多孔材料湿物性测量装置及其测量方法与流程

本发明属于材料湿物性测量领域，具体涉及一种多孔材料湿物性测量装置及其测量方法。

背景技术：

多孔材料的传热与传质问题对人们的日常生活和社会生产有着重要的影响。食品加工、能源动力、化工生产、生物技术、能源节约等领域无不与之相关。因此，长期以来多孔材料的传热与传质问题受到高度重视。

在传热传质学领域，传热的研究已经较为透彻，除了拥有各种测量材料热物性的测量工具之外，还建立了较为全面的材料热物性数据库。但由于技术水平的限制，过去人们未能对材料的湿物性展开研究与测量。而随着人们对舒适度要求的提高，逐渐发现了湿分传递对生活造成的不良影响。例如，在建筑热工领域，湿传递对墙体整体性能的改变极其明显。在围护结构中，过高的含湿量会导致墙体表面的水分凝结和霉菌增长，缩短建筑构件的使用寿命，增加室内空调系统的能耗、降低室内空气品质等等。因此，发明一种多孔材料的湿物性测量仪器能帮助人们对材料的热湿耦合传递有更深刻的认识，填补空白的湿物性数据库，提高人们生活品质。

双压法湿度发生的原理是基于道尔顿分压定律，该定律认为在任何容器内相互间不发生化学反应的气体混合物，并且每种气体在整个容器内呈均匀分布状态，则每种气体产生的压强等于其独占整个容器时产生的压强。双压法湿度发生方法是目前所采用的湿度发生中精度较高的一种方式。先使得通入相对高压的饱和室中，空气在此增湿至某温度下的饱和湿气，然后在相同的温度下，通过节流阀调节降压，将饱和室中高压状态下的湿空气降至稳定的低压状态，从而得到所需的恒湿空气，通过改变饱和室的压力或者测试室的压力，得到两者之间对应的压力比值，就可以得到不同湿度的恒湿空气。

技术实现要素：

本发明提供一种多孔材料湿物性测量装置，可以测量出待测样品的水蒸气有效扩散系数和等温吸湿曲线。

多孔材料湿物性测量装置包括：

用于营造高于环境相对湿度的高湿测试室；

用于营造低于环境相对湿度的低湿测试室；

用于输送饱和水蒸气的饱和系统，与所述高湿测试室通过单向节流阀连接；

用于控制测量平台各部分温度的温度控制系统；

以及用于采集包括压力、温度、相对湿度和重量数据的数据采集系统。

优选的，所述高湿测试室为长方体测试室，测试室与饱和系统通过单向节流阀连接，与室外环境通过单向阀连接，高湿测试室顶部装有悬挂天平、制冷套件、温控仪，底部装有空气加热器、压力传感器、轴流风机，右侧面开设有三个方孔，三个方孔的室内侧设置有可抽取密封隔板。

优选的，所述低湿测试室为长方体测试室，低湿测试室内配备有抽屉式多孔空气干燥室，低湿测试室顶部装有制冷套件、温控仪，底部装有空气加热器、轴流风机，左侧面开三个方孔，三个方孔的室内侧设置有可抽取密封隔板。

优选的，所述饱和系统由空气压缩机、储水室、饱和室组成，其中饱和室为圆柱体，内部装有水位控制器、压力传感器、加热硅胶带、温控仪，储水室通过饱和室内水位控制器向饱和室中输送纯净水，空气压缩机与饱和室通过气动调压阀连接，向饱和室的水中通入空气。

优选的，所述温度控制系统包括三台温控仪，第一温控仪通过连接饱和室内加热硅胶带控制饱和水蒸气的温度，第二温控仪通过连接高湿测试室内制冷套件和空气加热器控制高湿测试室内温度，第三温控仪通过连接低湿测试室内制冷套件和空气加热器控制低湿测试室内温度。

