專利名稱：相變蓄熱測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
相變蓄熱測(cè)試儀
(一) 技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型一種相變蓄熱測(cè)試儀，其涉及一種建筑相變材料的蓄熱性能的測(cè)試，即測(cè)試 建筑相變材料在發(fā)生相變的過(guò)程中所能吸收的熱量，屬于測(cè)試裝置。
(二) 技術(shù)背景
近年來(lái)隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及人們生活水平的日益提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度
的要求也越來(lái)越高。在影響室內(nèi)環(huán)境舒適度的諸多因素中，室溫是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，而 維持室溫在16.0'C 28.0'C是保持室內(nèi)環(huán)境舒適度的關(guān)鍵。為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，人們通過(guò)利
用空調(diào)和供暖系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)溫度，但是相應(yīng)的會(huì)造成能耗大幅度增加、能源消耗過(guò)快、環(huán)境污
染加劇等問(wèn)題，因?yàn)榻ㄖ芎牡?0%左右被用來(lái)控制調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度。如何在室內(nèi)環(huán)境舒適 度、節(jié)能、環(huán)保中保持平衡已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)以及節(jié)能領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
通過(guò)在普通建筑材料中加入相變材料PCM (Phase change material)制成較高熱容的 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效地解決舒適度、節(jié)能、環(huán)境污染等問(wèn)題之間的矛盾。因?yàn)镻CM在一定 溫度范圍內(nèi)物理狀態(tài)或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)伴隨著大量熱量的吸收或放 出，故可利用這種熱膨脹的效應(yīng)來(lái)控制調(diào)節(jié)通過(guò)墻體、頂板以及地板的傳熱，達(dá)到降低建筑 能耗的目的。
'目前也有大量研究者對(duì)相變材料進(jìn)行研究，而且通過(guò)各種材料的混合，也制造出了很多 建筑用相變材料。然而卻沒(méi)有一種實(shí)驗(yàn)儀器可以對(duì)建筑相變材料的蓄熱性能行進(jìn)測(cè)試，使得 生產(chǎn)建筑相變材料的企業(yè)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，限制了整個(gè)建筑相變材料產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展。
(三) 實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型一種相變蓄熱測(cè)試儀，其目的在于針對(duì)現(xiàn)有的研究建筑相變材料以及測(cè)試建 筑相變材料的蓄熱性能的實(shí)驗(yàn)方法的不足，提供一種用于測(cè)試建筑相變材料的蓄熱量的裝 置，通過(guò)對(duì)裝有建筑相變材料的水浴進(jìn)行加熱，利用溫度傳感器測(cè)量水浴的溫度，并繪出實(shí) 時(shí)溫度曲線，在通過(guò)自控原理控制加熱裝置的啟停，最后由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出建筑相變材料的 蓄熱量。本實(shí)用新型一種相變蓄熱測(cè)試儀，其主要由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器， 溫度探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成；其
水浴由隔熱效果良好的外保溫桶、外保溫桶蓋、內(nèi)加熱桶、內(nèi)加熱桶蓋和電加熱棒組成; 該外保溫桶分為內(nèi)、外兩層，夾層為聚氨酯保溫材料，在外保溫桶桶口上蓋設(shè)有外保溫桶蓋; 該內(nèi)加熱桶放置在外保溫桶的內(nèi)部，在內(nèi)加熱桶的桶口上蓋設(shè)有內(nèi)加熱桶蓋，并且在內(nèi)加熱 桶的底部設(shè)置有電加熱棒，在內(nèi)加熱桶中設(shè)置有溫度探測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)試水溫的大?。辉谕獗?溫桶的內(nèi)、外壁面上也各設(shè)置有溫度探測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)試外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫度；連接該 電加熱棒和溫度探測(cè)器的數(shù)據(jù)線和電源線通過(guò)走線槽與穩(wěn)壓器和數(shù)據(jù)采集儀相連，該電加熱 棒同時(shí)與固態(tài)繼電器相連接；
穩(wěn)壓器分別連接220V電源及固態(tài)繼電器，該穩(wěn)壓器是為了保證加熱功率的穩(wěn)定，.因此 必須維持穩(wěn)定的電壓；
固態(tài)繼電器分別連接穩(wěn)壓器、并通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器連接數(shù)據(jù)采集儀，該固態(tài)繼電器和數(shù) 據(jù)采集儀共同控制加熱過(guò)程的啟停；該固態(tài)繼電器以占空比原理來(lái)控制電加熱棒啟停，并改 變其加熱功率，主要是根據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)加熱啟停次數(shù)來(lái)改變總的加熱功率，并在溫度達(dá)到 一定限度的時(shí)候開(kāi)啟/停止加熱；
電源轉(zhuǎn)換器的一端(輸入端)與固態(tài)繼電器連接，另一端(輸出端)與數(shù)據(jù)采集儀相連， 將220V電壓轉(zhuǎn)換成24V為數(shù)據(jù)采集儀提供電源；
溫度探測(cè)器測(cè)試內(nèi)加熱桶中的水溫，并根據(jù)所測(cè)水溫來(lái)判斷開(kāi)始/停止加熱，該溫度探 測(cè)器與數(shù)據(jù)采集儀直接連接；
數(shù)據(jù)采集儀直接連接溫度探測(cè)器，將采集的電壓/電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)后，輸入計(jì) 算機(jī)并在計(jì)算機(jī)界面上顯示出來(lái)；然后再根據(jù)采集回來(lái)的溫度計(jì)算相變材料的蓄熱量；
計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集儀相連，該計(jì)算機(jī)用于控制完成整個(gè)操作過(guò)程，包括加熱過(guò)程的啟、 停，采集數(shù)據(jù)，計(jì)算及改變加熱功率的大小。
其中，溫度探測(cè)器是由熱電偶溫度傳感器組成，用于探測(cè)水中的溫度，將模擬電信號(hào) 轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。
其中，數(shù)據(jù)采集儀使用三菱PLC可編程軟件，使用戶能直接在計(jì)算機(jī)界面上進(jìn)行控制 操作。 .
