固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于相变材料参数测量领域，具体涉及一种固-液相变材料凝固传热性能 参数测试装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 诸如在堆积床型储热换热器中的储热单元、太阳能光热利用储热罐、实验室中相 变材料在不同形状容器中的凝固试验等工程和试验背景下，由于凝固后固相相变材料是不 透明的，所以容器内相变材料在凝固过程中的内部具体情况是无法直接观测的，目前凝固 过程中凝固率、整体换热系数等关键传热性能参数的相关结果只能通过数值模拟进行预 测，缺乏有效的实验测量的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对边界温度是已知的且波动较小的情况下，提供一种固-液 相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法。
[0004] -种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，它包括相变材料容器、液相材料 投入口、玻璃管、加热棒、模数转换器、计算机;相变材料容器空腔内含有固-液相变材料，相 变材料容器对称中心上方插入一个液相材料投入口，液相材料投入口与玻璃管相通，玻璃 管上设有液位传感器，且管体内部插有一根加热温度与边界温度保持一致的加热棒，液位 传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器中，模数转换器导出的数字信号传输到计算 机。
[0005] 所述的相变材料容器为对称、规则形状的容器。
[0006] 进一步的所述的对称、规则形状可选择球形、长方体、正方体或圆柱体。
[0007] 液相材料投入口可以为容器内相变材料在凝固收缩的过程中向容器中心补充液 相材料时提供通道，加热温度与边界温度保持一致的加热棒可以保证补液通道在凝固过程 中始终通畅。
[0008] -种基于上述装置的固-液相变材料凝固传热性能参数测试方法，它的步骤如下：
[0009] 1)在计算机中输入相变材料容器的形状信息，输入当地重力加速度g，当相变材料 容器为球形时，输入凝固温度1、初始温度Ti、冷却温度T。、时间间隔△ t、球形容器的半径R、 玻璃管的内半径打、液相材料投入口的外半径r2、加热棒半径rhr、液相材料投入口的深度Hi、 液相材料投入口与球心的距离H 2、液相相变材料的密度PL、比热容CP, L、热膨胀系数β、动力粘 度μ、导热系数kL、固相相变材料的密度Ps、比热容C P,S、凝固潜热L、导热系数ks，其中，固相相 变材料的密度Ps、导热系数ks均采用冷却温度与凝固温度的算术平均值下的参数值；
[0010] 2)冷却凝固开始后开始测试，装置记录液相相变材料在玻璃管中的液面初始高度 H。，并实时记录以开始测试为起点的凝固过程进行的总时间t，液位传感器以设定的时间间 隔A t实时测量得到液相相变材料在玻璃管中的液面下降过程中的瞬时高度H，计算得到固 相相变材料的收缩体积Vs，计算公式如下：
[0011] (1)
[0012] 计算得到球形容器的总容积Vc，计算公式如下：
[0013] 1? ^~π?3-XT2Μγ (2) 3 2
[0014] 根据设定参数Vc和Pl，计算得到相变材料的总质量Μ，计算公式如下：
[0015] M = VcPl (3)
[0016] 之后，通过分析凝固过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以 下方程：
[0017] (4)： Ps Pi
[0018] 式中，m表示已经凝固的相变材料的质量；
[0019] 用如下公式计算得到相变材料凝固过程中的瞬时凝固率f:
[0020] m _{V, +V^)p.ps-M(\ ⑶ - A/ - (A. ~P,)M '
[0021] 根据能量守恒定律，通过相变材料传出球形容器的瞬时总能量Q通过下式计算， 即：
[0022] Q - mL + mCpX(7： -Ts) + mCp3 (^-) + (Μ-m)CpX ((6)
[0023] 总换热面积A通过以下公式计算：
[0024] A = 4jtR2 (7)
[0025] 根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：
[0026] 疒二丄(8) A dl Α Δ/
[0027] 凝固过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：
[0028] h = ^- (9) j _ γ 、' S' c
[0029] 得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：
[0030] Nu = - (10) k
[0031 ]表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：
[0032] Γ (I -Τ) = ~d (11)
[0033] 衡量凝固过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：
[0034] (12) /厂
[0035] 表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：
[0036] (13)
[0037] 由此计算得到固-液相变材料凝固传热性能参数:瞬时凝固率f、努赛尔数Nu、斯蒂 芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。
[0038] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0039] (1)通过基于体积收缩数据的关键传热性能参数的计算方法，能够通过实验的方 法在一定精度范围内推算容器内相变材料的凝固率、整体换热系数等关键传热性能参数；
[0040] (2)配套有关键传热性能参数计算程序，计算程序中的容器形状、尺寸、边界条件、 相变材料热物性等关键计算参数可以方便地输入，以适应多种复杂的计算应用对象；
[0041] (3)系统装置结构灵活、拆装简便，通过液相材料投入口和加热棒相结合的结构设 计可以源源不断补充液体进入容器填补收缩体积，保证实验结果的精确度，同时，可以方便 地通过改变玻璃管的直径调节测量精度以适应不同的需求；
[0042] (4)测试装置可以实现自动测量、运算和显示。
【附图说明】
[0043] 图1是固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置的结构示意图；
[0044] 图2是相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒的剖面示意图；
[0045] 图3是相变材料容器、液相材料投入口、玻璃管、加热棒的俯视局部剖示意图，剖面 的位置为图2中标出的A-A截面；
[0046] 图中：相变材料容器1、液相材料投入口 2、玻璃管3、加热棒4、模数转换器5、计算机 6〇
【具体实施方式】
[0047] 以下结合附图对本发明做进一步说明。
[0048] 如图1-3所示，一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试装置，它包括相变材料 容器1、液相材料投入口 2、玻璃管3、加热棒4、模数转换器5、计算机6;相变材料容器1空腔内 含有固-液相变材料，相变材料容器1对称中心上方插入一个液相材料投入口 2，液相材料投 入口 2与玻璃管3相通，玻璃管3上设有液位传感器，且管体内部插有一根加热温度与边界温 度保持一致的加热棒4,液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器5中，模数转换 器5导出的数字信号传输到计算机6。
[0049] 所述的相变材料容器1为对称、规则形状的容器。
[0050] 进一步的所述的对称、规则形状可选择球形、长方体、正方体或圆柱体。
[0051] 液相材料投入口 2可以为容器内相变材料在凝固收缩的过程中向容器中心补充液 相材料时提供通道，加热温度与边界温度保持一致的加热棒4可以保证补液通道在凝固过 程中始终通畅。
[0052] 一种固-液相变材料凝固传热性能参数测试方法，它的步骤如下 [0053] 1)在计算机6中