多孔材料在使用过程中，由于湿分的积累，会导致其保温性能的下降，以及诸多不良影响。本发明的多孔材料湿物性测量装置包含一套多孔材料在不同温度、不同相对湿度下水蒸气有效扩散系数和等温吸湿曲线的测试系统，可以获得多孔材料不同温度、不同相对湿度下的水蒸气有效扩散系数和等温吸湿曲线，进而了解多孔材料的湿物性以及热湿耦合传递情况，最终可以实现多孔材料在不同工况下的使用情况预估，预测材料的使用寿命以及防范湿度过大带来的不利影响。

附图说明

图1是多孔材料水蒸气有效扩散系数测量实验原理图；

图2是本发明的多孔材料湿物性测量装置的连接框图；

图3是本发明的多孔材料湿物性测量装置主要测试结构的俯视图。

具体实施方式

本发明能完成对多孔材料样品水蒸气有效扩散系数与等温吸湿曲线的测量。测量原理如下：

基于水蒸气瞬态一维扩散物理模型，如图1，样品内部的起始水蒸气密度一致且为一常数值ρ0。当实验开始时，样品一端边界上(x＝0)的环境水蒸气密度突然提升并且将一直保持在ρ1(＞ρ0)，而样品另一端边界上的环境水蒸气密度始终保持为ρ0。此后，水分将在这一水蒸气密度差的驱动下在样品内部沿着x轴正方向进行一维传导。在某一时间样品内部的相对湿度分布将如图1的虚线所示。通过理想气体状态方程以及相对湿度具体定义可推导出局部水蒸气密度与相对湿度的关系式。并可通过式(1)计算得到在等温条件下水蒸气有效扩散系数：

式中：

d为水蒸气有效扩散系数，m²/s；

为相对湿度，％。

x0为某监测点距离样品高湿度表面的距离，m；

t0为该监测点达到相对湿度所需的扩散时间，s。

将小块的干燥样品暴露在稳定相对湿度的湿环境中，材料从环境中吸收水分直至平衡，此时材料的含湿量为该相对湿度下的吸湿平衡含湿量，保持温度不变，将干燥样品暴露在不同相对湿度的环境中，可以得到不同相对湿度下材料的吸湿平衡含湿量，以相对湿度为横坐标，材料的平衡含湿量为纵坐标，可以得到该多孔材料平衡含湿量与空气相对湿度关系的散点图，用一条平滑曲线将这些点连接起来，即得到材料在特定温度下的等温吸湿曲线。

本发明的测量装置的连接框图见图2，装置主要测试结构的俯视图见图3，包括饱和系统、高湿测试室、低湿测试室、温度控制系统、数据采集系统等。

饱和系统由空气压缩机1、储水室2、饱和室20组成。储水室通过饱和室内水位控制器4向饱和室中输送纯净水；空气压缩机与饱和室通过气动调压阀3连接，向饱和室的水中通入空气；空气通入饱和室的水中，在此增湿至某温度下的饱和湿气；温控仪7通过连接饱和室内盘旋固定在内壁上的加热硅胶带15控制饱和水蒸气的温度，压力传感器5与数据采集卡16共同监测饱和室内水蒸气的压力。

高湿测试室与饱和系统通过单向节流阀6连接。饱和湿气通过单向节流阀6调节降压，将饱和室中高压状态下的湿空气降至稳定的低压状态，从而在高湿测试室中得到所需的恒湿空气。而通过改变饱和室的压力或者高湿测试室的压力，得到两者之间对应的压力比值，就可以得到不同湿度的恒湿空气。高湿测试室内温控仪7通过连接测试室顶部的制冷套件9和底部的空气加热器13控制高湿测试室内温度，并利用轴流风机14加强测试室内空气对流，使测试室内温度均匀。测试室外包裹一层3mm保温材料8。高湿测试室右侧开三个孔洞，用于紧贴样品18的左端面，孔洞内侧安装可抽取密封隔板21，可从测试室前侧插入或抽出，达到可以根据实验要求密闭或开启孔洞的效果。压力传感器5与数据采集卡16共同监测高湿测试室内水蒸气的压力。