本實(shí)用新型一種相變蓄熱測(cè)試儀，其具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①測(cè)試建筑相變材料 的蓄熱量；②通過(guò)測(cè)試相變建筑材料的蓄熱量，擴(kuò)大相變建筑材料的使用范圍；③整個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)水溫的高低進(jìn)行自動(dòng)控制；④用戶不需要時(shí)刻監(jiān)控，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)保存溫度數(shù)據(jù)并 將其繪制成曲線顯示出來(lái)；⑤操作界面簡(jiǎn)單；⑥為建筑相變材料行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)統(tǒng)一 的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
(四)
圖1為本相變蓄熱測(cè)試儀的示意圖 圖2為信號(hào)轉(zhuǎn)化處理及控制流程圖 圖中標(biāo)號(hào)如下
1、外保溫桶 2、外保溫桶蓋 3、內(nèi)加熱桶 5、電加熱棒 6、溫度探測(cè)器 7、走線槽 9、穩(wěn)壓器 10、固態(tài)繼電器11、轉(zhuǎn)換電源
13、計(jì)算機(jī)
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理、具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施作進(jìn)一步的說(shuō)明。 本實(shí)用新型一種相變蓄熱測(cè)試儀.，主要由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫
度探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)共七部分組成；該水浴主要由外保溫桶l(fā)，外保溫桶蓋2， 內(nèi)加熱桶3，內(nèi)加熱桶蓋4，電加熱棒5組成；在外保溫桶1上面蓋設(shè)有外保溫桶蓋2，在 外保溫桶1內(nèi)、外壁面之間填充有聚氨酯保、溫材料，其連接電加熱棒5和溫度探測(cè)器6的數(shù) 據(jù)線和電源線通過(guò)走線槽7與穩(wěn)壓器9和數(shù)據(jù)采集儀12相連；電加熱棒5連接固態(tài)繼電器 10,固態(tài)繼電器10再連接到穩(wěn)壓器9上面；同時(shí)，固態(tài)繼電器10還和數(shù)據(jù)釆集儀12相連 接；.溫度探測(cè)器6測(cè)量?jī)?nèi)加熱桶3內(nèi)的水溫，然后根據(jù)水溫來(lái)判斷開(kāi)始/停止加熱。溫度探 測(cè)器6通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀12直接連接，并將采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接顯示為溫 度信號(hào)。數(shù)據(jù)采集儀12為三菱公司制造的數(shù)據(jù)采集模塊，它由轉(zhuǎn)換電源ll供電；轉(zhuǎn)換電源 11將220V的交流電轉(zhuǎn)換成24V的直流電，然后提供給數(shù)據(jù)采集儀12供電。固態(tài)繼電器IO 根據(jù)溫度探測(cè)器6探測(cè)到的溫度，來(lái)斷開(kāi)/合上電路，使得溫度探測(cè)器6、固態(tài)繼電器IO、 數(shù)據(jù)采集儀12和計(jì)算機(jī)13組成本測(cè)試儀的控制部分，從而實(shí)現(xiàn)本相變蓄熱測(cè)試儀的自動(dòng)控 制。
請(qǐng)參閱圖2所示，該控制流程是首先令電加熱棒進(jìn)行加熱，然后由溫度探測(cè)器進(jìn)行溫 度探測(cè)，由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所采集的信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，處理后進(jìn)行加
4、內(nèi)加熱桶蓋 8、 220V電源 12、數(shù)據(jù)采集儀熱時(shí)間判斷，如過(guò)加熱時(shí)間不到則繼續(xù)由電加熱棒進(jìn)行加熱，如果加熱時(shí)間到則斷幵固態(tài)繼 電器停止加熱。
