计算模拟研究

[color=#cc0000]摘要：防护热板法是低导热材料导热系数测试的经典方法，尽管防护热板法测量精度高，但相应的测试时间长，被测样品的热面温度很难准确控制在设定点温度上，不利于材料导热系数重复性测量结果在相同温差下进行对比，更无法满足大批量隔热材料快速测量的需求。为解决这些问题，上海依阳实业有限公司对防护热板法计量加热器的自动化控制技术进行了研究。本文主要介绍了研究的技术路线，采用MapleSim软件模块化的动态数值模拟计算验证了技术路线的可行性，通过动态模拟计算结果可以直观的看到测试时间大幅度的缩短，同时本文还通过模拟计算结果介绍了在大热阻材料防护热板法测试中较低的加热功率会使得漏热现象更加明显，需要大幅度提高温差探测的灵敏度。　　关键词：缩短时间，防护热板法，导热系数，加热方式，数值模拟，MapleSim[/color][hr/][b][color=#cc0000]1.引言[/color][/b]　　防护热板法作为一种经典的稳态方法，多用于防隔热材料和组件的热阻和导热系数测试中。防护热板法的测试模型就是通过周边防护手段使得计量热板中的热量只向被测样品方向进行一维传递，并最终达到稳定状态。因此在防护热板法测试中，计量热板中加热器的加载电功率控制及其测量是整个测试的核心内容之一，其技术要求主要体现在以下三个方面：　　（1）加载的电功率要非常稳定，特别是达到一维热流稳态后，加载的电功率要求是稳定值，电功率的波动会对测量结果带来直接误差。　　（2）对于任何被测样品，加载的电功率最好能将样品热面温度控制在一个整数值左右。结合同样受控的样品冷面温度，由此可以保证样品厚度方向上冷热面之间的温差基本都是固定值，从而提供可重复且一致的样品温差，有利于样品的重复测试结果对比，这对于非均质和各向异性隔热材料尤为重要。　　（3）防护热板法作为一种稳态法，原理上就存在测试时间较长的特点，样品的热阻越大或导热系数越小，达到稳态所需的时间就越长。为此希望采用更新的技术手段缩短达到稳定的时间，提高测试效率，这点在真空隔热板和大厚度隔热材料测试中的需求十分迫切。　　目前国内外防护热板法导热系数测量装置中大多数还是采用直流恒流加热方式，以期首先能保证测量的准确性，要同时满足上述三方面的要求还十分困难。尽管自动化控制技术已经发展多年并已得到广泛应用，但在防护热板装置中计量加热器的温度控制和功率测量方面还未采用自动控制技术，因为对计量加热器采用PID控制往往会使得加载功率波动较大而造成很大的测量误差。国内外现有防护热板法装置大多采用上述折中方法，即根据经验找出热面温度设定点与加热功率的经验关系，在测试过程中选择合适的恒定电流直接加载到计量加热器上。这种加热控制方式尽管可以保证计量加热器上加热功率的稳定和准确，但随之带来以下几方面的问题：　　（1）样品热面温度无法准确恒定在设定温度点上，总是与设定温度点（一般为整数）存在较大偏差，每次测量的热面温度都不一样。这非常不利于对样品的重复性测试考核，特别是对低导热样品的测试评价尤为明显。　　（2）这种恒定功率加热方式往往伴随着漫长的热场稳定时间，对低导热大热阻材料的测试耗时往往以天为单位计算。　　为了同时满足加热功率稳定准确和热面温度准确控制在设定温度上，并大幅度降低热场稳定时间，满足用户大批量样品的测试需求，上海依阳实业有限公司对防护热板法计量加热器的自动化控制以及测量技术进行了研究。本文主要介绍了研究的技术路线，采用MapleSim软件模块化的动态数值模拟计算验证了技术路线的可行性，通过动态模拟计算结果可以直观的看到测试时间大幅度的缩短。2.防护热板法导热系数测试中的加热方式　　依据以下一维稳态传热的傅立叶公式，要实现样品导热系数的测量，只有两个可用来进行控制的变化参数，一个是热量Q，另一个是温差ΔT。[align=center] λ=(Q×d)/(A×ΔT)[/align]　　由此，防护热板法导热系数测试中建立一维稳态的加热方式基本可分为恒功率加热方式和恒温加热方式两种。　　（1）恒功率加热方式是指样品冷面保持恒定温度，样品的热面则采用一恒定的电功率进行加热，对于固定的样品尺寸而言就是采用恒定的热流密度进行加热，即使得Q/A为恒定值。这种加热方式所带来的结果是就是样品热面温度并不受控，即样品冷热面温差ΔT并不会控制在指定值上。　　（2）恒温加热方式是指样品冷面保持恒定温度，样品的热面也通过加热保持一恒定温度，也就是将样品冷热面温差ΔT控制在指定值上。但这种控温方式带来的问题就是相应的热流密度Q/A存在波动而很难准确测量。　　上述这两种加热方式适用于防护热板法测量装置中的所有加热部件，需说明的是，为了便于对研制或定型中的测量装置进行考核评价，希望装置中所有加热部件的加热功率在达到稳态时都可以精确测定。[b][color=#cc0000]3.典型材料测试模型和数值模拟计算软件3.1.典型材料[/color][/b]　　在防护热板法加热方式数值模拟计算中，选择了三种典型材料以期覆盖绝大多数被测材料类型，以下分别为三种材料在室温下的热物理性能参数。　　（1）NIST 1450d标准参考材料　　NIST 1450d标准参考材料参数如表3-1所示。[align=center][color=#cc0000]表 3-1 标准参考材料热物理性能参数[/color][/align][align=center][img=,690,119]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051929560486_6248_3384_3.png!w690x119.jpg[/img][/align]　　（2）真空隔热板（VIPs）　　真空隔热板的参数如表3-2所示。[align=center][color=#cc0000]表 3-2 真空隔热板热物理性能参数[/color][/align][align=center][img=,690,108]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051930567848_7200_3384_3.png!w690x108.jpg[/img][/align]　　（3）大厚度高热阻复合隔热材料　　大厚度高热阻复合隔热材料是一种"蒙皮+隔热材料+空气隙+树脂板"形式的多芯夹层结构，如图3-1所示，其作用是起到隔热和隔声功能。[align=center][img=大厚度高热阻复合隔热材料分层结构,690,240]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051934368816_4277_3384_3.png!w690x240.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-1 大厚度高热阻复合隔热材料分层结构[/color][/align]　　大厚度高热阻复合隔热材料的整体最大厚度为130 mm，其中蒙皮和树脂板厚度保持不变，而隔热材料和空气隙会根据不同材料及其组合而发生变化。其中蒙皮为碳纤维树脂基复合材料，内饰板为树脂基复合材料，隔热材料为玻璃纤维类低密度隔热材料。这里我们选择了最大热阻结构设计以计算最大热阻时的加热稳定时间，即空气层设计为10 mm厚，使得低导热隔热材料的厚度尽量大以实现最好的隔热隔声效果。高热阻复合隔热材料中各分层材料室温下的热物理性能参数如表3-3所示。[align=center][color=#cc0000]表3-3 大厚度高热阻复合隔热材料热物理性能参数[/color][/align][align=center][img=,690,268]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051931455126_6783_3384_3.png!w690x268.jpg[/img][/align][b][color=#cc0000]3.2. 防护热板法测试模型[/color][/b]　　为了计算分析方便，防护热板法测试模型为正方形单样品形式，如图3-2所示。整体护热板面积尺寸设计为500 mm×500 mm，计量热板尺寸设计为250 mm×250 mm，材质都为纯铝。室温和冷板温度都设为25℃，并且假设上述三种样品材料和冷热板材料的热物理性能在室温附近不发生变化。[align=center][img=防护热板法测试模型,690,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051933320326_368_3384_3.png!w690x315.