CN107389227A - 一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置及其测量方法，属于相变材料状态评价技术领域。本发明的测定装置包括保温箱，保温箱内布置有加热装置、换热循环水管路、进水测温装置、出水测温装置和相变储能材料测温装置，进水测温装置和出水测温装置分别设置于保温箱内部换热循环水管路的进水口和出水口，相变储能材料测温装置用于测量待测相变储能材料的温度，加热装置用于对待测相变储能材料加热；设置耗电测量装置记录加热装置的耗电量；保温箱外表面设有外表面测温装置，用于测量保温箱的散热量；保温箱外部设有与换热循环水管路连通的外部水路，所述外部水路中设有流量计。本发明可以实时测算得到相变储能材料剩余蓄热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置及其测量方法，属于相变材料状态评价技术领域。
背景技术
相变储能材料是一种能在一定温度下在固相、液相、气相等物理状态之间相互转换，同时释放或吸收大量能量的物质。用于储能的相变材料按照成分不同可以分为有机、无机、复合几类，其原理都是利用相变材料在相变温度点大量的气化或液化潜热以及温度变化的少量显热存储或释放能量，实现能量的错时利用。利用相变储能材料的这一特性，可以消纳新能源，实现热量的大量存储，达到以电代煤、能源清洁化利用的效果，如用于冬季生活取暖或提供生活热水等等。
由于利用的是气化/液化潜热，相变储能材料在相变温度点下储存和释放能量时温度基本保持不变，因此无法判断出某一时刻相变储能材料可释放的剩余蓄热量的具体数值，不利于评估相变储能材料的实时蓄热能力，无法对加热控制策略进行优化。目前采用的加热控制策略一般是加热至材料相变温度点以上一定值或放热至材料相变温度点以下一定值，不考虑在中间过程的进行放热或加热，也无法掌握相变储能材料当前的剩余蓄热能力。因此，有必要掌握一种获取相变储能材料剩余蓄热量的测量方法。
发明内容
本发明的发明目的是：针对现有技术的不足，提出一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置及其测量方法，以解决现有的相变储能材料无法实时获取剩余蓄热量的问题。
为了实现上述发明目的，本发明的测定装置，采用的技术方案是：一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，包括保温箱，保温箱内布置有加热装置、换热循环水管路、进水测温装置、出水测温装置和相变储能材料测温装置，进水测温装置和出水测温装置分别设置于保温箱内部换热循环水管路的进水口和出水口，相变储能材料测温装置用于测量待测相变储能材料的温度，加热装置用于对待测相变储能材料加热；设置耗电测量装置记录加热装置的耗电量；保温箱外表面设有外表面测温装置，用于测量保温箱的散热量；保温箱外部设有与换热循环水管路连通的外部水路，所述外部水路中设有流量计。
上述技术方案的进一步特征在于：所述加热装置为电阻丝。
上述技术方案的进一步特征在于：所述耗电测量装置为与电阻丝相连的电表。
上述技术方案的进一步特征在于：所述外部水路包括排气阀、进水三通阀、流量计、水泵、恒温水箱、冷水机和出水控制阀，其中进水三通阀安装在保温箱外的进水口一侧，流量计安装在进水三通阀的前端，水泵安装在流量计5的前端，水泵6的另一端与恒温水箱的出水口相连，排气阀安装在保温箱外的出水口一侧，出水控制阀安装在排气阀的后端，出水控制阀的另一端与冷水机，冷水机的后端与恒温水箱的进水口相连。
上述技术方案的进一步特征在于：所述恒温水箱内设有恒温水箱测温装置。
上述技术方案的进一步特征在于：所述保温箱为不透明金属箱体，箱体内壁安装有保温隔热材料。
相应的，本发明的相变储能材料剩余蓄热量的测量方法，其技术方案包括以下步骤：
1)将待测相变储能材料均匀布置在保温箱内，与加热装置紧密相连，保持换热循环水管路外壁与待测相变储能材料紧密接触，将相变储能材料测温装置布置在待测相变储能材料中部；
保持保温箱密闭，利用加热装置对待测相变储能材料加热，连续记录相变储能材料测温装置测得的温度，得到待测相变储能材料的起始温度T1、相变温度T2和终点温度T3；
2)开启外部水路，使保温箱内的换热循环水管路充满净水，当相变储能材料测温装置测得的温度降至待测相变储能材料的起始温度T1时，关闭外部水路；
