CN105606645A - 一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法，包括过滤器、风机、排气阀、流量计、进气阀、空气加热器、实验连接管路、相变蓄热设备、冷却器、六个高温电动阀、若干温度和压力传感器、数据采集及控制系统。测试装置传热流体的最高温度可达800℃，拓宽了可测试的范围，同时可以对相变蓄热设备进行梯级蓄热技术的研究，结构紧凑，可实现对太阳能高温空气集热器真实非稳态工况的测试，测试更加全面。本发明所用传热工质为空气，绿色环保，无污染。

Description

一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于热能工业余热和太阳能热能存储以及利用领域，具体涉及一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法。

背景技术

针对太阳能等新能源以及工业余热等都具有间断性和不稳定的特点，需要采用有效的蓄热方式，才能解决能源利用中存在的时间和空间不匹配的问题，有效提高能源利用效率，对缓解能源压力及促进社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。而相变蓄热材料具有蓄热密度大、蓄放热过程温度变化较小等优点，成为一种具有广阔应用前景的蓄热材料。

但是相变蓄热材料还存在着导热系数较低、腐蚀性严重、过冷、相分离等缺点，需要通过相关的实验研究进行改进。目前对相变蓄热设备的研究较少，测试的温度范围较小，同时对相变蓄热材料以及相变蓄热设备进行性能测试的实验装置功能也较为单一，例如多数性能测试平台只能对相变蓄热设备进行单级实验段、单方向流通方向或者定工况测试，不能实现对相变蓄热材料或者相变蓄热设备进行全面的性能测试。为此，亟需一个可用于多种熔盐储热设备性能测试的综合实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能够克服现有测试平台的缺点，对相变蓄热换热器进行双方向、变流量和温度工况等更加全面的蓄热换热测试，也可以进行梯级相变蓄热材料的性能测试；还可以进行更高温度下的性能测试的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法。

在这个实验装置上，可以长期开展各种不同相变蓄热材料和相变蓄热设备的性能测试实验，可以大大降低实验研究成本。

为实现上述目的，本发明的装置包括：与相变蓄热设备相连的高温空气输送系统、空气冷却系统以及数据采集控制系统；

所述的相变蓄热设备内部布置有与数据采集控制系统相连的温度传感器和压力传感器；

所述的高温空气输送系统包括风机以及通过进气管路与风机相连的空气加热器，空气加热器的出口通过实验测试段连接管路与相变蓄热设备的入口相连，所述的空气加热器与数据采集控制系统相连，实验段连接管路进出口布置有与数据采集控制系统相连的温度传感器和压力传感器，所述的进气管路上安装有与数据采集控制系统相连的进气阀和流量计；

所述的空气冷却系统包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器、冷却塔、水箱和水泵，所述的冷却器与相变蓄热设备的出口相连通过冷却器后排入大气。

所述的相变蓄热设备为一组或两至三组首尾相连的(串连)梯级蓄热结构。

所述的风机出口通过三通管接头分别与排气管路和进气管路连接，其中排气管路上安装排气阀，进气管路上还安装有与数据采集控制系统相连的进气压力传感器和进气温度传感器。

所述的风机入口安装有过滤器。

所述的冷却器的入口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统相连的温度传感器。

所述的空气加热器的出口还连接有气体分路，带有入口、出口高温电动阀的相变蓄热设备并联在实验测试段连接管路与气体分路之间，气体分路的出口与实验测试段连接管路的出口相连后与冷却器的入口相连，在位于入口高温电动阀前后的实验测试段连接管路上安装有第一、第二高温电动阀，在位于出口高温电动阀前后的气体分路上安装有第三、第四高温电动阀，所述的入口、出口高温电动阀、第一、第二高温电动阀及第三、第四高温电动阀分别与数据采集控制系统相连。

本发明的测试方法如下：

1)高温空气输送系统流量控制：

数据采集控制系统通过读取流量计测量进入空气加热器的空气流量信息，调节排气阀门的开度，对空气流量进行粗调节，再调节进气阀的开度进行精细调节使进入空气加热器的空气流量达到设定值；

2)高温空气输送系统温度控制：

各温度传感器实时测量空气加热器出口的空气温度以及相变蓄热设备不同位置的温度信息；数据采集控制系统通过温度传感器获取空气加热器出口的空气温度以及相变蓄热设备不同位置的温度信息，与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差对空气加热器的加热功率进行调节达到温度设定值；

