一种可同时测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种用于温差能利用实验的装置，尤其涉及一种可测量相变材料相界面和温度分布的实验装置。背景技术：2.相变材料(pcm)是海洋温差能综合利用过程中的一类重要介质，在冷热介质的交替作用下，相变材料循环发生固液相变，同时自身的体积交替收缩或膨胀，进而将温差能转化为压能或机械能。近年来，借助相变过程利用温差能的技术已经得到了越来越多的关注，相较于其他的温差能利用方案，该技术具有设备占地面积小、装机容量可控(可从mw到kw级不等)、系统可靠性高等优点。另外，借助相变材料合理、高效地利用海洋温差能，为深海无人设备的动力系统提供驱动力的技术也具有广阔的应用前景。3.在借助相变材料实现温差能向压能的转化的技术方案中，相变材料的相变时间、温度分布与相变界面的发展是相变换热系统设计时需重点关注的设计因素。一个性能优良的相变换热器，需要具有较大的换热面积、合理的整体结构与较小的冷热流体流动阻力，具有上述特征的换热器，有利于减小降低相变时间，组织合理的换热界面，同时提高相变材料的体积变化利用率，进而提高整个系统的能量转化效率。但当前对相变换热器的设计、考核主要依赖于经验公式或数值计算，对于特定换热器，只能制作特定的相变换热装置进行测试，尚没有通用的可获得包括换热时间、温度分布、相变界面等参数在内的多指标的相变换热实验测试装置。技术实现要素：4.针对上述问题，本发明提供一种可以同时测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置，用于相变材料在温差能利用过程中的传热、相变特性的研究。该装置可真实地模拟相变材料在水下无人运载器(uuv)动力系统等温差能转化利用系统中的相变过程，具有造价低、操作简单、通用性强、对真实工作过程还原程度高等优点。该实验装置对利用海洋温差能的相变换热器设计具有重要的指导意义，同时也可以对已设计好的相变换热器的换热性能进行研究与考核。5.本发明提出的一种可以测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置，包括恒温水浴系统、温度与相界面检测系统和相变换热器；所述恒温水浴系统包括水浴箱、恒温水箱、循环水泵、电加热器、压缩制冷机和pid温控器；所述相变换热器主要包括相变换热器主体和多个不同形状和体积的实心橡胶体；所述相变换热器主体设置在所述水浴箱内；所述相变换热器主体的顶部设有端盖，所述端盖设有嵌套孔，所述实心橡胶体的顶端是用于穿插在所述嵌套孔内的固定端，所述固定端处设有卡箍，所述的相变换热器主体中安装有其中一个实心橡胶体；所述温度与相界面测量系统包括多个测温单元和与pc机相连的摄像机和温度变送器和数据采集卡，所述的多个测温单元按照不同的高度布置在所述相变换热器主体内，多个测温单元均与所述的温度变送器和数据采集卡相连，所述pc机内安装有温度采集软件和图像采集软件；在实验过程中，通过取消实心橡胶体或是更换不同尺寸和形状的实心橡胶体从而模拟相变材料在不同尺寸的柱状或环状结构中的相变换热过程；在相变过程中，多个测温单元和所述摄像机分别按照设定的数据采集的时间间隔将测温数据和相变界面照片传输至所述pc机，最终通过对测温数据和相变界面照片的处理，得到相变材料在相变过程中逐时的温度分布和相界面变化图谱。6.进一步讲，本发明所述的可以测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置，其中：7.使用labview软件编程得到所述的温度采集软件和图像采集软件。8.所述测温单元是t型热电偶、e型热电偶和热电阻中的一种。9.多个测温单元通过高温胶固定在软木棒的不同高度，所述软木棒垂直地穿插在所述相变换热器主体内。10.所述相变换热器主体的形状为顶部设有外沿的圆筒形，所述端盖设有中心位置的嵌套孔，所述实心橡胶体的固定端穿出所述嵌套孔后用卡箍固定，所述端盖与所述相变换热器主体的外沿之间通过螺栓固定。11.所述水浴箱、相变换热器主体和端盖的材质均采用有机玻璃。12.所述有机玻璃的导热系数为0.2w/(m·k)，密度1200kg/m3，比热容1.436kj/(kg·k)。13.所述相变换热器主体内填充的相变材料可以是相变温度在0～100℃之间的有机类、无机类或复合类液固-相变材料。14.