本發(fā)明屬于材料濕物性測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種多孔材料濕物性測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

多孔材料的傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題對(duì)人們的日常生活和社會(huì)生產(chǎn)有著重要的影響。食品加工、能源動(dòng)力、化工生產(chǎn)、生物技術(shù)、能源節(jié)約等領(lǐng)域無(wú)不與之相關(guān)。因此，長(zhǎng)期以來(lái)多孔材料的傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題受到高度重視。

在傳熱傳質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，傳熱的研究已經(jīng)較為透徹，除了擁有各種測(cè)量材料熱物性的測(cè)量工具之外，還建立了較為全面的材料熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)。但由于技術(shù)水平的限制，過(guò)去人們未能對(duì)材料的濕物性展開(kāi)研究與測(cè)量。而隨著人們對(duì)舒適度要求的提高，逐漸發(fā)現(xiàn)了濕分傳遞對(duì)生活造成的不良影響。例如，在建筑熱工領(lǐng)域，濕傳遞對(duì)墻體整體性能的改變極其明顯。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，過(guò)高的含濕量會(huì)導(dǎo)致墻體表面的水分凝結(jié)和霉菌增長(zhǎng)，縮短建筑構(gòu)件的使用壽命，增加室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的能耗、降低室內(nèi)空氣品質(zhì)等等。因此，發(fā)明一種多孔材料的濕物性測(cè)量?jī)x器能幫助人們對(duì)材料的熱濕耦合傳遞有更深刻的認(rèn)識(shí)，填補(bǔ)空白的濕物性數(shù)據(jù)庫(kù)，提高人們生活品質(zhì)。

雙壓法濕度發(fā)生的原理是基于道爾頓分壓定律，該定律認(rèn)為在任何容器內(nèi)相互間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體混合物，并且每種氣體在整個(gè)容器內(nèi)呈均勻分布狀態(tài)，則每種氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于其獨(dú)占整個(gè)容器時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)。雙壓法濕度發(fā)生方法是目前所采用的濕度發(fā)生中精度較高的一種方式。先使得通入相對(duì)高壓的飽和室中，空氣在此增濕至某溫度下的飽和濕氣，然后在相同的溫度下，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)降壓，將飽和室中高壓狀態(tài)下的濕空氣降至穩(wěn)定的低壓狀態(tài)，從而得到所需的恒濕空氣，通過(guò)改變飽和室的壓力或者測(cè)試室的壓力，得到兩者之間對(duì)應(yīng)的壓力比值，就可以得到不同濕度的恒濕空氣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種多孔材料濕物性測(cè)量裝置，可以測(cè)量出待測(cè)樣品的水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)和等溫吸濕曲線。

多孔材料濕物性測(cè)量裝置包括：

用于營(yíng)造高于環(huán)境相對(duì)濕度的高濕測(cè)試室；

用于營(yíng)造低于環(huán)境相對(duì)濕度的低濕測(cè)試室；

用于輸送飽和水蒸氣的飽和系統(tǒng)，與所述高濕測(cè)試室通過(guò)單向節(jié)流閥連接；

用于控制測(cè)量平臺(tái)各部分溫度的溫度控制系統(tǒng)；

以及用于采集包括壓力、溫度、相對(duì)濕度和重量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述高濕測(cè)試室為長(zhǎng)方體測(cè)試室，測(cè)試室與飽和系統(tǒng)通過(guò)單向節(jié)流閥連接，與室外環(huán)境通過(guò)單向閥連接，高濕測(cè)試室頂部裝有懸掛天平、制冷套件、溫控儀，底部裝有空氣加熱器、壓力傳感器、軸流風(fēng)機(jī)，右側(cè)面開(kāi)設(shè)有三個(gè)方孔，三個(gè)方孔的室內(nèi)側(cè)設(shè)置有可抽取密封隔板。

優(yōu)選的，所述低濕測(cè)試室為長(zhǎng)方體測(cè)試室，低濕測(cè)試室內(nèi)配備有抽屜式多孔空氣干燥室，低濕測(cè)試室頂部裝有制冷套件、溫控儀，底部裝有空氣加熱器、軸流風(fēng)機(jī)，左側(cè)面開(kāi)三個(gè)方孔，三個(gè)方孔的室內(nèi)側(cè)設(shè)置有可抽取密封隔板。