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-2 防护热板法单样品测试模型[/color][/align][b][color=#333399]3.3. 模拟计算分析软件[/color][/b]　　在传热学中可以使用很多软件进行数值模拟计算，一般常用的多为有限元分析软件，如ANSYS、COMSOL、SOLIDWORKS等。但对于本研究中涉及的物理量随时间变化的动态模拟计算分析，有限元法则显着笨重和繁琐，一个物理量动态变化全过程的计算分析往往需要大量的计算时间。为此，我们选择采用基于语言的MapleSim软件进行模拟计算分析，这种模型化的软件因为是基于物理基本模型和解析解，所以更适合动态模拟计算，十几秒钟就可以完成一个物理量动态变化全过程的计算分析。　　有关数值模拟计算软件在材料热物理性能测量方法和测试技术中的应用，我们将撰文进行专门介绍。[b][color=#cc0000]4.模拟计算结果[/color][/b]　　采用MapleSim软件分别对上述三种典型材料进行数值模拟计算，计算中设置的初始温度为25℃，样品冷面温度也设置为25℃，冷热面温差控制在20℃。[b][color=#cc0000]4.1. 标准参考材料1450d两种加热方式计算结果[/color][/b]　　（1）恒功率加热方式计算结果　　为将样品冷热面温差控制在20℃整数上，模仿实际测试中选择的加热功率1.375 W，对于纯样品的模拟计算结果如图4-1所示，对于带10mm厚铝质冷热板的模拟计算结果如图4-2所示。图中红线为恒功率加热过程中样品热面温度随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。[align=center][img=,690,378]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051955066033_5181_3384_3.png!w690x378.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图 4-1 单纯参考材料1450d样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align][align=center][color=#333399][img=,690,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051956342530_4622_3384_3.png!w690x395.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图 4-2 带铝质冷热板和参考材料1450d样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　从这些曲线可以看出，对于纯样品的恒功率测试，从第3个小时开始进入稳态；而对于带10mm厚铝质冷热板和样品，则要从第40小时才能开始进入热面温度为45℃的稳定状态。由此给出非常具有实际意义的结果就是，采用恒功率加热方式，需要花费大量时间在金属冷热板的热稳定上，而花费在被测样品上建立稳态所需要的时间并不长。　　（2）恒温加热方式计算结果　　恒温加热方式是直接将样品冷热面温差控制在20℃整数上，即使得热面温度为45℃。对于纯样品和带铝质冷热板时的模拟计算结果没有差别，如图4-3所示。图中红线为恒问加热过程中样品内部热流量随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。从这些曲线可以看出，基本在40分钟后样品就开始进入热流为1.375 W的稳定状态，这显然要比恒功率加热方式能让样品更快的进入稳定状态，另外很重要的一点是稳定时间不受金属冷热板的影响，这在工程实现中也有重要意义。[align=center][img=,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051957020259_343_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图4-3 参考材料1450d样品恒温加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　从上图可以很清楚的看出，恒温加热方式中样品内部的温度变化速率要明显快于恒功率加热方式，这主要因为热量传递是以温差为动力的，而恒温加热时样品是在设定温差下进行热量传递和累积，同要实现相同温差传递的恒功率加热方式相比，恒功率加热则首先必须消耗很多时间来使得金属冷热板达到冷热面温度，并建立样品冷热面之间同样的温差，这也是恒功率加热时内部温度变化速率缓慢的原因。　　（3）恒温加热方式中不同温度时的计算结果　　由于恒温加热方式是采用温差为动力使得样品内部热流和温度变化速度加快，会使得样品可以很快达到热平衡。这等同于电学中的欧姆定律，电压等同于温差，电流等同于热流，电压越大相应的电流也就越大。　　为了验证这种现象，在恒温加热方式中在样品热面加载不同的温度45、245、445和645℃，每个温度点恒温加热时间都为2小时，模拟计算结果如图4-4所示。为便于观察，图中将纵坐标放大后进行了显示。从图中的结果可以看出，随着热面温度的不断增大，样品达到稳定的时间并没有缩短，而是略有延长。这种与实际试验中的结果并不相同，这可能是样品内导热系数随温度的变化而引起。[align=center][img=,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051957200767_4264_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][color=#333399][/color][align=center][color=#cc0000]图4-4 不同恒温温度加热时的样品内部温度变化速率对比[/color][/align]　　恒温加热方式目前常用在稳态热流计法导热系数测试过程中，这主要是由于其中的热流测量采用了独立的热流传感器，而无需精确测量加载在电加热器上的电功率并换算成热流量。大量测量试验证明恒温加热方式的稳态热流法导热系数测试的时间要大大小于稳态防护热板法，如上海依阳实业有限公司出品的高温热流计法导热系数测试系统基本可以在不到48小时内完成室温-1000℃范围内10个整百度温度设定点下导热系数的连续测量，试验耗时基本与上述理论计算值接近。[b][color=#cc0000]4.2. 真空隔热板两种加热方式计算结果[/color][/b]　　真空隔热板（VIPs）是目前隔热材料中导热系数最低的材料，很薄真空隔热板可以具有很大的热阻。我们选择真空隔热板进行模拟计算就是为了观察防护热板法测试这类大热阻样品时的消耗时间。　　（1）恒功率加热方式计算结果　　为了将样品冷热面温差控制在20℃整数上，模仿实际测试中选择合适的加热功率0.15375 W，然后分别对纯真空绝热板样品和加上两块10mm厚冷热板后的测试模型进行模拟计算，结果如图4-5和图4-6所示。图中红线为恒功率加热过程中样品热面温度随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。从这些曲线可以看出，对于纯粹的真空绝热板样品，约在30个小时后样品进入稳定状态，而增加了铝质冷热板后，则样品则会从第350小时（将近15天）后开始才进入热面温度为45℃的稳定状态，这基本上是无法接受的测试时间。[align=center][img=,690,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051957513448_487_3384_3.png!w690x395.