貯熱相變材料熱物性的測定方法詳解演示文稿

貯熱相變材料熱物性的測定方法詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有64頁\編輯于星期三1（優(yōu)選）貯熱相變材料熱物性的測定方法現(xiàn)在是2頁\一共有64頁\編輯于星期三2

一、貯熱相變材料的熱物性及測定方法相變材料的熱物性相變溫度、相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度、膨脹系數(shù)溫度測量熱量測量一般卡計法；熱分析法差熱分析法(DifferentialThermalAnalysis,DTA)；差示掃描量熱法(DifferentialScanningCalorimetry,DSC)現(xiàn)在是3頁\一共有64頁\編輯于星期三3溫度測量理論熱力學(xué)第零定律如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都和第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，那么，它們彼此也必定處于熱平衡。這個結(jié)論叫做熱力學(xué)第零定律。熱力學(xué)第零定律為建立溫度概念提供了實驗基礎(chǔ)。這個定律反映出,處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這個特征就是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)。這個狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。定義是定性的。只能判斷兩系統(tǒng)的溫度相等或不等，只是標定而非測量。通常物理量測量都是用標準單位的整數(shù)或小數(shù)表示。現(xiàn)在是4頁\一共有64頁\編輯于星期三4溫度測量理論熱力學(xué)第二定律熱量總是自發(fā)地從高溫物體(系統(tǒng))傳到低溫物體。功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但任何熱機不能全部地、連續(xù)不斷地把所獲得的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α５诙蓞s從熱量自發(fā)流動的方向判別出物體溫度的高低?，F(xiàn)在是5頁\一共有64頁\編輯于星期三5溫度測量理論卡諾定理在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機其效率都相等，而與工作物質(zhì)無關(guān)。在相同高溫?zé)嵩磁c相同低溫?zé)嵩撮g工作的一切熱機中，不可逆熱機的效率都不可能大于可逆熱機的效率?，F(xiàn)在是6頁\一共有64頁\編輯于星期三6溫度測量理論熱機效率：開爾文提出建立一種不依賴于任何測溫物質(zhì)的溫標。并規(guī)定：稱為熱力學(xué)溫標定義水的三相點溫度(熱力學(xué)溫標)θtr=273.16K由卡諾定理可以得到熱力學(xué)溫標后，溫度才有“比”意義上的測量.現(xiàn)在是7頁\一共有64頁\編輯于星期三7溫度測量理論理想氣體狀態(tài)方程測量成為可能現(xiàn)在是8頁\一共有64頁\編輯于星期三8溫度測量理論溫標：選擇某種物質(zhì)的某一隨溫度變化的狀態(tài)參量來標志溫度；規(guī)定溫度與測量參量之間的函數(shù)關(guān)系；選擇并規(guī)定溫度值。普通溫度計：水銀溫度計熱電偶溫度計：康銅－銅電阻溫度計：Pt100，半導(dǎo)體，熱敏電阻氣體溫度計：定容、定壓光學(xué)溫度計：高溫現(xiàn)在是9頁\一共有64頁\編輯于星期三9溫度測量理論熱力學(xué)第三定律當(dāng)溫度趨向于絕對零度時，系統(tǒng)的熵趨向于一個固定的數(shù)值，而和其他性質(zhì)如壓強等無關(guān)。這一結(jié)論又叫做能斯脫熱定理。不可能用有限的手續(xù)使系統(tǒng)冷卻到絕對零度。這個結(jié)論叫做絕對零度不可到達原理。現(xiàn)在是10頁\一共有64頁\編輯于星期三10國際溫標(ITS-90)的固定點