優(yōu)選的，所述飽和系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)水室、飽和室組成，其中飽和室為圓柱體，內(nèi)部裝有水位控制器、壓力傳感器、加熱硅膠帶、溫控儀，儲(chǔ)水室通過(guò)飽和室內(nèi)水位控制器向飽和室中輸送純凈水，空氣壓縮機(jī)與飽和室通過(guò)氣動(dòng)調(diào)壓閥連接，向飽和室的水中通入空氣。

優(yōu)選的，所述溫度控制系統(tǒng)包括三臺(tái)溫控儀，第一溫控儀通過(guò)連接飽和室內(nèi)加熱硅膠帶控制飽和水蒸氣的溫度，第二溫控儀通過(guò)連接高濕測(cè)試室內(nèi)制冷套件和空氣加熱器控制高濕測(cè)試室內(nèi)溫度，第三溫控儀通過(guò)連接低濕測(cè)試室內(nèi)制冷套件和空氣加熱器控制低濕測(cè)試室內(nèi)溫度。

多孔材料在使用過(guò)程中，由于濕分的積累，會(huì)導(dǎo)致其保溫性能的下降，以及諸多不良影響。本發(fā)明的多孔材料濕物性測(cè)量裝置包含一套多孔材料在不同溫度、不同相對(duì)濕度下水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)和等溫吸濕曲線的測(cè)試系統(tǒng)，可以獲得多孔材料不同溫度、不同相對(duì)濕度下的水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)和等溫吸濕曲線，進(jìn)而了解多孔材料的濕物性以及熱濕耦合傳遞情況，最終可以實(shí)現(xiàn)多孔材料在不同工況下的使用情況預(yù)估，預(yù)測(cè)材料的使用壽命以及防范濕度過(guò)大帶來(lái)的不利影響。

附圖說(shuō)明

圖1是多孔材料水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖；

圖2是本發(fā)明的多孔材料濕物性測(cè)量裝置的連接框圖；

圖3是本發(fā)明的多孔材料濕物性測(cè)量裝置主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的俯視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明能完成對(duì)多孔材料樣品水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)與等溫吸濕曲線的測(cè)量。測(cè)量原理如下：

基于水蒸氣瞬態(tài)一維擴(kuò)散物理模型，如圖1，樣品內(nèi)部的起始水蒸氣密度一致且為一常數(shù)值ρ0。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，樣品一端邊界上(x＝0)的環(huán)境水蒸氣密度突然提升并且將一直保持在ρ1(＞ρ0)，而樣品另一端邊界上的環(huán)境水蒸氣密度始終保持為ρ0。此后，水分將在這一水蒸氣密度差的驅(qū)動(dòng)下在樣品內(nèi)部沿著x軸正方向進(jìn)行一維傳導(dǎo)。在某一時(shí)間樣品內(nèi)部的相對(duì)濕度分布將如圖1的虛線所示。通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程以及相對(duì)濕度具體定義可推導(dǎo)出局部水蒸氣密度與相對(duì)濕度的關(guān)系式。并可通過(guò)式(1)計(jì)算得到在等溫條件下水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)：

式中：

d為水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)，m²/s；

為相對(duì)濕度，％。

x0為某監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離樣品高濕度表面的距離，m；

t0為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到相對(duì)濕度所需的擴(kuò)散時(shí)間，s。

將小塊的干燥樣品暴露在穩(wěn)定相對(duì)濕度的濕環(huán)境中，材料從環(huán)境中吸收水分直至平衡，此時(shí)材料的含濕量為該相對(duì)濕度下的吸濕平衡含濕量，保持溫度不變，將干燥樣品暴露在不同相對(duì)濕度的環(huán)境中，可以得到不同相對(duì)濕度下材料的吸濕平衡含濕量，以相對(duì)濕度為橫坐標(biāo)，材料的平衡含濕量為縱坐標(biāo)，可以得到該多孔材料平衡含濕量與空氣相對(duì)濕度關(guān)系的散點(diǎn)圖，用一條平滑曲線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，即得到材料在特定溫度下的等溫吸濕曲線。

本發(fā)明的測(cè)量裝置的連接框圖見(jiàn)圖2，裝置主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的俯視圖見(jiàn)圖3，包括飽和系統(tǒng)、高濕測(cè)試室、低濕測(cè)試室、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

