ΔT＝3℃；

[0061] 则100g相变材料的相变潜热为：

[0062] Q＝W·Δt＝20J/s×542s＝10840J

[0063] Q1＝C·m·ΔT＝220J/(kg·℃)×0.4kg×3℃＝264J

[0064] Q2＝Q-Q1＝10840-264＝10576J

[0065] 则1g相变材料的相变潜热为：10576J/100g＝105.76J/g

[0066] 测试结果与实际值相差约3.1％。

[0067] 同时，取同种相变材料，用DSC方法测试其相变潜热。在同一相变材料中分别取25mg的PCM，DSC测试结果分别是101.55J/g、118.23J/g和88.22J/g。测试结果偏差分别为6％，9.5％和18.3％。由此可知，新的测试方法在测试复合相变材料的相变潜热的稳定性和可靠性更高。