基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置及方法。所述装置应用于高导热复合相变材料储热领域，包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统，其中测试主体内具体有蓄热腔、热色液晶层、隔离层、真空玻璃层。本发明专利技术利用热色液晶层具有可逆热致变色、高温度分辨率、高空间分辨率、响应快的特性实现蓄热腔壁面温度和复合相变材料固液界面的可视化测量；利用隔离层提高热色液晶的响应速度，并减小对蓄热体内传热的影响；利用真空玻璃层解决了可视化测量和装置保温的矛盾；利用数据采集系统监控热端/冷端温度。本测量装置及方法在实现保温的同时，实现可视化测量复合相变材料熔化/凝固的相界面以及温度场变化过程，有助于研究差热方腔内复合相变材料的传热过程。

【技术实现步骤摘要】
基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置及方法
本专利技术属于高导热复合相变材料储热领域，具体涉及一种基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置及方法。
技术介绍
热能不仅在自然界中以太阳能、地热等形式广泛存在，同时在钢铁冶金、水泥建材和石油化工等高能耗产业以低品位形式大量产生。因此，如果能将热能有效存储并加以利用，是实现能源开源和提高利用率的有效手段。固-液相变材料具有成本低、储热放热过程温度恒定、热膨胀率小、理化性质稳定等优点，被广泛应用在储热领域。虽然常见相变材料的能量密度高，但其较低的导热系数严重影响了储热系统的动态性能。近年来在相变材料中添加具有高导热系数的纳米颗粒制备出复合相变材料成为一种提高相变材料导热性能的有效手段。然而在对储热腔体内复合相变材料实际传热性能的研究中发现，添加了纳米颗粒使得熔化/凝固过程中的复合相变材料固-液两相界面不可见，所以无法采用传统直接观察的可视化方法以确定相界面位置并定量分析储热腔的传热性能。目前的实验装置大多采用在腔体内布置大量热电偶的方法测量相界面位置，但这种密集侵入式的测量方法会严重干扰复合相变材料的熔化/凝固过程，而且十分依赖于热电偶的品质。
技术实现思路
本专利技术针对以上技术难点，提出了一种基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置及方法。所述装置应用于高导热复合相变材料储热领域，包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统，其中测试主体内具体有蓄热腔、热色液晶层、隔离层、真空玻璃层。本专利技术利用热色液晶层具有可逆热致变色、高温度分辨率、高空间分辨率、响应快的特性实现蓄热腔壁面温度和复合相变材料固液界面的可视化测量；利用隔离层提高热色液晶的响应速度，并减小对蓄热体内传热的影响；利用真空玻璃层解决了可视化测量和装置保温的矛盾；利用数据采集系统监控热端/冷端温度。本测量装置及方法在实现保温的同时，实现可视化测量复合相变材料熔化/凝固的相界面以及温度场变化过程，有助于研究差热方腔内复合相变材料的传热过程。本专利技术基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统；所述的热端包含有产热元件和与产热元件连接的热端导热元件；所述的冷端包含有制冷元件和与制冷元件连接的冷端导热元件；所述的测试主体包含有蓄热腔、热色液晶层、隔离层和真空玻璃层；所述的数据采集系统包含有检测热端和冷端物理量的采集仪器；所述的蓄热腔内填充有复合相变材料，蓄热腔左右两端分别为冷端和热端；蓄热腔前后两端分别设有隔离层，隔离层外设有热色液晶层；所述的真空玻璃层环绕测试主体的上、下、前、后四面布置，将测试主体封装在内，用于保证测量可视化的同时减小装置散热。优选的，所述的蓄热腔的上下两面设有腔壁，所述的腔壁由低导热系数的材料构成，优选为导热系数低于0.3W/(m*k)材料，例如有机玻璃、聚四氟乙烯等。优选的，所述的热端导热元件作为蓄热腔的热端的侧壁，或者所述的热端导热元件作为蓄热腔热端侧壁的一部分，所述的冷端导热元件作为蓄热腔的冷端的侧壁；或者所述的冷端导热元件作为蓄热腔冷端侧壁的一部分，所述的冷端和热端侧壁的其余部分为低导热系数的材料，优选为导热系数低于0.3W/(m*k)材料，例如有机玻璃、聚四氟乙烯等。优选的，所述的热端产热元件为热浴或电加热，所述的冷端制冷元件为冷浴，所述的热端导热元件和冷端导热元件为与产热元件和制冷元件匹配的换热器。优选的，所述的隔离层为网格状结构，网格为绝热材料构成，每个网格内填充有如铜、石墨片等导热系数大于200W/(m*k)的固体材料，紧贴于复合相变材料和热色液晶层之间，将复合相变材料的温度场传导至热色液晶层。优选的，所述的热色液晶层为网格状结构，网格大小及分布于所述的隔离层相同，每个网格内填充有热色液晶纳米颗粒，用于实现可视化测温及追踪复合相变材料熔化/凝固相界面的移动。本专利技术还公开了一种权利要求1所述装置的基于热色液晶的相界面可视化测量方法，具体如下：测量开始前运行制冷元件使得冷端导热元件的温度降低至复合相变材料凝固点以下，然后将熔化除气后的液态复合相变材料逐层填充到蓄热腔中，填充凝固过程保持固态复合相变材料顶部平整，并保证固体复合相变材料的上表面和蓄热腔顶部之间留有合适的空隙，为复合相变材料的熔化膨胀提供空间；测量开始设定好制冷元件和产热元件以分别维持冷端导热元件和热端导热元件的边界温度，使得蓄热腔内的复合相变材料产生熔化/凝固现象，并通过数据采集系统定时监测热端导热元件和冷端导热元件的温度变化情况；在熔化/凝固过程中，蓄热腔中复合相变材料的温度场通过隔离层定向导热至热色液晶层，热色液晶层内热色液晶的分子螺距与温度有单值对应关系，而不同的分子螺距会选择反射不同波长的单色光进而显示不同的颜色，通过定时拍摄记录热色液晶层网格内的颜色变化即可反映出复合相变材料的温度场，从而确定相界面的位置变化。