低湿测试室内配备有抽屉式多孔空气干燥室17，装有干燥剂，通过轴流风机循环室内空气营造低湿环境。为避免干燥剂吸湿后性能下降，干燥室设计为抽屉式，可随时更换干燥剂。低湿测试室内温控仪7同样通过连接测试室顶部的制冷套件9和底部的空气加热器13控制低湿测试室内温度，并利用轴流风机14加强测试室内空气对流，使测试室内温度均匀。测试室外同样包裹一层3mm保温材料8。低湿测试室左侧开三个孔洞，用于紧贴样品18的右端面，孔洞内侧安装可抽取密封隔板21，可从测试室前侧插入或抽出，达到可以根据实验要求密闭或开启孔洞的效果。

进行多孔材料样品水蒸气有效扩散系数测量时，需在被测样品内平均每隔一段距离放置一个温湿度传感器19，共放置九个，并应放置于一条水平线上。温湿度传感器19需完全埋入样品中。通过连接数据采集卡11向计算机12传输数据。

进行多孔材料等温吸湿曲线测量时，需将被测样品18放置在悬挂天平10下勾处，通过数据采集卡11向计算机12传输数据。

采用本发明的测试装置的测试步骤如下：

首先对待测多孔材料进行预处理。

进行多孔材料样品水蒸气有效扩散系数测量时，需将待测多孔材料加工成250*100*100mm³长方体样品，四周长方形面均涂抹2mm厚环氧树脂以达到绝湿效果，四周长方形面再覆盖3mm厚保温材料以达到绝热效果，按照实验要求在一侧长方形面进行钻孔，以便埋入温湿度传感器，然后进行干燥处理。

进行多孔材料等温吸湿曲线测量时，需将待测多孔材料加工成50g球状样品，然后进行干燥处理。

干燥处理采用烘干法，在烘干1周后开始称重，时间间隔为24小时以上。当连续3次称重所得结果不呈单调变化，且标准差不超过平均值的0.1％时，认为试件已彻底干燥。

测量过程：

1、进行多孔材料样品水蒸气有效扩散系数测量时，实验步骤如下：

a)使用温控仪7设定温度，使高湿测试室与低湿测试室各自达到实验所需温度。进行测试温度高于环境温度的测量时，需先使用加热硅胶带15对饱和室内的纯净水进行预热处理；

b)打开空压机1，通过调节气动调压阀3与单向节流阀6，观察压力的实时比值，在高湿测试室中得到实验所需相对湿度环境；

c)在抽屉式多孔干燥室17内加入干燥剂，打开轴流风机14，进行空气内循环，对低湿测试室内空气进行干燥，直至达到所需相对湿度；

d)将预处理后的样品18一端装入高湿测试室的右侧空洞中，另一端装入低湿测试室的左侧孔洞中，并在钻孔位置埋入温湿度传感器，待两个测量室温湿环境稳定时，抽出两侧可抽取密封隔板21；

e)温湿度数据通过数据采集卡11传入计算机12；

f)当最靠近低湿测量室的温湿度传感器数据显示湿度明显升高时，测量结束，关闭所有仪器。

g)将每个温湿度传感器达到测试时间一半时的湿度数据与实验结束时的湿度数据代入公式(1)中进行计算，即可得到不同相对湿度下的水蒸气有效扩散系数。

2、进行多孔材料样品等温吸湿曲线测量时，实验步骤如下：

a)使用温控仪7设定温度，使高湿测试室达到实验所需温度，进行较高温下的测量时，需先使用加热硅胶带15对饱和室内的纯净水进行预热处理；

b)打开空压机1，通过调节气动调压阀3与单向节流阀6，观察压力的实时比值，在高湿测试室中得到实验所需相对湿度环境；

c)将预处理后的样品18装入悬挂天平10下勾处，重量数据通过数据采集卡11传入计算机12；

d)样品达到吸湿平衡后，记录数据，并再次调节气动调压阀3与单向节流阀6，在高湿测试室中营造更高的稳定相对湿度环境，继续吸湿；

e)重复步骤d，直到采集到5-8个相对湿度所对应的平衡含湿量，测量结束，关闭所有仪器；

f)以相对湿度为横坐标，材料的平衡含湿量为纵坐标，可以得到一幅散点图，用一条平滑曲线将这些点连接起来，即得到该材料在特定温度下的等温吸湿曲线。