固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于相變材料參數(shù)測量領(lǐng)域，具體涉及一種固-液相變材料凝固傳熱性能 參數(shù)測試裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如在堆積床型儲熱換熱器中的儲熱單元、太陽能光熱利用儲熱罐、實(shí)驗(yàn)室中相 變材料在不同形狀容器中的凝固試驗(yàn)等工程和試驗(yàn)背景下，由于凝固后固相相變材料是不 透明的，所以容器內(nèi)相變材料在凝固過程中的內(nèi)部具體情況是無法直接觀測的，目前凝固 過程中凝固率、整體換熱系數(shù)等關(guān)鍵傳熱性能參數(shù)的相關(guān)結(jié)果只能通過數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù) 測，缺乏有效的實(shí)驗(yàn)測量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對邊界溫度是已知的且波動較小的情況下，提供一種固-液 相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試裝置及其方法。
[0004] -種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試裝置，它包括相變材料容器、液相材料 投入口、玻璃管、加熱棒、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計算機(jī);相變材料容器空腔內(nèi)含有固-液相變材料，相 變材料容器對稱中心上方插入一個液相材料投入口，液相材料投入口與玻璃管相通，玻璃 管上設(shè)有液位傳感器，且管體內(nèi)部插有一根加熱溫度與邊界溫度保持一致的加熱棒，液位 傳感器的液位模擬信號實(shí)時傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器導(dǎo)出的數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎?機(jī)。
[0005] 所述的相變材料容器為對稱、規(guī)則形狀的容器。
[0006] 進(jìn)一步的所述的對稱、規(guī)則形狀可選擇球形、長方體、正方體或圓柱體。
[0007] 液相材料投入口可以為容器內(nèi)相變材料在凝固收縮的過程中向容器中心補(bǔ)充液 相材料時提供通道，加熱溫度與邊界溫度保持一致的加熱棒可以保證補(bǔ)液通道在凝固過程 中始終通暢。
[0008] -種基于上述裝置的固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試方法，它的步驟如下：
[0009] 1)在計算機(jī)中輸入相變材料容器的形狀信息，輸入當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，當(dāng)相變材料 容器為球形時，輸入凝固溫度1、初始溫度Ti、冷卻溫度T。、時間間隔△ t、球形容器的半徑R、 玻璃管的內(nèi)半徑打、液相材料投入口的外半徑r2、加熱棒半徑rhr、液相材料投入口的深度Hi、 液相材料投入口與球心的距離H 2、液相相變材料的密度PL、比熱容CP, L、熱膨脹系數(shù)β、動力粘 度μ、導(dǎo)熱系數(shù)kL、固相相變材料的密度Ps、比熱容C P,S、凝固潛熱L、導(dǎo)熱系數(shù)ks，其中，固相相 變材料的密度Ps、導(dǎo)熱系數(shù)ks均采用冷卻溫度與凝固溫度的算術(shù)平均值下的參數(shù)值；
[0010] 2)冷卻凝固開始后開始測試，裝置記錄液相相變材料在玻璃管中的液面初始高度 H。，并實(shí)時記錄以開始測試為起點(diǎn)的凝固過程進(jìn)行的總時間t，液位傳感器以設(shè)定的時間間 隔A t實(shí)時測量得到液相相變材料在玻璃管中的液面下降過程中的瞬時高度H，計算得到固 相相變材料的收縮體積Vs，計算公式如下：
[0011] (1)
[0012] 計算得到球形容器的總?cè)莘eVc，計算公式如下：
[0013] 1? ^~π?3-XT2Μγ (2) 3 2
[0014] 根據(jù)設(shè)定參數(shù)Vc和Pl，計算得到相變材料的總質(zhì)量Μ，計算公式如下：
[0015] M = VcPl (3)
[0016] 之后，通過分析凝固過程中固相相變材料和液相相變材料的體積變化特點(diǎn)得到以 下方程：
[0017] (4)： Ps Pi
[0018] 式中，m表示已經(jīng)凝固的相變材料的質(zhì)量；
[0019] 用如下公式計算得到相變材料凝固過程中的瞬時凝固率f:
[0020] m _{V, +V^)p.ps-M(\ ⑶ - A/ - (A. ~P,)M '
[0021] 根據(jù)能量守恒定律，通過相變材料傳出球形容器的瞬時總能量Q通過下式計算， 即：
[0022] Q - mL + mCpX(7： -Ts) + mCp3 (^-) + (Μ-m)CpX ((6)
[0023] 總換熱面積A通過以下公式計算：
[0024] A = 4jtR2 (7)
