輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置與方法
【專利摘要】一種輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，包括試驗箱、多路溫度巡檢儀、溫控儀，其中試驗箱包括光源室、隔熱室、第一溫控制室、第一測溫室、第二溫控室、第二測溫室；光源室的內部安裝有光源，第一溫控室內安裝有第一電熱絲和第一熱電偶，第一測溫室內安裝有第二熱電偶，第二溫控室內安裝有第二電熱絲和第三熱電偶，第二測溫室內安裝有第四熱電偶，標準構件右側為第一試驗箱端壁，相變構件右側為第二試驗箱端壁，第一試驗箱端壁和第二試驗箱端壁可拆卸；本發明提供了一種以輻射蓄熱為主要蓄熱方式的相變構件相對導熱系數的測試方法與裝置。
【專利說明】輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量材料導熱系數的裝置與方法，特別是涉及一種測量相變構件相對導熱系數的裝置與方法。
【背景技術】
[0002]目前，已有國內外研究者的實驗測試數據表明，相變材料的導熱系數在相變區間內隨著溫度的變化會發生較大變化，且相比于固相及液相的導熱系數相差較大。這為摻入相變材料的相變構件的導熱性能的評價帶來了極大困難。相變材料在相變區間內的導熱性能不止受到材料本身特性的影響，還受到由于相變所引起的潛熱的蓄、放以及液相自然對流的影響。除此之外，物質本身微觀結構的變化同樣有可能引起其導熱特性發生巨大變化。這樣，單純從導熱系數出發就很難從理論上去解釋與評價相變材料在相變區間內的導熱性能。變物性構件的導熱特性可以用相對導熱系數去評價。但相比于其他變物性構件，相變構件在建筑應用中的蓄熱方式主要輻射蓄熱而不是溫差蓄熱及對流蓄熱。所以，開發出一種以輻射蓄熱為主要蓄熱方式的相變構件相對導熱系數測試的方法與裝置將更加具有實際意義。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置與一種相應測量方法，用于實現相變構件的相對系數的測量，并且做出對相變構件在導熱系數變化很大的相變區間內的導熱性能的綜合評價。
[0004]一種輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，包括試驗箱、多路溫度巡檢儀、溫控儀，其中試驗箱包括光源室、隔熱室、第一溫控制室、第一測溫室、第二溫控室、第二測溫室；光源室的內部安裝有光源，第一溫控室內安裝有第一電熱絲和第一熱電偶，第一測溫室內安裝有第二熱電偶，第二溫控室內安裝有第二電熱絲和第三熱電偶，第二測溫室內安裝有第四熱電偶，標準構件右側為第一試驗箱端壁，相變構件右側為第二試驗箱端壁，第一試驗箱端壁和第二試驗箱端壁可拆卸；第一電熱絲、第二電熱絲分別與溫控儀相連接，第一熱電偶、第二熱電偶、第三熱電偶、第四熱電偶分別與多路溫度巡檢儀相連接。
[0005]所述隔熱室由左右兩側的透鏡和隔熱透光板以及試驗箱壁圍成。
[0006]第一溫控室和第二溫控室空間體積相等，第一測溫室和第二測溫室空間體積相
坐寸ο
[0007]試驗箱的殼體為保溫殼，保溫殼的內部填充有聚氨酯泡沫。
[0008]光源室內的實驗箱壁上開有通風口，通風口處安裝有風扇。
[0009]隔離室主要用于進一步將光源室與溫控室進行隔離，以減少透鏡的導熱溫控室內空氣溫度的影響；隔離室的右側壁為隔熱透光板，以使光源發出的光平行通過。
[0010]溫控室內設有電熱絲，目的是當溫控室內的空氣溫度與測試構件向光面的表面溫度產生差值時，通過電熱絲的加熱可以防止測溫室內的空氣與測試構件由于溫差而產生自然對流，以保證測試構件的向光面只有輻射熱量的流入而無由于對流換熱而導致的熱量的流入或流出。
[0011]測溫室在進行非穩態熱量測試時是密封的，內有少量的空氣，通過對測溫室內空氣溫度的測定可以得到從測試構件背光面流出的熱量；當進行穩態導熱系數測試時，測溫室右側的試驗箱端壁是敞開的，這樣測試構件通過向光面的輻射和背光面的散熱可以達到穩態。
