專利名稱：相變蓄熱測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種相變蓄熱測試儀，其涉及一種建筑相變材料的蓄熱性能的測試，即測試建筑 相變材料在發(fā)生相變的過程中所能吸收的熱量，屬于測試裝置。
(二) 技術(shù)背景-
近年來隨著中國的經(jīng)濟快速發(fā)展以及人們生活水平的日益提高，人們對室內(nèi)環(huán)境舒適度 的要求也越來越高。在影響室內(nèi)環(huán)境舒適度的諸多因素中，室溫是一個非常關(guān)鍵的因素，而 維持室溫在16.0'C 28.(TC是保持室內(nèi)環(huán)境舒適度的關(guān)鍵。為達到這一標準，人們通過利 用空調(diào)和供暖系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫度，'但是相應(yīng)的會造成能耗大幅度增加、能源消耗過快、環(huán)境污 染加劇等問題，因為建筑能耗的80%左右被用來控制調(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)計以及節(jié)能領(lǐng)域的熱點問題。
通過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 建筑圍護結(jié)構(gòu)，可有效地解決舒適度、節(jié)能、環(huán)境污染等問題之間的矛盾。因為PCM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，在這個過程中同時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)來控制調(diào)節(jié)通過墻體、頂板以及地板的傳熱，達到降低建筑 能耗的目的。
目前也有大量研究者對相變材料進行研究，而且通過各種材料的混合，也制造出了很多 建筑用相變材料。然而卻沒有」種實驗儀器可以對建筑相變材料的蓄熱性能行進測試，使得 生產(chǎn)建筑相變材料的企業(yè)沒有一個統(tǒng)一的標準和規(guī)范，限制了整個建筑相變材料產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種相變蓄熱測試儀，其目的在于針對現(xiàn)有的研究建筑相變材料以及測試建筑相 變材料的蓄熱性能的實驗方法的不足，提供一種用于測試建筑相變材料的蓄熱量的裝置，通 過對裝有建筑相變材料的水浴進行加熱，利用溫度傳感器測量水浴的溫度，并繪出實時溫度 曲線，在通過自控原理控制加熱裝置的啟停，最后由測試數(shù)據(jù)計算出建筑相變材料的蓄熱量。
本發(fā)明一種相變蓄熱測試儀，其主要由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度 探測器，數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成；其
水浴由隔熱效果良好的外保溫桶l(fā)、外保溫桶蓋2、內(nèi)加熱桶3、內(nèi)加熱桶蓋4和電加 熱棒5組成；該外保溫桶l(fā)分為內(nèi)、外兩層，夾層為聚氨酯保溫材料，在外保溫桶l(fā)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，并且在內(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 測點，用于測試水溫的大小；在外保溫桶l(fā)的內(nèi)、外壁面上也各設(shè)置有溫度探測點，用于測 試外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫度；連接該電加熱棒5和溫度探測器6的數(shù)據(jù)線和電源線通過走 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,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10分別連接穩(wěn)壓器9、并通過電源轉(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共同控制加熱過程的啟停；該固態(tài)繼電器10以占空比原理來控 制電加熱棒5啟停，并改變其加熱功率，主要是根據(jù)在一定時間內(nèi)加熱啟停次數(shù)來改變總的 加熱功率，并在溫度達到一定限度的時候開啟/停止加熱；
.電源轉(zhuǎn)換器ll的一端(輸入端)與固態(tài)繼電器10連接，另一端(輸出端)與數(shù)據(jù)采集 儀12相連，將220V電壓轉(zhuǎn)換成24V為數(shù)據(jù)采集儀12提供電源；
溫度探測器6測試內(nèi)加熱桶3中的水溫，并根據(jù)所測水溫來判斷開始/停止加熱，該溫 度探測器6與數(shù)據(jù)采集儀12直接連接；
數(shù)據(jù)采集儀12直接連接溫度探測器6，將采集的電壓/電流信號轉(zhuǎn)換成溫度信號后，輸 入計算機13并在計算機13界面上顯示出來；然后再根據(jù)采集回來的溫度計算相變材料的蓄 熱量；
計算機13與數(shù)據(jù)采集儀12相連，該計算機13用于控制完成整個操作過程，包括加熱 過程的啟、停，采集數(shù)據(jù)，計算及改變加熱功率的大小。
.其中，溫度探測器6是由熱電偶溫度傳感器組成，用于探測水中的溫度，將模擬電信號 轉(zhuǎn)換為溫度信號。
其中，數(shù)據(jù)采集儀12使用三菱PLC可編程軟件，使用戶能直接在計算機13界面上進 行控制操作。