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图4-5 单纯真空绝热板样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align][align=center][color=#333399][img=,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051958139761_1197_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图4-6 带铝质冷热板和真空绝热板（30mm厚）样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　上述模拟计算结果也再次证明了恒功率加热过程中大量加热时间消耗在了金属冷热板的稳定上，对于真空绝热板这种超低导热系数和大热阻材料而言，采用经典的防护热板法需要漫长的测试时间，这也是极少看到有机构采用防护热板法进行真空绝热板测试的主要原因。　　（2）恒温加热方式计算结果　　恒温加热方式是直接将样品冷热面温差控制在20℃整数上，即使得热面温度为45℃。对于纯真空绝热板样品和带铝质冷热板时的模拟计算结果没有差别，如图4-7所示。图中红线为恒问加热过程中样品内部热流量随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。从这些曲线可以看出，从第7小时开始样品进入内部热流为0.15375 W的稳定状态，显然要比恒功率加热方式能让样品更快的进入稳定状态而具有实际意义。同样，另外重要的一点是稳定时间不受金属冷热板的影响。[align=center][color=#333399][img=,690,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051958395005_4648_3384_3.png!w690x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图4-7 真空绝热板（30mm厚）样品恒温加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　由上述针对真空绝热板防护热板法导热系数测试所进行的两种加热方式模拟仿真计算结果可以看出，针对大热阻样品的测试，只有恒温加热方式在实际应用中可以接受，但存在的问题则是很难准确测量加热稳态时的加热功率。为了规避这个难题，目前业界普遍采用的是稳态热流计法，即采用独立的热流计来测量流经样品的热流密度，但代价是降低测量精度。这是因为热流计精度较差，还需要采用防护热板法装置进行校准，但这样的好处是可以有效提高测试效率。[b][color=#cc0000]4.3. 大厚度高热阻复合隔热材料两种加热方式计算结果[/color][/b]　　为了说明问题，将复合结构隔热材料简化为单一固体材料构成的大厚度高热阻样品，其总厚度为130mm，导热系数为0.02W/mK，总热阻为6.5m^2K/W。　　（1）恒功率加热方式计算结果　　为了将样品冷热面温差控制在20℃整数上，模仿实际测试中选择合适的加热功率0.1923 W。经过模拟计算后分别到纯样品和带金属冷热板样品的结果如图4-8和图4-9所示。[align=center][img=,690,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051958567443_1378_3384_3.png!w690x393.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图4-8 单纯复合材料样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align][align=center][color=#333399][img=,690,394]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051959113998_3826_3384_3.png!w690x394.jpg[/img][/color][/align][color=#333399][/color][align=center][color=#cc0000]图4-9 带铝质冷热板和复合隔热材料（130mm厚）样品恒功率加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　图中红线为恒功率加热过程中样品热面温度随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。从这些曲线可以看出，对于纯粹的复合材料样品，约在150个小时后样品进入稳定状态，而增加了铝质冷热板后，则样品则会从第400小时后开始才进入热面温度为45℃的稳定状态，这些显然要比真空绝热板稳定时间还要长很多。　　（2）恒温加热方式计算结果　　恒温加热方式是直接将样品冷热面温差控制在20℃整数上，即使得热面温度为45℃，模拟计算结果如图4-10所示，其中有无金属冷热板对模拟计算结果的影响可以忽略不计。[align=center][img=,690,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811051959396346_372_3384_3.png!w690x392.jpg[/img][/align][color=#333399][/color][align=center][color=#cc0000]图4-10 大厚度高热阻复合隔热材料（130mm厚）样品恒温加热方式模拟计算结果[/color][/align]　　图4-10中红线为恒温加热过程中样品内部热流量随时间的变化曲线，蓝线为样品内部温度变化速率随时间的变化曲线。从这些曲线可以看出，从第30小时开始样品进入内部热流为0.1923 W的稳定状态，显然要比恒功率加热方式能让样品更快的进入稳定状态而具有实际意义，可见对于大厚度高热阻复合材料的测试，每个温度点导热系数测试耗时基本也要在1~2天左右。[b][color=#cc0000]5.分析和结论[/color][/b]　　针对三种不同热阻范围的典型隔热材料，利用MapleSim软件对恒功率和恒温两种加热方法的模拟分析可以发现：　　（1）恒功率加热时材料内部的温度场变化比较缓慢，热量在材料内部传递是一个由加热面逐渐扩散到内部的缓慢的过程。但恒功率加热方法简单，并且由于功率值恒定，而稳态时加热功率和温度波动较小，所以精度比较高。加上这种加热方式工程上易于实现，使得恒功率加热是目前国内外防护热板法导热仪中最常用的加热方法。　　（2）恒温加热时材料内部温度场变化比较快，热量可以快速的由加热面传递到材料的内部并达到稳定，稳定时间要远小于恒功率加热法，而且样品热面温度可以准确控制在设定点温度上以保证样品厚度方向上的温差为规定常数，这些在低导热材料防护热板法测试中非常具有现实意义。一般恒温加热方法普遍采用PID控制技术实现，但PID控制热面温度稳定时，加热功率并不是连续恒定不变，而且还存在波动，实现准确测量对控制系统硬件的技术要求非常高。　　（3）目前国内外大多数防护热板法导热仪基本都采用的是恒功率加热方式，主要是由于没有很好解决PID恒温加热方式中的加热功率准确控制和测量这两方面的问题。特别是对于高热阻（大厚度和超低导热系数）材料的测试，样品热面温度控制过程中的过冲超调，温度过冲后回调非常缓慢，因此对PID算法的要求也非常高以避免过冲超调，否则体现不出恒温加热方式的优越性。　　（4）由于恒功率和恒温加热方式各具特点，在实际应用中存在着相应的技术难题。为了扬长避短，对于高热阻（如真空绝热板）材料导热系数测试，有些导热系数测试仪器采用了达到稳态时间更短的恒温加热方法以满足工业生产质量品控需要。但为了规避热流测量中遇到的技术难题，则采取了牺牲精度保速度的策略，即采用热流计法在一维传热回路中介入独立的热流计来测量热流密度。这种热流计法充分发挥了恒温加热方式的特长，但存在热流计测量误差较大的问题。另外，热流计需要采用防护热板法进行校准，特别是对于高热阻导热系数测试中的低热流密度的测量误差较大，这种方法仅适用于工业生产中的粗放式检测。　　（5）从上述三种典型隔热材料模拟计算中可以看出，对于高热阻材料的导热系数测试，达到稳态时的热量非常小。这也就是说由于材料的隔热性能太优异，使得只要加载很小的热量就能达到设定的冷热面温差，而这种小热量则对防护热板法护热装置提出了更高要求。由于计量热板所需热量小，热板防护装置引起的温度不平衡会使得漏热效应显著提高，同时也对温差探测器提出更高灵敏度要求。如在上述标准参考材料测试中稳态时的热量为1.375 W，对于这种热量下的可接受的漏热百分比所对应的护热能力，如果应用在上述真空绝热板和高热阻复合材料测试中稳态时的热量中（0.15375 W和0.1923 W），那么相同的护热能力所带来的漏热误差将由于热量降低10倍而使得误差增大10倍。另外，高热阻小热量防护热板法中的漏热问题在单样品测试中特别显著，对于大尺寸样品更为突出，这是因为单样品测量中护热面积为整个样品的横截面加四周侧面，具有巨大的护热面积和漏热通道，而这在双样品测试中则只存在较小面积的四周侧面护热，这也是高精度防护热板法装置普遍采用双样品模式进行测量的原因。因此，为了减小单样品高热阻材料防护热板法测试中大面积漏热问题，必须进一步提高温差探测器的灵敏度，并尽可能减少温差探测器引线数量避免带来相应的引线漏热问题。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