飽和系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)1、儲(chǔ)水室2、飽和室20組成。儲(chǔ)水室通過(guò)飽和室內(nèi)水位控制器4向飽和室中輸送純凈水；空氣壓縮機(jī)與飽和室通過(guò)氣動(dòng)調(diào)壓閥3連接，向飽和室的水中通入空氣；空氣通入飽和室的水中，在此增濕至某溫度下的飽和濕氣；溫控儀7通過(guò)連接飽和室內(nèi)盤(pán)旋固定在內(nèi)壁上的加熱硅膠帶15控制飽和水蒸氣的溫度，壓力傳感器5與數(shù)據(jù)采集卡16共同監(jiān)測(cè)飽和室內(nèi)水蒸氣的壓力。

高濕測(cè)試室與飽和系統(tǒng)通過(guò)單向節(jié)流閥6連接。飽和濕氣通過(guò)單向節(jié)流閥6調(diào)節(jié)降壓，將飽和室中高壓狀態(tài)下的濕空氣降至穩(wěn)定的低壓狀態(tài)，從而在高濕測(cè)試室中得到所需的恒濕空氣。而通過(guò)改變飽和室的壓力或者高濕測(cè)試室的壓力，得到兩者之間對(duì)應(yīng)的壓力比值，就可以得到不同濕度的恒濕空氣。高濕測(cè)試室內(nèi)溫控儀7通過(guò)連接測(cè)試室頂部的制冷套件9和底部的空氣加熱器13控制高濕測(cè)試室內(nèi)溫度，并利用軸流風(fēng)機(jī)14加強(qiáng)測(cè)試室內(nèi)空氣對(duì)流，使測(cè)試室內(nèi)溫度均勻。測(cè)試室外包裹一層3mm保溫材料8。高濕測(cè)試室右側(cè)開(kāi)三個(gè)孔洞，用于緊貼樣品18的左端面，孔洞內(nèi)側(cè)安裝可抽取密封隔板21，可從測(cè)試室前側(cè)插入或抽出，達(dá)到可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求密閉或開(kāi)啟孔洞的效果。壓力傳感器5與數(shù)據(jù)采集卡16共同監(jiān)測(cè)高濕測(cè)試室內(nèi)水蒸氣的壓力。

低濕測(cè)試室內(nèi)配備有抽屜式多孔空氣干燥室17，裝有干燥劑，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)循環(huán)室內(nèi)空氣營(yíng)造低濕環(huán)境。為避免干燥劑吸濕后性能下降，干燥室設(shè)計(jì)為抽屜式，可隨時(shí)更換干燥劑。低濕測(cè)試室內(nèi)溫控儀7同樣通過(guò)連接測(cè)試室頂部的制冷套件9和底部的空氣加熱器13控制低濕測(cè)試室內(nèi)溫度，并利用軸流風(fēng)機(jī)14加強(qiáng)測(cè)試室內(nèi)空氣對(duì)流，使測(cè)試室內(nèi)溫度均勻。測(cè)試室外同樣包裹一層3mm保溫材料8。低濕測(cè)試室左側(cè)開(kāi)三個(gè)孔洞，用于緊貼樣品18的右端面，孔洞內(nèi)側(cè)安裝可抽取密封隔板21，可從測(cè)試室前側(cè)插入或抽出，達(dá)到可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求密閉或開(kāi)啟孔洞的效果。

進(jìn)行多孔材料樣品水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量時(shí)，需在被測(cè)樣品內(nèi)平均每隔一段距離放置一個(gè)溫濕度傳感器19，共放置九個(gè)，并應(yīng)放置于一條水平線上。溫濕度傳感器19需完全埋入樣品中。通過(guò)連接數(shù)據(jù)采集卡11向計(jì)算機(jī)12傳輸數(shù)據(jù)。

進(jìn)行多孔材料等溫吸濕曲線測(cè)量時(shí)，需將被測(cè)樣品18放置在懸掛天平10下勾處，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡11向計(jì)算機(jī)12傳輸數(shù)據(jù)。

采用本發(fā)明的測(cè)試裝置的測(cè)試步驟如下：

首先對(duì)待測(cè)多孔材料進(jìn)行預(yù)處理。

進(jìn)行多孔材料樣品水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量時(shí)，需將待測(cè)多孔材料加工成250*100*100mm³長(zhǎng)方體樣品，四周長(zhǎng)方形面均涂抹2mm厚環(huán)氧樹(shù)脂以達(dá)到絕濕效果，四周長(zhǎng)方形面再覆蓋3mm厚保溫材料以達(dá)到絕熱效果，按照實(shí)驗(yàn)要求在一側(cè)長(zhǎng)方形面進(jìn)行鉆孔，以便埋入溫濕度傳感器，然后進(jìn)行干燥處理。