[0012]多路溫度巡檢儀內接入測試構件向光面、背光面及測溫室熱電偶，用于檢測測試構件兩側的溫度，并繪制溫度隨時間的變化曲線，溫控儀用于對電熱絲進行加熱控制。
[0013]利用上述輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置測量相變構件相對導熱系數的方法包括如下步驟:
[0014](I)、將相變構件、標準構件、實驗箱冷卻至各自溫度均勻；
[0015](2)、使相變構件與標準構件溫度相等，且使該溫度低于相變構件的固化溫度；
[0016](3)、將相變構件及標準構件裝入實驗箱；
[0017](4)、打開光源及風扇對相變構件及標準構件進行持續加熱，直至相變構的向光面及背光面溫度均高于相變構件的固化溫度，開始計時；
[0018](5)、當相變構件向光面及背光面溫度均高于相變構件的液化溫度時，停止計時，并記錄整個過程的時間τ，計算得出變相構件所接受的輻射熱量為:
[0019]Qin = q S τ
[0020](6)、測定第一測溫室內空氣的溫升At1及第二測溫室內空氣的溫升At2，進而得出相變構件在相變區間內的非穩態蓄熱量Q1及相同時間段內標準構件的非穩態蓄熱量Q2 ；
[0021](7)通過標準構件的導熱系數的已知數據并利用相對導熱系數的定義式便可求得相變構件的相對導熱系數；
[0022]具體地，該待求的相對導熱系數λ i的計算方法根據下式計算:
[0023]λ / λ 2 = Q1ZQ2
[0024]本發明的有益效果是，提供了一種以輻射蓄熱為主要蓄熱方式的相變構件相對導熱系數的測試方法與裝置，通過該測試裝置對相變構件的導熱性能進行測試并得出相對導熱系數，能夠對相變構件在導熱系數變化很大的相變區間內的導熱性能進行綜合評價。
[0025]下面結合附圖對本發明的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置與方法作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置的正面剖視圖；
[0027]圖2為本發明的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置的俯視圖。
【具體實施方式】
[0028]如圖1、圖2所示，本發明的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置包括試驗箱6、多路溫度巡檢儀12、溫控儀13，其中試驗箱6包括有六個分室，分別為光源室7、隔熱室8、第一溫控制室9-1、第一測溫室11-1、第二溫控室9-2、第二測溫室11-2 ；
[0029]試驗箱6為矩形箱體，試驗箱6的內部被透鏡3-1、隔熱透光板3-2分為三個空間區域，透鏡3-1、隔熱透光板3-2在試驗箱6內部從左至右排列，透鏡3-1的左邊空間與試驗箱6的箱壁構成第一區域，透鏡3-1、隔熱透光板3-2之間區域為第二區域，隔熱透光板3-2的右邊與試驗箱6的箱壁構成第三區域，其中第一區域即為光源室7，第二區域即為隔熱室8，第三區域被相互垂直設置的隔熱板14和被測構件(被測構件包括標準構件10-1和相變構件10-2)分隔成四個區域，隔熱板14與隔熱透光板3-2相互垂直，被測構件包括標準構件10-1和相變構件10-2，且分布在隔熱板14的兩側，標準構件10-1和相變構件10-2的面積大小相等；
[0030]標準構件10-1的左側為第一溫控室9-1，標準構件10-1的右側為第一測溫室
11-1，相變構件10-2的左側為第二溫控室9-2，相變構件10-2的右側為第二測溫室11_2 ；第一溫控室9-1和第二溫控室9-2空間體積相等，第一測溫室11-1和第二測溫室11-2空間體積相等。