前言 采用Aspen Plus化工流程模拟软件对氯乙烯精馏过程低、高沸塔，进行了设计计算，将模拟计算结果进行了初步分析处理，与工业运行结果对比，有良好的吻合。氯乙烯精馏工艺流程 氯乙烯精馏系统由低沸塔和高沸塔组成，工艺流程如图1所示。由压缩机来的粗氯乙烯原料气经冷凝液化及除水后进入低沸塔(T1)，将大部分低沸点杂质去除，塔底馏出液经中间槽(B)进入高沸塔(T2)，将高沸点杂质去除，精氯乙烯产品由T2塔顶采出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509272101_568154_1070181_3.jpg原料组成及设计要求 粗氯乙烯进料总量为549.025kmol/h，其组成质量分数为氯乙烯(VC)98.76%；重关键组分以1,1-二氯乙烷(EDC)计为0.53%（其中包括反式1,2-二氯乙烯、顺式1,2-二氯乙烯、1,2-二氯乙烷和乙醛等物质）；轻关键组分以乙炔(C2H2)计为0.11%（包括氯甲烷、甲烷、乙烷和氢气等物质）；其余为水。 要求达到的分离指标：塔顶产品VCM纯度大于99.99%（干基），EDC等高沸物含量小于5ppm，C2H2等低沸物含量小于1ppm。操作压力分析 氯乙烯精馏过程的操作压力，与氯乙烯以及被分离杂质的性质相关。1个标准大气压下，纯氯乙烯的沸点为-13.9℃，随着压力的升高沸点也相应增高，如表1.1所示。表1.1 氯乙烯沸点 压力（MPag） 0 0.2 0.3 0.4 0.5 VC沸点（℃） -13.9 16.2 25.7 33.5 39.7 低沸塔所处理的乙炔-氯乙烯混合物的沸点，因乙炔和其他低沸物的存在使混合物沸点相应降低。随乙炔量的增加，混合液的沸点下降很快。 因此，低沸塔若在较低压力或常压下操作，则全凝器温度可能降低到-1~-20℃，尾气冷凝器温度甚至需要降低到-55℃以下，这样就必须用液氨直接蒸发来获取低温。温度越低对于相同的耗电量，其动力电消耗量将显著增加，也就增加了氯乙烯的生产成本。此外，常压下操作将使塔底温度必须控制在0~-5℃左右，用于塔釜加热的热载体就需要选用特殊的化合物，而粗氯乙烯进入精馏操作之前，也必须严格的脱水干燥，否则，即使存在微量的水分都会引起精馏系统因结冰而被堵塞，影响正常的操作。因此，氯乙烯的精馏操作应加压进行。 至于操作压力的合理确定一般也还需要考虑氯乙烯压缩机的需用压缩比、压力增高后所需理论板数的增加，以及设备机械强度的提高带来的建设投资费用增加等因素。一般选择操作压力在0.5~0.6MPa（表压）左右。 高沸塔所处理的氯乙烯-高沸点物混合液的沸点，因高沸点物的存在，使得混合物沸点相应地比低沸塔混合物来得高（主要高沸点物的沸点范围在21~113.5℃），适当降低压力可以减少高沸塔所需的理论塔板数。工业上一般选择高沸塔操作压力在0.25~0.35MPa（表压）左右。物性方法的选择 流程模拟所用的物性方法和物性数据的选择直接影响到模拟结果的准备性。粗氯乙烯体系中存在氯乙烯、二氯乙烷、水等，属于极性非理想物系，不含电解质，有二元相互作用参数。本文选用NRTL活度系数模型用于该体系的模拟计算。活度系数模型能准确的模拟极性非理想体系的气-液平衡、气-液-液平衡及液-液平衡，其中NRTL模型在表示二元和多元体系的气液平衡和液液平衡方面尤为显著，且对水溶液体系的描述优于其他方程。 NRTL模型应用于液相非理想及无不冷凝组分物系，可用于液-液部分互溶体系；可用于处理高度非理想的极性或非极性混合物。NRTL模型具有与WILSON模型基本一致的拟合和预测精度，不同的是，NRTL模型可用于部分互溶体系，能使汽液平衡和液液平衡同一关联；只要有二元数据的拟合参数，NRTL模型便可预测多元体系的活度系数，克服了WILSON模型的缺陷。 NRTL模型是以局部摩尔分数和局部组成为基础，方程式为：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509272103_568155_1070181_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509272103_568156_1070181_3.jpg AspenPlus的物质数据库中包含了很多物质的物性数据，会根据模型需要自动调取数据进行计算。验证NRTL模型能否对精馏过程进行准确的模拟计算，要看该模型能否准确的预测混合物中相关组分的汽液平衡数据。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509272105_568157_1070181_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509272105_568158_1070181_3.jpg 由图可知，在氯乙烯装置的操作范围内，即0℃~50℃及0.32MPag~0.55MPag之间，采用NRTL活度系数模型计算出的汽液平衡数据与《化学化工物性数据手册》中查得的数据基本一致，初步认定采用NRTL物性方法是可行的。灵敏度分析 依据严格法计算，满足低沸塔分离要求的塔板数为36块（冷凝器和再沸器各为一块板），进一步分析最优的进料位置、回流比及馏出比。在满足一定分离效果的情况下，最佳进料位置对应的才是最优回流比，所以先对进料位置进行优化分析。低沸塔灵敏度分析（1）低沸塔进料位置分析对于低沸塔，塔釜的出料即高沸塔的进料，因此出料中VC的含量可以作为衡量塔分离效果的指标。同时C2H2等低沸物大部分由低沸塔的塔顶排除，因此需控制塔底出料中C2H2的含量小于1ppm。选取进料板位置为2~35块范围，对塔底C2H2质量分数（T1B-XC2H2）、塔底VC质量分数（T1B-Xvc）、塔顶VC质量分数（T1D-Xvc）、冷凝器热负荷（C-DUTY）及再沸器热负荷（R-DUTY）做灵敏度分析。冷凝器和再沸器的热负荷以MMkcal/hr记。表1.3-1 进料位置灵敏度分析 进料板 位置 T1B-Xvc T1D-Xvc T1B-XC2H2 C-DUTY R-DUTY 2 7.16E-09 0.988352 0.96327 -0.11

[color=#990000]摘要：本文针对测试定形相变材料热性能的ASTM C1784动态热流计法（DHFM），采用基于Modelica语言的SimulationX软件，建立测试热焓和比热容的模拟仿真模型，对测试方法开展更深入的研究。通过对不锈钢和沙子样品材料的测试模拟仿真，优化了试验参数，使得动态热流计法更容易被理解、掌握和推广应用。[/color][color=#990000]关键词：定形相变材料 热性能 动态热流计法 热焓 比热容 导热系数[/color][align=center][color=#990000][img=,690,402]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302108149726_8347_3384_3.png!w690x402.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#990000][b]1. 概述[/b][/color]　　随着建筑节能以及能量存储的需要，相变材料技术得到了飞速发展，出现了各种新型的定形相变复合材料，而定形相变复合材料的热焓、比热和导热系数等是相变材料设计、研制和生产过程中的重要物理性能参数。为了保证新型定形相变材料的热物理性能测试的准确性，ASTM 在2013年制定了一个新的测试标准：ASTM C1784-13“采用热流计装置测量相变材料及其产品储热特性的标准测试方法”，并在2014年颁布的修订版。　　