一種大體積固體混合材料高溫比熱測定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于比熱容測定技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大體積固體混合材料高溫比熱測定方法。本發(fā)明基于半開放動態(tài)混合原理，將高溫試樣投入到高溫水中，通過考察熱交換過程中汽化蒸餾水、液態(tài)蒸餾水、試樣的能量平衡，求解計算得到試樣的高溫比熱容。本發(fā)明不破壞混凝土等大體積非均勻固體混合材料的材料結(jié)構(gòu)，能準確測量混合材料的宏觀比熱容；且克服了絕熱法和混合法要求絕熱條件、難進行操作的缺點，具有設(shè)備簡單、操作方便、經(jīng)濟實用等特點。
【專利說明】
一種大體積固體混合材料高溫比熱測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于比熱容測定技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大體積固體混合材料高溫比熱測 定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 比熱容是儲熱材料和隔熱保溫材料重要的熱性能參數(shù)。針對高溫條件下工作的固 體材料，如儲能混凝土，其高溫比熱容比常溫比熱容更能反應(yīng)其工作時的真實儲能能力。
[0003] 根據(jù)試驗原理的不同，比熱容測量有激光法、差熱分析法(DTA)、差示掃描量熱法 (DSC)、絕熱法、混合法、加權(quán)平均法等六大類方法。激光法、差熱分析法、差示掃描量熱法都 要求材料尺寸為〇(12.5~12.7)mmX(2~3)mm，質(zhì)量為20mg左右。這三種方法的測量結(jié)果 都基于粉末狀材料測量結(jié)果，像混凝土這樣的大體積非均勻混合材料，加工到相應(yīng)尺寸測 量出的比熱容跟混凝土材料真實的宏觀整體比熱差別較大。基于量大次多測量方式結(jié)合統(tǒng) 計平均結(jié)果可能也能測量出比較好的結(jié)果，但本發(fā)明希望尋求一種直接測量固體非均勻混 合材料比熱的方法。
[0004] 絕熱法是在絕熱桶放入試件后加水，測量水溫和試件溫度變化。計算加熱器的供 熱、試件桶吸熱、水吸熱，求出試件吸熱，除以試件質(zhì)量和溫度變化求得試件比熱。該方法能 測出試樣在ioo°c以下的比熱，但測量不了固體材料高溫a〇o°c-6〇(rc)比熱，且絕熱條件 下進行試驗操作困難。
[0005] 混合法是將試樣放在高溫的水里達到溫度均勻以后取出與低溫的水混合，高溫試 樣放熱與低溫水吸熱相等，建立熱平衡方程，求解試樣比熱。趙若紅用混合法測量鋼纖維石 墨導電混凝土常溫比熱，其測量試樣是從標準試樣中取出大小約35mmX20mmX 10mm，重量 約為20g的小試塊進行測量，測量試樣很小，對于混凝土比熱測量具有隨機性。
[0006] 規(guī)范《DL/T5150-2001水工混凝土試驗規(guī)程》推薦根據(jù)組成材料質(zhì)量比例進行混 凝土比熱的加權(quán)平均計算。這種算法簡單實用，但只是一種預測方法，不能直接測量固體材 料比熱。
[0007] 在國際上，Pomainowski等提出一種新的比熱測量方法(平板量熱法）測量了 PCM (相變材料)微型膠囊混凝土在i7°c-3rc之間的比熱。將混凝土塊切成薄板后，使用一塊冷 板和一塊熱板來控制混凝土的邊界溫度，通過測量溫差變化來計算比熱。Choktaweekarn等 提出了一個預測粉煤灰混凝土比熱容的模型。但主要針對常溫混凝土比熱的測量，缺少對 大體積非均勻固體混合材料高溫比熱容的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種大體積固體混合材料高溫比熱測定方法，具體技術(shù)方案如下：
[0009] 本發(fā)明基于半開放動態(tài)混合原理，將高溫試樣投入到高溫水中，通過考察熱交換 過程中汽化蒸餾水、液態(tài)蒸餾水、試樣的能量平衡，求解計算得到試樣的高溫比熱容。包括 以下具體步驟：
[0010] (1)將一定量的蒸餾水1加熱到一定溫度，放置于敞開的保溫桶2中，用速率恒定的 電動攪拌器3攪拌；
[0011] (2)利用熱電偶4和溫度記錄儀5分別測量、記錄水的溫度變化，利用電子質(zhì)量記錄 儀6記錄保溫桶系統(tǒng)的質(zhì)量變化；
[0012] (3)將測試試樣7在箱式電阻爐8加熱到溫度為1^后，稱重，重新放回箱式電阻爐， 半個小時后，快速投入保溫桶的蒸餾水1中，此時，水溫為To;
[0013] (4)記錄水溫變化直至水溫的冷卻曲線恢復到投入前的斜率；
[0014] (5)溫度數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)實時傳送給計算機9,計算求解得到測試試樣了在!^溫度 時的比熱容。
[0015] 為減少加熱源斷電后對水體的影響，步驟（1)中加熱時不能用保溫桶自帶的加熱 器，而采用獨立的電熱棒。
