[发明专利]固‑液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法

权利要求书

1.一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试方法，基于参数测试系统实现，参数测试系统，包括相变材料容器(1)、液相材料膨胀口(2)、含液位传感器的膨胀管(3)、绝热保温套(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)对称中心顶端开一个液相材料膨胀口(2)，液相材料膨胀口(2)与含液位传感器的膨胀管(3)连接，含液位传感器的膨胀管(3)外部被绝热保温套(4)包裹，液位传感器(3)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)；其特征在于，测试方法的步骤如下

1)在计算机(6)中输入相变材料容器(1)为球形、长方体、正方体或圆柱体容器形状信息，当相变材料容器(1)为球形时，输入球形容器的总体积V_C、熔化温度T_m、初始温度T_i、加热温度T_h、时间间隔Δt、球形容器的半径R、膨胀管的内半径r、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、熔化潜热L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k，其中，液相相变材料的密度ρ_L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k均采用加热温度与熔化温度的算术平均值下的参数值；

2)加热熔化开始后开始测试，液位传感器(3)以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在含液位传感器的膨胀管(3)中的液面升高过程中的瞬时高度H，计算得到液相相变材料的膨胀体积V_E，计算公式如下：

V_E＝πr²H (1)

根据设定参数V_C和ρ_S，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_S (2)

之后，通过分析熔化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：

$\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_L}+\frac{M-m}{{\mathrm{\ρ}}_S}=V_C+V_E---\left(3\right)$

式中，m表示已经熔化的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料熔化过程中的瞬时熔化率：

$f=\frac{m}{M}=\frac{(V_C+V_E){\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{M\ρ}}_L}{({\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_L)M}---\left(4\right)$

根据能量守恒定律，通过球形容器传入相变材料的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

$Q=mL+{\mathrm{mC}}_{p,S}(T_m-T_i)+{\mathrm{mC}}_{p,L}\left(\frac{T_h-T_m}{2}\right)+(M-m)C_{p,S}\left(\frac{T_m-T_i}{2}\right)---\left(5\right)$

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR² (6)

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：

$q^{\′\′}=\frac{1}{A}\frac{dQ}{dt}\≈\frac{1}{A}\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}---\left(7\right)$

熔化过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

$h=\frac{q^{\′\′}}{T_h-T_m}---\left(8\right)$

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：

$Nu=\frac{hR}{k}---\left(9\right)$

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：

$Ste=\frac{C_{p,L}(T_h-T_m)}{L}---\left(10\right)$

衡量熔化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：

$Gr=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{2}g\mathrm{\β}(T_h-T_m)R^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(11\right)$

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

$Fo=\frac{kt}{{\mathrm{\ρC}}_{p,L}{R}^2}---\left(12\right)$

计算得到固-液相变材料熔化传热性能参数：熔化率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。