[发明专利]固‑液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法

摘要

本发明公开了一种固‑液相变材料凝固传热性能参数测试装置及其方法。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连接，玻璃管内部插入一根加热棒，其加热温度与初始温度保持一致，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。本发明基于固‑液相变凝固过程中体积收缩的数据，经过合理的假设以及严格的推导，能够在一定精度范围内实现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的自动测量、运算和显示。

主权项

一种固‑液相变材料凝固传热性能参数测试方法，该方法采用固‑液相变材料凝固传热性能参数测试装置实现，该装置包括相变材料容器(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)；其特征在于，它的步骤如下1)在计算机(6)中输入相变材料容器(1)的形状信息，输入当地重力加速度g，当相变材料容器(1)为球形时，输入凝固温度Ts、初始温度Ti、冷却温度Tc、时间间隔Δt、球形容器的半径R、玻璃管的内半径r1、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H1、液相材料投入口与球心的距离H2、液相相变材料的密度ρL、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ρS、比热容Cp,S、凝固潜热L、导热系数kS，其中，固相相变材料的密度ρS、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；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(3)中的液面初始高度Ho，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Δt实时测量得到液相相变材料在玻璃管(3)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：VS=π(r12-rhr2)(H-Ho)---(1)]]>计算得到球形容器的总容积VC，计算公式如下：VC=43πR3-πr22H1---(2)]]>根据设定参数VC和ρL，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：M＝VCρL                                                                (3)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：mρS+M-mρL=VC+VS---(4)]]>式中，m表示已经凝固的相变材料的质量；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：f=mM=(VC+VS)ρLρS-MρS(ρL-ρS)M---(5)]]>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：Q=mL+mCp,L(Ti-Ts)+mCp,S(Ts-Tc2)+(M-m)Cp,L(Ti-Ts2)---(6)]]>总换热面积A通过以下公式计算：A＝4πR2                                                               (7)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′′=1AdQdt≈1AΔQΔt---(8)]]>凝固过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：h=q′′Ts-Tc---(9)]]>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=hRkL---(10)]]>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=Cp,S(Ts-Tc)L---(11)]]>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：Gr=ρL2gβ(Ts-Ti)R3μ2---(12)]]>表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：Fo=kStρsCp,SR2---(13)]]>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。