本發(fā)明一種相變蓄熱測試儀，其具有以下優(yōu)點及突出性效果①測試建筑相變材料的蓄 熱量；②通過測試相變建筑材料的蓄熱量，擴大相變建筑材料的使用范圍；③整個系統(tǒng)可以
根據(jù)水溫的高低進行自動控制；④用戶不需要時刻監(jiān)控，計算機會自動保存溫度數(shù)據(jù)并將其 繪制成曲線顯示出來；⑤操作界面簡單；⑥為建筑相變材料行業(yè)的發(fā)展提供了一個統(tǒng)一的規(guī) 范和標準。
(四)


圖1為本相變蓄熱測試儀的示意圖 圖2為信號轉(zhuǎn)化處理及控制流程圖 圖中標號如下
1、外保溫桶 2、外保溫桶蓋 5、電加熱棒 6、溫度探測器 9、穩(wěn)壓器 10、固態(tài)繼電器
13、計算機
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的it理、具體結(jié)構(gòu)和實施作進一步的說明。 一種相變蓄熱測試儀，主要由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度探測器，
數(shù)據(jù)采集儀和計算機共七部分組成；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l(fā)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和溫度探測器6的數(shù)據(jù)線和電源線通 過走線槽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，固態(tài)繼電器10還和數(shù)據(jù)采集儀12相連接；溫度探測器6 測量內(nèi)加熱桶3內(nèi)的水溫，然后根據(jù)水溫來判斷開始/停止加熱。溫度探測器6通過數(shù)據(jù)線 與數(shù)據(jù)采集儀12直接連接，并將采集到的信號進行轉(zhuǎn)換，直接顯示為溫度信號。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10根據(jù)溫度探測器6 探測到的溫度，來斷開/合上電路，使得溫度探測器6、固態(tài)繼電器IO、數(shù)據(jù)采集儀12和計 算機13組成本測試儀的控制部分，從而實現(xiàn)本相變蓄熱測試儀的自動控制。
請參閱圖2所示，該控制流程是首先令電加熱棒進行加熱，然后由溫度探測器進行溫 度探測，由數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)釆集，將所采集的信息送入計算機進行處理，處理后進行加 熱時間判斷，如過加熱時間不到則繼續(xù)由電加熱棒進行加熱，如果加熱時間到則斷開固態(tài)繼
3、.內(nèi)加熱桶 7、走線槽 11、轉(zhuǎn)換電源
4、內(nèi)加熱桶蓋 8、 220V電源 12、數(shù)據(jù)采集儀
電器停止加熱。
在實現(xiàn)了整個測試過程之后，對采集的數(shù)據(jù)進行計算。在計算相變材料的蓄熱量之前， 首先要對本相變蓄熱測試儀進行誤差校核，主要分為兩個步驟漏熱測試和熱容測試。由于 本相變蓄熱測試儀主要由一個水浴組成，且在水浴中設(shè)置有電加熱棒，因此需要計算整個水 浴系統(tǒng)的漏熱量和吸熱量。漏熱量即是在對水浴進行加熱過程中，水浴向環(huán)境釋放的熱量； 吸熱量即是在加熱過程中，整羊水浴系統(tǒng)所吸收的熱量。漏熱量是外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫 差，加熱時間和漏熱系數(shù)的函數(shù)；吸熱量是熱容和加熱啟、停時水浴的溫差的函數(shù)。
主要計算公式如下
1.漏熱系數(shù)的測試:
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
式中it是漏熱系數(shù)，W/°C;
w,是漏熱加熱功率，W;
A7i是外保溫桶內(nèi)外壁的溫差，°c;
2.系統(tǒng)熱容<formula>formula see original document page 6</formula>
G-c.A^ (5) 式中，C系統(tǒng)的熱容J/。C;
△r2水升高的溫度，°C;
f測試時間，S;
g加熱棒的加熱量，J;
0系統(tǒng)(包括內(nèi)加熱桶，外保溫桶，水)吸收的熱量，J;
込加熱過程中的漏熱量，J; 3.相變材料蓄熱量的計算
附
2pcm -曠W
式中^為相變材料單位質(zhì)量的相變蓄熱量，J/kg 為相變材料的質(zhì)量，kg;
(2^為建筑相變材料的蓄熱量，J;
W2為相變測試加熱功率，W;
實施例l
首先在內(nèi)加熱桶3中加水，當水到內(nèi)加熱f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。水浴部分的準備工作完成，可以對其進行控制加熱。然 后再打開13計算機，并對加熱桶3的穩(wěn)壓器9和數(shù)據(jù)采集儀12供電，同時在13計算機上 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)置漏熱測試和熱容測試的加熱時間、 設(shè)置漏熱測試的漏熱功率。在這三項設(shè)置完成之后，點擊界面上的啟動按鈕，加熱開始。溫 度探測器6每5秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為溫度值，顯示在計算機13界面上，同時 將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線一條平滑的曲線，在計算機13界面上顯示出來。