進(jìn)行多孔材料等溫吸濕曲線測(cè)量時(shí)，需將待測(cè)多孔材料加工成50g球狀樣品，然后進(jìn)行干燥處理。

干燥處理采用烘干法，在烘干1周后開(kāi)始稱重，時(shí)間間隔為24小時(shí)以上。當(dāng)連續(xù)3次稱重所得結(jié)果不呈單調(diào)變化，且標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)平均值的0.1％時(shí)，認(rèn)為試件已徹底干燥。

測(cè)量過(guò)程：

1、進(jìn)行多孔材料樣品水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a)使用溫控儀7設(shè)定溫度，使高濕測(cè)試室與低濕測(cè)試室各自達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度。進(jìn)行測(cè)試溫度高于環(huán)境溫度的測(cè)量時(shí)，需先使用加熱硅膠帶15對(duì)飽和室內(nèi)的純凈水進(jìn)行預(yù)熱處理；

b)打開(kāi)空壓機(jī)1，通過(guò)調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)壓閥3與單向節(jié)流閥6，觀察壓力的實(shí)時(shí)比值，在高濕測(cè)試室中得到實(shí)驗(yàn)所需相對(duì)濕度環(huán)境；

c)在抽屜式多孔干燥室17內(nèi)加入干燥劑，打開(kāi)軸流風(fēng)機(jī)14，進(jìn)行空氣內(nèi)循環(huán)，對(duì)低濕測(cè)試室內(nèi)空氣進(jìn)行干燥，直至達(dá)到所需相對(duì)濕度；

d)將預(yù)處理后的樣品18一端裝入高濕測(cè)試室的右側(cè)空洞中，另一端裝入低濕測(cè)試室的左側(cè)孔洞中，并在鉆孔位置埋入溫濕度傳感器，待兩個(gè)測(cè)量室溫濕環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，抽出兩側(cè)可抽取密封隔板21；

e)溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡11傳入計(jì)算機(jī)12；

f)當(dāng)最靠近低濕測(cè)量室的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)顯示濕度明顯升高時(shí)，測(cè)量結(jié)束，關(guān)閉所有儀器。

g)將每個(gè)溫濕度傳感器達(dá)到測(cè)試時(shí)間一半時(shí)的濕度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的濕度數(shù)據(jù)代入公式(1)中進(jìn)行計(jì)算，即可得到不同相對(duì)濕度下的水蒸氣有效擴(kuò)散系數(shù)。

2、進(jìn)行多孔材料樣品等溫吸濕曲線測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a)使用溫控儀7設(shè)定溫度，使高濕測(cè)試室達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度，進(jìn)行較高溫下的測(cè)量時(shí)，需先使用加熱硅膠帶15對(duì)飽和室內(nèi)的純凈水進(jìn)行預(yù)熱處理；

b)打開(kāi)空壓機(jī)1，通過(guò)調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)壓閥3與單向節(jié)流閥6，觀察壓力的實(shí)時(shí)比值，在高濕測(cè)試室中得到實(shí)驗(yàn)所需相對(duì)濕度環(huán)境；

c)將預(yù)處理后的樣品18裝入懸掛天平10下勾處，重量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡11傳入計(jì)算機(jī)12；

d)樣品達(dá)到吸濕平衡后，記錄數(shù)據(jù)，并再次調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)壓閥3與單向節(jié)流閥6，在高濕測(cè)試室中營(yíng)造更高的穩(wěn)定相對(duì)濕度環(huán)境，繼續(xù)吸濕；

e)重復(fù)步驟d，直到采集到5-8個(gè)相對(duì)濕度所對(duì)應(yīng)的平衡含濕量，測(cè)量結(jié)束，關(guān)閉所有儀器；

f)以相對(duì)濕度為橫坐標(biāo)，材料的平衡含濕量為縱坐標(biāo)，可以得到一幅散點(diǎn)圖，用一條平滑曲線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，即得到該材料在特定溫度下的等溫吸濕曲線。