ASTM C1784方法是一种基于传统稳态热流计法隔热性能测试技术（HFM）的动态测试方法，称之为动态热流计法（DHFM），是为了解决板状大尺寸相变材料热性能测试的一种实验室级别测试方法，样品尺寸一般为边长100~300 mm之间的正方形板材，这种尺寸易于从定形相变复合材料实际板材中取样测试，与DSC测试中毫克量级样品形式相比更具有材料的代表性。　　本文针对测试定形相变材料热性能的ASTM C1784动态热流计法（DHFM），采用基于Modelica语言的SimulationX软件，建立测试热焓和比热容的模拟仿真模型，对测试方法开展更深入的研究。通过对不锈钢和沙子样品材料的测试模拟仿真，优化了试验参数，使得动态热流计法更容易被理解、掌握和推广应用。　　[b][color=#990000]2. 动态热流计法基本原理[/color][/b]　　动态热流计法（DHFM）是基于传统稳态热流计法（HFM）测量仪器上的一种动态测试方法，在稳态时可测量样品的导热系数，在动态时可测量样品的热焓和比热容。如图2-1所示，动态热流计法测试仪器结构与稳态热流计法测试仪器基本相同，不同之处是在样品的上下两面都安装有热流传感器，而且上下加热板的温度变化使用相同且同步。[align=center][color=#990000][img=,690,210]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302111544136_4772_3384_3.png!w690x210.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2-1 动态热流计法测量原理[/color][/align]　　按照ASTM C1784规定，两个热板为台阶式升降温方式，如图2-1所示，当样品和上下热板在初始温度T1时达到稳态，将上下两个热板台阶式升温到另一个温度T2并达到恒定。这个温度变化过程中的测量不再时稳态测量而是非稳态测量，但记录了样品两侧的温度和热流密度随时间的变化，经过一定时间后两个均热板再次冷却到初始温度T1，这是一个典型的台阶式升降温测试过程。在此温度变化ΔT范围内，样品吸收的总热焓Δh可以通过对热流密度进行时间积分计算得到，而热容Cp则等于Δh/ΔT。[b][color=#990000]3. 测试仿真模型和参数[/color][/b]　　为了建立仿真模型进行瞬态分析计算，使用了SimulationX软件。SimulationX是基于Modelica语言模型的一维仿真软件之一，而Modelica是基于模型设计的基础设计研究的语言模型之一，采用模块式结构可以非常快速的设计仿真模型，仿真模型的物理意义直观和明确，能完美结合传统的热阻网络分析方法，非常适合瞬态传热的快速仿真计算，较传统的有限元瞬态分析方法的速度大为提高，可以在几秒内完成整个瞬态传热过程的模拟分析计算。　　在采用SimulationX建模中，样品尺寸设置为300 mm×300 mm×20 mm，初始温度为20℃，对样品的两个表面按照相同的温度波形程序同时进行加热到30℃。　　建模分析中采用了两种典型材料，其中不锈钢304的热物性参数分别是：导热系数为14.9 W/mK，比热容为0.477 J/gK，密度为7900 kg/m3。沙子的热物性参数分别是：导热系数为0.60 W/mK，比热容为0.80 J/gK，密度为1515 kg/m3。[b][color=#990000]4. 无热损情况下的模仿仿真[/color][/b]　　首先在无热损的理想条件下对准稳态法进行仿真模拟。在无侧向热损条件下，分别有两个热流计检测进出样品的热流量大小，同时假设样品是中心截面对称，并不考虑样品侧面的边缘热损。由此采用SimulationX软件设计的仿真模型如图4-1所示，分别模拟仿真不锈钢和沙子两种典型不同导热系数材料的比热容动态热流计法测试过程，计算得到比热容结果。最终将模拟仿真计算结果与设定的参数值进行比较，由此考核动态热流计法在理想情况下的测量准确性和合理的试验方法。[align=center][color=#990000][img=,690,225]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302112235746_5820_3384_3.png!w690x225.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4-1 使用SimulationX软件建立的无侧向热损仿真模型[/color][/align][color=#990000]4.1. 不锈钢比热容测量的模拟计算[/color]　　首先对不锈钢304材料进行模拟仿真计算，按照ASTM标准方法规定，加热采用一个方波形式。在方波加热过程中，方波加热时温度变化，以及仿真模拟计算得到的不锈钢样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-2所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量不锈钢样品的热焓值变化曲线，如图4-3所示。[align=center][img=,690,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302112410398_6514_3384_3.png!w690x395.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4-2 矩形加热波形时不锈钢样品温度和热流变化曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,690,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302112525839_1676_3384_3.png!w690x375.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图4-3 矩形加热波形时单位质量不锈钢样品热焓值变化曲线[/color][/align]　　根据图4-3所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内不锈钢平均比热容为0.450 J/gK，与设定值0.477 J/gK的相对误差为5.7%。　　通过图4-2所示的热流量随时间变化曲线可以看出，对热流量变化曲线进行积分相当于求此曲线相对于时间坐标轴所包含的面积，而对图4-2中如此突变的尖峰信号进行积分，由于时间间隔选取不可能无限小，这势必会带来积分误差，由此可见，对于方波加热形式，温度的突变是造成仿真计算误差的直接原因。在试验测试过程中，由于数据采集速度不可能很快，时间间隔也不可能非常小，这同样会带来相应测量误差。[color=#990000]4.2. 沙子比热容测量的模拟计算[/color]　　同样，在方波加热过程中，计算得到的沙子样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-4所示。通过对上述热流随时间变化曲线按时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量沙子样品的热焓值变化曲线，如图4-5所示。[align=center][img=,690,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302113091809_7935_3384_3.png!w690x393.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4-4 矩形加热波形时沙子样品温度和热流变化曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,690,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302113298077_3554_3384_3.png!w690x373.