差示掃描量熱儀的爐體均溫性研究

李麗萍，曾 穎

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094； 2.福建省計量科學研究院，福州 350003)

差示掃描量熱儀的爐體均溫性研究

李麗萍1，曾 穎2

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094； 2.福建省計量科學研究院，福州 350003)

差示掃描量熱儀(DSC)作為研究油脂成分及物化性質(zhì)與熱流、能量關(guān)系的分析儀器，被廣泛用于油脂加工業(yè)以及對油脂產(chǎn)品的深入研究過程中。DSC中爐體的均溫性直接影響其對油脂溫度的控制精度，若樣品不能被精確地控制在規(guī)定的溫度范圍，且均勻受熱，將會影響分析結(jié)果的準確性。針對DSC的爐體均溫性問題，著重研究了樣品端與參比端的間距對爐體均溫性的影響。仿真及實驗驗證結(jié)果表明: 樣品端與參比端的間距越小，爐體均溫性越好；考慮到樣品端與參比端之間因距離太近而產(chǎn)生的熱干擾，樣品端與參比端的最佳間距為12.5 mm。

油脂分析；DSC；爐體；均溫性

近年來隨著油脂工業(yè)的進步以及食品標準的不斷提升，研究人員越來越意識到需要對油脂的理化性質(zhì)進行深入探究[1]。在油脂加熱或者冷卻過程中，油脂產(chǎn)品會表現(xiàn)出大量的由加熱或冷卻而引起的相轉(zhuǎn)變，溫度是油脂產(chǎn)品相轉(zhuǎn)變中重要的參數(shù)[2]，而差示掃描量熱儀(DSC)正是基于溫度特性對樣品加以研究的檢測儀器。DSC可以記錄油脂樣品隨溫度的變化而發(fā)生的所有相變所引起的熱流變化，如熔化、晶型轉(zhuǎn)變、結(jié)晶等。進而可以測定油脂的氧化動力學、結(jié)晶動力學和成分組成等理化特性，為天然油脂及其加工產(chǎn)品的熱物性分析提供數(shù)據(jù)。

DSC被廣泛應用于油脂分析中，爐體均溫性是DSC的重要組成部分。目前大部分爐體均溫性的研究對象都是大型的熱處理爐[3-4]，而對DSC爐體的均溫性研究不多[5]。為了研究DSC爐體的均溫性，本文首先詳細介紹了DSC的工作原理及測試流程，然后分析影響爐體均溫技術(shù)的重要參數(shù)，最后根據(jù)分析結(jié)果做了相關(guān)驗證實驗。

1 DSC系統(tǒng)組成及工作方式

DSC是一種測量參比端與樣品端的熱流差與溫度參數(shù)關(guān)系的熱分析儀器，為了精準獲得相應曲線，爐內(nèi)溫度通過程序進行控制[6-7]。DSC的系統(tǒng)組成如圖1所示。

由圖1可知，DSC主要由加熱模塊、制冷模塊、爐體勻熱控制模塊和熱流信號采集模塊等組成。其中，加熱模塊主要負責DSC內(nèi)參比端與樣品端的加熱升溫，選擇的方式多樣，本文選擇用加熱電阻器；制冷模塊主要負責DSC內(nèi)參比端與樣品端的冷卻降溫，常用的有液氮制冷和風冷，可依據(jù)制冷速率和溫控的需求選擇對應有效的制冷；爐體勻熱控制模塊主要由勻熱爐體、氣氛控制器和爐溫測溫傳感器組成，通過閉環(huán)的控制方式，實現(xiàn)精確和均勻分布的溫度控制；熱流信號采集模塊主要由熱流傳感器、信號放大器、微處理器和顯控終端組成，通過微處理器對實驗流程的控制，在合適的實驗節(jié)點處采集熱流傳感器的信號，經(jīng)由信號放大器，將微弱信號放大至最佳采樣區(qū)間，實現(xiàn)精準的熱流檢測。

基于DSC測量原理，DSC可得到物質(zhì)的熱流速率-爐溫曲線。典型的熱流速率-爐溫曲線是在控制爐溫變化情況下，以爐溫為橫坐標，以樣品和參比物之間溫差為零所需供給的熱量為縱坐標所得到的掃描曲線。物質(zhì)的熱流速率-爐溫曲線如圖2所示。

