差示扫描量热仪的炉体均温性研究

李丽萍，曾 颖

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094； 2.福建省计量科学研究院，福州 350003)

差示扫描量热仪的炉体均温性研究

李丽萍1，曾 颖2

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094； 2.福建省计量科学研究院，福州 350003)

差示扫描量热仪(DSC)作为研究油脂成分及物化性质与热流、能量关系的分析仪器，被广泛用于油脂加工业以及对油脂产品的深入研究过程中。DSC中炉体的均温性直接影响其对油脂温度的控制精度，若样品不能被精确地控制在规定的温度范围，且均匀受热，将会影响分析结果的准确性。针对DSC的炉体均温性问题，着重研究了样品端与参比端的间距对炉体均温性的影响。仿真及实验验证结果表明: 样品端与参比端的间距越小，炉体均温性越好；考虑到样品端与参比端之间因距离太近而产生的热干扰，样品端与参比端的最佳间距为12.5 mm。

油脂分析；DSC；炉体；均温性

近年来随着油脂工业的进步以及食品标准的不断提升，研究人员越来越意识到需要对油脂的理化性质进行深入探究[1]。在油脂加热或者冷却过程中，油脂产品会表现出大量的由加热或冷却而引起的相转变，温度是油脂产品相转变中重要的参数[2]，而差示扫描量热仪(DSC)正是基于温度特性对样品加以研究的检测仪器。DSC可以记录油脂样品随温度的变化而发生的所有相变所引起的热流变化，如熔化、晶型转变、结晶等。进而可以测定油脂的氧化动力学、结晶动力学和成分组成等理化特性，为天然油脂及其加工产品的热物性分析提供数据。

DSC被广泛应用于油脂分析中，炉体均温性是DSC的重要组成部分。目前大部分炉体均温性的研究对象都是大型的热处理炉[3-4]，而对DSC炉体的均温性研究不多[5]。为了研究DSC炉体的均温性，本文首先详细介绍了DSC的工作原理及测试流程，然后分析影响炉体均温技术的重要参数，最后根据分析结果做了相关验证实验。

1 DSC系统组成及工作方式

DSC是一种测量参比端与样品端的热流差与温度参数关系的热分析仪器，为了精准获得相应曲线，炉内温度通过程序进行控制[6-7]。DSC的系统组成如图1所示。

由图1可知，DSC主要由加热模块、制冷模块、炉体匀热控制模块和热流信号采集模块等组成。其中，加热模块主要负责DSC内参比端与样品端的加热升温，选择的方式多样，本文选择用加热电阻器；制冷模块主要负责DSC内参比端与样品端的冷却降温，常用的有液氮制冷和风冷，可依据制冷速率和温控的需求选择对应有效的制冷；炉体匀热控制模块主要由匀热炉体、气氛控制器和炉温测温传感器组成，通过闭环的控制方式，实现精确和均匀分布的温度控制；热流信号采集模块主要由热流传感器、信号放大器、微处理器和显控终端组成，通过微处理器对实验流程的控制，在合适的实验节点处采集热流传感器的信号，经由信号放大器，将微弱信号放大至最佳采样区间，实现精准的热流检测。

基于DSC测量原理，DSC可得到物质的热流速率-炉温曲线。典型的热流速率-炉温曲线是在控制炉温变化情况下，以炉温为横坐标，以样品和参比物之间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得到的扫描曲线。物质的热流速率-炉温曲线如图2所示。

图2中曲线上所标的温度T的下标字母特征点代号：p，峰；el，外推始点；l，初始点；l/2，中点；g，玻璃化转变；c，结晶；ef，外推终点；f，终点；m，熔化。

由图2可知，第1个区域是在从恒温模式转变为升温状态的实验开始初期，热流速率-炉温曲线处于初始启动变化区域，最终偏移的量取决于样品的热容和升温速率；第2个区域是在玻璃化转变曲线区，尤其是无定形材料，因为无熔点将会呈现出玻璃化转变，在相应的曲线中会出现1个由于样品热容变化产生的类似台阶的曲线[8]；第3个区域是在结晶过程曲线区，将会出现1个放热峰，放热峰包裹的面积即是结晶焓；第4个区域是在熔融过程曲线区，将会出现1个吸热峰；最后，随着温度的继续上升，某些物质还会发生分解[9]。

通过分析DSC曲线，计算各个特征温度及曲线台阶(例如玻璃化转变)[10]，可得到物质玻璃化转变温度、熔点、结晶温度、氧化诱导温度，同时根据混合物中各种物质的熔化峰位置等信息计算出混合物中详细的组成成分[11]。

2 炉体均温性研究

炉体内均温性是指在DSC炉体内的温度分布和温度梯度到达均匀的一种状态，均温性越好，炉体内的温差越小，等温分布越均匀。均温性作为DSC的重要指标之一，其好坏将直接干扰DSC测量精度，最终影响对检测样品的分析。本文中研究的DSC炉体内径为28 mm，针对这一尺寸的DSC，建立了参比端与样品端处于多种不同距离下的有限元模型，并最终利用有限元分析模拟炉体内部的热流分布，得到最优的参比端与样品端间距。