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图4-5 矩形加热波形时单位质量沙子样品热焓值变化曲线[/color][/align]　　根据图4-5所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内沙子平均比热容为0.750 J/gK，与设定值0.80 J/gK的相对误差为6.3%。[color=#990000]4.3. 改变加热波形的模拟计算结果[/color]　　鉴于上述方波加热波形仿真计算结果有较大误差，对于304不锈钢材料样品，将加热波形调整为梯形，如图4-6中的红线所示，用时30分钟温度从20℃线性升温到30℃后恒温40分钟，然后按照相同的变温速率用时30分钟再降到20℃。[align=center][img=,690,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302113448695_2143_3384_3.png!w690x392.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4-6 改变加热波形后的不锈钢样品温度和热流变化曲线[/color][/align]　　在这种加热波形下，计算得到的样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-6所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量不锈钢样品的热焓值变化曲线，如图4-7所示。[align=center][color=#990000][img=,690,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302113558613_3754_3384_3.png!w690x375.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4-7 梯形加热波形时单位质量不锈钢样品热焓值变化曲线[/color][/align]　　根据图4-7所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内的304不锈钢平均比热容为0.473 J/gK，与设定值相比没有误差，这说明通过改变加热波形，降低加热温度突变速率，可显著提高积分计算精度，大幅度减少最终计算结果误差。　　同样，对于沙子材料样品，将加热波形调整为梯形，如图4-8中的红线所示，用时30分钟温度从20℃线性升温到30℃后恒温40分钟，然后按照相同的变温速率用时30分钟再降到20℃。[align=center][color=#990000][img=,690,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302114079115_6329_3384_3.png!w690x387.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4-8 改变加热波形后的沙子样品温度和热流变化曲线[/color][/align]　　在这种加热波形下，计算得到的样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-8所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量样品的热焓值变化曲线，如图4-9所示。[align=center][img=,690,377]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302114186965_4185_3384_3.png!w690x377.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4-9 梯形加热波形时单位质量沙子样品热焓值变化曲线[/color][/align]　　根据图4-9所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内的平均比热容为0.799 J/gK，与设定值相比没有误差，这说明通过改变加热波形，降低加热温度的突变速率，可显著提高积分计算精度，大幅度减少最终计算结果误差。[b][color=#990000]5. 有热损条件下的模仿仿真[/color][/b]　　上述仿真模拟是假设样品侧向无热损，而在实际测试条件下，样品侧面尽管采用了低导热材料进行防护，但还是存在侧向热损。为此，针对热流计法导热仪结构建立带热损效应的仿真模型，如图5-1所示。[align=center][color=#990000][img=,690,163]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302114302217_9430_3384_3.png!w690x163.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5-1 使用SimulationX软件建立的存在侧向热损仿真模型[/color][/align]　　其中假设样品侧向热防护材料为软木，软木导热系数为0.048 W/mK，比热容为2.03 J/gK，密度为86 kg/m3，软木截面积为300 mm×20 mm，厚度为50 mm，软木的外侧温度始终保持为20℃。考虑到样品的四个侧面都有软木隔热材料，所以侧面仿真模型中的软木尺寸应为截面积为300 mm×80 mm，厚度为50 mm。　　为了便于观察热损的影响，对沙子样品进行了有热损情况下的模拟仿真计算，结果如图5-2所示。从图5-2中可以看出，当有侧向热损存在时，样品达到热平衡后，焓值随时间的变化并未呈水平方向的曲线形式，而是向上倾斜，而且焓值要比无热损时要大（误差将近10%左右），这证明其中有一部热量被侧向热损带走，因此在实际测试中要对测试曲线进行侧向热损修正。[align=center][color=#990000][img=,690,360]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302114412688_54_3384_3.png!w690x360.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图5-2 沙子样品有热损、无热损和修正后的模拟仿真计算结果[/color][/align]　　从图5-2中的修正后结果可以看出，修正后的结果与无热损计算结果完成重合，修正后的比热容为0.80 J/gK，与设定值0.8 J/gK的相对误差基本为零。　　同样，对不锈钢样品进行有热损存在时的模拟仿真计算结果证明也存在相同规律，如图5-3所示，修正后的误差基本为零。[align=center][color=#990000][img=,690,382]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901302114517112_2150_3384_3.png!w690x382.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5-3 不锈钢样品有热损、无热损和修正后的模拟仿真计算结果[/color][/align][b][color=#990000]6. 结论[/color][/b]　　综上所述，采用SimulationX软件的动态仿真模拟，计算了不锈钢和沙子材料的热焓和比热容动态热流法测量结果，由此可得出以下结论：　　（1）采用动态热流计法以及相应的修正手段，可以准确测量样品的热焓和热容随温度的变化，证明了ASTM C1784的有效性。　　（2）在动态热流计法实际应用中，并不能完全采用ASTM C1784中规定的方波加热方式，因为这种突变型的变温方式会对测量数据处理带来较大误差，更准确的变温方式应为变化较缓慢的梯形的升降温方式。　　（3）动态热流计法本质上还是属于一种稳态法，只是将大的温度区间分割为许多个小温度区间进行测试，按照ASTM中的规定，单个测试温度区间一般设定为1.5℃±0.5℃，由此来覆盖相变材料的相变温度变化范围，由此带来的问题就是测试时间十分漫长，通过上述仿真分析也得到了证明这个特点。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