3)继续利用加热装置对待测相变储能材料加热直至相变储能材料测温装置测得的温度达到待测相变储能材料的终点温度T3时停止加热，过程中连续记录相变储能材料测温装置测得的温度、外表面测温装置测得的温度，利用耗电测量装置记录加热装置的耗电量QR，并记录加热总时长；
4)开启外部水路，连续记录进水测温装置测得的温度、出水测温装置测得的温度、相变储能材料测温装置测得的温度、外表面测温装置测得的温度以及外部水路中流量计测得流量瞬时值，当相变储能材料测温装置测得的温度降至待测相变储能材料的起始温度T1时，关闭外部水路，并记录换热总时长；
5)按以下公式计算待测相变储能材料的总蓄热量QX：
QX＝η1·QR·3600
其中，η1为待测相变储能材料的蓄热效率；
6)按以下公式计算待测相变储能材料换热过程的剩余蓄热量QLeft(t)瞬时值变化：
QLeft(t)＝QX-qs(t)-qL(t)
其中，qs(t)为待测相变储能材料在t时刻的累计换热释放热量，计算公式为：
其中，η2为换热循环水管路的换热效率，ρ为水的平均密度，cp为水的比热容，Vk为k时刻流量计测得的流量瞬时值，tok为k时刻出水测温装置测得的温度，tik为k时刻进水测温装置测得的温度，Δτk为k时刻时间间隔；
qL(t)为保温箱在t时刻通过箱体表面耗散的热量累计值，计算公式为：
其中，A1为保温箱表面积，Twk为k时刻外表面测温装置测得的温度，Tair为测试环境温度。
本发明相对于现有技术的有益效果如下：
1、现有相变储能装置仅对相变储能材料蓄热起点温度、终点温度进行监测，以保证相变储能装置工作在安全的温度区间范围。本发明利用电加热过程中电阻丝耗电量计算得到相变储能材料总蓄热量，利用换热水管路中循环水进出口温度差计算循环水吸收热量，得到相变储能材料实时释放热量，从而得到相变储能材料实时剩余可释放热量，为估计相变储能材料剩余可利用时长，决策电阻丝再次启动加热时间点提供理论依据和数据支撑。
2、本发明考虑到热传导过程中存在能量损耗，引入传热效率作为影响因子，提高了相变储能材料剩余蓄热量计算的准确性。
3、本发明的结构简单，易于实现，生产成本低，适用范围广。
4、利用本发明，可以通过实时测算得到相变储能材料剩余蓄热量变化曲线，从而实现相变储能材料剩余蓄热量状态的量化表征。
附图说明
图1是本发明所述相变储能材料剩余蓄热量测定装置。
图2是相变储能材料蓄热过程温度变化曲线。
图3是相变储能材料放热过程剩余蓄热量变化曲线。
以上图1中，1为相变储能材料保温箱，2为换热循环水管路，3为排气安全阀，4为进水三通阀，5为流量计，6为水泵，7为进水测温装置，8为出水测温装置，9为相变储能材料测温装置，10为外表面测温装置，11为恒温水箱，12为冷水机，13为配电柜，14为加热电阻丝，15为电表，16为出水控制阀，17为恒温水箱测温装置，18为加热棒。
具体实施方式
下面参照附图，并结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例为一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置及其测量方法，其工作原理是：根据能量守恒原理，相变储能材料释放的热量等于换热循环水带走的热量与保温箱耗散的热量之和。因此，可以利用换热循环水在保温箱进出口处的温度差和流量，计算得到相变储能材料释放热量的累计值，结合相变储能材料最大蓄热量，得到相变储能材料剩余蓄热量，避免了相变储能材料在相变温度点恒温放热无法判断剩余蓄热量的问题。
具体而言，本实施例的相变储能材料剩余蓄热量测定装置，其结构如图1所示，主要包括相变储能材料保温箱1、换热循环水管路2、进水测温装置7、出水测温装置8、相变储能材料测温装置9、外表面测温装置10、加热电阻丝14、电表15和配电柜13以及相变储能材料保温箱1之外的外部水路等。
相变储能材料保温箱1为不透明金属箱体，箱体内壁安装有保温隔热材料，以减少相变储能材料的热量耗散，箱体外部表面布置有外表面测温装置10，用于测量相变储能材料保温箱1的散热量，计算相变储能材料保温箱1的保温性能。加热电阻丝14用于对相变储能材料加热，其布置于相变储能材料保温箱1中，经电表15接入配电柜13的380V或220V交流供电系统。相变储能材料保温箱1中布置换热循环水管路2、进水测温装置7、出水测温装置8、相变储能材料测温装置9。进水测温装置7、出水测温装置8分别用于测量相变储能材料保温箱1进水口和出水口的温度，相应设置于相变储能材料保温箱1内部换热循环水管路2的进水口和出水口，以保证所测水温不受外界环境影响。相变储能材料测温装置9用于测量待测相变储能材料的温度。
