幾種蓄能材料導(dǎo)熱系數(shù)的直接測(cè)量

幾種蓄能材料導(dǎo)熱系數(shù)的直接測(cè)量

0蓄能材料介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量電力在國(guó)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(kāi)發(fā)是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。由于在儲(chǔ)釋能過(guò)程中有能量的傳遞,特別是熱傳導(dǎo)形式的能量傳遞,儲(chǔ)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(biāo)之一。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量大致有平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法、圓柱板穩(wěn)態(tài)測(cè)量法、DSC+探針?lè)ǖ葞追N,目前最普遍的方法是平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法。平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法比較簡(jiǎn)單,精度也較高,但主要用于測(cè)量固體物質(zhì),而且對(duì)被測(cè)物要求較高,一般需要把被測(cè)物處理成規(guī)則幾何形狀(例如長(zhǎng)方體)固定尺寸后再進(jìn)行測(cè)量,對(duì)顆粒狀、粉末狀固體、液體、氣體等則需要有特殊的測(cè)量方案。本實(shí)驗(yàn)采用了平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法對(duì)幾種蓄能材料(介質(zhì))的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置不能完全適用,所以對(duì)普通平板法實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一些改進(jìn)。1實(shí)驗(yàn)1.1儲(chǔ)層用導(dǎo)熱系數(shù)法dm平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法測(cè)量固體儲(chǔ)能材料(直接測(cè)量):在測(cè)量固態(tài)蓄能材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),與一般的平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法相同,需要把被測(cè)物處理成規(guī)則幾何形狀(例如長(zhǎng)方體)固定尺寸后再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量公式為:λ=Q×dm2×A×Δtm(1)λ=Q×dm2×A×Δtm(1)其中:Q——通過(guò)被測(cè)材料的熱流,Q=I2R/2,W;dm——左右兩部分被測(cè)材料厚度平均值,m;A——為被測(cè)材料通過(guò)熱流橫截面積,m2;Δtm——左右兩部分被測(cè)材料降溫溫差平均值,K;λ——被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)-1平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法測(cè)量液態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì)(間接測(cè)量):在測(cè)量液態(tài)蓄能介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),需要作一些改進(jìn)。先要制作兩個(gè)有機(jī)玻璃標(biāo)準(zhǔn)盒,有機(jī)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(kāi)口,有機(jī)玻璃壁厚3mm。將液態(tài)待測(cè)介質(zhì)放入標(biāo)準(zhǔn)盒中后,即可開(kāi)始測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟與測(cè)量一般固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)相同,測(cè)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(cè)物與盒總厚度,12mm。λ為綜合導(dǎo)熱系數(shù)。δ1為標(biāo)準(zhǔn)玻璃盒厚度,6mm。λ1為標(biāo)準(zhǔn)玻璃盒導(dǎo)熱系數(shù),0.176W/(m·K)-1。δ2為被測(cè)物厚度,6mm。λ2即為所求的被測(cè)物導(dǎo)熱系數(shù)。1.2實(shí)驗(yàn)材料和儀器我們搭建這套實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)程,所以要采用間接測(cè)量并對(duì)反應(yīng)裝置有特殊要求。本實(shí)驗(yàn)裝置是參考哈爾濱工業(yè)大學(xué)的平板導(dǎo)熱儀而專(zhuān)門(mén)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(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)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(hù)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(chǎng)DM10M-12型電壓穩(wěn)壓器提供。被測(cè)試件兩側(cè)各有一條熱偶來(lái)測(cè)試樣兩側(cè)的溫度,熱偶信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接入電位差計(jì)。實(shí)驗(yàn)中使用的其它儀表有精度0.05mm的游標(biāo)卡尺(桂林量具刃具廠(chǎng)),哈爾濱電表儀器廠(chǎng)T51型0.5級(jí)精密電流表,以及上海電表廠(chǎng)生產(chǎn)的UJ33a型直流電位差計(jì)等。1.3新型有機(jī)高分子蓄能材料本次實(shí)驗(yàn)材料有,普通有機(jī)平板玻璃(廣州能源所提供)、蒸餾水(自制)、幾種新型有機(jī)高分子蓄能材料(華南理工大學(xué)提供),在隨后的實(shí)驗(yàn)中我們將對(duì)一些制冷劑氣體水合物的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測(cè)試。