[0031]光源室7內的實驗箱壁上開有通風口，通風口處安裝有風扇I，光源室7的內部安裝有光源2，第一溫控室9-1內安裝有第一電熱絲4-1和第一熱電偶5-1，第一測溫室11-1內安裝有第二熱電偶5-2，第二溫控室9-2內安裝有第二電熱絲4-2和第三熱電偶5-3，第二測溫室11-2內安裝有第四熱電偶5-4，標準構件10-1右側為第一試驗箱端壁，相變構件10-2右側為第二試驗箱端壁，第一試驗箱端壁和第二試驗箱端壁可拆卸；第一電熱絲4-1、第二電熱絲4-2分別與溫控儀13相連接，第一熱電偶5-1、第二熱電偶5-2、第三熱電偶5-3、第四熱電偶5-4分別與多路溫度巡檢儀12相連接。
[0032]上述實施例中的試驗箱6的殼體為保溫殼，保溫殼的內部填充有聚氨酯泡沫，用于減小環境溫度的波動對試驗箱6內部的影響，并防止測溫室內的熱量散失；
[0033]光源室7內的光源2為大功率的燈泡,用于模擬太陽光福射,右側的透鏡3-1 —方面用于將光源發出的點光源變成平行線光源，以使光源均勻照射到被測構件上，另一方面用于隔離光源室和溫控室，以減少燈光的散熱對溫控室內空氣溫度的影響；在光源2的上部設置風扇用于將光源產生的熱量及時的帶走；
[0034]隔離室8主要用于進一步將光源室7與溫控室進行隔離，以減少透鏡3-1的導熱溫控室內空氣溫度的影響；隔離室8的右側壁為隔熱透光板3-2，以使光源2發出的光平行通過；
[0035]溫控室(包括第一溫控室9-1、第二溫控室9-2)內設有電熱絲(包括第一電熱絲
4-1、第二電熱絲4-2)，目的是當溫控室內的空氣溫度與測試構件向光面的表面溫度產生差值時，通過電熱絲的加熱可以防止測溫室內的空氣與測試構件由于溫差而產生自然對流，以保證測試構件的向光面只有輻射熱量的流入而無由于對流換熱而導致的熱量的流入或流出。
[0036]測溫室(包括第一測溫室11-1、第二測溫室11-2)在進行非穩態熱量測試時是密封的，內有少量的空氣，通過對測溫室內空氣溫度的測定可以得到從測試構件背光面流出的熱量。當進行穩態導熱系數測試時，測溫室右側的試驗箱端壁(包括第一試驗箱端壁和第二試驗箱端壁)是敞開的，這樣測試構件通過向光面的輻射和背光面的散熱可以達到穩態。
[0037]多路溫度巡檢儀內接入測試構件向光面、背光面及測溫室熱電偶，用于檢測測試構件兩側的溫度，并繪制溫度隨時間的變化曲線。[0038]溫控儀用于對電熱絲進行加熱控制。當溫控室內空氣溫度與測試構件向光面的表面溫度產生差值時，可以通過控制電熱絲的加熱來防止溫控室內的空氣與測試構件的對流換熱造成的對實驗結果的影響
[0039]基于上述實施例所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置測量相變構件相對導熱系數的方法包括如下步驟:
[0040](I)、將相變構件10-2、標準構件10-1、實驗箱6冷卻至各自溫度均勻；
[0041](2)、使相變構件10-2與標準構件10-1溫度相等，且使該溫度低于相變構件的固化溫度；
[0042](3)、將相變構件10-2及標準構件10-1裝入實驗箱6 ；
[0043](4)、打開光源2及風扇I對相變構件10-2及標準構件10_1進行持續加熱，直至相變構10-2的向光面及背光面溫度均高于相變構件10-2的固化溫度，開始計時；
[0044](5)、當相變構件10-2向光面及背光面溫度均高于相變構件10-2的液化溫度時，停止計時，并記錄整個過程的時間τ ；
[0045]具體地，在該步驟中，相變構件10-2向光面位置處的光照強度是在實驗開始前提前測定得出的，實驗進行時便是已知的，為q ;相變構件10-2的面積即光照面積是由實驗箱6尺寸決定的，即是已知的，為S，光照時間通過測試儀表進行記錄，為τ，則相變構件所接受的輻射熱量為:
[0046]Qin = q S τ
[0047]標準構件10-1與相變構件10-2的尺寸相同，且使用同一光源加熱并同時計時，具有相同的加熱功率、相同的面積及相同的加熱時間，故標準構件10-1與相變構件10-2的加熱量相同；
[0048](6)、測定第一測溫室11-1內空氣的溫升At1及第二測溫室11-2內空氣的溫升At2，進而得出相變構件10-2在相變區間內的非穩態蓄熱量Q1及相同時間段內標準構件10-1的非穩態蓄熱量Q2 ；
