CN107806459B - 一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，包括流体通道和压电薄膜，沿流体通道来流方向，所述压电薄膜的尾端夹持固定在流体通道内，前端在流体作用力与自身抗弯刚度产生的回复力的作用下产生周期性涡激振动，振动的压电薄膜的尾迹流场中产生逆卡门涡街和高速冲击管道壁面的射流，实现增加管道传热的目的，同时利用压电效应将涡激振动产生的应变能转化为电能。与现有技术相比，本发明具有可同时增强管道传热和采集电能的功能，增强传热效率比传统的被动式增强传热技术更高；与主动式增强传热技术相比无需外部供给电能，反而可以产生电能供给物联网中的环境和结构安全监测传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种流动传热及智能材料应用领域，尤其是涉及一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置。
背景技术
目前在现有技术中，尚不存在可以同时增强管道传热并采集管道中流体的能量转化成电能为传感器供电的技术。
增强管道传热在电子设备、制冷系统、锅炉系统、电厂和化工厂的管道中具有广泛需求，管道内的流体带走管道壁面产生的热量，从而保证设备在合理的温度范围内正常工作。流体直接流过管道的传热效率低，因此需要增加管道内流体的湍流度，产生相干的涡结构来进一步提升传热效率。目前广泛使用的增强管道传热技术有被动式和主动式两种。其中被动式是在管道内部布置固定的肋片或旋流片等，被动式结构简单，成本低，但产生的相干涡结构尺度小，增强传热效果不如主动式；主动式是利用电能激励致动器产生周期性变形或旋转，优点是增强传热效果更好，缺点是需要外部持续提供电能。
另一方面，物联网的蓬勃发展推动了大量的环境和结构安全传感器的安装使用，众多基于微机电系统的传感器功率在10mW量级，但传感器节点布置分散，数量众多。如果使用传统的布置电缆的方式为大量的低功耗分布式传感器节点供电，就会产生不可承受的电缆铺设成本；如果使用电池，则需要不断为成千上万的分布式传感器节点更换电池，产生巨额人力成本，而且废弃电池会带来环境污染，这使得为大量的分布式布置的传感器节点提供电能成为极具挑战的难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，包括流体通道和压电薄膜，沿流体通道来流方向，所述压电薄膜的尾端夹持固定在流体通道内，前端在流体作用力与自身抗弯刚度产生的回复力的作用下产生周期性涡激振动。
优选的，所述的压电薄膜的无量纲抗弯刚度K为0.2～0.3，K＝B/ρU3L3，其中，B为压电薄膜抗弯刚度，ρ为流体密度，U为流体管道内流体速度，L为压电薄膜长度。在此无量纲抗弯刚度范围内，压电薄膜发生强烈的涡激振动，振幅达到自身长度的30％以上，弯曲变形大，振动呈现良好的周期性，获得增强换热效果好的流场尾迹并采集到高品质的电能。
涡激振动的压电薄膜尾迹中产生的逆卡门涡街贴着管道壁面向下游传输，并有新的涡在振动变形的压电薄膜附近不断产生并脱落进入逆卡门涡街，相邻的旋转方向相反的涡加速涡间的流体流速到平均来流流速的1.2～2.5倍，形成高速冲击两个壁面的射流，同时高速射流依次向下游扫掠过管道的壁面，将管道的壁面上的热量带走，达到增强换热的目的。
更优选的，所述的压电薄膜的涡激振动的振动幅值达到压电薄膜长度的30％以上，其无量纲振动频率f0的工作范围为0.10～0.18，此无量纲振动频率根据观测直接得到，其中，无量纲振动频率f0＝f1L/U，f1为压电薄膜实际振动频率。
优选的，所述的压电薄膜由调整压电薄膜抗弯刚度并增加压电层应变的基底层、具有压电效应的压电层和保护层复合而成。各层之间可以采用自组装的方法制备，或者在层与层之间增加粘合剂。
更优选的，所述的压电层和保护层分别设有两层，并依次复合在基底层两侧。
更优选的，所述的压电层为高分子偏氟乙烯压电层，使用高分子的聚偏氟乙烯(PVDF)，厚度为30～500μm。压电层产生的电能与压电层的应变成正比，压电层长宽高三个方向的压电应变常数d31为16～18pC/N，d32为5～6pC/N，d33为20～21pC/N，压电薄膜的振动幅值和变形越大产生的电能越高。实验表明压电材料可以进行十亿次以上的循环而不降低压电性能。按照涡激振动频率为5Hz计算，压电材料可以持续工作6年以上。PVDF压电薄膜机械性能强度高，断裂伸长可达到20～50％，断裂拉伸强度为35～50Mpa，屈服强度53～57MPa，杨氏模量为2.5GPa，柔软不脆，耐冲击，使用温度范围广-40～80℃，不易受水和化学药品的污染，抗酸和溶剂能力强。
更优选的，所述的基底层使用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料，杨氏模量为2～2.5GPa，与聚偏氟乙烯(PVDF)压电层的杨氏模量接近，因此在压电薄膜涡激振动变形时基底层与压电层可以更好地吻合，而且聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料制作工艺成熟，成本低。
更优选的，当流体管道内流体为液体时，所述保护层为25～50μm的防水保护层，其采用聚对苯二甲酸乙二酯层或防水涂层；
当流体管道内流体为气体时，所述保护层采用防尘绝缘层。
优选的，所述的压电薄膜的尾端采用夹持件固定安装在流体管道内，其中，夹持件采用两块刚性板组成，所述刚性板上下两端固定在流体管道的壁面上。
