一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置及其测算方法

摘要

本发明涉及一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置及其测算方法，属于多孔材料物性参数测算领域。包括：调速鼓风机、温湿度控制器等部件，调速鼓风机将空气鼓入空气管道，温湿度控制器的加热线圈和加湿器将空气加热加湿后经蜂巢结构整流，流量计、温度传感器、湿度传感器依次安置在蜂巢结构后侧，多孔材料试样上表面与空气管道内壁平齐，湿度计A放置在多孔材料试样上表面处，湿度计B安置在管道出口处，多孔材料试样放在支架上，支架放入注满恒温水的水槽B壁内，水槽B放置于水槽A中，在试样不同厚处放置水分传感器，水分传感器通过数据采集板与计算机相连。本发明能有效计算试样在不同条件下的水分扩散系数和对流传质系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置及其测算方法，属于多孔材料物性参数测算领域。

背景技术

多孔材料是含有大量孔隙的多孔固体。精确测算多孔材料传热传质系数对干燥器等传热传质过程新设备开发设计、性能改进、工艺参数优化以及多孔材料产品加工质量和理论计算精度提高起着重要作用。但同时又存在着实验测算没有相应标准，不同测算方法结果差异较大的不足，使其不但制约着测算结果，而且在解决工程实际问题中的推广和应用，还影响人们对多孔材料传热传质机理正确认识和进一步深入研究。目前，多孔材料水分扩散系数和对流传质系数(对流传质系数可通过水分扩散系数推导)的测算多是基于菲克第二定律理论近似解、经验解、数值解，分析形状尺寸、温度和湿度一定时的非稳态水分扩散实验数据。而在非稳态测算时，试样内各点的水分含量和各个截面上的对流传质通量在不断变化，同时由于测量的迟滞效应，其测量存在偏差。这导致实现单变量和多变量变化对多孔材料水分扩散系数和对流传质系数测算及其变化机制分析造成较大的困难。而在稳态测算法中，常用的方法是稳态杯法。其能够使系统达到稳态，但采用的是膜边界的空气相对湿度，没有测量材料内部的水分含量对水分扩散系数和对流传质系数的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置及其测算方法，可解决非稳态法测算时出现的迟滞效应和测量精度不高的缺点以及稳态杯法中出现的试样内部水分浓度不易测量的缺点。本发明关键是待系统达到稳态状态时，根据测得的物理参数以菲克第一定律和类比的冷却牛顿公式分别计算试样在不同条件下的水分扩散系数和对流传质系数。

本发明采用的技术方案是：一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置，包括调速鼓风机 1、温湿度控制器、蜂巢结构3、流量计4、湿度计A5、水分传感器6、多孔材料试样7、绝热绝湿材料8、湿度计B9、恒温水箱10、水槽A11、支架12、水槽B13、数据采集板14、计算机15；

所述调速鼓风机1的出风口与空气管道连通，将空气鼓入空气管道，温湿度控制器由加热线圈2-1、加湿器2-2、控制面板2-3、温度传感器2-4、湿度传感器2-5组成，加热线圈2-1 和加湿器2-2、蜂巢结构3、流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5均安装在空气管道内，控制面板2-3安装在管道外且通过导线与加热线圈2-1、加湿器2-2连接，加湿器2-2安装在加热线圈2-1下端，蜂巢结构3、流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5依次安装在加热线圈2-1后侧，蜂巢结构3用于对通过的空气进行整流，得到风速均匀的湿热空气，流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5分别测量空气流过多孔材料试样7上表面之前的流量、温度、湿度，多孔材料试样7的安装在空气管道下端且其上表面与湿度传感器2-5后侧的空气管道内壁下端平齐，湿度计A5位于多孔材料试样7的上表面，用于测量多孔材料试样7 上表面的热空气湿度，湿度计B9安置在管道出口处，测量空气流过多孔材料试样7上表面后的湿度，多孔材料试样7侧面用绝热绝湿材料8包裹，并放在支架12上，支架12放入注满恒温水的水槽B13内，水槽B13放置于水槽A11中，恒温水箱10用于向水槽B13中注入恒温水，水分传感器6放置在多孔材料试样7不同高度处，用于测量不同高度上的水分含量，水分传感器6与数据采集板14连接，数据采集板14与计算机15连接。