[0049]具體地，在該步驟中，通過多路溫度巡檢儀12可以得到第一測溫室11-1內空氣的初始溫度與最終溫度，從而得到空氣的溫升At1 ;第一測溫室11-1內空氣的體積是由實驗箱6的尺寸決定的，即是已知的，為V，空氣的比熱與密度分別為C、P，則相變構件10-2的背光面散失的熱量為:
[0050]Qoutl = c P V Δ ti
[0051]故根據能量守恒可以得出相變構件10-2吸收的熱量為:
[0052]Q1 = Qin-Qoutl
[0053]同理，通過多路溫度巡檢儀12可以得到第二測溫室11-2內空氣的初始溫度與最終溫度，從而得到空氣的溫升At2 ;第二測溫室11-2內空氣的體積與第一測溫室11-1相同，為V，空氣的比熱與密度分別為C、P，則標準構件10-1背光面散失的熱量為:
[0054]Qout2 = c P V Δ t2
[0055]故根據能量守恒可以得出標準構件10-1吸收的熱量為:
[0056]Q2 = Qin-Qout2
[0057](7)、通過標準構件10-1導熱系數的已知數據并利用相對導熱系數的定義式便可求得相變構件10-2的相對導熱系數；[0058]具體地，該待求的相對導熱系數λ i的計算方法根據下式計算:
[0059]XJX2 = Ql7iQ2
[0060]式中λ 1、Q1分別為相變構件10-2的相對導熱系數與非穩態蓄熱量，λ 2、Q2分別為標準構件10-1即普通構件的導熱系數與非穩態蓄熱量。Q1A2通過測試裝置的非穩態測試得到，λ 2通過已知的測試數據或測試裝置的穩態測試得到，已知的測試數據指的是有關標準構件10-1的導熱系數的參考資料或文獻中所提供的導熱系數，測試裝置的穩態測試方法將在下文說明。
[0061]優選地，在步驟(7)中還包括:定期進行標準構件10-1的穩態導熱系數進行測試，以修正測試構件的相對導熱系數。這是由于，標準構件10-1受到諸如純度、氧化、受潮等問題的影響，其導熱系數會發生細微的變化，為避免此類問題的誤差，還需定期進行標準構件10-1的穩態導熱系數測試以修正實驗測試結果。
[0062]優選地，進行標準構件10-1穩態導熱系數測試包括:打開測溫箱右側端蓋，并使標準構件10-1持續加熱，當構件兩側的溫度穩定即導熱達到穩態時，即停止加熱，通過測定標準構件10-1兩側的溫度差便可得出其導熱系數。
[0063]標準構件10-1的厚度通過尺寸測量得出，為δ，打開第一測溫室11-1端蓋進行標準構件的穩態測試，標準構件向光面與背光面的溫度均達到穩定時，分別得到溫度tpt2，則標準構件的導熱系數為:
[0064]λ2 = Ε.δ / Uft2)
[0065]以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置包括試驗箱(6)，其特征在于，還包括包括多路溫度巡檢儀(12)、溫控儀(13)，其中試驗箱(6)包括光源室(7)、隔熱室(8)、第一溫控制室(9-1)、第一測溫室(11-1)、第二溫控室(9-2)、第二測溫室(11-2);光源室(7)的內部安裝有光源(2)，第一溫控室(9-1)內安裝有第一電熱絲(4-1)和第一熱電偶(5-1)，第一測溫室(11-1)內安裝有第二熱電偶(5-2)，第二溫控室(9-2)內安裝有第二電熱絲(4-2)和第三熱電偶(5-3)，第二測溫室(11-2)內安裝有第四熱電偶(5-4)，標準構件(10-1)右側為第一試驗箱端壁，相變構件(10-2)右側為第二試驗箱端壁，第一試驗箱端壁和第二試驗箱端壁可拆卸；第一電熱絲(4-1)、第二電熱絲(4-2)分別與溫控儀(13)相連接，第一熱電偶(5-1)、第二熱電偶(5-2)、第三熱電偶(5-3)、第四熱電偶(5-4)分別與多路溫度巡檢儀(12)相連接。
2.根據權利要求1所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，所述隔熱室(8)由左右兩側的透鏡(3-1)和隔熱透光板(3-2)以及試驗箱壁圍成。