在實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試過(guò)程之后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算相變材料的蓄熱量之前， 首先要對(duì)本相變蓄熱測(cè)試儀進(jìn)行誤差校核，主要分為兩個(gè)步驟漏熱測(cè)試和熱容測(cè)試。由于 本相變蓄熱測(cè)試儀主要由一個(gè)水浴組成，且申水浴中設(shè)置有電加熱棒，因此需要計(jì)算整個(gè)水 浴系統(tǒng)的漏熱量和吸熱量。漏熱量即是在對(duì)水浴進(jìn)行加熱過(guò)程中，水浴向環(huán)境釋放的熱量； 吸熱量即是在加熱過(guò)程中，整個(gè)水浴系統(tǒng)所吸收的熱量。漏熱量是外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫 差，加熱時(shí)間和漏熱系數(shù)的函數(shù)；吸熱量是熱容和加熱啟、停時(shí)水浴的溫差的函數(shù)。
主要計(jì)算公式如下
1.漏熱系數(shù)的測(cè)試:
△7;
式中矢是漏熱系數(shù)，W/。C;
^是漏熱加熱功率，W;
at;是外保溫桶內(nèi)外壁的溫差，°c;
2.系統(tǒng)熱容
C， (2)
g=j(— (3) 込A:.A7^z" (4)
G-c.A^ (5) 式中，c系統(tǒng)的熱容J"C;
△r2水升高的溫度，°C;
,測(cè)試時(shí)間，S;,
2加熱棒的加熱量，J;込系統(tǒng)(包括內(nèi)加熱桶，外保溫桶，水)吸收的熱量，J; 込加熱過(guò)程中的漏熱量，J;
3.相變材料蓄熱量的計(jì)算
^一g'一込 (6) 附
(7)
0 = { w2dr (8) 式中《為相變材料單位質(zhì)量的相變蓄熱量，J/kg; 附為相變材料的質(zhì)量，kg;
為建筑相變材料的蓄熱量，J; W2為相變測(cè)試加熱功率，W;
實(shí)施例1
首先在內(nèi)加熱桶3中加水，當(dāng)水到內(nèi)加熱桶中的刻度線處，停止加水；然后蓋上內(nèi)加熱 桶蓋4，之后再蓋上外保溫桶蓋2。水浴部分的準(zhǔn)備工作完成，可以對(duì)其進(jìn)行控制加熱。然 后再打開(kāi)13計(jì)算機(jī)，并對(duì)加熱桶3的穩(wěn)壓器9和數(shù)據(jù)采集儀12供電，同時(shí)在13計(jì)算機(jī)上 完成加熱設(shè)置。這主要包括設(shè)置相變材料的相變溫度、設(shè)置漏熱測(cè)試和熱容測(cè)試的加熱時(shí)間、 設(shè)置漏熱測(cè)試的漏熱功率。在這三項(xiàng)設(shè)置完威之后，點(diǎn)擊界面上的啟動(dòng)按鈕，加熱開(kāi)始。溫 度探測(cè)器6每5秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為溫度值，顯示在計(jì)算機(jī)13界面上，同時(shí) 將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線一條平滑的曲線，在計(jì)算機(jī)13界面上顯示出來(lái)。
待加熱時(shí)間達(dá)到設(shè)置的加熱時(shí)間后，計(jì)算機(jī)13會(huì)自動(dòng)控制固態(tài)繼電器10斷開(kāi)電加熱棒 5的電源，這時(shí)加熱停止。然后根據(jù)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
第一步根據(jù)公式(1)計(jì)算漏熱系數(shù)。
第二步根據(jù)公式(2)、 (3)、 (4)、 (5)計(jì)算系統(tǒng)熱容。
然后進(jìn)行相變材料的蓄熱量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
將內(nèi)加熱桶3中的水倒出，待加熱內(nèi)桶3和外保溫桶1內(nèi)、外壁面的溫度冷卻到室溫的 時(shí)候，開(kāi)始進(jìn)行相變蓄熱測(cè)試賣(mài)驗(yàn)。首先將相變材料放入內(nèi)加熱桶3中，然后重新對(duì)內(nèi)加熱桶3中進(jìn)行加水，當(dāng)水位達(dá)到內(nèi)加熱桶3內(nèi)刻度線時(shí)停止加水。然后依次蓋上內(nèi)加熱桶蓋4 和外保溫桶蓋2。打開(kāi)13計(jì)算機(jī)，并對(duì)加熱桶的穩(wěn)壓器9和數(shù)據(jù)采集儀12供電，同時(shí)在計(jì) 算機(jī)13上完成加熱設(shè)置。這主要包括設(shè)置相變材料的相變溫度、相變測(cè)試加熱時(shí)間和設(shè)置 相變蓄熱測(cè)試的加熱功率，點(diǎn)擊界面上的啟動(dòng)按鈕，加熱開(kāi)始。溫度探測(cè)器6每5秒鐘采集 一次數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為溫度值，顯示在計(jì)算機(jī)13界面上，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲 線一條平滑的曲線，在計(jì)算機(jī)13界面上顯示出來(lái)。待加熱時(shí)間達(dá)到設(shè)置的相變蓄熱測(cè)試時(shí) 間后，計(jì)算機(jī)13會(huì)自動(dòng)控制固態(tài)繼電器10斷開(kāi)電加熱棒5的電源，這時(shí)加熱停止。