北京领宇天际和加拿大SimulTek研制了月球表面环境综合模拟系统，可以用于评估月表尘埃和其它月表综合环境因素对材料性能的影响，提供了包括高真空环境、高低温热循环、真空紫外线辐射、近紫外线辐射、可见光辐射、近红外辐射、质子辐射，电子辐射，月表尘埃环境、月尘悬浮，月尘带电环境，月尘沉降，以及月尘环境下真空摩擦磨损测试，并验证空间材料的降尘策略和技术的有效性，对空间材料和结构进行测试和寿命评估进行实验研究。月面环境模拟系统： 航天器故障的70%是由于空间环境的影响造成的, 为了验证设计的合理性, 充分的空间环境模拟试验是必不可少的， 月球表面环境的独特性和复杂性给空间环境模拟技术提出新的要求，为了研究月球表面的环境对登月飞船、月球车的环境适应性及可靠性，SimulTek研制的月面环境模拟系统可为登月飞船及月球车的设计、优化以及最终的系统验证提供试验平台。月尘悬浮系统：月球土壤 (尘埃) 具有极强的表面粘附能力、材料磨损能力和穿透能力，月球土壤电导率极低, 所以易于带电, 并可以在相当长的时间内保持带电。因此, 月壤颗粒在光电效应、太阳风辐照作用下带电之后, 可以长时间漂浮并移动月尘沉降及清除系统： 根据Apollo宇航员的纪录, 飞舞的月球尘埃及月表土壤颗粒会很快附着在与其接触的各类表面上, 无法清除干净, 而且会进一步引起热控系统性能下降、机械机构卡死、密封失效、光学系统灵敏度下降、部件磨损等一系列故障[img=,690,515]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241608031696_7595_1620854_3.jpg!w690x515.jpg[/img]

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[size=16px][color=#990000][b]摘要：针对目前新能源电池热失控和特性研究以及生产中缺乏变环境压力准确模拟装置、错误控制方法造成环境压力控制极不稳定以及氢燃料电池中氢气所带来的易燃易爆问题，本文提出了相应的解决方案。方案的关键一是采用了低漏率电控针阀作为下游控制调节阀实现压力可编程精密控制，二是采用高压气体型真空源避免机械式真空泵的电火花造成引燃，三是在压力控制的同时也对电池加热温度进行自动控制。整个装置控制精度和自动化程度较高。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]==================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 随着现代新能源行业的飞速发展，各种新能源电池在经济社会中发挥着越来越重要的作用，由此对低压环境下新能源电池的使用、储存和运输也提出更高技术要求。例如高原地区和飞机运输中新能源电池的性能变化特征以及热失控传播特性，都是电池发展极其重要的一个环节。目前新能源电池在低压环境下的热失控特性和性能变化特性研究主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）目前的新能源电池热失控的测试设备主要集中在研究常压下的热失控行为，环境压力对电池热失控特征的研究较为缺失，对压力变化影响热失控行为的研究仍需进行更深入研究。[/size][size=16px] （2）研究变环境压力下电池燃烧爆炸行为的特性与特征，对于新能源电池的前期研发、中期使用以及后期预防热失控都有着尤为重要的参考意义。但目前缺乏变环境压力的准确模拟装置，控制方法存在严重问题而造成环境压力控制极不稳定，难以准确观察压力室内电池特性的变化，实验的可信度较差。[/size][size=16px] （3）另外，氢燃料电池作为一种新能源电池同样存在上述问题，同样需要在不同海拔工况下验证电池的运行性能和可靠谱。但由于氢燃料电池的特殊性，特别是由于氢气属于易燃易爆气体，在环境压力模拟设备运行时流道内的旋转机械有可能在高速运转情况下产生火花，继而引燃氢气形成爆炸，这对于环境模拟实验设备而言是绝对不允许的。同时，氢气与空气在燃料电池内反应生成水，故而在排气中含有液滴，这部分液滴在进入设备时可能对旋转部件造成损害，影响设备可靠性。因此，对于氢燃料电池的环境压力模拟装置，需要避免这些问题的出现。[/size][size=16px] 针对上述新能源电池以及氢燃料电池中环境压力准确控制方面存在的问题和需求，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要包括以下两方面的内容：[/size][size=16px] （1）针对现有的锂电池环境压力模拟装置进行技术改造，采用下游控制模式实现模拟箱内环境压力的可编程准确控制，以满足绝大多数新能源电池的环境压力模拟需要。[/size][size=16px] （2）针对氢燃料电池的环境压力模拟，提出更安全的环境压力准确控制解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 锂离子电池在高温环境下容易发生热失控，具有一定危险性，会发生着火甚至爆炸。为了给电池的测试试验同时提供高温和环境压力的模拟条件，解决方案是将电池放置在密闭的测试环境箱内，并对环境箱内部进行气压控制，使电池处于所需环境压力。然后通过对锂离子电池外部加热的方式给予电池达到热滥用的条件，再通过热电偶、数字天平等装置研究温度与质量等参数的变化。热电偶测量热失控过程中的温度变化，数字天平测量热失控过程中电池质量参数的变化，整个测试装置的控制系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图,690,394]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310161757014248_9888_3221506_3.jpg!w690x394.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，整个控制系统主要由环境压力控制回路、电池加热温度控制回路、质量测量装置和数据采集装置构成，它们的各自功能和技术内容如下：[/size][size=16px] （1）环境压力控制回路：其功能是对测试环境箱进行可编程气体压力控制，可对一系列不同的设定压力进行自动控制。控制回路由数控针阀、真空计、真空泵、真空压力控制器和真空管路组成，其中一个数控针阀控制进气流量、另一个数控针阀控制排气流量，真空计测量环境箱内的真空度并传输给控制器，控制器将接收到的真空度信号与设定值比较后驱动数控针阀的开度变化，并快速使得环境箱内的真空压力达到设定值。需要说明的是，这里的控制采用了固定进气针阀开度而改变排气针阀开度的下游控制模式，这样可以实现更高精度和稳定性的环境压力控制。[/size][size=16px] （2）电池加热温度控制回路：其功能是对电池进行加热和温度控制，以模拟电池热失效过程中的温度变化。控制回路由加热器、电池组件、固定夹板、热电偶温度传感器和双通道控制器组成，其中热电偶采集电池温度并传输给控制器，控制器将接收到的温度信号与设定值比较后驱动加热器通电加热，并使电池温度快速达到设定值。[/size][size=16px] （3）质量测量装置：其功能是测量电池本体在热失控过程中的质量损失。质量测量装置主要是悬挂式数字天平，放置在环境箱外部的数字天平通过悬丝测量电池质量。[/size][size=16px] （4）数据采集装置：其功能是同时采集电池温度、环境压力和质量测量数据，并以曲线形式进行显示和存储。数据采集装置主要由多通道数据采集器和计算机组成，多通道数据采集器连接相应的温度压力传感器和数字天平，计算机与采集器进行通讯并用软件显示和存储采集结果。[/size][size=16px] 需要说明的是，在解决方案中，计算机或上位机也可以与真空压力控制器和温度控制器进行通讯，并通过各自的软件对控制器进行参数设置、运行控制和控制过程参数变化曲线的显示。[/size][size=16px] 图1所示的电池环境压力模拟控制系统并不适合氢燃料电池的性能测试，这主要是机械式旋转型的真空泵有可能在高速运转情况下产生火花而引燃氢气形成爆炸，同时氢燃料电池测试过程中会在真空管路内形成水滴而造成阀门和真空泵旋转部件的损伤。为了解决这两个问题，本文所提出的解决方案采用了以下两项技术：[/size][size=16px] （1）将真空泵更换为真空发生器，即通过高压气体来形成真空，这样可以避免机械式旋转部件所带来的火花引燃危害。