[發明專利]基于熱色液晶的復合相變材料熔化/凝固過程的相界面測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201810664336.6
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN108982577B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 范利武;胡楠;李梓瑞;涂敬;朱子欽;邵雪峰;馮飆;鄭夢蓮;俞自濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N25/04
• 分類號: G01N25/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于熱色液晶的復合相變材料熔化/凝固過程的相界面測量裝置及方法。所述裝置應用于高導熱復合相變材料儲熱領域，包括熱端、冷端、測試主體和數據采集系統，其中測試主體內具體有蓄熱腔、熱色液晶層、隔離層、真空玻璃層。本發明利用熱色液晶層具有可逆熱致變色、高溫度分辨率、高空間分辨率、響應快的特性實現蓄熱腔壁面溫度和復合相變材料固液界面的可視化測量；利用隔離層提高熱色液晶的響應速度，并減小對蓄熱體內傳熱的影響；利用真空玻璃層解決了可視化測量和裝置保溫的矛盾；利用數據采集系統監控熱端/冷端溫度。本測量裝置及方法在實現保溫的同時，實現可視化測量復合相變材料熔化/凝固的相界面以及溫度場變化過程，有助于研究差熱方腔內復合相變材料的傳熱過程。

技術領域

本發明屬于高導熱復合相變材料儲熱領域，具體涉及一種基于熱色液晶的復合相變材料熔化/凝固過程的相界面測量裝置及方法。

背景技術

熱能不僅在自然界中以太陽能、地熱等形式廣泛存在，同時在鋼鐵冶金、水泥建材和石油化工等高能耗產業以低品位形式大量產生。因此，如果能將熱能有效存儲并加以利用，是實現能源開源和提高利用率的有效手段。

固-液相變材料具有成本低、儲熱放熱過程溫度恒定、熱膨脹率小、理化性質穩定等優點，被廣泛應用在儲熱領域。雖然常見相變材料的能量密度高，但其較低的導熱系數嚴重影響了儲熱系統的動態性能。近年來在相變材料中添加具有高導熱系數的納米顆粒制備出復合相變材料成為一種提高相變材料導熱性能的有效手段。

然而在對儲熱腔體內復合相變材料實際傳熱性能的研究中發現，添加了納米顆粒使得熔化/凝固過程中的復合相變材料固-液兩相界面不可見，所以無法采用傳統直接觀察的可視化方法以確定相界面位置并定量分析儲熱腔的傳熱性能。目前的實驗裝置大多采用在腔體內布置大量熱電偶的方法測量相界面位置，但這種密集侵入式的測量方法會嚴重干擾復合相變材料的熔化/凝固過程，而且十分依賴于熱電偶的品質。

發明內容

本發明針對以上技術難點，提出了一種基于熱色液晶的復合相變材料熔化/凝固過程的相界面測量裝置及方法。所述裝置應用于高導熱復合相變材料儲熱領域，包括熱端、冷端、測試主體和數據采集系統，其中測試主體內具體有蓄熱腔、熱色液晶層、隔離層、真空玻璃層。本發明利用熱色液晶層具有可逆熱致變色、高溫度分辨率、高空間分辨率、響應快的特性實現蓄熱腔壁面溫度和復合相變材料固液界面的可視化測量；利用隔離層提高熱色液晶的響應速度，并減小對蓄熱體內傳熱的影響；利用真空玻璃層解決了可視化測量和裝置保溫的矛盾；利用數據采集系統監控熱端/冷端溫度。本測量裝置及方法在實現保溫的同時，實現可視化測量復合相變材料熔化/凝固的相界面以及溫度場變化過程，有助于研究差熱方腔內復合相變材料的傳熱過程。

本發明基于熱色液晶的復合相變材料熔化/凝固過程的相界面測量裝置包括熱端、冷端、測試主體和數據采集系統；

所述的熱端包含有產熱元件和與產熱元件連接的熱端導熱元件；所述的冷端包含有制冷元件和與制冷元件連接的冷端導熱元件；所述的測試主體包含有蓄熱腔、熱色液晶層、隔離層和真空玻璃層；所述的數據采集系統包含有檢測熱端和冷端物理量的采集儀器；

所述的蓄熱腔內填充有復合相變材料，蓄熱腔左右兩端分別為冷端和熱端；蓄熱腔前后兩端分別設有隔離層，隔離層外設有熱色液晶層；所述的真空玻璃層環繞測試主體的上、下、前、后四面布置，將測試主體封裝在內，用于保證測量可視化的同時減小裝置散熱。

優選的，所述的蓄熱腔的上下兩面設有腔壁，所述的腔壁由低導熱系數的材料構成，優選為導熱系數低于0.3W/(m*k)材料，例如有機玻璃、聚四氟乙烯等。

優選的，所述的熱端導熱元件作為蓄熱腔的熱端的側壁，或者所述的熱端導熱元件作為蓄熱腔熱端側壁的一部分，所述的冷端導熱元件作為蓄熱腔的冷端的側壁；或者所述的冷端導熱元件作為蓄熱腔冷端側壁的一部分，所述的冷端和熱端側壁的其余部分為低導熱系數的材料，優選為導熱系數低于0.3W/(m*k)材料，例如有機玻璃、聚四氟乙烯等。