所述的数据采集系统实时监测与边界条件相关的物理参数，例如温度、功率等。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)采用的热色液晶层具有可逆热致变色、高温度分辨率、高空间分辨率、响应快的特性实现蓄热腔壁面温度和复合相变材料固液界面的可视化测量。(2)热色液晶层和隔离层均采用绝热网格式结构，即热色液晶和高导热固体材料均离散分布在绝热材料的网格中，保证了热流不会绕过固液相界面而通过热色液晶层和隔离层直接作用到冷端附近的复合相变材料。(3)在测试单元内避免使用热电偶，消除了热电偶等介入式测温手段对于测试单元内液体部分流场的影响。(4)利用真空玻璃层实现了热色液晶颜色变化的可视化测量并减少了装置散热。(5)热色液晶层和隔离层的网格大小可以根据用户需要进行确定以满足具体的测量精度要求。附图说明图1为基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置图。图2为热色液晶层和隔离层示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步详细说明。如图1所示，基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统；所述的热端包含有产热元件1和与产热元件1连接的热端导热元件2；所述的冷端包含有制冷元件4和与制冷元件4连接的冷端导热元件3；所述的测试主体包含有蓄热腔5、热色液晶层7、隔离层8和真空玻璃层9；所述的数据采集系统包含有检测热端和冷端物理量的采集仪器；所述的蓄热腔5内填充有复合相变材料6，蓄热腔5左右两端分别为冷端和热端；蓄热腔5前后两端分别设有隔离层8，隔离层8外设有热色液晶层7；所述的真空玻璃层9环绕测试主体的上、下、前、后四面布置，将测试主体封装在内，用于保证测量可视化的同时减小装置散热。进一步的，本专利技术实施例中的复合相变材料为纯相变材料与高导热颗粒(石墨烯、碳纳米管、金属及其氧化物等)混合制备出的复合材料。如图2所示，所述的隔离层8为网格状结构，网格为绝热材料构成，每个网格内填充有高导热、低热容的固体材料，紧贴于复合相变材料6和热色液晶层7之间，用于实现将复合相变材料6的温度场传导至热色液晶层7；所述的热色液晶层7为网格状结构，网格大小及分布于所述的隔离层8相同，每个网格内填充有热色液晶纳米颗粒，安装在蓄热腔5前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置，其特征在于包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统；所述的热端包含有产热元件(1)和与产热元件(1)匹配的热端导热元件(2)；所述的冷端包含有制冷元件(4)和与制冷元件(4)匹配的冷端导热元件(3)；所述的测试主体包含有蓄热腔(5)、热色液晶层(7)、隔离层(8)和真空玻璃层(9)；所述的数据采集系统包含有检测热端和冷端物理量的采集仪器；所述的蓄热腔(5)内填充有复合相变材料(6)，蓄热腔(5)左右两端分别设置有所述的冷端和热端；蓄热腔(5)前后两端分别设有隔离层(8)，隔离层(8)外设有热色液晶层(7)；所述的真空玻璃层(9)环绕测试主体的上、下、前、后四面，并将测试主体封装在内。

【技术特征摘要】
1.一种基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置，其特征在于包括热端、冷端、测试主体和数据采集系统；所述的热端包含有产热元件(1)和与产热元件(1)匹配的热端导热元件(2)；所述的冷端包含有制冷元件(4)和与制冷元件(4)匹配的冷端导热元件(3)；所述的测试主体包含有蓄热腔(5)、热色液晶层(7)、隔离层(8)和真空玻璃层(9)；所述的数据采集系统包含有检测热端和冷端物理量的采集仪器；所述的蓄热腔(5)内填充有复合相变材料(6)，蓄热腔(5)左右两端分别设置有所述的冷端和热端；蓄热腔(5)前后两端分别设有隔离层(8)，隔离层(8)外设有热色液晶层(7)；所述的真空玻璃层(9)环绕测试主体的上、下、前、后四面，并将测试主体封装在内。2.根据权利要求1所述的基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置，其特征在于所述的蓄热腔(5)的上下两面设有腔壁，所述的腔壁由导热系数低于0.3W/(m*k)的材料构成，真空玻璃层(9)位于腔壁外围。3.根据权利要求1所述的基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置，其特征在于：所述的热端导热元件(2)直接作为蓄热腔(5)的热端侧壁，或者所述的热端导热元件(2)作为蓄热腔(5)热端侧壁的一部分，所述的热端侧壁的其余部分为导热系数低于0.3W/(m*k)材料；所述的冷端导热元件(3)直接作为蓄热腔(5)的冷端侧壁；或者所述的冷端导热元件(3)作为蓄热腔(5)冷端侧壁的一部分，所述的冷端侧壁的其余部分为导热系数低于0.3W/(m*k)材料。4.根据权利要求1所述的基于热色液晶的复合相变材料熔化/凝固过程的相界面测量装置，其特征在于：所述的热端产热元件(1)为热浴或电加热，所述的冷端制冷元件(4)为冷浴，所述的热端导热元件(2)和冷端导热元件(3)为换热器。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：范利武，胡楠，李梓瑞，涂敬，朱子钦，邵雪峰，冯飙，郑梦莲，俞自涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33