圖2中曲線上所標的溫度T的下標字母特征點代號：p，峰；el，外推始點；l，初始點；l/2，中點；g，玻璃化轉(zhuǎn)變；c，結(jié)晶；ef，外推終點；f，終點；m，熔化。

由圖2可知，第1個區(qū)域是在從恒溫模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯郎貭顟B(tài)的實驗開始初期，熱流速率-爐溫曲線處于初始啟動變化區(qū)域，最終偏移的量取決于樣品的熱容和升溫速率；第2個區(qū)域是在玻璃化轉(zhuǎn)變曲線區(qū)，尤其是無定形材料，因為無熔點將會呈現(xiàn)出玻璃化轉(zhuǎn)變，在相應的曲線中會出現(xiàn)1個由于樣品熱容變化產(chǎn)生的類似臺階的曲線[8]；第3個區(qū)域是在結(jié)晶過程曲線區(qū)，將會出現(xiàn)1個放熱峰，放熱峰包裹的面積即是結(jié)晶焓；第4個區(qū)域是在熔融過程曲線區(qū)，將會出現(xiàn)1個吸熱峰；最后，隨著溫度的繼續(xù)上升，某些物質(zhì)還會發(fā)生分解[9]。

通過分析DSC曲線，計算各個特征溫度及曲線臺階(例如玻璃化轉(zhuǎn)變)[10]，可得到物質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔點、結(jié)晶溫度、氧化誘導溫度，同時根據(jù)混合物中各種物質(zhì)的熔化峰位置等信息計算出混合物中詳細的組成成分[11]。

2 爐體均溫性研究

爐體內(nèi)均溫性是指在DSC爐體內(nèi)的溫度分布和溫度梯度到達均勻的一種狀態(tài)，均溫性越好，爐體內(nèi)的溫差越小，等溫分布越均勻。均溫性作為DSC的重要指標之一，其好壞將直接干擾DSC測量精度，最終影響對檢測樣品的分析。本文中研究的DSC爐體內(nèi)徑為28 mm，針對這一尺寸的DSC，建立了參比端與樣品端處于多種不同距離下的有限元模型，并最終利用有限元分析模擬爐體內(nèi)部的熱流分布，得到最優(yōu)的參比端與樣品端間距。

2.1 有限元建模與仿真分析

基于DSC的工作原理和爐體的機械結(jié)構(gòu)[12]，設(shè)計了3種參比端與樣品端間距分別為11、12.5、15 mm的有限元模型，根據(jù)模型進行仿真分析[13]。首先通過Solid Works軟件建立DSC模型，然后按照控制方程組通過ANSYS 有限元仿真軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，在需要增加分析精度的區(qū)域密布網(wǎng)格，以提高準確性，最終爐體內(nèi)部有限元模型如圖3所示。

根據(jù)DSC中的傳熱過程，建立如下控制方程組：

G-ρε

(1)

(2)

(3)

ρgi+Fi

(4)

(5)

式中：ρ為氣體密度；k為湍動能；t為時間；ui和xi分別為i方向上的速度分量和坐標分量；μ為分子黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；σk=1.0；G為k的產(chǎn)生項；ε為湍動能的耗散率；σε=1.3；Cε1=1.44；Cε2=1.92；uj和xj分別為j方向上的速度分量和坐標分量；τij為次網(wǎng)格剪切應力張量；gi為i方向上的重力體積力；Fi為i方向上的外部體積力；T為溫度；u為速度；λ為流體的傳熱系數(shù)；cp為比熱容；ST為流體的內(nèi)熱源及由黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

方程組中的式(1)為湍動能方程，式(2)為湍動能耗散方程，式(3)為質(zhì)量守恒方程，式(4)為動量守恒方程，式(5)為能量守恒方程，由式(1)～式(5)即可較為準確地仿真分析出DSC的爐體內(nèi)部的整體溫度場分布。

在控制方程組的約束下及不影響計算準確性和精度的基礎(chǔ)上，簡化模型及傳熱過程，并假設(shè)爐體底部和爐體蓋的對流換熱系數(shù)α為1.2 W/(m2·K)的第三類邊界條件，勻熱塊四周壁為第一類邊界條件。在壁面溫度分別設(shè)置為150℃和 300℃的條件下，進行不同樣品端與參比端距離下的有限元仿真分析。

首先在壁面溫度為150℃情況下，有限元仿真得到的不同樣品端與參比端距離下的爐體溫度場分布，如圖4所示。然后在壁面溫度為300℃情況下，有限元仿真得到的不同樣品端與參比端距離下的爐體溫度場分布，如圖5所示。

