本發(fā)明屬于傳熱學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說(shuō)，涉及一種用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
：隨著相變材料的普及，很多相變材料被應(yīng)用在建筑、鍋爐或制冷系統(tǒng)中。傳熱能力作為相變材料的主要屬性之一，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視程度。雖然目前對(duì)純相變材料的傳熱屬性、相變層變化及內(nèi)流場(chǎng)情況已有一些研究與發(fā)現(xiàn)(WojcikTM.Expthermfluidsci,2009,33:397-404.)，但為了更高地改變導(dǎo)熱能力，研究人員指出可以將相變材料填充在有孔隙的金屬泡沫中，利用金屬優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性進(jìn)一步提高相變材料的傳熱速度?，F(xiàn)有公開的技術(shù)文獻(xiàn)(SomasundaramK,BirgerssonE,MujumdarAS.JPowerSources,2012,203:84–96.)中對(duì)相變材料換熱進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，在其文中提出的金屬泡沫相變材料結(jié)合換熱研究的主要問(wèn)題包括:(1)未有研究針對(duì)加熱功率和真空度對(duì)金屬泡沫有效導(dǎo)熱系數(shù)影響進(jìn)行研究；(2)金屬泡沫內(nèi)部傳熱機(jī)理和影響換熱的因素尚不明確；(3)金屬泡沫內(nèi)部相變換熱研究尚屬空白。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括外玻璃罩、螺栓、絕熱材料、內(nèi)玻璃罩、加熱銅板,所述外玻璃罩為兩塊長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃板，外玻璃罩的四角有對(duì)稱的通孔，所述內(nèi)玻璃罩位于外玻璃罩之間,加熱銅板黏貼在內(nèi)玻璃罩形成的內(nèi)腔的側(cè)壁上,用于加熱內(nèi)腔中的相變材料；外玻璃罩與內(nèi)玻璃罩間填充有聚氨酯泡沫或隔熱海綿材質(zhì)的絕熱材料；通過(guò)螺栓緊固擠壓外玻璃罩給予絕熱材料外壓力，絕熱材料通過(guò)擠壓內(nèi)玻璃罩保證內(nèi)腔中的相變材料不會(huì)溢出，進(jìn)行不同角度的相變材料傳熱實(shí)驗(yàn)。一種采用所述用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行金屬泡沫內(nèi)相變材料傳熱的測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1.標(biāo)定測(cè)試所用的熱電偶；測(cè)量熱電偶標(biāo)定曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇標(biāo)定選用的熱電偶；步驟2.對(duì)相變材料進(jìn)行熱物性測(cè)試；應(yīng)用DSC曲線測(cè)試，得到相變材料相變溫度、相變潛熱、顯熱容、動(dòng)力黏性系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、密度和導(dǎo)熱系數(shù)多系列參數(shù)；步驟3.金屬泡沫加工；對(duì)孔隙率、孔密度、孔徑參數(shù)運(yùn)用控制變量法，選用實(shí)驗(yàn)所需泡沫尺寸規(guī)格；步驟4.填充相變材料；將所選相變材料加熱熔化，再將熔化后的液態(tài)相變材料灌注入金屬泡沫，固定并使之凝固；步驟5.在裝置內(nèi)玻璃壁面上采用鋁箔膠帶黏貼測(cè)溫?zé)犭娕?，并將測(cè)溫?zé)犭娕寂c數(shù)據(jù)采集儀連接，調(diào)試儀器；步驟6.采集所需數(shù)據(jù)；選用準(zhǔn)備好的填充相變材料的金屬泡沫采集內(nèi)壁溫度，改變金屬泡沫的孔隙率、孔密度后，重復(fù)上述步驟。