待加熱時間達到設(shè)置的加熱時間后，計算機13會自動控制固態(tài)繼電器10斷開電加熱棒 5的電源，這時加熱停止。然后根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)進行計算。
第一步根據(jù)公式(1)計算漏熱系數(shù)。
第二步根據(jù)公式(2)、 (3)、 (4)、 (5)計算系統(tǒng)熱容。
然后進行相變材料的蓄熱量測試實驗。
.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 時候，開始進行相變蓄熱測試實驗。首先將相變材料放入內(nèi)加熱桶3中，然后重新對內(nèi)加熱 桶3中進行加水，當水位達到內(nèi)加熱桶3內(nèi)刻度線時停止加水。然后依次蓋上內(nèi)加熱桶蓋4
(6)
(.7) (8)
和外保溫桶蓋2。打開13計算機，并對加熱桶的穩(wěn)壓器9和數(shù)據(jù)采集儀12供電，同時在計 算機13上完成加熱設(shè)置。這主要包括設(shè)置昨變材料的相變溫度、相變測試加熱時間和設(shè)置 相變蓄熱測試的加熱功率，點擊界面上的啟動按鈕，加熱開始。溫度探測器6每5秒鐘采集 一次數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為溫度值，顯示在計算機13界面上，同時將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲 線一條平滑的曲線，在計算機13界面上顯示出來。待加熱時間達到設(shè)置的相變蓄熱測試時 間后，計算機13會自動控制固態(tài)繼電器10斷開電加熱棒5的電源，這時加熱停止。
最后根據(jù)第一步和第二步計算出來的漏熱系數(shù)和熱容，然后再根據(jù)公式(6)、 (7)、 (8) 計算出相變材料的蓄熱量。
權(quán)利要求
1、一種相變蓄熱測試儀，其特征在于該測試儀由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度探測器，數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成；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)置有溫度探測點，用于測試水溫的大??；在外保溫桶(1)的內(nèi)、外壁面上也各設(shè)置有溫度探測點，用于測試外保溫桶內(nèi)、外壁面的溫度；連接該電加熱棒(5)和溫度探測器(6)的數(shù)據(jù)線和電源線通過走線槽(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)，該穩(wěn)壓器(9)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(10)分別連接穩(wěn)壓器(9)、并通過電源轉(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，將220V電壓轉(zhuǎn)換成24V為數(shù)據(jù)采集儀(12)提供電源；溫度探測器(6)測試內(nèi)加熱桶(3)中的水溫，并根據(jù)所測水溫來判斷開始/停止加熱，該溫度探測器(6)與數(shù)據(jù)采集儀(12)直接連接；數(shù)據(jù)采集儀(12)直接連接溫度探測器(6)，將采集的電壓/電流信號轉(zhuǎn)換成溫度信號后，輸入計算機(13)并在計算機(13)界面上顯示出來，然后再根據(jù)采集回來的溫度計算相變材料的蓄熱量；計算機(13)與數(shù)據(jù)采集儀(12)相連，該計算機(13)用于控制完成整個操作過程，包括加熱過程的啟、停，采集數(shù)據(jù)，計算及改變加熱功率的大小。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變蓄熱測試儀，其特征在于該溫度探測器(6)是由熱電 偶溫度傳感器組成，用于探測水中的溫度，將模擬電信號轉(zhuǎn)換為溫度信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變蓄熱測試儀，其特征在于該數(shù)據(jù)采集儀(12)使用三 菱PLC可編程軟件，使用戶能直接在計算機(13)界面上進行控制操作。
全文摘要
一種相變蓄熱測試儀，由水浴，穩(wěn)壓器，固態(tài)繼電器，電源轉(zhuǎn)換器，溫度探測器，數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成；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)采集儀和計算機共同組成整個測試過程的監(jiān)測和控制部分。通過數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)來判斷是否需要停止或開始加熱，由計算機再發(fā)出命令，控制固態(tài)繼電器的閉合或斷開。針對現(xiàn)有的研究建筑相變材料以及測試建筑相變材料的蓄熱性能的實驗方法的不足，該裝置可以對裝有建筑相變材料的水浴進行加熱，利用溫度傳感器測量溫度，并繪出實時溫度曲線，通過控制加熱裝置的啟停，最后由測試數(shù)據(jù)計算出建筑相變材料的蓄熱量。
文檔編號G01N25/20GK101358940SQ200810222608
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者王國云, 王智超, 瑋 肖 申請人:中國建筑科學(xué)研究院