幾種蓄能材料導(dǎo)熱系數(shù)的直接測量

幾種蓄能材料導(dǎo)熱系數(shù)的直接測量

0蓄能材料介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)測量電力在國家能源生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用，新能源材料（介質(zhì)）的開發(fā)是一個非常重要的領(lǐng)域。由于在儲釋能過程中有能量的傳遞,特別是熱傳導(dǎo)形式的能量傳遞,儲能材料、介質(zhì)(包括封裝材料)的導(dǎo)熱系數(shù)成為其重要指標之一。導(dǎo)熱系數(shù)的測量大致有平板準穩(wěn)態(tài)測量法、圓柱板穩(wěn)態(tài)測量法、DSC+探針法等幾種,目前最普遍的方法是平板準穩(wěn)態(tài)測量法。平板準穩(wěn)態(tài)測量法比較簡單,精度也較高,但主要用于測量固體物質(zhì),而且對被測物要求較高,一般需要把被測物處理成規(guī)則幾何形狀(例如長方體)固定尺寸后再進行測量,對顆粒狀、粉末狀固體、液體、氣體等則需要有特殊的測量方案。本實驗采用了平板準穩(wěn)態(tài)測量法對幾種蓄能材料(介質(zhì))的導(dǎo)熱系數(shù)進行測量。由于蓄能材料(介質(zhì))的多種多樣,有固態(tài)也有液態(tài),使用單一實驗裝置不能完全適用,所以對普通平板法實驗臺進行了一些改進。1實驗1.1儲層用導(dǎo)熱系數(shù)法dm平板準穩(wěn)態(tài)測量法測量固體儲能材料(直接測量):在測量固態(tài)蓄能材料的導(dǎo)熱系數(shù)時,與一般的平板準穩(wěn)態(tài)測量法相同,需要把被測物處理成規(guī)則幾何形狀(例如長方體)固定尺寸后再進行測量。測量公式為:λ=Q×dm2×A×Δtm(1)λ=Q×dm2×A×Δtm(1)其中:Q——通過被測材料的熱流,Q=I2R/2,W;dm——左右兩部分被測材料厚度平均值,m;A——為被測材料通過熱流橫截面積,m2;Δtm——左右兩部分被測材料降溫溫差平均值,K;λ——被測材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)-1平板準穩(wěn)態(tài)測量法測量液態(tài)儲能介質(zhì)(間接測量):在測量液態(tài)蓄能介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)時,需要作一些改進。先要制作兩個有機玻璃標準盒,有機玻璃導(dǎo)熱系數(shù)為0.176W/(m·K)-1,外圍尺寸為100mm×100mm×12mm,一端開口,有機玻璃壁厚3mm。將液態(tài)待測介質(zhì)放入標準盒中后,即可開始測量。實驗步驟與測量一般固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)時相同,測量公式變?yōu)?λ=Q×dm2×A×Δtm(2)δλ=δ1λ1+δ2λ2(3)λ=Q×dm2×A×Δtm(2)δλ=δ1λ1+δ2λ2(3)其中,Q、A、Δtm與式(1)所示相同,dm為被測物與盒總厚度,12mm。λ為綜合導(dǎo)熱系數(shù)。δ1為標準玻璃盒厚度,6mm。λ1為標準玻璃盒導(dǎo)熱系數(shù),0.176W/(m·K)-1。δ2為被測物厚度,6mm。λ2即為所求的被測物導(dǎo)熱系數(shù)。1.2實驗材料和儀器我們搭建這套實驗裝置的目的主要是為了研究致冷劑水合物的導(dǎo)熱性能,由于制冷劑水合物過程中有液態(tài)制冷劑與液態(tài)水反應(yīng)生成固態(tài)水合物的相變過程,所以要采用間接測量并對反應(yīng)裝置有特殊要求。本實驗裝置是參考哈爾濱工業(yè)大學(xué)的平板導(dǎo)熱儀而專門訂制的,能夠?qū)腆w蓄能材料和液態(tài)蓄冷介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)進行測量。實驗臺簡圖如圖1所示。實驗儀器部件主要包括電加熱板、0.1mm銅康銅絲制成的銅-康銅熱電偶、絕熱材料、電壓穩(wěn)壓器等。電加熱板由高電阻康銅箔制成,康銅箔厚度僅20μm,加上保護箔的絕緣簿膜,總共只有70μm,電阻值穩(wěn)定,在0～100℃范圍里幾乎不變。加熱器的面積和試件的相同,是100mm×100mm的正方形。電加熱板的電流由哈爾濱大東電子廠DM10M-12型電壓穩(wěn)壓器提供。被測試件兩側(cè)各有一條熱偶來測試樣兩側(cè)的溫度,熱偶信號通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接入電位差計。實驗中使用的其它儀表有精度0.05mm的游標卡尺(桂林量具刃具廠),哈爾濱電表儀器廠T51型0.5級精密電流表,以及上海電表廠生產(chǎn)的UJ33a型直流電位差計等。1.3新型有機高分子蓄能材料本次實驗材料有,普通有機平板玻璃(廣州能源所提供)、蒸餾水(自制)、幾種新型有機高分子蓄能材料(華南理工大學(xué)提供),在隨后的實驗中我們將對一些制冷劑氣體水合物的導(dǎo)熱性能進行測試。1.4溫度差的測量1)使用游標卡尺,沿兩塊試樣(或標準玻璃盒)四周多次測量長度、寬度、厚度,取其算術(shù)平均值,并計算出橫截面積,作為實驗前試樣的標準尺寸。