绝热式水浴量热计装置参数和性能标定

　　随着近年来对能量储存研究的深入,越来越多的材料进入储能材料研究的范围.定压比热容和固—液相变焓是进行储能材料筛选,以及评价材料储能性能的两个主要参数.对这两个热物理性质进行准确测量是新型储能材料研究的重要前期工作.

　　测量材料定压比热容或固—液相变焓的方法有混合法、绝热法、比较法、脉冲法和DSC法等,这些方法适用于不同的材料及温度范围.其中绝热式水浴量热法具有测量系统简单、费用低、精度较高的优点,适合于对0~100℃内材料和水没有物理结合和化学反应现象时的定压比热容和固—液相变焓的测量.

　　由于水浴法测量材料热物理性质时需要考虑实验装置的热容、搅拌功、散热等因素,因此水浴法又分为单水浴法、双水浴法、温度曲线法等.李晓燕等[1]使用单水浴法对一种二元有机酸的比热、固—液相变焓进行了测量,实验中将量热计热容和热损失结合在一起进行测量,并且装置中没有搅拌设备,因此水浴中温度场的均匀性似乎存在很大的问题.H. . PAKSOY等[2, 3]使用双水浴法对石蜡、高密度聚乙烯、四水硝酸锌等相变储能材料的定压比热容、固—液相变焓进行了测量.当两个水浴的温升速率、装置热容、加热时间、搅拌等实验条件完全相同时,两个水浴的热容、散热、搅拌等参数无需测量,待测物质的热物理性质可通过装有待测物质水浴和热物理性质已知的参照物质水浴的加热量之差获得. ZhangY[4]等、HikiHog等[5, 6]研究了使用温度曲线法测量储能材料热物理性质的方法.在这种方法中,使用两个完全相同的试管分别盛装待测材料和参照物质,将这两个试管保持为同一均匀温度后,置于水浴或空气浴中加热或冷却.测量试管中待测材料和参照物质的温度变化曲线,经过对这两条温度变化曲线的分析可计算出待测材料的定压比热容和固—液相变焓.在双水浴法及温度曲线法中,认为两个水浴或试管在实验中的任一时刻和外界的传热情况都相等,在实验中满足这一条件存在较大的难度.

　　本文对单水浴法实验装置的热容、搅拌功、散热等装置参数进行测量,并使用该装置对纯铜的定压比热容、纯水的定压比热容及固—液相变焓进行测量,以检验实验装置和实验方法的精确性和可靠性.

　　1　计算方程

　　待测储能材料和水浴保持相等且均匀的初始温度t1,被浸没于水浴中的加热器加热至另一温度t2,则加热过程有如下的能量平衡:

　(1)

　　式中,Cb为水浴装置热容/(J/K);m为待测材料质量/kg; cp为待测材料的定压比热容/(J/(kg·K));L为待测材料的固—液相变焓/(J/kg);Pe、Ps和Φ分别为电加热功率、搅拌器对水浴的搅拌功率和水浴在平均温度t = (t1+t2) /2时的平均散热量/W;Δτ1、Δτ2和Δτ3分别为电加热时间、搅拌时间和散热时间/s.如果加热过程中储能材料没有出现固—液相变,则式(1)中mL =0.