[0016] 為減少攪拌器對水體散熱的影響，步驟（1)中不采用金屬攪拌器，而采用隔熱材料 四氟乙烯攪拌器攪拌。
[0017]步驟（1)中，蒸餾水的用量為8~10kg，將蒸餾水加熱至65~100°C;電動攪拌器的 攪拌速率為30~50r/min。
[0018] 步驟(2)中采用三支熱電偶，沿保溫桶半徑方向均勻分布，深度上方放置于水深中 部;熱電偶精度〇. 1°C，電子質(zhì)量記錄儀精度1 g。
[0019] 步驟⑶中，Ti 為 100°C ~1200°C，且 Ti>To。
[0020]區(qū)別于激光法、DTA、DSC等材料學比熱測試方法，本發(fā)明不破壞混凝土等大體積非 均勻固體混合材料的材料結(jié)構(gòu)，能準確測量混合材料的宏觀比熱容;且克服了絕熱法和混 合法要求絕熱條件、難進行操作的缺點，具有設(shè)備簡單、操作方便、經(jīng)濟實用等特點；此外， 現(xiàn)有的混凝土比熱測試技術(shù)主要針對常溫比熱的測試，本發(fā)明實現(xiàn)了對混凝土等大體積非 均勻固體混合材料的高溫比熱測試。
[0021 ]本發(fā)明的主要優(yōu)點如下：
[0022] (1)本高溫比熱測定方法采用的試樣尺寸大小約150mm X 150mm X 50mm，能有效反 映混凝土等大體積非均勻固體混合材料的材料組成和結(jié)構(gòu)特點，能真實測定固體混合材料 宏觀高溫比熱容。
[0023] (2)試驗輔助材料為蒸餾水，簡單易得，高溫比熱試驗成本低。
[0024] (3)無需在絕熱條件下進行試驗，在室內(nèi)常溫環(huán)境即可進行試驗，操作簡單方便。
[0025] (4)箱式電阻爐可將試樣加熱到100 °C -1200 °C并保溫，試樣出爐溫度范圍廣。本發(fā) 明可完成1 〇〇 °C -1200 °C范圍內(nèi)固體材料高溫比熱的測定。
【附圖說明】
[0026] 圖1是敞口容器中水溫隨時間線性下降的示意圖；
[0027] 圖2是固體混合材料高溫比熱容測定設(shè)備示意圖；
[0028] 圖3是半開放混合法水溫變化過程示意圖。
[0029] 圖中各編號的含義為：1_蒸餾水，2-保溫桶，3-電動攪拌器，4-熱電偶，5-溫度記錄 儀，6-電子質(zhì)量記錄儀，7-測量試樣，8-箱式電阻爐，9-計算機。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明的實施方式，但并不因此而限制本發(fā)明 的保護范圍。
[0031] 本發(fā)明在混合原理的基礎(chǔ)上提出兩個假設(shè)：首先，一定溫度范圍內(nèi)（如73 °C-65 °C)，敞口容器中水溫隨時間下降呈線性關(guān)系（如圖1所示）；高溫試樣投入水中和水發(fā)生熱 交換，達到熱平衡之后，水溫數(shù)據(jù)會反映溫降速度恢復到高溫試樣加入前的下降速度;利用 此性質(zhì)可確定試樣和水熱交換達到熱平衡的時間點；同時可以利用此性質(zhì)計算水在自然狀 態(tài)下（未加入高溫試樣）向外界的散熱情況。其次，由于試樣在65°C-100°C之間的比熱變化 量相對于高溫區(qū)（l〇〇°C-600°C)較小，可以假設(shè)試樣在65°C-100°C之間比熱保持不變。
[0032] 圖2為固體混合材料高溫比熱容測定設(shè)備示意圖。采用該設(shè)備測定固體混合材料 高溫比熱容的具體步驟為：
[0033] (1)采用獨立的電熱棒將10kg蒸餾水1加熱到72°C，放置于敞開的保溫桶2中，用速 率恒定的電動攪拌器3攪拌，轉(zhuǎn)速為30r/min，電動攪拌器采用的隔熱材料為四氟乙烯；
[0034] (2)利用熱電偶4和溫度記錄儀5分別測量、記錄水的溫度變化，利用電子質(zhì)量記錄 儀6記錄保溫桶系統(tǒng)的質(zhì)量變化;熱電偶精度0.1°C，電子質(zhì)量記錄儀精度lg;
[0035] (3)將測試試樣7在箱式電阻爐8加熱到Tiieoor后，稱重，重新放回箱式電阻爐， 半個小時后，快速投入保溫桶的蒸餾水1中，此時，水溫To = 65°C ;
[0036] (4)記錄水溫變化直至水溫的冷卻曲線恢復到投入前的斜率；
[0037] (5)溫度數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)實時傳送給計算機9,計算求解得到測試試樣了在!^溫度 時的比熱容。
[0038] 水溫隨時間的變化曲線如圖3所示：
[0039] (1)AB段為溫度下降段。此時保溫桶中只有蒸餾水，沒有試樣，水溫自然下降到To。
[0040] (2)BC段為溫度上升段。從B點（tB時亥lj)投入高溫測試試樣，試樣和水相互作用，發(fā) 生熱交換，水溫上升，高溫試樣溫度降低，最終在C點達到熱平衡，溫度為T 2。
[0041] (3)⑶段為熱平衡后，系統(tǒng)溫度自然下降曲線。⑶段的斜率跟AB段的斜率接近。
[0042] (4)考察BC階段的系統(tǒng)熱交換過程，以水和試樣組成的系統(tǒng)為研究對象。由于液態(tài) 蒸餾水在試樣投入以后，會有部分水汽蒸發(fā)，本文將蒸餾水分為汽化蒸餾水和未蒸發(fā)的液 態(tài)水兩個部分。則高溫試樣釋放的熱量Qi與汽化水帶走的熱量Q2、液態(tài)蒸餾水吸收的熱量 Q3、液態(tài)水界系統(tǒng)向外環(huán)境散熱Q 4應(yīng)該滿足熱平衡方程式(1):