注意兩塊試樣之間厚度、橫截面積相對誤差要不超過3%。2)將試樣(或標準玻璃盒)放入儀器電加熱板和保溫材料之間,注意要左右各放1塊,且要加以適當?shù)膲毫σ员３指靼寮安牧祥g接觸良好。3)控制溫控裝置使恒溫空氣浴保持在欲設(shè)溫度,在滿足中華人民共和國國家標準GB3399-82、GB2918-82規(guī)定的條件下,校對電位差計的工作電流,將測量轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至測量加熱板加熱前溫度,此溫度應(yīng)等于空氣浴溫度,再將測量轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至測量試樣溫差,此值應(yīng)為零熱電勢,差值最大不得超過4μV,即相應(yīng)初始溫度差不得超過0.1℃。4)接通加熱器開關(guān),給加熱器通以恒定電流,同時監(jiān)測試樣溫差的微伏數(shù)。經(jīng)一段時間后(隨所測材料而不同,一般在5～10min),系統(tǒng)進入準穩(wěn)態(tài),在較長一段時間里,試樣溫差的微伏數(shù)保持不變,即(1)式中的Δtm。記錄下電流值。實驗中得到的時間-溫差曲線如圖2所示。在圖2中,共有7個被測點,由趨勢線趨勢可知,在第2點處,即9∶39分左右,系統(tǒng)進入準穩(wěn)態(tài),在較長一段時間里(接近5min),試樣兩端溫差數(shù)幾乎保持不變。對第2、第3點處數(shù)據(jù)進行如式1所示的處理,取平均值,得到1個數(shù)據(jù)。5)第一次實驗結(jié)束,將加熱器開關(guān)切斷,取下試件及加熱器,將加熱器吹涼,待和室溫平衡后,才能繼續(xù)做實驗。6)重復(fù)以上步驟,對1個待測材料進行至少兩次測量。2結(jié)果與討論2.1rr:tmm2+tm2+根據(jù)式(1)、(2)、(3),直接法中λ=f(I,dm,R,Δtm),間接法中λ=f(I,R,Δtm)所以測量相對誤差如下:δλλ=(δII)2+(δRR)2+(δdmdm)2+(δΔtmΔtm)2?????????????????????????????√(4)δλλ=(δII)2+(δRR)2+(δΔtmΔtm)2?????????????????????√(5)δλλ=(δΙΙ)2+(δRR)2+(δdmdm)2+(δΔtmΔtm)2(4)δλλ=(δΙΙ)2+(δRR)2+(δΔtmΔtm)2(5)其中δI=±0.5%IxδΔtm=0.1℃δdm=0.05mmδR=0.2%Rx2.2測量實驗精度使用如圖1所示的系統(tǒng)及直接測量法公式(1),通過上述的實驗步驟,對普通有機平板玻璃進行了測量,以檢驗本實驗方案對固態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度。實驗結(jié)果如下:從表1可以看出,本次實驗方案對固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測量結(jié)果是相當可信的(相對偏差不超過3%),在文獻中可以查到,普通有機平板玻璃0.20W·(m·K)-1,結(jié)果與文獻值相比也十分接近。2.3實驗結(jié)果與分析繼續(xù)使用此方案對華南理工大學(xué)提供的3種材料分別進行測量,結(jié)果見表2。目前在研究新型高效蓄熱(冷)介質(zhì)與技術(shù)中,有一種新方法,就是在高分子聚合物中添加導(dǎo)熱材料,特別是高導(dǎo)熱性能的石墨/有機聚合物納米混雜材料,用以提高材料的導(dǎo)熱性能。在我所與華南理工大學(xué)合作承擔的國家重點自然科學(xué)基金項目“新型高效蓄熱(冷)介質(zhì)與技術(shù)”中,新開發(fā)了3種高分子復(fù)合蓄熱材料,P80S20是石蠟與高分子復(fù)合的一種蓄熱材料,石蠟被束縛在高分子網(wǎng)絡(luò)中,即使在其熔點溫度以上都不會流出來。P80S20EG*3是在上述復(fù)合蓄熱材料中加了3份導(dǎo)熱填料以提高蓄熱材料的導(dǎo)熱性。NR-SBR-S也是在高分子中加了大量的導(dǎo)熱填料以期得到導(dǎo)熱性較好的材料。從實驗結(jié)果中我們可以看出,新材料P80S20EG*3導(dǎo)熱系數(shù)是P80S20的2倍以上,成功提高了蓄熱材料的導(dǎo)熱性。但新材料NR-SBR-S導(dǎo)熱系數(shù)比P80S20略小,沒有提高導(dǎo)熱性,這可能是添加導(dǎo)熱填料后對材料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響的結(jié)果。2.4接測量法實驗對液態(tài)介質(zhì)的測量中,首先對蒸餾水的導(dǎo)熱系數(shù)進行了測量,檢驗本次實驗方案對液態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度如何。使用如圖1所示的系統(tǒng)及間接測量法公式(2)、(3),以及與直接測量法同樣的實驗步驟。測量結(jié)果見表3。其中,表3中的文獻值為參考文獻中水物性圖表在各組實驗平均溫度下的插值。從上圖可以看出,本次實驗方案對液態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