所述相变换热器主体内填充的相变材料的灌装量不超过所述相变换热器主体容量的80％；所述水浴箱内的液面高度位于所述相变换热器主体内相变材料的液面与端盖之间。15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：16.(1)本发明采用的温控技术为外部水浴控温系统，区别于常见的电加热。该温控技术可真实的模拟相变换热器在海洋温差能利用中的传热过程，且通过控制水浴系统的流量、温度，可以模拟不同流速、温度海水作用下的相变换热过程，还原程度高。17.(2)本发明中设计的相变换热器，结构简单，价格低廉，配合微小热电偶和摄像机，可全方位地实现温度分布与相界面分布的同时测量。18.(3)本发明中，通过取消或是更换实心橡胶体可对相变材料在不同尺寸和形状的结构中的相变换热进行研究；本发明中对于设置在相变换热器主体21内实心体的设计构思是：在海洋温差能利用的环境中，相变换热器的中间通常有油囊，因此相变材料的盛放区域不是规则的圆柱形，可能根据内部油囊形状的变化发生变化。例如：该油囊可以是纺锤形油囊、圆柱形油囊，甚至是四方型油囊等等。基于此，内部油囊为圆柱形的时候，相变材料在环状结构相变；当不设置油囊时，相变材料在圆柱状结构相变；当加入纺锤形或者其他形状，相变材料在相应的较为复杂形状结构内发生相变。为了尽可能的还原盛放相变材料的结构，因此，本发明采用在相变换热器内部加入了外形跟油囊相似的实体，材质也尽可能还原油囊，可以采用橡胶制作，也可以是其他合适的材料(导热系数小对换热影响小、价格便宜)，甚至是木材。另外，相变换热器中安装的实心橡胶体采用卡箍配合，可方便迅速地更换不同尺寸的实心橡胶体，实现不同尺寸、结构内的相变过程的检测，达到了“一机多用”的效果。19.(4)由于本发明实验装置的整体结构简单合理，造价便宜，操作简单，可靠性高；无论是实验还是后期维护的成本均较低。借助本发明的实验装置，可以为温差能利用系统中相变换热器的设计提供基础数据，验证相变数值计算模型的准确性，并设计完成的相变换热系统进行性能测试。附图说明20.图1是本发明实验装置的结构示意简图；21.图2是本发明中相变换热器的结构示意图；22.图3-1是本发明中相变换热器主体的主视图；23.图3-2是图3-1所示相变换热器主体的俯视图；24.图4-1是本发明中相变换热器端盖的主视图；25.图4-2是图4-1所示相变换热器端盖的俯视图。26.图中：27.11-水浴箱ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ12-循环水泵ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ13-第一阀门28.14-恒温水箱ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ15-压缩制冷机ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ16-pid温控器29.17-电加热器ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ18-第二阀门ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ20-相变换热器30.21-相变换热器主体ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ22-端盖ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ23-卡箍31.24-螺栓ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ25-实心橡胶体ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ26-相变材料32.27-嵌套孔ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ31-热电偶ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ32-软木棒33.33-摄像机ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ34-温度变送器和数据采集卡ꢀꢀꢀꢀꢀ35-pc机具体实施方式34.