物質(zhì)a平衡態(tài)b溫度T90/K物質(zhì)a平衡態(tài)b溫度T90/KHeVP3～5Ga*MP302.9146e-H2TP13.8033In*FP429.7485e-H2VP(CVGT)～17SnFP505.078e-H2VP(CVGT)～20ZnFP692.677Ne*TP24.5561Al*FP933.473O2TP54.3358AgFP1234.94ArTP83.8058AuFP1337.33HgTP234.3156Cu*FP1357.77H2OTP273.16a.e-H2指平衡氫，即正氫和仲氫的平衡分布，在室溫下正常氫含75%正氫、25%仲氫；*第二類固定點b.VP-蒸汽壓點；CVGT-等容氣體溫度計點；TP-三相點(固、液和蒸汽三相共存的平衡度)；FP-凝固點和MP-熔點(在一個標準大氣壓101325Pa下，固、液兩相共存的平衡溫度)，同位素組成為自然組成狀態(tài)。現(xiàn)在是11頁\一共有64頁\編輯于星期三11氣體溫度計氣體溫度計的原理是基于PV/T=常數(shù)，分為定容氣體溫度計和定壓氣體溫度計。定容氣體溫度計是氣體的體積保持不變，壓強隨溫度改變。定壓氣體溫度計是氣體的壓強保持不變，體積隨溫度改變。定壓氣體溫度計精度高，測量范圍大（-260℃~160℃），性能穩(wěn)定，可用作溫度標準器。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作，使用和修正麻煩。故除在高溫范圍外，實際工作中一般者使用定容氣體溫度計?，F(xiàn)在是12頁\一共有64頁\編輯于星期三12玻璃液體溫度計水銀溫度計（-200℃-600℃）、水銀溫度計（石英：-35℃-500℃；加壓：-35℃-600℃）、灑精溫度計（-80℃-80℃）。工作原理基于液體在玻璃外殼中的熱膨脹作用。當(dāng)儲存液泡的溫度發(fā)生變化時玻璃管內(nèi)液柱隨之長高或降低，通過溫度標尺測溫。感溫介質(zhì)有汞、酒精、戊烷等，使用戊烷測溫低至-200℃。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格便宜，廣泛用于工農(nóng)業(yè)、科研、教學(xué)、生活中，但易碎、不能記錄。現(xiàn)在是13頁\一共有64頁\編輯于星期三13熱電偶溫度計簡介熱電偶現(xiàn)在是14頁\一共有64頁\編輯于星期三14在1821年德國醫(yī)生塞貝克在實驗中發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來，經(jīng)珀爾帖、湯姆遜以及開爾文等科學(xué)家的大量研究，熱電效應(yīng)理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。塞貝克通過實驗發(fā)現(xiàn)一對異質(zhì)金屬A、B組成的閉合回路中，如果對接點a加熱，那么，a,b兩接點的溫度就會不同，溫度不同，就會有電流產(chǎn)生，使得接在電路中的電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一現(xiàn)象現(xiàn)今稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，相應(yīng)的電勢稱為溫差熱電勢或塞貝克電勢，它在熱電偶回路中產(chǎn)生的電流稱為熱電流?，F(xiàn)在是15頁\一共有64頁\編輯于星期三15在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度?，F(xiàn)在是16頁\一共有64頁\編輯于星期三16熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。

圖3-2熱電偶原理示意圖現(xiàn)在是17頁\一共有64頁\編輯于星期三17熱電偶的基本定律1、均質(zhì)導(dǎo)體定律

如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。

2、中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。3、標準電極定律

如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。

現(xiàn)在是18頁\一共有64頁\編輯于星期三18熱電偶S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶S熱電偶鉑銠10-鉑0℃-1300℃B熱電偶鉑銠30-鉑銠6600℃-1700℃E熱電偶鎳鉻-銅鎳-40℃-800℃K熱電偶鎳鉻-鎳硅-40℃-1000℃R熱電偶鉑銠13-鉑0℃-1400℃J熱電偶鐵-康銅-200℃-600℃T熱電偶銅-康銅-100℃-400℃N熱電偶鎳鉻硅-鎳硅鎂-40℃-1300℃現(xiàn)在是19頁\一共有64頁\編輯于星期三19熱電偶冷端溫度補償電路熱電偶的輸出特性曲線現(xiàn)在是20頁\一共有64頁\編輯于星期三20美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM334集成電路是一只溫度傳感器，可提供與K氏溫度成正比的電流?，F(xiàn)在是21頁\一共有64頁\編輯于星期三21熱電阻本傳感器是利用金屬在溫度變化時,自身電阻也隨著變化的特性來測量溫度的,它的受熱元件是利用細鉑絲均勻的雙繞在絕緣材料制成的骨架上。

技術(shù)指標

1.感溫元件在0℃時的電阻值(R0)及其與在100℃時的阻值(R100)的比值:

R0=100±0.1,R100/R0=1.385±0.001

2.測溫范圍:0~100℃

3.時間常數(shù):<90秒

4.最小插入深度:>160mm

5.絕緣電阻:20MΩ(100V)