一种所述的稳态法测算多孔材料传质系数的装置的测算方法，包括如下步骤：

步骤1，开启调速鼓风机1将其调至某个档位，控制面板2-3调节加热线圈2-1的加热温度和加湿器2-2的湿度，恒温水箱10加温至与温湿度控制器相同的预设温度值，并向水槽 B13不断注水使其保持满溢状态；

步骤2，待观察到湿度计A5和湿度计B9以及多孔材料试样7内部各水分传感器6测得水分含量恒定时，读取记录流量计4、湿度计A5和湿度计B9的读数以及多孔材料试样7内部各个位置水分传感器6的读数；

步骤3，利用步骤2所得的数据，根据菲克第一定律和类比的牛顿冷却公式计算传质系数，

传质系数分成水分扩散系数和对流传质系数，具体计算如下：

1)水分扩散系数的计算

测得的水分含量梯度为，

其中，ρ_i为对应位置x_i的水分含量，位置x_i在位置x_i-1上方，

由于达到稳态，多孔材料试样7各个高度上的水分扩散通量相同，设流量计4的读数为 Q，单位m³/s，湿度传感器2-5和湿度计B9的读数分别为RH₁和RH₂，则多孔材料试样7上表面对应的水分扩散通量J为，

其中，H_S为对应温度下的饱和绝对湿度，单位g/m³，S为多孔材料试样7上表面对流传质面积，

结合公式(1)(2)，水分扩散系数D可计算为，

2)对流传质系数的计算

对流传质系数h_m可由类比的牛顿冷却公式进行计算，

其中J为公式(2)中的水分扩散通量，ρ_S和ρ_∞分别为多孔材料试样7上表面处和空气通过多孔材料试样7之前的水分含量，单位g/m³，设湿度计A5的读数为RH₃，即ρ_S和ρ_∞可分别计算为，

ρ_S＝H_S·RH₃>

ρ_∞＝H_S·RH₁>

所以，

本发明的有益效果是：

1、稳态条件下测算，能够克服非稳态测算时出现的迟滞效应、测量精度不高的缺点以及稳态杯法中出现的试样内部水分浓度不易测量的缺点。

2、能够测算出在不同条件下的传质系数。如不同的材料，不同的初始水分浓度，以及不同的空气物理参数(包括速度、温度、湿度)。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图中各标号为：1-调速鼓风机、2-1加热线圈、2-2加湿器、2-3控制面板、2-4温度传感器、2-5湿度传感器组成、3-蜂巢结构、4-流量计、5-湿度计A、6-水分传感器、7- 多孔材料试样、8-绝热绝湿材料、9-湿度计B、10-恒温水箱、11-水槽A、12-支架、13- 水槽B、14-数据采集板、15-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种稳态法测算多孔材料传质系数的装置，包括调速鼓风机1、温湿度控制器、蜂巢结构3、流量计4、湿度计A5、水分传感器6、多孔材料试样7、绝热绝湿材料8、湿度计B9、恒温水箱10、水槽A11、支架12、水槽B13、数据采集板14、计算机15；