在相变蓄热设备内部和与相变蓄热设备相连的实验段连接管路进出口布置有温度传感器和压力传感器，通过数据采集控制系统获得相变蓄热设备内部各点和相变蓄热设备相连的实验段连接管路进出口的温度变化曲线、压力数据，得到不同相变蓄热材料和相变蓄热设备的蓄放热性能、稳定性、安全性。

所述的高温空气输送系统流量控制进气阀的调节：数据采集控制系统根据流量计检测到的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差对进气阀的开度进行精细调节；当数据采集系统及控制器通过流量计所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为正时，数据采集控制系统使进气阀的开度减小；当数据采集控制系统通过流量计所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为负时，数据采集控制系统使进气阀的开度增大。

所述的高温空气输送系统温度控制：当数据采集控制系统检测到的空气加热器出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为正时，使空气加热器的加热功率降低；当数据采集系统及控制系统检测到的空气加热器出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为负时，使空气加热器的加热功率上升。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明提供的一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法，最高传热流体的最高温度可达800℃，拓宽了可测试的范围。通过进气阀门和排气阀门的组合调节流量方式，可以在很宽范围内精确调节工质流量，从而实现在一个实验装置上开展多种蓄热装置性能测试，极大提高了实验装置的使用范围；

2、本发明提供的一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法，结构紧凑，可以根据所需研究的相变材料的种类、含量搭配，在实验测试段连接管路中不同的地方进行更换，以便对相变蓄热设备进行梯级相变蓄热性能的研究；其中的实验连接管路的布置形式使得进入每一个相变蓄热设备时的传热流体的方向一致，保证了对梯级相变蓄热试验中的每个相变蓄热设备的测试工况一致性；在实验连接管路上布置了6个高温电动阀，以保证对空气流路的控制，使得可以让传热流体沿不同的方向流经相变蓄热设备。

3、本发明提供的一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法中空气流量的调节主要通过排气阀、进气阀、PLC可编程控制器的共同作用来实现。排气阀用于空气流量的粗调，而进气阀主要用于空气流量的微调，使流量变化更迅速准确；PLC可编程控制器，根据流量计所提供的瞬时流量与所设定流量曲线的偏差，对进气阀的开度进行调节，从而使空气流量进行非稳态工况的变化，实现对太阳能高温空气集热器真实非稳态工况的测试，测试更加全面。

4、本发明提供的一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法中空气温度的控制主要通过空气加热器、数显温度调节仪、PLC可编程控制器和测温元件组成的测量、调节、控制回路来实现，在电加热过程中测温元件将加热器出口温度电信号送至数显温度调节仪进行放大，比较后显示测量温度值，同时输出信号到固态继电器输入端，从而控制加热器，使温控系统具有良好的控制精度和调节特性，空气温度进行非稳态工况的变化，实现对太阳能高温空气集热器真实非稳态工况的测试，测试更加全面。

5、发明提供的一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置及测试方法，所使用的传热流体为空气，绿色环保无污染。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2a、b、c分别为进行测试时高温电动阀开闭以及传热流体流通情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明的装置包括与相变蓄热设备11相连的高温空气输送系统、空气冷却系统以及数据采集控制系统13；

所述的相变蓄热设备11为一组或两至三组首尾相连的串连梯级蓄热结构，且相变蓄热设备11内部布置有与数据采集控制系统13相连的温度传感器和压力传感器；

所述的高温空气输送系统包括入口安装有过滤器1的风机2，风机(2)出口通过三通管接头分别与排气管路和进气管路连接，其中排气管路上安装排气阀3，进气管路上安装有与数据采集控制系统12相连的进气压力传感器、进气温度传感器、进气阀5和流量计4，进气管路与空气加热器6相连，空气加热器6的出口通过实验测试段连接管路7与相变蓄热设备11的入口相连，所述的空气加热器6与数据采集控制系统13相连，实验段连接管路7进出口布置有与数据采集控制系统13相连的温度传感器和压力传感器，所述的进气管路上安装有与数据采集控制系统13相连的；

所述的空气冷却系统包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器17、冷却塔14、水箱15和水泵16，所述的冷却器17与相变蓄热设备11的出口相连通过冷却器后排入大气，且冷却器17的入口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统13相连的温度传感器；