换热循环水管路2与相变储能材料保温箱1之外的外部水路相连通。该外部水路包括排气阀3、进水三通阀4、流量计5、水泵6、恒温水箱11、冷水机12、出水控制阀16、恒温水箱测温装置17和恒温水箱加热棒18。相变储能材料保温箱1进水口前端安装有进水三通阀4，进水三通阀4前端设置一流量计5，流量计5前端设置一水泵6，水泵6前端与恒温水箱11出水口相连。相变储能材料保温箱1出水口后端设置一排气阀3，排气阀3后端设置出水控制阀16，出水控制阀16后端经出水管路与冷水机12相连，冷水机12后端与恒温水箱11进水口相连。恒温水箱11内壁设置恒温水箱测温装置17，用于观测恒温水箱11内水温，以保证恒温水箱11安全工作并提供规定温度的出水。恒温水箱11内部布置一加热棒18，由配电柜13供电，用于对恒温水箱11加热。出水控制阀16用于对出水进行控制，进水三通阀4可以控制换热循环水管路2的进水或进气。
利用上述测定装置的测量相变储能材料剩余蓄热量的方法如下：
步骤一：首先，将待测相变储能材料均匀布置在相变储能材料保温箱1内，与加热电阻丝14紧密相连，同时保持换热循环水管路2外壁与相变储能材料紧密接触，将相变储能材料测温装置9布置在相变储能材料中部。保持相变储能材料保温箱1密闭，加热电阻丝14通电加热材料并连续记录相变储能材料测温装置9测得的温度(以下称之为测点9温度)，得到起始温度T1、相变温度T2、终点温度T3，如图2所示曲线所示。
步骤二：接着，恒温水箱11注水至最高水位，开启水泵6、冷水机12，利用排气阀3排出换热循环水管路2内的剩余气体，使换热循环水管路2充满净水，当测点9温度降至起始温度T1(图2中T1点)时，关闭水泵6、冷水机12。
步骤三：加热电阻丝14通电对相变储能材料加热，至测点9温度达到终点温度T3(图2中T3点)时断电停止加热，过程中连续记录测点9温度、外表面测温装置10测得的温度(以下称之为测点10温度)，记录电表15显示耗电量QR和加热总时长th1。
步骤四：开启水泵6、冷水机12，连续记录进水测温装置7测得的温度、出水测温装置8测得的温度、测点9温度、测点10温度以及流量计5显示的流量瞬时值V，当测点9温度降至起始温度T1(图2中T1点)时，关闭水泵6、冷水机12，记录换热总时长th2。
步骤五：计算相变储能材料总蓄热量QX，具体公式为：
QX＝η1·QR·3600
其中，η1为相变储能材料的蓄热效率，QR为步骤三中由电表15显示的加热电阻丝14总耗电量(Wh)。
步骤六：计算相变储能材料换热过程的剩余蓄热量QLeft(t)瞬时值变化，并绘制相变储能材料剩余蓄热量变化曲线，如图3所示，具体公式为：
QLeft(t)＝QX-qs(t)-qL(t)
其中，qs(t)为相变储能材料在t时刻的累计换热释放热量，具体公式为：
其中，η2为换热循环水管路2的换热效率，ρ为水的平均密度，cp为水的比热容，Vk为k时刻换热循环水管路2水流量(由流量计5测得)，tok为k时刻相变储能材料保温箱1出水口温度(由出水测温装置测得)，tik为k时刻相变储能材料保温箱1进水口温度(由进水测温装置7测得)，Δτk为k时刻时间间隔，一般取1s。
qL(t)为相变储能材料保温箱1在t时刻通过箱体表面耗散的热量累计值，具体公式为：
其中，A1为保温箱表面积，Twk为k时刻相变储能材料保温箱1表面温度(即测点10温度)，Tair为测试环境温度，一般取25℃，Δτk为k时刻时间间隔，一般取1s。
测量过程中，需要出水时，通过出水控制阀16控制。测量完成后，可通过进水三通阀4向换热循环水管路2内排入气体。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (7)
1.一种相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，包括保温箱，其特征在于：