所述调速鼓风机1的出风口与空气管道连通，将空气鼓入空气管道，温湿度控制器由加热线圈2-1、加湿器2-2、控制面板2-3、温度传感器2-4、湿度传感器2-5组成，加热线圈2-1 和加湿器2-2、蜂巢结构3、流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5均安装在空气管道内，控制面板2-3安装在管道外且通过导线与加热线圈2-1、加湿器2-2连接，加湿器2-2安装在加热线圈2-1下端，蜂巢结构3、流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5依次安装在加热线圈2-1后侧，蜂巢结构3用于对通过的空气进行整流，得到风速均匀的湿热空气，流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5分别测量空气流过多孔材料试样7上表面之前的流量、温度、湿度，多孔材料试样7的安装在空气管道下端且其上表面与湿度传感器2-5后侧的空气管道内壁下端平齐，湿度计A5位于多孔材料试样7的上表面，用于测量多孔材料试样7 上表面的热空气湿度，湿度计B9安置在管道出口处，测量空气流过多孔材料试样7上表面后的湿度，多孔材料试样7侧面用绝热绝湿材料8包裹，并放在支架12上，支架12放入注满恒温水的水槽B13内，水槽B13放置于水槽A11中，恒温水箱10用于向水槽B13中注入恒温水，水分传感器6放置在多孔材料试样7不同高度处，用于测量不同高度上的水分含量，水分传感器6与数据采集板14连接，数据采集板14与计算机15连接。

调速鼓风机1将空气鼓入管道，温湿度控制器的加热线圈2-1和加湿器2-2将空气加热加湿后经蜂巢结构3整流，得到风速均匀的湿热空气。流量计4、温度传感器2-4、湿度传感器2-5依次安置在蜂巢结构3后侧，分别测量空气流过多孔材料试样7上表面之前的流量、温度、湿度。多孔材料试样7上表面与空气管道内壁平齐，湿度计A5放置在多孔材料试样7上表面处，测量试样表面热空气湿度。湿度计B9安置在空气管道出口处，测量空气流过多孔材料试样7上表面后的湿度。多孔材料试样7侧面用绝热绝湿材料8包裹，并放在支架12 上。支架12放入注满恒温水的水槽B13壁内，水槽B13放置于水槽A11中。这样就能保持试样浸入水中的深度恒定。在试样不同高度处放置水分传感器6，测量不同高度上的水分含量。水分传感器6与数据采集板14相连，将数据采集板14中的数据导入计算机15。

一种所述的稳态法测算多孔材料传质系数的装置的测算方法，包括如下步骤：

步骤1，开启调速鼓风机1将其调至某个档位，控制面板2-3调节加热线圈2-1的加热温度和加湿器2-2的湿度，恒温水箱10加温至与温湿度控制器相同的预设温度值，并向水槽 B13不断注水使其保持满溢状态；

步骤2，待观察到湿度计A5和湿度计B9以及多孔材料试样7内部各水分传感器6测得水分含量恒定时，读取记录流量计4、湿度计A5和湿度计B9的读数以及多孔材料试样7内部各个位置水分传感器6的读数；

步骤3，利用步骤2所得的数据，根据菲克第一定律和类比的牛顿冷却公式计算传质系数，

传质系数分成水分扩散系数和对流传质系数，具体计算如下：

1)水分扩散系数的计算

测得的水分含量梯度为，

其中，ρ_i为对应位置x_i的水分含量，位置x_i在位置x_i-1上方，

由于达到稳态，多孔材料试样7各个高度上的水分扩散通量相同，设流量计4的读数为 Q，单位m³/s，湿度传感器2-5和湿度计B9的读数分别为RH₁和RH₂，则多孔材料试样7上表面对应的水分扩散通量J为，

其中，H_S为对应温度下的饱和绝对湿度，单位g/m³，S为多孔材料试样7上表面对流传质面积，

结合公式(1)(2)，水分扩散系数D可计算为，

2)对流传质系数的计算

对流传质系数h_m可由类比的牛顿冷却公式进行计算，

其中J为公式(2)中的水分扩散通量，ρ_S和ρ_∞分别为多孔材料试样7上表面处和空气通过多孔材料试样7之前的水分含量，单位g/m³，设湿度计A5的读数为RH₃，即ρ_S和ρ_∞可分别计算为，

ρ_S＝H_S·RH₃>

ρ_∞＝H_S·RH₁>

所以，

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。