所述的空气加热器6的出口还连接有气体分路20，带有入口、出口高温电动阀8、18的相变蓄热设备11并联在实验测试段连接管路7与气体分路20之间，气体分路20的出口与实验测试段连接管路7的出口相连后与冷却器17的入口相连，在位于入口高温电动阀10前后的实验测试段连接管路7上安装有第一、第二高温电动阀9、12，在位于出口高温电动阀18前后的气体分路20上安装有第三、第四高温电动阀8、19，所述的入口、出口高温电动阀10、18、第一、第二高温电动阀9、12及第三、第四高温电动阀8、19分别与数据采集控制系统13相连。

本发明的测试方法如下：

1)高温空气输送系统流量控制：

数据采集控制系统13通过读取流量计4测量进入空气加热器6的空气流量信息，调节排气阀门3的开度，对空气流量进行粗调节，数据采集控制系统13根据流量计4检测到的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差对进气阀5的开度进行精细调节；当数据采集系统及控制器13通过流量计4所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为正时，数据采集控制系统13使进气阀5的开度减小；当数据采集控制系统13通过流量计4所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为负时，数据采集控制系统13使进气阀5的开度增大再调节进气阀5的开度进行精细调节使进入空气加热器6的空气流量达到设定值；

2)高温空气输送系统温度控制：

各温度传感器实时测量空气加热器6出口的空气温度以及相变蓄热设备11不同位置的温度信息；数据采集控制系统13通过温度传感器获取空气加热器6出口的空气温度以及相变蓄热设备11不同位置的温度信息，当数据采集控制系统13检测到的空气加热器6出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为正时，使空气加热器6的加热功率降低；当数据采集系统及控制系统13检测到的空气加热器6出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为负时，使空气加热器6的加热功率上升。

在相变蓄热设备11内部和与相变蓄热设备11相连的实验段连接管路7进出口布置有温度传感器和压力传感器，通过数据采集控制系统13获得相变蓄热设备11内部各点和相变蓄热设备11相连的实验段连接管路7进出口的温度变化曲线、压力数据，得到不同相变蓄热材料和相变蓄热设备的蓄放热性能、稳定性、安全性。

参见图2a，当需要对装有单种蓄热工质的相变蓄热设备进行蓄/放热性能测试时，在实验测试段组装阶段，根据实验测试内容，将相变蓄热设备11通过法兰与实验连接管路进行连接，确保各个接口无泄漏。

实验开始前，如图2所示，可以通过调整高温电动阀的开关控制空气的流通管路。如图2c所示，使第一、第二、入、出口高温电动阀9、12、10、18关闭，第三、第四高温电动阀8、19打开，使空气流经气体分路，以便设置高温空气的初始流量以及速度。

当空气流量以及温度上升达到设置值并维持稳定后，通过调节高温电动阀的开闭，使高温空气以不同的方向流经相变蓄热设备，开始相变蓄热设备11的蓄热或者放热性能测试。如图2a所示，第二、第三高温电动阀12、8关闭，第一、入口、出口、第四高温电动阀9、10、18、19打开，使空气自上而下流经所需测试的相变蓄热设备。如图2b所示，第一、第四高温电动阀9、19关闭，入口、出口、第二、第三高温电动阀10、18、12、8打开，使空气自下而上流经所需测试的相变蓄热设备。

当相变蓄热设备完成蓄热或者后，调整高温电动阀的开关，使之恢复到图2c的状态，使空气流经气体分路；如果需要进行进一步的性能测试，可以通过调整空气的流量以及温度至所设定值，重复以上步骤，进行下一步的性能测试。

当需要对装有不同蓄热工质组成的梯级相变蓄热设备进行蓄/放热性能测试时，在相变蓄热设备11组装阶段，根据实验测试内容，将填充有不同相变蓄热材料的不同相变蓄热设备11通过法兰与实验连接管路7连接，确保各个接口无泄漏；可以通过合理布置各相变蓄热设备11的位置，使高温空气沿不同方向通过相变蓄热设备；图2所示的是相变蓄热设备11布置的一种情况，这样的布置方式使得高温空气通过各相变蓄热设备的方向相同；

通过对装有不同蓄热工质组成的梯级相变蓄热设备进行蓄/放热性能测试，可以评价不同相变蓄热材料种类以及含量搭配的蓄热装置的蓄放热性能。

Claims (9)

1.一种高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：包括与相变蓄热设备(11)相连的高温空气输送系统、空气冷却系统以及数据采集控制系统(13)；