最后根據(jù)第一步和第二步計(jì)算出來(lái)的漏熱系數(shù)和熱容，然后再根據(jù)公式(6)、 (7)、 (8) 計(jì)算出相變材料的蓄熱量。
權(quán)利要求1、一種相變蓄熱測(cè)試儀，其特征在于該測(cè)試儀由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成；該水浴由隔熱效果良好的外保溫桶(1)、外保溫桶蓋(2)、內(nèi)加熱桶(3)、內(nèi)加熱桶蓋(4)和電加熱棒(5)組成；該外保溫桶(1)分為內(nèi)、外兩層，夾層為聚氨酯保溫材料，在外保溫桶(1)的桶口上蓋設(shè)有外保溫桶蓋(2)；該內(nèi)加熱桶(3)放置在外保溫桶(1)內(nèi)部，在內(nèi)加熱桶(3)的桶口上蓋設(shè)有內(nèi)加熱桶蓋(4)，且在內(nèi)加熱桶(3)的底部設(shè)置有電加熱棒(5)，在內(nèi)加熱桶(3)中設(shè)置有溫度探測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)試水溫的大小；在外保溫桶(1)的內(nèi)、外壁面上也各設(shè)置有溫度探測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)試外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫度；連接該電加熱棒(5)和溫度探測(cè)器(6)的數(shù)據(jù)線和電源線通過(guò)走線槽(7)與穩(wěn)壓器(9)和數(shù)據(jù)采集儀(12)相連，該電加熱棒(5)同時(shí)與固態(tài)繼電器(10)相連接；穩(wěn)壓器(9)分別連接220V電源(8)及固態(tài)繼電器(10)；固態(tài)繼電器(10)分別連接穩(wěn)壓器(9)、并通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器(11)連接數(shù)據(jù)采集儀(12)，該固態(tài)繼電器(10)和數(shù)據(jù)采集儀(12)共同控制加熱過(guò)程的啟停；電源轉(zhuǎn)換器(11)的一端與固態(tài)繼電器(10)連接，另一端與數(shù)據(jù)采集儀(12)相連；溫度探測(cè)器(6)與數(shù)據(jù)采集儀(12)直接連接；數(shù)據(jù)采集儀(12)直接連接溫度探測(cè)器(6)，數(shù)據(jù)采集儀將采集的電壓/電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)后，輸入計(jì)算機(jī)(13)并在計(jì)算機(jī)(13)界面上顯示出來(lái)，然后再根據(jù)采集回來(lái)的溫度計(jì)算相變材料的蓄熱量；用于控制完成整個(gè)操作過(guò)程的計(jì)算機(jī)(13)與數(shù)據(jù)采集儀(12)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變蓄熱測(cè)試儀，其特征在于該溫度探測(cè)器(6)是由熱電偶溫度傳感器組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變蓄熱測(cè)試儀，其特征在于該數(shù)據(jù)采集儀(12)使用三菱PLC可編程軟件。
專利摘要一種相變蓄熱測(cè)試儀，由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成；該水浴由內(nèi)加熱桶、電加熱棒和外保溫桶三部分組成。穩(wěn)壓器一端連接電源，另一端連接電加熱棒，為電加熱棒供電。固態(tài)繼電器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)共同組成整個(gè)測(cè)試過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制部分。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否需要停止或開(kāi)始加熱，由計(jì)算機(jī)再發(fā)出命令，控制固態(tài)繼電器的閉合或斷開(kāi)。針對(duì)現(xiàn)有的研究建筑相變材料以及測(cè)試建筑相變材料的蓄熱性能的實(shí)驗(yàn)方法的不足，該裝置可以對(duì)裝有建筑相變材料的水浴進(jìn)行加熱，利用溫度傳感器測(cè)量溫度，并繪出實(shí)時(shí)溫度曲線，通過(guò)控制加熱裝置的啟停，最后由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出建筑相變材料的蓄熱量。
文檔編號(hào)G01N25/20GK201293765SQ20082012255
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者王國(guó)云, 王智超, 瑋 肖 申請(qǐng)人:中國(guó)建筑科學(xué)研究院