輸入相變材料容器1的形狀信息，輸入當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，當(dāng)相變材 料容器1為球形時(shí)，輸入凝固溫度!^、初始溫度、冷卻溫度T。、時(shí)間間隔At、球形容器的半 徑R、玻璃管的內(nèi)半徑n、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^、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(dòng)力粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)1α、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；
[0054] 2)冷卻凝固開(kāi)始后開(kāi)始測(cè)試，裝置記錄液相相變材料在玻璃管3中的液面初始高 度H。，并實(shí)時(shí)記錄以開(kāi)始測(cè)試為起點(diǎn)的凝固過(guò)程進(jìn)行的總時(shí)間t，液位傳感器3以設(shè)定的時(shí) 間間隔A t實(shí)時(shí)測(cè)量得到液相相變材料在玻璃管3中的液面下降過(guò)程中的瞬時(shí)高度H，計(jì)算 得到固相相變材料的收縮體積Vs，計(jì)算公式如下：
[0055]
[0056] 計(jì)算得到球形容器的總?cè)莘eVc，計(jì)算公式如下：
[0057] Vc = ^ π R1 -nr1(2) 3' 2
[0058] 根據(jù)設(shè)定參數(shù)Vc和Pl，計(jì)算得到相變材料的總質(zhì)量M，計(jì)算公式如下：
[0059] M = VcPl (3)
[0060] 之后，通過(guò)分析凝固過(guò)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：
[0061] m M-m . -+---(4) Ps Pl
[0062] 式中，m表示已經(jīng)凝固的相變材料的質(zhì)量；
[0063] 用如下公式計(jì)算得到相變材料凝固過(guò)程中的瞬時(shí)凝固率f:
[0064] (A -p,)M v ；
[0065] 根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)相變材料傳出球形容器的瞬時(shí)總能量Q通過(guò)下式計(jì)算， 即：
[0066] f τ _τ ' (T- -T Λ Q 二 mL ? mCp L(T廠 TJ + m€p ss -f 1 s (6) 、上） \ 1 J
[0067]總換熱面積A通過(guò)以下公式計(jì)算：
[0068] A = 4jtR2 (7)
[0069] 根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得到通過(guò)球形容器換熱面的平均熱流，公式如下所示：
[0070] ? 1 d〇 1 Αζ) q =-----~-- ? ο ι Λ ? Λ Δ/
[0071] 凝固過(guò)程中的整體換熱系數(shù)h通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：
[0072] h = ^~ (9)
[0073] 得到整體換熱系數(shù)后，努塞爾數(shù)Nu即可通過(guò)下面的定義式求出：
[0074] Nu=-- (10) K
[0075] 表示顯熱相對(duì)潛熱的比例的斯蒂芬數(shù)Ste通過(guò)如下定義式計(jì)算：
[0076] C AT -T) …、 Ste = ^-^~^ (11)
[0077] 衡量凝固過(guò)程中自然對(duì)流強(qiáng)弱的格拉曉夫數(shù)Gr通過(guò)如下定義式計(jì)算：
[0078] Gr = Π 町(12) F
[0079] 表示無(wú)量綱時(shí)間的傅里葉數(shù)Fo通過(guò)如下定義式計(jì)算：
[0080] F〇= Kt , (13) P,CnSR-
[0081]由此計(jì)算得到固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù):瞬時(shí)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于，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(jì)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(duì)稱中屯、上方插入一個(gè)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(hào)實(shí)時(shí)傳輸 到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)導(dǎo)出的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(6)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，所述的相變材料容器(1)為對(duì)稱、規(guī)則形狀的容器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，所述的相變材料容器(1)呈球形、長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體。4. 一種利用權(quán)利要求1所述裝置的固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測(cè)試方法，其特征 在于，它的步驟如下 1) 在計(jì)算機(jī)(6)中輸入相變材料容器（1)的形狀信息，輸入當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，當(dāng)相變材 料容器（1)為球形時(shí)，輸入凝固溫度Ts、初始溫度Τι、冷卻溫度Tc、時(shí)間間隔At、球形容器的 半徑R、玻璃管的內(nèi)半徑ri、液相材料投入口的外半徑η、加熱棒半徑血、液相材料投入口的 深度出、液相材料投入口與球屯、的距離此、液相相變材料的密度PL、比熱容Cp, L、熱膨脹系數(shù) 0、動(dòng)力粘度μ、導(dǎo)熱系數(shù)k、固相相變材料的密度PS、比熱容Cp,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； 2) 冷卻凝固開(kāi)始后開(kāi)始測(cè)試，裝置記錄液相相變材料在玻璃管（3)中的液面初始高度 H。，并實(shí)時(shí)記錄W開(kāi)始測(cè)試為起點(diǎn)的凝固過(guò)程進(jìn)行的總時(shí)間t，液位傳感器(3) W設(shè)定的時(shí) 間間隔A t實(shí)時(shí)測(cè)量得到液相相變材料在玻璃管(3)中的液面下降過(guò)程中的瞬時(shí)高度H，計(jì) 算得到固相相變材料的收縮體積Vs，計(jì)算公式如下：(1) 計(jì)算得到球形容器的總?cè)莘eVe，計(jì)算公式如下：(2) 根據(jù)設(shè)定參數(shù)Ve和R，計(jì)算得到相變材料的總質(zhì)量M，計(jì)算公式如下： M=V 泌 L (3) 之后，通過(guò)分析凝固過(guò)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W下方 程：(4) 式中，m表示已經(jīng)凝固的相變材料的質(zhì)量； 用如下公式計(jì)算得到相變材料凝固過(guò)程中的瞬時(shí)凝固率f:(3) 根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)相變材料傳出球形容器的瞬時(shí)總能量Q通過(guò)下式計(jì)算，即：(6) 總換熱面積A通過(guò)W下公式計(jì)算： A = 43iR2 (7) 根據(jù)W上參數(shù)計(jì)算得到通過(guò)球形容器換熱面的平均熱流，公式如下所示：(8) 凝固過(guò)程中的整體換熱系數(shù)h通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：御 得到整體換熱系數(shù)后，努塞爾數(shù)Nu即可通過(guò)下面的定義式求出：(10) 表示顯熱相對(duì)潛熱的比例的斯蒂芬數(shù)Ste通過(guò)如下定義式計(jì)算：(11) 衡量凝固過(guò)程中自然對(duì)流強(qiáng)弱的格拉曉夫數(shù)Gr通過(guò)如下定義式計(jì)算：(12) 表示無(wú)量綱時(shí)間的傅里葉數(shù)化通過(guò)如下定義式計(jì)算：(13) 由此計(jì)算得到固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù):瞬時(shí)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)化。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種固-液相變材料凝固傳熱性能參數(shù)測(cè)試裝置及其方法。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(jì)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(duì)稱中心上方插入一個(gè)液相材料投入口，液相材料投入口與玻璃管連接，玻璃管內(nèi)部插入一根加熱棒，其加熱溫度與初始溫度保持一致，液位傳感器的液位模擬信號(hào)實(shí)時(shí)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(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。本發(fā)明基于固-液相變凝固過(guò)程中體積收縮的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)合理的假設(shè)以及嚴(yán)格的推導(dǎo)，能夠在一定精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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)的自動(dòng)測(cè)量、運(yùn)算和顯示。
【IPC分類】G01N25/18, G01N25/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105548245
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510890399
【發(fā)明人】范利武, 馮飆, 朱子欽, 曾軼, 劉閔婕, 金虹慶, 俞自濤, 胡亞才
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月5日