6.SK-8W01A/02A經(jīng)電流轉(zhuǎn)換模塊,其輸出是4~20mA二線制電流信號

7.測量精度:±0.5%F.S

現(xiàn)在是22頁\一共有64頁\編輯于星期三22應(yīng)用通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機等配套使用。直接測量生產(chǎn)現(xiàn)場存在碳氫化合物等爆炸物的-200℃～500℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面測溫。該系列一般用于易燃，易爆而又對產(chǎn)品機械性能，精度有所要求的場所。特點1.壓簧式感溫元件，抗振性能好；2.測量精確度高；3.毋須補償導(dǎo)線，節(jié)省費用；4.進口薄膜電阻元件,性能可靠穩(wěn)定；工作原理隔爆熱電阻利用間隙隔爆原理，設(shè)計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有會產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒腔內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度傳不到腔外，從而進行測溫。常溫絕緣電阻防爆熱電阻在環(huán)境溫度為15～35℃，相對濕度不大于80%，試驗電壓為10～100V（直流）電極與外套管之間的絕緣電阻≥100MΩ現(xiàn)在是23頁\一共有64頁\編輯于星期三23熱電阻一般采用Pt100,Pt10,Cu50,Cu100,鉑熱電阻的測溫的范圍一般為零下200-800攝氏度，銅熱電阻為零下40到140攝氏度。熱電阻和熱電偶一樣的區(qū)分類型，但是他卻不需要補償導(dǎo)線，而且比熱電偶便宜。

現(xiàn)在是24頁\一共有64頁\編輯于星期三24熱敏電阻NTC熱敏電阻溫度傳感器現(xiàn)在是25頁\一共有64頁\編輯于星期三25熱敏電阻熱敏電阻是電阻值對溫度極為敏感的一種電阻器，也叫半導(dǎo)體熱敏電阻器。由單晶、多晶以及玻璃、塑料等半導(dǎo)體材料制成。這種電阻器具有一系列特殊的電性能，最基本的特性是其阻值隨溫度的變化有極為顯著的變化，以及伏安曲線呈非線性。一般按阻值溫度系數(shù)可分為負電阻溫度系數(shù)和正電阻溫度系數(shù)。主要特點：對溫度靈敏度高，熱惰性小，壽命長，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，以及可制成各種不同的外形結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在是26頁\一共有64頁\編輯于星期三26輻射溫度計輻射溫度計是依據(jù)物體輻射的能量來測量溫度的儀表。根據(jù)輻射理論，任何物體只要不處于絕對零度（-273.15℃），那么在其它任意溫度下都存在熱輻射。處于熱平衡狀態(tài)的黑體在半球方向的單色輻射出射度是波長和溫度的函數(shù)，黑體的單色輻射強度為現(xiàn)在是27頁\一共有64頁\編輯于星期三27輻射溫度計在一定的波長下，黑體的單色輻射強度是溫度的單值函數(shù)，可以通過某一波長下的單色輻射強度的測量來得出黑體的溫度。這就是輻射測溫學(xué)的理論基礎(chǔ)，黑體輻射的普朗克定律?，F(xiàn)在是28頁\一共有64頁\編輯于星期三28輻射溫度計在實際測量中，輻射溫度計的單色器不可能是完全單色的。而且，探測器也要求獲得一定光譜范圍的輻射能量，否則由于所接收的能量很小而無法作出響應(yīng)。同時，實際被測物體也不是黑體。所以，輻射溫度計在光譜范圍［λ1，λ2］內(nèi)接收到的能量為F——輻射溫度計光學(xué)系統(tǒng)的常數(shù)幾何因子；λ1——單色器及其他光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過下限波長，m；Λ2——單色器及其他光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過上限波長，m；ελT——被測物體的光譜（單色）發(fā)射率；Τλ——單色器及其他光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率；μλ——探測器的光譜響應(yīng)?，F(xiàn)在是29頁\一共有64頁\編輯于星期三29輻射溫度計硅元素:0.78～1.06μm

