几种蓄能材料导热系数的直接测量

几种蓄能材料导热系数的直接测量

0蓄能材料介质导热系数测量电力在国家能源生产中发挥着极其重要的作用，新能源材料（介质）的开发是一个非常重要的领域。由于在储释能过程中有能量的传递,特别是热传导形式的能量传递,储能材料、介质(包括封装材料)的导热系数成为其重要指标之一。导热系数的测量大致有平板准稳态测量法、圆柱板稳态测量法、DSC+探针法等几种,目前最普遍的方法是平板准稳态测量法。平板准稳态测量法比较简单,精度也较高,但主要用于测量固体物质,而且对被测物要求较高,一般需要把被测物处理成规则几何形状(例如长方体)固定尺寸后再进行测量,对颗粒状、粉末状固体、液体、气体等则需要有特殊的测量方案。本实验采用了平板准稳态测量法对几种蓄能材料(介质)的导热系数进行测量。由于蓄能材料(介质)的多种多样,有固态也有液态,使用单一实验装置不能完全适用,所以对普通平板法实验台进行了一些改进。1实验1.1储层用导热系数法dm平板准稳态测量法测量固体储能材料(直接测量):在测量固态蓄能材料的导热系数时,与一般的平板准稳态测量法相同,需要把被测物处理成规则几何形状(例如长方体)固定尺寸后再进行测量。测量公式为:λ=Q×dm2×A×Δtm(1)λ=Q×dm2×A×Δtm(1)其中:Q——通过被测材料的热流,Q=I2R/2,W;dm——左右两部分被测材料厚度平均值,m;A——为被测材料通过热流横截面积,m2;Δtm——左右两部分被测材料降温温差平均值,K;λ——被测材料的导热系数,W/(m·K)-1平板准稳态测量法测量液态储能介质(间接测量):在测量液态蓄能介质的导热系数时,需要作一些改进。先要制作两个有机玻璃标准盒,有机玻璃导热系数为0.176W/(m·K)-1,外围尺寸为100mm×100mm×12mm,一端开口,有机玻璃壁厚3mm。将液态待测介质放入标准盒中后,即可开始测量。实验步骤与测量一般固体材料的导热系数时相同,测量公式变为: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与式(1)所示相同,dm为被测物与盒总厚度,12mm。λ为综合导热系数。δ1为标准玻璃盒厚度,6mm。λ1为标准玻璃盒导热系数,0.176W/(m·K)-1。δ2为被测物厚度,6mm。λ2即为所求的被测物导热系数。1.2实验材料和仪器我们搭建这套实验装置的目的主要是为了研究致冷剂水合物的导热性能,由于制冷剂水合物过程中有液态制冷剂与液态水反应生成固态水合物的相变过程,所以要采用间接测量并对反应装置有特殊要求。本实验装置是参考哈尔滨工业大学的平板导热仪而专门订制的,能够对固体蓄能材料和液态蓄冷介质的导热系数进行测量。实验台简图如图1所示。实验仪器部件主要包括电加热板、0.1mm铜康铜丝制成的铜-康铜热电偶、绝热材料、电压稳压器等。电加热板由高电阻康铜箔制成,康铜箔厚度仅20μm,加上保护箔的绝缘簿膜,总共只有70μm,电阻值稳定,在0～100℃范围里几乎不变。加热器的面积和试件的相同,是100mm×100mm的正方形。电加热板的电流由哈尔滨大东电子厂DM10M-12型电压稳压器提供。被测试件两侧各有一条热偶来测试样两侧的温度,热偶信号通过转换开关接入电位差计。实验中使用的其它仪表有精度0.05mm的游标卡尺(桂林量具刃具厂),哈尔滨电表仪器厂T51型0.5级精密电流表,以及上海电表厂生产的UJ33a型直流电位差计等。1.3新型有机高分子蓄能材料本次实验材料有,普通有机平板玻璃(广州能源所提供)、蒸馏水(自制)、几种新型有机高分子蓄能材料(华南理工大学提供),在随后的实验中我们将对一些制冷剂气体水合物的导热性能进行测试。