[0025] 根據(jù)以上參數(shù)計算得到通過球形容器換熱面的平均熱流，公式如下所示：
[0026] 疒二丄(8) A dl Α Δ/
[0027] 凝固過程中的整體換熱系數(shù)h通過下式進(jìn)行計算：
[0028] h = ^- (9) j _ γ 、' S' c
[0029] 得到整體換熱系數(shù)后，努塞爾數(shù)Nu即可通過下面的定義式求出：
[0030] Nu = - (10) k
[0031 ]表示顯熱相對潛熱的比例的斯蒂芬數(shù)Ste通過如下定義式計算：
[0032] Γ (I -Τ) = ~d (11)
[0033] 衡量凝固過程中自然對流強(qiáng)弱的格拉曉夫數(shù)Gr通過如下定義式計算：
[0034] (12) /廠
[0035] 表示無量綱時間的傅里葉數(shù)Fo通過如下定義式計算：
[0036] (13)
[0037] 由此計算得到固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù):瞬時凝固率f、努賽爾數(shù)Nu、斯蒂 芬數(shù)Ste、格拉曉夫數(shù)Gr、傅里葉數(shù)Fo。
[0038] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
[0039] (1)通過基于體積收縮數(shù)據(jù)的關(guān)鍵傳熱性能參數(shù)的計算方法，能夠通過實(shí)驗(yàn)的方 法在一定精度范圍內(nèi)推算容器內(nèi)相變材料的凝固率、整體換熱系數(shù)等關(guān)鍵傳熱性能參數(shù)；
[0040] (2)配套有關(guān)鍵傳熱性能參數(shù)計算程序，計算程序中的容器形狀、尺寸、邊界條件、 相變材料熱物性等關(guān)鍵計算參數(shù)可以方便地輸入，以適應(yīng)多種復(fù)雜的計算應(yīng)用對象；
[0041] (3)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)靈活、拆裝簡便，通過液相材料投入口和加熱棒相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè) 計可以源源不斷補(bǔ)充液體進(jìn)入容器填補(bǔ)收縮體積，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，同時，可以方便 地通過改變玻璃管的直徑調(diào)節(jié)測量精度以適應(yīng)不同的需求；
[0042] (4)測試裝置可以實(shí)現(xiàn)自動測量、運(yùn)算和顯示。
【附圖說明】
[0043] 圖1是固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖2是相變材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加熱棒的剖面示意圖；
[0045] 圖3是相變材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加熱棒的俯視局部剖示意圖，剖面 的位置為圖2中標(biāo)出的A-A截面；
[0046] 圖中：相變材料容器1、液相材料投入口 2、玻璃管3、加熱棒4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、計算機(jī) 6〇
【具體實(shí)施方式】
[0047] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0048] 如圖1-3所示，一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試裝置，它包括相變材料 容器1、液相材料投入口 2、玻璃管3、加熱棒4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、計算機(jī)6;相變材料容器1空腔內(nèi) 含有固-液相變材料，相變材料容器1對稱中心上方插入一個液相材料投入口 2，液相材料投 入口 2與玻璃管3相通，玻璃管3上設(shè)有液位傳感器，且管體內(nèi)部插有一根加熱溫度與邊界溫 度保持一致的加熱棒4,液位傳感器的液位模擬信號實(shí)時傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器5中，模數(shù)轉(zhuǎn)換 器5導(dǎo)出的數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)6。
[0049] 所述的相變材料容器1為對稱、規(guī)則形狀的容器。
[0050] 進(jìn)一步的所述的對稱、規(guī)則形狀可選擇球形、長方體、正方體或圓柱體。
[0051] 液相材料投入口 2可以為容器內(nèi)相變材料在凝固收縮的過程中向容器中心補(bǔ)充液 相材料時提供通道，加熱溫度與邊界溫度保持一致的加熱棒4可以保證補(bǔ)液通道在凝固過 程中始終通暢。
[0052] 一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測試方法，它的步驟如下 [0053] 1)在計算機(jī)6中