2.1 有限元建模与仿真分析

基于DSC的工作原理和炉体的机械结构[12]，设计了3种参比端与样品端间距分别为11、12.5、15 mm的有限元模型，根据模型进行仿真分析[13]。首先通过Solid Works软件建立DSC模型，然后按照控制方程组通过ANSYS 有限元仿真软件对模型进行网格划分，在需要增加分析精度的区域密布网格，以提高准确性，最终炉体内部有限元模型如图3所示。

根据DSC中的传热过程，建立如下控制方程组：

G-ρε

(1)

(2)

(3)

ρgi+Fi

(4)

(5)

式中：ρ为气体密度；k为湍动能；t为时间；ui和xi分别为i方向上的速度分量和坐标分量；μ为分子黏性系数；μt为湍流黏性系数；σk=1.0；G为k的产生项；ε为湍动能的耗散率；σε=1.3；Cε1=1.44；Cε2=1.92；uj和xj分别为j方向上的速度分量和坐标分量；τij为次网格剪切应力张量；gi为i方向上的重力体积力；Fi为i方向上的外部体积力；T为温度；u为速度；λ为流体的传热系数；cp为比热容；ST为流体的内热源及由黏性作用流体机械能转换为热能的部分。

方程组中的式(1)为湍动能方程，式(2)为湍动能耗散方程，式(3)为质量守恒方程，式(4)为动量守恒方程，式(5)为能量守恒方程，由式(1)～式(5)即可较为准确地仿真分析出DSC的炉体内部的整体温度场分布。

在控制方程组的约束下及不影响计算准确性和精度的基础上，简化模型及传热过程，并假设炉体底部和炉体盖的对流换热系数α为1.2 W/(m2·K)的第三类边界条件，匀热块四周壁为第一类边界条件。在壁面温度分别设置为150℃和 300℃的条件下，进行不同样品端与参比端距离下的有限元仿真分析。

首先在壁面温度为150℃情况下，有限元仿真得到的不同样品端与参比端距离下的炉体温度场分布，如图4所示。然后在壁面温度为300℃情况下，有限元仿真得到的不同样品端与参比端距离下的炉体温度场分布，如图5所示。

图4 150℃时不同样品端与参比端间距的炉体温度分布图

图5 300℃时不同样品端与参比端间距的炉体温度分布图

分别对比图4、图5的(a)、(b)、(c)小图，可以显然看出参比端与样品端在炉体中所处的位置会影响炉体内气体对流和湍流的情况。当参比端与样品端在炉体中的间距越大时，所造成的对称旋涡流影响的区域越大，同时炉体内的温度差和梯度越多，均温带分布越不均匀，均温性越差。当参比端与样品端在炉体中的间距越小时，均温性越好。但是参比端与样品端在炉体中的间距太小时，参比端与样品端会因热对流而产生相互的热干扰，对检测结果产生影响。考虑到各方面因素，均温性指标在小于0.8℃的前提下，12.5 mm为最佳的参比端与样品端在炉体中的间距。

2.2 实验验证

为了验证有限元仿真分析得到的炉体温度空间分布的有效性，设计了相应验证实验。在如图6所示的位置处选取了4个验证点：点1位于炉体内部中央，距样品支撑架上方9 mm的位置；点3位于点1下方4 mm处；点2位于炉体下盖沿和均热块接触处；点4位于支撑坩埚的热阻处。

图6 炉体均温性实验测量点分布

实验中选用的温度传感器为N型OMEGA铠装热电偶，其热响应时间约为0.25 s、分辨率为0.01℃、直径0.82 mm。将4个铠装热电偶依次布置在如图6所示的4个验证点上，将温度传感器的信号从炉体内引出至出气口，并使用安捷伦的高精度电压表3458A读取温度传感器的电压信号。当让炉体内温度升高后，铠装热电偶开始记录各个验证点在5 min内所有的电压信号，并算出其平均值作为最终数据。最终得到的实验数据与仿真数据进行比较，结果如表1所示。

表1 4个测量点仿真与实测温度对比 ℃

由表1可知，实验测量情况与仿真的吻合度较高，最大偏差为0.64℃，同时两组数据表现出相同的变化趋势，具有较好的一致性，说明本文的有限元仿真分析能够较为精准地反映炉体内部的真实温度分布，具有对炉体设计的指导意义。

3 结 论

本文针对DSC的炉体均温性问题，利用有限元建模与仿真分析，针对样品端与参比端的间距这一重要参数，通过对比多组不同样品端与参比端间距下的炉体内温度分布情况，得到均温性与样品端与参比端间距之间的关系。根据仿真分析和验证实验结果可知，样品端与参比端间距越小，炉体内温度梯度越小，均温性越好。但考虑样品端与参比端距离太近会产生热干扰，所以最终分析得到12.5 mm为最佳样品端与参比端间距，此时均温性最好。

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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

李丽萍(1987)，女，博士研究生，主要从事仪器检测与信号处理工作(E-mail)lilipingup@163.com。

TS207.3;TQ646

A

1003-7969(2017)04-0153-04