1.4溫度差的測(cè)量1)使用游標(biāo)卡尺,沿兩塊試樣(或標(biāo)準(zhǔn)玻璃盒)四周多次測(cè)量長(zhǎng)度、寬度、厚度,取其算術(shù)平均值,并計(jì)算出橫截面積,作為實(shí)驗(yàn)前試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。注意兩塊試樣之間厚度、橫截面積相對(duì)誤差要不超過(guò)3%。2)將試樣(或標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?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(mǎn)足中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3399-82、GB2918-82規(guī)定的條件下,校對(duì)電位差計(jì)的工作電流,將測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至測(cè)量加熱板加熱前溫度,此溫度應(yīng)等于空氣浴溫度,再將測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至測(cè)量試樣溫差,此值應(yīng)為零熱電勢(shì),差值最大不得超過(guò)4μV,即相應(yīng)初始溫度差不得超過(guò)0.1℃。4)接通加熱器開(kāi)關(guān),給加熱器通以恒定電流,同時(shí)監(jiān)測(cè)試樣溫差的微伏數(shù)。經(jīng)一段時(shí)間后(隨所測(cè)材料而不同,一般在5～10min),系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),在較長(zhǎng)一段時(shí)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(shí)驗(yàn)中得到的時(shí)間-溫差曲線(xiàn)如圖2所示。在圖2中,共有7個(gè)被測(cè)點(diǎn),由趨勢(shì)線(xiàn)趨勢(shì)可知,在第2點(diǎn)處,即9∶39分左右,系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),在較長(zhǎng)一段時(shí)間里(接近5min),試樣兩端溫差數(shù)幾乎保持不變。對(duì)第2、第3點(diǎn)處數(shù)據(jù)進(jìn)行如式1所示的處理,取平均值,得到1個(gè)數(shù)據(jù)。5)第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束,將加熱器開(kāi)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(shí)驗(yàn)。6)重復(fù)以上步驟,對(duì)1個(gè)待測(cè)材料進(jìn)行至少兩次測(cè)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(cè)量相對(duì)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(cè)量實(shí)驗(yàn)精度使用如圖1所示的系統(tǒng)及直接測(cè)量法公式(1),通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)步驟,對(duì)普通有機(jī)平板玻璃進(jìn)行了測(cè)量,以檢驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)方案對(duì)固態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:從表1可以看出,本次實(shí)驗(yàn)方案對(duì)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果是相當(dāng)可信的(相對(duì)偏差不超過(guò)3%),在文獻(xiàn)中可以查到,普通有機(jī)平板玻璃0.20W·(m·K)-1,結(jié)果與文獻(xiàn)值相比也十分接近。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析繼續(xù)使用此方案對(duì)華南理工大學(xué)提供的3種材料分別進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)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(jī)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(dān)的國(guó)家重點(diǎn)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型高效蓄熱(冷)介質(zhì)與技術(shù)”中,新開(kāi)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(diǎn)溫度以上都不會(huì)流出來(lái)。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(shí)驗(yàn)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(méi)有提高導(dǎo)熱性,這可能是添加導(dǎo)熱填料后對(duì)材料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響的結(jié)果。2.4接測(cè)量法實(shí)驗(yàn)對(duì)液態(tài)介質(zhì)的測(cè)量中,首先對(duì)蒸餾水的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,檢驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)方案對(duì)液態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精度如何。使用如圖1所示的系統(tǒng)及間接測(cè)量法公式(2)、(3),以及與直接測(cè)量法同樣的實(shí)驗(yàn)步驟。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。其中,表3中的文獻(xiàn)值為參考文獻(xiàn)中水物性圖表在各組實(shí)驗(yàn)平均溫度下的插值。從上圖可以看出,本次實(shí)驗(yàn)方案對(duì)液態(tài)介質(zhì)的導(dǎo)熱