[0043] Qi = Q2+Q3+Q4 (1)
[0044] 其中高溫試樣釋放的熱量如式(2)所示：
[0045] Qi = cimTi_C2mT2 (2)
[0046] 別為試樣出爐溫度和系統(tǒng)達到平衡時刻的溫度;C1、C2分別為試樣在溫度 h、T 2時的比熱容，m是試樣的質(zhì)量。
[0047] 液態(tài)蒸餾水吸收的熱量如式(3)所示：
[0048] Q2 = Cwatmwat(T2-To) (3)
[0049] 其中Cwat為液態(tài)水的比熱容，mwatS液態(tài)水質(zhì)量，To為投入試樣時的水溫。
[0050] 汽化水帶走的熱量見式(4)所示：
[0051] Q3 = Cwatmb (Tb -To) +kvmb (4)
[0052] mb為汽化水的質(zhì)量，Tb為水的沸點100 °C，kv為水在100 °C時的汽化熱2.57 X 106J/ kg〇
[0053]液態(tài)水界系統(tǒng)向外環(huán)境散熱如式(5)所示：
[0054] Q4-Cwatlllwatktbc (5)
[0055] tbABC段的時間，k為AB和CD段溫降斜率的平均值。
[0056]于是可以建立熱平衡過程能量守恒模型如式(6)所示：
[0058]由式(6)可以求解得到試樣在溫度時的比熱：
[0060] 從式(7)看出，要想求解試樣在h溫度時的比熱C1，必須先知道試樣在^溫度時的 比熱C2。由于之前假設(shè)試樣在65°C_100°C之間比熱保持不變，于是100°C試驗組測試時，將T 2 控制在65°C_75°C之間，這樣可以固定(：2這個參數(shù)。
[0061] 為求解出c2,試驗時，先加熱試樣投入65°C的溫水中，記錄水溫變化 曲線，這時候!^溫度在65-KKTC之間。(^和(32差別很小，可以看作相等，帶入式(7)求解出：
[0063]利用式(8)計算出c2，也就是先計算出試樣在65°C-100°C的平均比熱容。再代入式 (7)就可以計算出試樣高溫時比熱C1。
[0064]本發(fā)明的實施可以采用多次(3-5次)測定結(jié)果求平均作為該溫度下試樣的比熱， 以減少系統(tǒng)誤差。
【主權(quán)項】
1. 一種大體積固體混合材料高溫比熱測定方法，其特征在于，將高溫試樣投入到高溫 水中，通過考察熱交換過程中汽化蒸餾水、液態(tài)蒸餾水、試樣的能量平衡，求解計算得到試 樣的高溫比熱容。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將一定量的蒸餾水（1)加熱到一定溫度，放置于敞開的保溫桶(2)中，用速率恒定的 電動攪拌器(3)攪拌； (2) 利用熱電偶⑷和溫度記錄儀(5)分別測量、記錄水的溫度變化，利用電子質(zhì)量記錄 儀(6)記錄保溫桶系統(tǒng)的質(zhì)量變化； (3) 將測試試樣(7)在箱式電阻爐(8)加熱到溫度為1^后，稱重，重新放回箱式電阻爐，半 個小時后，快速投入保溫桶的蒸餾水(1)中，此時，水溫為To; (4) 記錄水溫變化直至水溫的冷卻曲線恢復到投入前的斜率； (5) 溫度數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)實時傳送給計算機(9)，計算求解得到測試試樣溫度時 的比熱容。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟（1)中采用獨立的電熱棒對蒸餾 水進行加熱。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟（1)中電動攪拌器采用的隔熱材 料為四氟乙烯。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟(1)中，蒸餾水的用量為8~10kg， 將蒸餾水加熱至65~100°C。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟(1)中，電動攪拌器的攪拌速率為 30~50r/min。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟(2)中采用三支熱電偶，沿保溫桶 半徑方向均勻分布，深度上方放置于水深中部;熱電偶精度〇. 1°C，電子質(zhì)量記錄儀精度lg。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，步驟(3)中，1^為100 °C~1200 °C。9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于，h > To。
【文檔編號】G01N25/20GK106053528SQ201610566065
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】潘堅文, 鄒任芯, 金峰, 王進廷
【申請人】清華大學