1.4温度差的测量1)使用游标卡尺,沿两块试样(或标准玻璃盒)四周多次测量长度、宽度、厚度,取其算术平均值,并计算出横截面积,作为实验前试样的标准尺寸。注意两块试样之间厚度、横截面积相对误差要不超过3%。2)将试样(或标准玻璃盒)放入仪器电加热板和保温材料之间,注意要左右各放1块,且要加以适当的压力以保持各板及材料间接触良好。3)控制温控装置使恒温空气浴保持在欲设温度,在满足中华人民共和国国家标准GB3399-82、GB2918-82规定的条件下,校对电位差计的工作电流,将测量转换开关转至测量加热板加热前温度,此温度应等于空气浴温度,再将测量转换开关转至测量试样温差,此值应为零热电势,差值最大不得超过4μV,即相应初始温度差不得超过0.1℃。4)接通加热器开关,给加热器通以恒定电流,同时监测试样温差的微伏数。经一段时间后(随所测材料而不同,一般在5～10min),系统进入准稳态,在较长一段时间里,试样温差的微伏数保持不变,即(1)式中的Δtm。记录下电流值。实验中得到的时间-温差曲线如图2所示。在图2中,共有7个被测点,由趋势线趋势可知,在第2点处,即9∶39分左右,系统进入准稳态,在较长一段时间里(接近5min),试样两端温差数几乎保持不变。对第2、第3点处数据进行如式1所示的处理,取平均值,得到1个数据。5)第一次实验结束,将加热器开关切断,取下试件及加热器,将加热器吹凉,待和室温平衡后,才能继续做实验。6)重复以上步骤,对1个待测材料进行至少两次测量。2结果与讨论2.1rr:tmm2+tm2+根据式(1)、(2)、(3),直接法中λ=f(I,dm,R,Δtm),间接法中λ=f(I,R,Δtm)所以测量相对误差如下: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测量实验精度使用如图1所示的系统及直接测量法公式(1),通过上述的实验步骤,对普通有机平板玻璃进行了测量,以检验本实验方案对固态介质的导热系数的测量精度。实验结果如下:从表1可以看出,本次实验方案对固体材料的导热系数的测量结果是相当可信的(相对偏差不超过3%),在文献中可以查到,普通有机平板玻璃0.20W·(m·K)-1,结果与文献值相比也十分接近。2.3实验结果与分析继续使用此方案对华南理工大学提供的3种材料分别进行测量,结果见表2。目前在研究新型高效蓄热(冷)介质与技术中,有一种新方法,就是在高分子聚合物中添加导热材料,特别是高导热性能的石墨/有机聚合物纳米混杂材料,用以提高材料的导热性能。在我所与华南理工大学合作承担的国家重点自然科学基金项目“新型高效蓄热(冷)介质与技术”中,新开发了3种高分子复合蓄热材料,P80S20是石蜡与高分子复合的一种蓄热材料,石蜡被束缚在高分子网络中,即使在其熔点温度以上都不会流出来。P80S20EG*3是在上述复合蓄热材料中加了3份导热填料以提高蓄热材料的导热性。NR-SBR-S也是在高分子中加了大量的导热填料以期得到导热性较好的材料。从实验结果中我们可以看出,新材料P80S20EG*3导热系数是P80S20的2倍以上,成功提高了蓄热材料的导热性。但新材料NR-SBR-S导热系数比P80S20略小,没有提高导热性,这可能是添加导热填料后对材料的分子结构产生了影响的结果。2.4接测量法实验对液态介质的测量中,首先对蒸馏水的导热系数进行了测量,检验本次实验方案对液态介质的导热系数的测量精度如何。使用如图1所示的系统及间接测量法公式(2)、(3),以及与直接测量法同样的实验步骤。测量结果见表3。其中,表3中的文献值为参考文献中水物性图表在各组实验平均温度下的插值。从上图可以看出,本次实验方案对液态介质的导热