有益效果本發(fā)明提出的用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)裝置包括外玻璃罩、絕熱材料、內(nèi)玻璃罩、加熱銅板；外玻璃罩為兩塊長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃板，外玻璃罩的四角有對(duì)稱的通孔；內(nèi)玻璃罩安裝在外玻璃罩之間，加熱銅板黏貼在內(nèi)玻璃罩形成的內(nèi)腔的側(cè)壁上,用于加熱內(nèi)腔中的相變材料；外玻璃罩與內(nèi)玻璃罩間填充有絕熱材料；通過(guò)螺栓緊固擠壓外玻璃罩給予絕熱材料外壓力，絕熱材料通過(guò)擠壓內(nèi)玻璃罩保證內(nèi)腔中的相變材料不會(huì)溢出，進(jìn)行不同角度的相變材料傳熱實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其特點(diǎn)在于:(1)搭建金屬泡沫內(nèi)相變材料傳熱實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置；通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究壁面溫度和內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。(2)通過(guò)改變金屬泡沫幾何參數(shù)，研究泡沫孔隙率和孔密度對(duì)溫度變化的影響。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)熔化過(guò)程進(jìn)行可視化研究。(3)根據(jù)物理模型和邊界條件，建立了金屬泡沫內(nèi)固液相變的數(shù)學(xué)模型。該模型統(tǒng)一了石蠟在固態(tài)和液態(tài)的動(dòng)量方程，并考慮到非達(dá)西效應(yīng)影響。(4)通過(guò)計(jì)算，研究不同孔隙率的泡沫在同一時(shí)刻的速度場(chǎng)、同一時(shí)刻石蠟溫度場(chǎng)和泡沫溫度場(chǎng)的差異、不同的表面換熱系數(shù)對(duì)內(nèi)部溫度的影響；以及在熔化過(guò)程中相界面隨時(shí)間的變化規(guī)律。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1為本發(fā)明相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為熱電偶標(biāo)定曲線。圖3為石蠟DSC測(cè)試曲線。圖4為金屬泡沫填充石蠟相變材料前后對(duì)比圖。圖5為不同孔隙率金屬泡沫的壁溫-時(shí)間曲線。圖6為不同孔隙率金屬泡沫的內(nèi)部溫度-時(shí)間曲線。圖7為不同孔密度金屬泡沫的壁溫-時(shí)間曲線。圖8為不同孔密度金屬泡沫的內(nèi)部溫度-時(shí)間曲線。圖中:1.外玻璃罩2.螺栓3.絕熱材料4.內(nèi)玻璃罩5.加熱銅板6.內(nèi)腔具體實(shí)施方式本實(shí)施例是一種用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法。參閱圖1～圖8，本實(shí)施例相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置，由外玻璃罩1，螺栓2，絕熱材料3，內(nèi)玻璃罩4，加熱銅板5及內(nèi)腔6組成。外玻璃罩1為兩塊長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃板。在外玻璃罩1的四角加工有對(duì)稱的通孔，通過(guò)螺栓2安裝以固定實(shí)驗(yàn)裝置，螺栓2應(yīng)特殊加工以滿足裝個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置固定要求的力學(xué)要求及幾何尺寸。螺栓2固定好后，通過(guò)擠壓外玻璃罩1給予絕熱材料3一定的外壓力，絕熱材料3通過(guò)擠壓內(nèi)玻璃罩4保證內(nèi)腔6中的相變材料不會(huì)溢出，從而進(jìn)行不同角度的相變材料傳熱實(shí)驗(yàn)。外玻璃罩1與內(nèi)玻璃罩4之間填充有聚氨酯泡沫或隔熱海綿材質(zhì)的絕熱材料3，用來(lái)阻礙通過(guò)熱傳導(dǎo)方式的熱量損失。當(dāng)使用聚氨酯泡沫作為絕熱材料3時(shí)，會(huì)有較好的力學(xué)性能及隔熱性能。當(dāng)使用隔熱海綿作為絕熱材料3時(shí)，由于隔熱海綿具有一定的柔軟性，可隨時(shí)揭開海綿，對(duì)內(nèi)部相變材料變化進(jìn)行觀察或攝像，一般每間隔固定的時(shí)間觀察一次，會(huì)為實(shí)驗(yàn)研究中隨時(shí)拍攝相變材料相變層分界線提供極大的方便。