所述的相变蓄热设备(11)内部布置有与数据采集控制系统(13)相连的温度传感器和压力传感器；

所述的高温空气输送系统包括风机(2)以及通过进气管路与风机相连的空气加热器(6)，空气加热器(6)的出口通过实验测试段连接管路(7)与相变蓄热设备(11)的入口相连，所述的空气加热器(6)与数据采集控制系统(13)相连，实验段连接管路(7)进出口布置有与数据采集控制系统(13)相连的温度传感器和压力传感器，所述的进气管路上安装有与数据采集控制系统(13)相连的进气阀(5)和流量计(4)；

所述的空气冷却系统包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器(17)、冷却塔(14)、水箱(15)和水泵(16)，所述的冷却器(17)与相变蓄热设备(11)的出口相连通过冷却器后排入大气。

2.根据权利要求1所述的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：所述的相变蓄热设备(11)为一组或两至三组首尾相连的串连梯级蓄热结构。

3.根据权利要求1所述的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：所述的风机(2)出口通过三通管接头分别与排气管路和进气管路连接，其中排气管路上安装排气阀(3)，进气管路上还安装有与数据采集控制系统(13)相连的进气压力传感器和进气温度传感器。

4.根据权利要求1所述的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：所述的风机(2)入口安装有过滤器(1)。

5.根据权利要求1所述的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：所述的冷却器(17)的入口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统(13)相连的温度传感器。

6.根据权利要求1所述的高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置，其特征在于：所述的空气加热器(6)的出口还连接有气体分路(20)，带有入口、出口高温电动阀(10、18)的相变蓄热设备(11)并联在实验测试段连接管路(7)与气体分路(20)之间，气体分路(20)的出口与实验测试段连接管路(7)的出口相连后与冷却器(17)的入口相连，在位于入口高温电动阀(10)前后的实验测试段连接管路(7)上安装有第一、第二高温电动阀(9、12)，在位于出口高温电动阀(18)前后的气体分路(20)上安装有第三、第四高温电动阀(8、19)，所述的入口、出口高温电动阀(10、18)、第一、第二高温电动阀(9、12)及第三、第四高温电动阀(8、19)分别与数据采集控制系统(13)相连。

7.一种如权利要求1-6中任意一项高温梯级相变蓄热设备综合性能测试装置的测试方法，其特征在于：

1)高温空气输送系统流量控制：

数据采集控制系统(13)通过读取流量计(4)测量进入空气加热器(6)的空气流量信息，调节排气阀门(3)的开度，对空气流量进行粗调节，再调节进气阀(5)的开度进行精细调节使进入空气加热器(6)的空气流量达到设定值；

2)高温空气输送系统温度控制：

各温度传感器实时测量空气加热器(6)出口的空气温度以及相变蓄热设备(11)不同位置的温度信息；数据采集控制系统(13)通过温度传感器获取空气加热器(6)出口的空气温度以及相变蓄热设备(11)不同位置的温度信息，与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差对空气加热器(6)的加热功率进行调节达到温度设定值；

在相变蓄热设备(11)内部和与相变蓄热设备(11)相连的实验段连接管路(7)进出口布置有温度传感器和压力传感器，通过数据采集控制系统(13)获得相变蓄热设备(11)内部各点和相变蓄热设备(11)相连的实验段连接管路(7)进出口的温度变化曲线、压力数据，得到不同相变蓄热材料和相变蓄热设备的蓄放热性能、稳定性、安全性。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述的高温空气输送系统流量控制进气阀的调节：数据采集控制系统(13)根据流量计(4)检测到的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差对进气阀(5)的开度进行精细调节；当数据采集系统及控制器(13)通过流量计(4)所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为正时，数据采集控制系统(13)使进气阀(5)的开度减小；当数据采集控制系统(13)通过流量计(4)所获得的实时流量与所设置的流量随时间的变化曲线之间的偏差为负时，数据采集控制系统(13)使进气阀(5)的开度增大。

9.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述的高温空气输送系统温度控制：当数据采集控制系统(13)检测到的空气加热器(6)出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为正时，使空气加热器(6)的加热功率降低；当数据采集系统及控制系统(15)检测到的空气加热器(6)出口的空气温度与所设置的温度随时间的变化曲线之间的偏差为负时，使空气加热器(6)的加热功率上升。