本发明提出的一种可以测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置的设计思路是，基于相变换热器在温差能利用系统中的设计和测试需要，进行相变材料在温差能利用过程中的传热、相变特性的研究。该装置主要包括恒温水浴系统、温度与相界面测量系统和相变换热器，在恒温水浴系统的冷却(加热)作用下，相变材料在布置有测温单元的透明相变换热器内完成固液相变，同时与测温单元相连接的温度变送器和数据采集卡可逐时采集各监测点的温度分布，采用摄像机准确记录相变材料的相变界面。利用该实验装置可真实地模拟相变材料在水下无人运载器(uuv)动力系统等温差能转化利用系统中的相变过程。35.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。36.如图1所示，本发明提出的一种可以测量相变材料相变界面和温度分布的实验装置，包括恒温水浴系统、温度与相界面检测系统和相变换热器20。所述恒温水浴系统包括水浴箱11、恒温水箱14、循环水泵12、电加热器17、压缩制冷机15和pid温控器16。如图2所示，所述相变换热器20包括相变换热器主体21和多个不同形状和体积的实心橡胶体25；所述相变换热器主体21设置在所述水浴箱11内，如图3-1和图3-2所示，所述相变换热器主体21的形状为顶部设有外沿的圆筒形，所述端盖设有中心位置的嵌套孔27，所述相变换热器主体21的顶部设有端盖22，所述端盖22设有嵌套孔27，所述实心橡胶体25的顶端是用于穿插在所述嵌套孔27内的固定端，所述的相变换热器主体中安装有其中一个实心橡胶体25，所述实心橡胶体25的固定端穿出所述嵌套孔27后用卡箍23固定，所述端盖22与所述相变换热器主体21的外沿之间通过螺栓24固定。本发明中，相变换热器20的端盖22上的嵌套孔27与两侧的用于穿插软木棒32的贯穿孔应保证与端盖22的平面垂直，保证插入的实心橡胶体25和软木棒32均是垂直的。37.在实验过程中，通过取消实心橡胶体25或是更换不同尺寸和形状的实心橡胶体25从而模拟相变材料在不同尺寸的各类复杂结构中的相变换热过程，如：在相变换热器主体21内布置圆柱状的实心橡胶体25，可模拟相变材料在环状结构中的换热过程；如果布置纺锤形或其他结构性的实心橡胶体25，则可模拟相变材料在各类复杂结构中的换热过程。如果不布置实心橡胶体25，则可模拟相变材料在柱状结构中的换热过程。38.如图1所示，所述温度与相界面测量系统包括多个测温单元和与pc机35相连的摄像机33和温度变送器和数据采集卡34，所述的多个测温单元按照不同的高度设置在所述相变换热器主体21内，所述测温单元应尽量采用的对常温热敏感性高的测温器，可以是t型热电偶、e型热电偶和热电阻中的一种，多个测温单元通过高温胶固定在软木棒32的不同高度，所述软木棒32垂直地穿插在所述相变换热器主体21内。多个测温单元均与所述的温度变送器和数据采集卡34相连，所述pc机35内安装有温度采集软件和图像采集软件，可以使用labview软件编程得到所述的温度采集软件和图像采集软件，本发明中的编程软件不受限制。39.在相变过程中，多个测温单元和所述摄像机分别按照设定的数据采集的时间间隔将测温数据和相变界面照片传输至所述pc机35，最终通过对测温数据和相变界面照片的处理，得到相变材料在相变过程中逐时的温度分布和相界面变化图谱。40.本发明中，所述水浴箱11、相变换热器主体21和端盖22的材质均采用有机玻璃。所述有机玻璃的导热系数为0.2w/(m·k)，密度1200kg/m3，比热容1.436kj/(kg·k)。41.利用本发明实验装置可用于测量相变温度在0～100℃之间的有机类、无机类或复合类液固-相变材料相界面和温度分布。在所述相变换热器主体21内填充相变材料时，其灌装量不超过所述相变换热器主体21容量的80％，防止相变材料因体积膨胀溢出。根据连通器原理，水浴箱和恒温水箱液面平齐，应调节水浴箱和恒温水箱的高度，使所述水浴箱11内的液面高度高于所述相变换热器主体21内相变材料的液面，同时低于所述相变换热器的端盖22的高度位置，即所述水浴箱11内的液面位于所述相变换热器主体21内相变材料的液面与端盖22之间。42.实施例1：本发明实验装置的制造及组装。43.