內(nèi)玻璃罩4具體由玻璃蓋板和不封口玻璃盒構(gòu)成，當(dāng)使用銅板黏貼加熱膜進(jìn)行加熱時(shí)，將加熱銅板5固定于內(nèi)玻璃罩4的玻璃蓋板上，來(lái)加熱內(nèi)腔6中的相變材料。加熱銅板5上的加熱膜使用直流穩(wěn)壓電源提供電能，也可使用其它電壓或功率的直流穩(wěn)壓電源，取決于實(shí)驗(yàn)中的具體情況和實(shí)驗(yàn)要求。內(nèi)腔6中的相變材料可使用純相變材料、純相變微膠囊材料、相變微膠囊懸濁液或充斥有相變材料的金屬泡沫，以完成不同真空度及孔隙率的實(shí)驗(yàn)，具體懸濁液的原材料選擇及配比取決于實(shí)驗(yàn)中的具體情況和實(shí)驗(yàn)要求。也可不使用金屬泡沫作為填充物，進(jìn)行純相變材料的實(shí)驗(yàn)。內(nèi)玻璃罩4的內(nèi)外玻璃壁面上及絕熱材料3的外部可安裝多個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，配合?shù)據(jù)采集儀測(cè)量不同部位處的溫度，進(jìn)而計(jì)算出玻璃及絕熱材料的導(dǎo)熱損失，觀察影響熱量散失的因素以及保溫的效果。本實(shí)施例用于相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù):外玻璃罩長(zhǎng)度為210mm、寬度為210mm、厚度為15mm；螺栓長(zhǎng)度為200mm；內(nèi)玻璃罩長(zhǎng)度為75mm、寬度為75mm、厚度為40mm；加熱銅板長(zhǎng)度為70mm、寬度為70mm、厚度為3mm；內(nèi)腔長(zhǎng)度為60mm、寬度為60mm、高度為30mm；加熱膜功率50V50W；熱電偶選用歐米茄牌0.5mm直徑T型熱電偶；聚氨酯泡沫絕熱材料長(zhǎng)度為130mm、寬度為130mm、厚度為40mm；橡塑海綿絕熱材料長(zhǎng)度為130mm、寬度為120mm、厚度為10mm；金屬泡沫孔隙率選用0.9和0.95，孔密度選用10PPI和20PPI。進(jìn)行金屬泡沫內(nèi)相變材料傳熱的測(cè)試方法基于上述相變材料傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置，本實(shí)施例還提出一種進(jìn)行金屬泡沫內(nèi)相變材料傳熱的測(cè)試方法，按以下步驟進(jìn)行:(1)標(biāo)定0.5mm直徑T型熱電偶；測(cè)量熱電偶標(biāo)定曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇標(biāo)定選用的熱電偶。(2)對(duì)石蠟進(jìn)行熱物性測(cè)試；應(yīng)用DSC曲線測(cè)試，得到石蠟相變溫度、相變潛熱、顯熱容、動(dòng)力黏性系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、密度和導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)，測(cè)得石蠟熱物性參數(shù)如下表所示。參數(shù)數(shù)值相變溫度，[℃]44.48-60.39相變潛熱，[kJ/kg]102.1顯熱容，[J/kgK]2850動(dòng)力粘性系數(shù)，[kg/ms]0.00365熱擴(kuò)散系數(shù)，[l/K]0.0003085密度，[kg/m3]785.02導(dǎo)熱系數(shù)，[W/mK]0.10-0.20(3)紫銅金屬泡沫加工；對(duì)孔隙率、孔密度、孔徑參數(shù)運(yùn)用控制變量法，選用實(shí)驗(yàn)所需泡沫尺寸規(guī)格，如下表所示。(4)填充石蠟；將石蠟加熱熔化，再將熔化后的液態(tài)石蠟灌注入金屬泡沫，固定并使之凝固。(5)在裝置內(nèi)玻璃壁面上用鋁箔膠帶在四角及中心處黏貼測(cè)溫?zé)犭娕?，并將測(cè)溫?zé)犭娕寂c數(shù)據(jù)采集儀連接，調(diào)試儀器。將步驟4中的灌好石蠟的金屬泡沫放入內(nèi)玻璃罩的內(nèi)腔中，密封玻璃罩，固定擰緊螺栓。(6)采集所需數(shù)據(jù)；選用準(zhǔn)備好的填充石蠟的金屬泡沫采集內(nèi)壁溫度，改變金屬泡沫的孔隙率、孔密度后，重復(fù)上述步驟。所測(cè)得不同孔隙率金屬泡沫對(duì)壁溫的影響如圖5所示，不同孔隙率金屬泡沫對(duì)內(nèi)部溫度的影響如圖6所示，不同孔密度金屬泡沫對(duì)壁溫的影響如圖7所示，不同孔密度金屬泡沫對(duì)內(nèi)部溫度的影響如圖8所示。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3