鍺元素:0.9～1.8μm

現(xiàn)在是30頁\一共有64頁\編輯于星期三30超聲波測溫法超聲波測溫法是一種新型的測溫技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是超聲波在氣體、液體、固體的傳播速度與介質(zhì)溫度有確定的函數(shù)關(guān)系。所以通過測量介質(zhì)中的聲速，就可以決定媒質(zhì)溫度，可以測量的溫度范圍從低溫一直覆蓋到3000°C的高溫。主要應(yīng)用在一些常規(guī)測溫方法不能適用的特殊場合和極端條件下.現(xiàn)在是31頁\一共有64頁\編輯于星期三31熱量測量的一般原理：用卡計接受待測熱量，根據(jù)卡計的狀態(tài)變化量及對已知電能或標準物質(zhì)熱的標定結(jié)果，確定待測熱量。根據(jù)傳熱方式設(shè)計各種不同的卡計：熱平衡型熱相似型傳導(dǎo)型陳則韶等.量熱技術(shù)及熱物性測量，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1991.熱量測量——卡計現(xiàn)在是32頁\一共有64頁\編輯于星期三32熱平衡型卡計和被測物體的熱交換變化的最終態(tài)是熱平衡態(tài)，或是使卡計與被測物體的熱交換始終處于熱穩(wěn)定態(tài)或熱準穩(wěn)態(tài)。冰卡計利用處于試樣接受筒外圍的冰水混合物的冰，吸收落入試樣筒內(nèi)試樣的熱量Q，使部分冰融化為0℃的水，由于冰比水的密度小，因而使冰水混合室內(nèi)冰水的總體積減少，并籍毛細管連通作用，是外部水銀讀數(shù)計顯示減少的冰水體積ΔVm?，F(xiàn)在是33頁\一共有64頁\編輯于星期三33

熱相似型：輻射熱流計

一片加熱，一片接受輻射現(xiàn)在是34頁\一共有64頁\編輯于星期三34輻射熱流計現(xiàn)在是35頁\一共有64頁\編輯于星期三35傳導(dǎo)型現(xiàn)在是36頁\一共有64頁\編輯于星期三36傳導(dǎo)型熱流計ChenZS,etal.Aresearchonmeasurementofmeltingpointandheatoffusionofmediumofaccumulationofcold,Proofthe3rdAsianThermophysicalpropertiesConf.,Beijing,P.R.China,1992:516-520陳則韶等.量熱技術(shù)及熱物性測量，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1991.系數(shù)K要進行標定現(xiàn)在是37頁\一共有64頁\編輯于星期三37應(yīng)用

熱流計法（HFMmethod）現(xiàn)在是38頁\一共有64頁\編輯于星期三38測試原理熱流計讀數(shù)為式中，K為HFM的常數(shù)，V是HFM在時刻的輸出（mV），q的單位為w.從時刻0（熔融起始點）到（熔融結(jié)束點）通過HFM的總熱量為

其中，現(xiàn)在是39頁\一共有64頁\編輯于星期三39相變區(qū)域很窄的PCM熔融熱的計算

相變區(qū)域較寬的PCM的熔解熱的計算

m為PCM的質(zhì)量，m0為試管的質(zhì)量C0為容器的熱容?，F(xiàn)在是40頁\一共有64頁\編輯于星期三40測試結(jié)果與誤差測試結(jié)果誤差<5%SampletypeKD-12AKD-12BKD-14ASolidifingpoint/T/oC-13~-15-12.5-14.5Supercoldpoint/Tsup/oC-16~-18-15.5-16.5Meltingpoint/Tm/oC-13.0-12.0-14.5Heatoffusion/hf/J/g260310300現(xiàn)在是41頁\一共有64頁\編輯于星期三41應(yīng)用

——卡計法測潛熱、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)溫變曲線分析法（加熱冷卻法）通過分析熔融狀態(tài)下的PCM的冷卻溫度曲線，獲得PCM物性的方法。該方法可方便地同時測定多組PCM的潛熱、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)?，F(xiàn)在是42頁\一共有64頁\編輯于星期三42測試裝置及方法將裝有固態(tài)PCM的試管浸入恒溫水浴中，水浴溫度比PCM的熔點高，待PCM的溫度達到水浴溫度T0后，迅速將試管拿出，放在溫度為的空氣中，其降溫曲線見下圖?，F(xiàn)在是43頁\一共有64頁\編輯于星期三43PCM比熱已知時，潛熱的求解圖中

為PCM的過冷度；為PCM從降至的時間；為PCM溫度處于和之間的時間（可視為相變過程的時間）?，F(xiàn)在是44頁\一共有64頁\編輯于星期三44設(shè)試管外空氣的自然對流換熱系數(shù)為h，可得一般情況下，