3.根據權利要求2所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，第一溫控室(9-1)和第二溫控室(9-2)空間體積相等，第一測溫室(11-1)和第二測溫室(11-2)空間體積相等。
4.根據權利要求3所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，試驗箱(6)的殼體為保溫殼，保溫殼的內部填充有聚氨酯泡沫。
5.根據權利要求5所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，光源室(7)內的實驗箱壁上開有通風口，通風口處安裝有風扇(I)。
6.根據權利要求5所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，隔離室(8)主要用于進一步將光源室(7)與溫控室進行隔離，以減少透鏡(3-1)的導熱溫控室內空氣溫度的影響；隔離室⑶的右側壁為隔熱透光板(3-2)，以使光源⑵發出的光平行通過。
7.根據權利要求6所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，溫控室內設有電熱絲，目的是當溫控室內的空氣溫度與測試構件向光面的表面溫度產生差值時，通過電熱絲的加熱可以防止測溫室內的空氣與測試構件由于溫差而產生自然對流，以保證測試構件的向光面只有輻射熱量的流入而無由于對流換熱而導致的熱量的流入或流出。
8.根據權利要求7所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，測溫室在進行非穩態熱量測試時是密封的，內有少量的空氣，通過對測溫室內空氣溫度的測定可以得到從測試構件背光面流出的熱量；當進行穩態導熱系數測試時，測溫室右側的試驗箱端壁是敞開的，這樣測試構件通過向光面的輻射和背光面的散熱可以達到穩態。
9.根據權利要求8所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置，其特征在于，多路溫度巡檢儀內接入測試構件向光面、背光面及測溫室熱電偶，用于檢測測試構件兩側的溫度，并繪制溫度隨時間的變化曲線，溫控儀用于對電熱絲進行加熱控制。
10.利用權利要求1至9中任一所述的輻射換熱法測量相變構件相對導熱系數的裝置測量相變構件相對導熱系數的方法包括如下步驟: (1)、將相變構件(10-2)、標準構件(10-1)、實驗箱(6)冷卻至各自溫度均勻； (2)、使相變構件(10-2)與標準構件(10-1)溫度相等，且使該溫度低于相變構件的固化溫度； (3)、將相變構件(10-2)及標準構件(10-1)裝入實驗箱(6)； (4)、打開光源(2)及風扇⑴對相變構件(10-2)及標準構件(10-1)進行持續加熱，直至相變構(10-2)的向光面及背光面溫度均高于相變構件(10-2)的固化溫度，開始計時； (5)、當相變構件(10-2)向光面及背光面溫度均高于相變構件(10-2)的液化溫度時，停止計時，并記錄整個過程的時間τ，計算得出變相構件(10-2)所接受的輻射熱量為:
Qin = q S τ (6)、測定第一測溫室(11-1)內空氣的溫升At1及第二測溫室(11-2)內空氣的溫升△ t2，進而得出相變構件(10-2)在相變區間內的非穩態蓄熱量％及相同時間段內標準構件(10-1)的非穩態蓄熱量Q2 ； (7)通過標準構件(10-1)的導熱系數的已知數據并利用相對導熱系數的定義式便可求得相變構件的相對導熱系數； 具體地，該待求的相對導熱系數λ i的計算方法根據下式計算:
入 I, X 2 — Ql/Q2
【文檔編號】G01N25/20GK103995018SQ201410224980
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】謝靜超, 劉加平, 王未 申請人:北京工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