圖4 150℃時不同樣品端與參比端間距的爐體溫度分布圖

圖5 300℃時不同樣品端與參比端間距的爐體溫度分布圖

分別對比圖4、圖5的(a)、(b)、(c)小圖，可以顯然看出參比端與樣品端在爐體中所處的位置會影響爐體內(nèi)氣體對流和湍流的情況。當參比端與樣品端在爐體中的間距越大時，所造成的對稱旋渦流影響的區(qū)域越大，同時爐體內(nèi)的溫度差和梯度越多，均溫帶分布越不均勻，均溫性越差。當參比端與樣品端在爐體中的間距越小時，均溫性越好。但是參比端與樣品端在爐體中的間距太小時，參比端與樣品端會因熱對流而產(chǎn)生相互的熱干擾，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。考慮到各方面因素，均溫性指標在小于0.8℃的前提下，12.5 mm為最佳的參比端與樣品端在爐體中的間距。

2.2 實驗驗證

為了驗證有限元仿真分析得到的爐體溫度空間分布的有效性，設(shè)計了相應驗證實驗。在如圖6所示的位置處選取了4個驗證點：點1位于爐體內(nèi)部中央，距樣品支撐架上方9 mm的位置；點3位于點1下方4 mm處；點2位于爐體下蓋沿和均熱塊接觸處；點4位于支撐坩堝的熱阻處。

圖6 爐體均溫性實驗測量點分布

實驗中選用的溫度傳感器為N型OMEGA鎧裝熱電偶，其熱響應時間約為0.25 s、分辨率為0.01℃、直徑0.82 mm。將4個鎧裝熱電偶依次布置在如圖6所示的4個驗證點上，將溫度傳感器的信號從爐體內(nèi)引出至出氣口，并使用安捷倫的高精度電壓表3458A讀取溫度傳感器的電壓信號。當讓爐體內(nèi)溫度升高后，鎧裝熱電偶開始記錄各個驗證點在5 min內(nèi)所有的電壓信號，并算出其平均值作為最終數(shù)據(jù)。最終得到的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 4個測量點仿真與實測溫度對比 ℃

由表1可知，實驗測量情況與仿真的吻合度較高，最大偏差為0.64℃，同時兩組數(shù)據(jù)表現(xiàn)出相同的變化趨勢，具有較好的一致性，說明本文的有限元仿真分析能夠較為精準地反映爐體內(nèi)部的真實溫度分布，具有對爐體設(shè)計的指導意義。

3 結(jié) 論

本文針對DSC的爐體均溫性問題，利用有限元建模與仿真分析，針對樣品端與參比端的間距這一重要參數(shù)，通過對比多組不同樣品端與參比端間距下的爐體內(nèi)溫度分布情況，得到均溫性與樣品端與參比端間距之間的關(guān)系。根據(jù)仿真分析和驗證實驗結(jié)果可知，樣品端與參比端間距越小，爐體內(nèi)溫度梯度越小，均溫性越好。但考慮樣品端與參比端距離太近會產(chǎn)生熱干擾，所以最終分析得到12.5 mm為最佳樣品端與參比端間距，此時均溫性最好。

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Temperature uniformity of DSC furnace body

LI Liping1，ZENG Ying2

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Metrology Institute of Fujian Province, Fuzhou 350003,China)

Differential Scanning Calorimeter (DSC) is an important instrument to analyze the relationship between oil composition, physicochemical properties and heat flux, energy, which is widely used in the oil processing industry as well as in the oil products in-depth research. Temperature uniformity of the DSC furnace body directly affects the control precision of the oil temperature. If the sample can’t be accurately controlled in the specified temperature range, and uniformly heated, the accuracy of the analysis results will be affected. Therefore, aiming at the problem of temperature uniformity of DSC furnace body, the influence of distance between sample and reference on the temperature uniformity of furnace body was mainly studied. The simulation and experimental results showed that the smaller the distance between sample and reference, the better the temperature uniformity of the furnace body. At the same time, considering the thermal interference caused by the distance between sample and reference, the best distance between sample and reference was 12.5 mm.

oil analysis; DSC; furnace body; temperature uniformity

2017-01-05；

2017-01-23

李麗萍(1987)，女，博士研究生，主要從事儀器檢測與信號處理工作(E-mail)lilipingup@163.com。

TS207.3;TQ646

A

1003-7969(2017)04-0153-04