保温箱内布置有加热装置、换热循环水管路、进水测温装置、出水测温装置和相变储能材料测温装置，进水测温装置和出水测温装置分别设置于保温箱内部换热循环水管路的进水口和出水口，相变储能材料测温装置用于测量待测相变储能材料的温度，加热装置用于对待测相变储能材料加热；设置耗电测量装置记录加热装置的耗电量；
保温箱外表面设有外表面测温装置，用于测量保温箱的散热量；
保温箱外部设有与换热循环水管路连通的外部水路，所述外部水路中设有流量计。
2.根据权利要求1所述的相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，其特征在于：所述加热装置为电阻丝。
3.根据权利要求2所述的相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，其特征在于：所述耗电测量装置为与电阻丝相连的电表。
4.根据权利要求1所述的相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，其特征在于：所述外部水路包括排气阀、进水三通阀、流量计、水泵、恒温水箱、冷水机和出水控制阀，其中进水三通阀安装在保温箱外的进水口一侧，流量计安装在进水三通阀的前端，水泵安装在流量计5的前端，水泵6的另一端与恒温水箱的出水口相连，排气阀安装在保温箱外的出水口一侧，出水控制阀安装在排气阀的后端，出水控制阀的另一端与冷水机，冷水机的后端与恒温水箱的进水口相连。
5.根据权利要求4所述的相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，其特征在于：所述恒温水箱内设有恒温水箱测温装置。
6.根据权利要求1～5任一所述的相变储能材料剩余蓄热量的测定装置，其特征在于：所述保温箱为不透明金属箱体，箱体内壁安装有保温隔热材料。
7.一种相变储能材料剩余蓄热量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将待测相变储能材料均匀布置在保温箱内，与加热装置紧密相连，保持换热循环水管路外壁与待测相变储能材料紧密接触，将相变储能材料测温装置布置在待测相变储能材料中部；
保持保温箱密闭，利用加热装置对待测相变储能材料加热，连续记录相变储能材料测温装置测得的温度，得到待测相变储能材料的起始温度T1、相变温度T2和终点温度T3；
2)开启外部水路，使保温箱内的换热循环水管路充满净水，当相变储能材料测温装置测得的温度降至待测相变储能材料的起始温度T1时，关闭外部水路；
3)继续利用加热装置对待测相变储能材料加热直至相变储能材料测温装置测得的温度达到待测相变储能材料的终点温度T3时停止加热，过程中连续记录相变储能材料测温装置测得的温度、外表面测温装置测得的温度，利用耗电测量装置记录加热装置的耗电量QR，并记录加热总时长；
4)开启外部水路，连续记录进水测温装置测得的温度、出水测温装置测得的温度、相变储能材料测温装置测得的温度、外表面测温装置测得的温度以及外部水路中流量计测得流量瞬时值，当相变储能材料测温装置测得的温度降至待测相变储能材料的起始温度T1时，关闭外部水路，并记录换热总时长；
5)按以下公式计算待测相变储能材料的总蓄热量QX：
QX＝η1·QR·3600
其中，η1为待测相变储能材料的蓄热效率；
6)按以下公式计算待测相变储能材料换热过程的剩余蓄热量QLeft(t)瞬时值变化：
QLeft(t)＝QX-qs(t)-qL(t)
其中，qs(t)为待测相变储能材料在t时刻的累计换热释放热量，计算公式为：
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其中，η2为换热循环水管路的换热效率，ρ为水的平均密度，cp为水的比热容，Vk为k时刻流量计测得的流量瞬时值，tok为k时刻出水测温装置测得的温度，tik为k时刻进水测温装置测得的温度，Δτk为k时刻时间间隔；
qL(t)为保温箱在t时刻通过箱体表面耗散的热量累计值，计算公式为：
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其中，A1为保温箱表面积，Twk为k时刻外表面测温装置测得的温度，Tair为测试环境温度。
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