[/size][size=16px] （2）环境压力的调节还是采用前面所述的电动针阀，因为这种NCNV系列具有非常好的真空密封性能，电机转动部分与所通气体完全隔离，不会带来引燃隐患。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，解决方案通过改进后的环境压力下游控制技术、高压气体真空发生技术和温度自动控制技术，可以很好的实现各种新能源电池在可变环境压力和高温温度下的热失控特性和运行特性变化测试和试验考核，解决方案具有以下几方面的突出特点：[/size][size=16px] （1）可实现环境压力和温度的高精度控制，更有利于电池特性的精密研究和测试考核。[/size][size=16px] （2）环境压力和温度控制可按照不同设定值进行编程控制，可自动实现电池特性测试的全过程。[/size][size=16px] （3）通过使用控制器和数据采集器自带的计算机软件，可快速搭建起电池特性测试装置，无需再专门编写计算机程序，大幅减小了装置组建的工作量。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

8月18日下午4点，由我要测网和仪器论坛共同举办的【我要测网微课堂】蒙特卡洛模拟法在分析方法不确定度评定中的应用 如期进行 分享专家：北京市劳动保护科学研究所室内环境检测中心实验室技术负责人 朱佐刚副研究员 分享形式：采用PPT图片+语音形式 参与人数：3000+（8个微信群群同步直播） 内容整理：实验室认可/资质认定版面新人-ghsunmer微课堂现场：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221416_606137_2984502_3.png 首先要感谢朱老师为大家进行这堂微课的讲解，朱老师是北京市劳动保护科学研究所室内环境检测中心实验室技术负责人。长期从事室内空气和车内空气中污染物检测以及检测方法的开发。参与了标准方法HJ/T 400-2007 (车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法)的检测方法编写和检测方法验证。在实验室分析质量控制方面有非常丰富的经验。朱老师论坛ID：zzg2002，欢迎来与朱老师交流@普通用户63 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221417_606138_2984502_3.jpg嘉宾分享环节http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221129_606094_2384346_3.jpg 蒙特卡洛模拟法很多领域已经得到了广泛应用，但是在分析化学中的较少。所以本次讲座先为大家介绍下蒙特卡洛模拟法的原理，然后为大家梳理下不确定度计算的基本方法，最后为大家介绍下蒙特卡洛模拟法在不确定度判定的中的具体应用与举例。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221129_606095_2384346_3.jpg首先，我们来了解下什么是蒙特卡洛模拟法。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221129_606096_2384346_3.jpg我们从两个例子来认识下蒙特卡洛模拟法的具体内容，首先是蒙特卡洛模拟法计算圆周率：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221136_606097_2384346_3.jpg蒙特卡洛模拟法计算圆周率的算法如下：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606098_2384346_3.jpg用vba编程后的模拟输出结果：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606099_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606100_2384346_3.jpg可以看出随着模拟次数增加，圆周率的计算结果越接近真实值，所以，蒙特卡洛模拟法如果要达到一定的精度则需要一定的模拟次数支持。下面来看第二个例子，用蒙特卡洛模拟法计算定积分：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606101_2384346_3.jpg定积分的物理意义就是曲线与x轴相围成的面积。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606102_2384346_3.jpg解题思想与圆周率的计算相似：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221138_606103_2384346_3.jpg模拟结果如下：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221148_606104_2384346_3.jpg到次蒙特卡洛模拟法的基本原理就介绍完了，下面来介绍下蒙特卡洛模拟法用于不确定度的评定，首先还是先来梳理下不确定度的定义与一般计算方法：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221150_606108_2384346_3.jpg值得特别注意的是，不确定度与分析结果的准确性没有必然联系，概念上大家要区分清楚。区间估计的概念如下，如果不能很好理解可以参考数理统计相关书籍学习。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221222_606109_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221224_606110_2384346_3.jpg标样证书上的标样量值就是以区间估计的形式给出的。下面大家一起来回顾下与不确定度相关的计量学名词：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221225_606111_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221227_606112_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221228_606113_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221230_606114_2384346_3.jpg常用的不确定度评定方法：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221232_606115_2384346_3.jpgGUM法的评定原理与步骤：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221232_606116_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221233_606117_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221235_606118_2384346_3.jpgGUM法的主要问题在于假设分析结果必须符合正态分布，但在实际应用中有许多情况是无法满足的，这就是MCM的出现原因。蒙特卡洛模拟法的理论基础：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221238_606119_2384346_3.jpgMCM法的基本原理与步骤：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/201608221239_606120_2384346_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/08/20160