本发明中所述相变换热器20的制造及组装：定制内径为100mm，壁厚为6mm，高度为200mm的圆筒形相变换热器主体21，如图3-1和图3-2所示，该圆筒的底部可以直接封装，该圆筒的顶部为带有4个螺栓过孔的外沿结构，4个螺栓过孔按照周向上均布，外沿的径向宽度为20mm，螺栓过孔的孔径为9mm；定制高度为10mm，直径为152mm的圆柱状相变换热器的端盖22，该端盖的具体结构如图4-1和图4-2所示，该端盖22开有4个内径为9mm的螺栓过孔，相邻螺栓过孔的定位与相变换热器主体21外沿上的一致；端盖22的中心位置开有直径为20mm的嵌套孔27，所述实心橡胶体25顶部的固定端的直径略小于该嵌套孔27的直径，该嵌套孔27用以安装实心橡胶体25，在端盖22的两侧开有两个直径均为5mm的贯穿孔，用以插入安装有热电偶31的软木棒32；相变换热器主体21和端盖22的材质均为有机玻璃。将实心橡胶体25顶部的固定端插入嵌套孔27后，使用卡箍23固定；使用螺栓24将相变换热器主体21和端盖22连接。44.本发明中所述恒温水浴系统的制造及组装：定制壁厚为8mm，长宽高均为600mm，材质为有机玻璃的水浴箱11，水浴箱11的底部设有进出水口；购入具有制冷与制热功能的恒温水箱14，该恒温水箱14的温度控制依靠于可显示温度示数的pid温控器16，其制冷单元为压缩制冷机15，制热单元为电加热器17。该恒温水箱14内附有循环水泵12、进出水口及相应第一阀门13与第二阀门18，该恒温水箱14作为第一恒温环境，上述的水浴箱11作为第二恒温环境，连接恒温水箱14的进出水口与所述水浴箱11的进出水口。45.本发明中所述温度与相界面检测系统的制造及组装：准备长度合适的软木棒32，准备铜线、康铜线若干，用以制备t型热电偶，按热电偶布点的位置和方式布置好铜线、康铜线，并连接相应的热电偶输入温度变送器和数据采集卡34及pc机35；布置摄像机33于相变换热器20的待观察面，并将摄像机33与pc机35连接；打开提前准备好的热电偶温度采集软件和图像记录软件，并连接数据信号。46.实施例2：本发明实验装置的操作过程如下：47.(1)准备相变换热器主体21、端盖22、待研究尺寸的实心橡胶体25及其对应的卡箍23，准备充足的待测相变材料26，通过环境温度或外部加热的方式使相变材料熔化为液态并及时灌装于相变换热器主体21内。按照热电偶31的布点位置，使用高温胶将多个热电偶31固定于软木棒32上，使用高温胶粘连热电偶31与软木棒32时，应粘连热电偶探头的上端，保证热电偶探头与相变材料直接接触，两者中间无任何胶体，将带有热电偶32的软木棒32和实心橡胶体25塞入端盖22上对应的嵌套孔内，并用卡箍23固定；最后使用螺栓24完成相变换热器20的组装。48.(2)依次连接热电偶31、热电偶输入温度变送器和数据采集卡34及pc机35，连接摄像仪33与pc机35，打开温度采集软件和图像采集软件，并检查数据信号。49.(3)相变材料凝固阶段体积变化率测定：打开温控系统，调节pid温控器设置值低于相变温度，待恒温水箱14内循环水温度稳定后，打开阀门13、阀门18与循环水泵12，冷却水流入水浴箱11后，将组装好的相变换热器放置于水浴箱内，将摄像机33放置于合适位置，相变材料在相变换热器内逐渐凝固。在此过程中，每1min记录一组热电偶测温数据，摄像机每1min拍摄并记录一次相变界面；记录固液相界面首次出现到消失的时间差，该时间差即为相变材料凝固所需时间。50.(4)相变材料熔化阶段体积变化率测定：打开恒温水浴系统，调节pid温控器16设置值高于相变温度，待恒温水箱14内循环水温度稳定后，打开第一阀门13、第二阀门18和循环水泵12，高温水流入水浴箱11后，将组装好的相变换热器20放置于水浴箱11内，将摄像机33放置于合适位置，相变材料在相变换热器20内逐渐熔化。在此过程中，每1min记录一组热电偶的测温数据，摄像机33每1min拍摄并记录一次相变界面；记录固液相界面首次出现到消失的时间差，该时间差即为相变材料熔化所需时间。51.(5)通过对测量得到的温度和照片的处理，可得到相变材料在相变过程中逐时的温度分布和相界面变化图谱。52.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。









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