可認為PCM的溫度是均勻一致的。由于和之間的溫度范圍較小，對流換熱系數(shù)h可近似為常數(shù)，于是有

為試樣容器的質(zhì)量和比熱為PCM的質(zhì)量和比熱，A為試管對流換熱的面積

現(xiàn)在是45頁\一共有64頁\編輯于星期三45（12）/（11）可得：式中，純PCM的比熱容一般可從熱物性手冊上查得；混合PCM得比熱可由下式求得：

現(xiàn)在是46頁\一共有64頁\編輯于星期三46PCM比熱未知時，比熱和潛熱的求解參比法將裝有水的試管（水的體積與PCM的體積相同）放入恒溫水浴中，但其達到水浴溫度T0后，將試管迅速取出，放在溫度為的空氣中，其降溫曲線見右圖圖中誤為現(xiàn)在是47頁\一共有64頁\編輯于星期三47與（1）類似，有

式中，和分別為水的質(zhì)量和比熱。將上式分別代入可得

現(xiàn)在是48頁\一共有64頁\編輯于星期三48PCM固液導(dǎo)熱系數(shù)的求解利用試管中PCM在水浴中熔解（凝固）時的溫度—時間曲線可定出PCM的固液導(dǎo)熱系數(shù)。具體過程如下：將裝有初溫為T0（>Tm）PCM的試管迅速放入溫度為的恒溫水浴中，由于水和試管間的對流換熱系數(shù)較大，試管內(nèi)的PCM不能用集總熱容法處理。假設(shè)：1、PCM物性為常數(shù)；2、由于Ste數(shù)很小，作準穩(wěn)態(tài)假設(shè)；3、忽略試管壁的熱阻；4、忽略固液界面上液態(tài)PCM通過對流換熱傳給固態(tài)PCM的熱量（遠小于相變釋熱）；5、試管長徑比大于10，試管內(nèi)PCM的相變傳熱可近似為一維傳熱。

現(xiàn)在是49頁\一共有64頁\編輯于星期三49PCM固液導(dǎo)熱系數(shù)的求解一維非穩(wěn)態(tài)傳熱，采用圓柱坐標系，設(shè)z軸通過試管軸線，固相區(qū)有：

由準穩(wěn)態(tài)假設(shè)和控制方程得現(xiàn)在是50頁\一共有64頁\編輯于星期三50PCM固液導(dǎo)熱系數(shù)的求解將邊界條件及代入上式，得現(xiàn)在是51頁\一共有64頁\編輯于星期三51PCM固液導(dǎo)熱系數(shù)的求解代入可得將從，從進行積分得PCM的總“凍結(jié)時間”從而PCM的固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)為現(xiàn)在是52頁\一共有64頁\編輯于星期三52測量結(jié)果相變材料重量百分比熔點（°C）過冷度（°C）熔解熱（kJ/kg）測量值文獻值Mg(NO3)2·6H2O(62.5)+NH4NO3(37.5)48.93-9122(1±6%)126軟醋酸（不純）53.2-55.0-184(1±7%)切片石蠟60.6-62.60196(1±8%)T8貯冷材料5-82-3127Mg(NO3)2·6H2O(58.7)+MgCl2·6H2O(41.3)58.05-6120132.2KD-30303-5195(1±7%)KD-4528.6-45.7-378(1±7%)KD-5252.31-2104(1±9%)現(xiàn)在是53頁\一共有64頁\編輯于星期三53

G.Pellegrini,J.MignotandS.Sacco.Asimplemethodfortestingthethermalperformanceoflatentheatstoragecomponents.2ndBHRAFluidEngineeringInternationalConferenceonEnergyStorage,Stratford-uponAvon,England:May24th-26th,1983.潛熱貯熱部件的性能測試現(xiàn)在是54頁\一共有64頁\編輯于星期三54裝置現(xiàn)在是55頁\一共有64頁\編輯于星期三55PlotsoftemperatureversustimeduringthemeltingphasehavebeenrecordedusingtheapparatusschematizedinFig.10.Itconsistsoftwotwinwaterthermostatsofidenticalconstructionandinsulationcharacteristic,onecontainingthestoragecomponentimmersedinwater,theothercontaininganequalvolumeofwateractingasthereferencemateria