优选的，所述的压电薄膜还通过整流电路连接外部传感器节点负载，并由整流电路将压电薄膜产生的交流电流和电压转化为传感器节点负载的额定直流电流与电压。压电薄膜周期性涡激振动产生的交流电流和电压要经过整流转换为传感器负载的额定的直流电流和电压值，整流电路包括标准的交流-直流整流桥、电感和直流-直流转换器，电感的选择原则是使感抗与压电薄膜的内部容抗匹配，从而将压电薄膜产生的电能提取给负载，再通过直流-直流转化器将压电薄膜输出的高电压转化为负载的额定电压。压电薄膜的内部容抗Xc＝1/2πf1C，其中f1是压电薄膜实际振动频率，C是压电层的电容。
本发明利用压电材料采集环境中的能量可以持续地为功率为50mW以下低功耗分布式传感器节点提供电能，压电材料是一类具有压电效应的智能材料，当压电材料受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。合理地设计压电材料在管道中的布置方式以及压电材料的物性参数，就可能利用管道内的流体激励压电材料产生周期性变形，从而持续地产生电能，为低功耗分布式传感器节点提供能源。
本发明通过在流体管路内布置压电薄膜，该压电薄膜在来流方向的前缘自由，尾缘被夹持固定。管道中具有一定速度的来流会冲击压电薄膜，压电薄膜在流体力的作用下发生弯曲变形，由于压电薄膜具有一定的抗弯刚度，变形的压电薄膜内部产生的回复力趋向于恢复原来的形状，如果流体力远大于压电薄膜抗弯刚度产生的回复力，压电薄膜就会保持弯曲无法回复；如果流体力非常小，则不能使压电薄膜产生较大弯曲；当调整由流体密度和流体速度决定的流体力与压电薄膜的抗弯刚度的关系在合理的范围内，就可以让压电薄膜产生周期性的大幅值振动，并在振动的压电薄膜尾迹中产生逆卡门涡街，实现增强管道传热的目的，同时压电薄膜涡激振动产生的的变形通过压电效应产生电能，达到采集流体动能转化为电能的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)相比于主动增强传热的技术，本发明不仅不需要外部供给电能，而且能采集流体的动能转化为电能为传感器供电；
2)相比于被动式传热，涡激振动产生的逆卡门涡街尾迹和相邻的反向旋转涡之间产生的加速射流直接冲击壁面的增强传热效果更好；
3)结构简单，成本低，适合量产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的压电薄膜的结构示意图；
图3为本发明压电薄膜涡激振动产生的增强管道传热的流场的流线和速度图；
图4为本发明压电薄膜采集电能的电路图；
图中，1-压电薄膜，2-压电层，3-金属电极，4-基底层，5-保护层，6-连接端子，7-夹持件，8-流体管道，9-流体，10-逆卡门涡街，11-高速射流，12-整流电路，13-传感器节点负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种基于压电薄膜1涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，包括流体通道和压电薄膜1，沿流体通道来流方向，压电薄膜1的尾端夹持固定在流体通道内，前端在流体作用力与自身抗弯刚度产生的回复力的作用下产生周期性涡激振动。
作为本发明的一种优选的实施方式，压电薄膜1的无量纲抗弯刚度K为0.2～0.3，K＝B/ρU3L3，其中，B为压电薄膜1抗弯刚度，ρ为流体密度，U为流体管道8内流体速度，L为压电薄膜1长度。在此无量纲抗弯刚度范围内，压电薄膜1发生强烈的涡激振动，振幅达到自身长度的30％以上，弯曲变形大，振动呈现良好的周期性，获得增强换热效果好的流场尾迹并采集到高品质的电能。涡激振动的压电薄膜1尾迹中产生的逆卡门涡街10贴着管道壁面向下游传输，并有新的涡在振动变形的压电薄膜1附近不断产生并脱落进入逆卡门涡街10，相邻的旋转方向相反的涡加速涡间的流体流速到平均来流流速的1.2～2.5倍，形成高速冲击两个壁面的射流，同时高速射流11依次向下游扫掠过管道的壁面，将管道的壁面上的热量带走，达到增强换热的目的。
作为本发明的一种优选的实施方式的更优选，压电薄膜1的涡激振动的振动幅值达到压电薄膜1长度的30％以上，其无量纲振动频率f0的工作范围为0.10～0.18，其中，无量纲振动频率f0＝f1L/U，f1为压电薄膜1实际振动频率。
作为本发明的一种优选的实施方式，压电薄膜1由调整压电薄膜1抗弯刚度并增加压电层2应变的基底层4、具有压电效应的压电层2和保护层5复合而成。各层之间可以采用自组装的方法制备，或者在层与层之间增加粘合剂。更优选的，压电层2和保护层5分别设有两层，并依次复合在基底层4两侧，组成五层复合结构。
作为上述优选的实施方式的更优选，压电层2为高分子偏氟乙烯压电层2，使用高分子的聚偏氟乙烯(PVDF)，厚度为30～500μm。压电层2产生的电能与压电层2的应变成正比，压电层2长宽高三个方向的压电应变常数d31为16～18pC/N，d32为5～6pC/N，d33为20～21pC/N，压电薄膜1的振动幅值和变形越大产生的电能越高。实验表明压电材料可以进行十亿次以上的循环而不降低压电性能。按照涡激振动频率为5Hz计算，压电材料可以持续工作6年以上。PVDF压电薄膜1机械性能强度高，断裂伸长可达到20～50％，断裂拉伸强度为35～50Mpa，屈服强度53～57MPa，杨氏模量为2.5GPa，柔软不脆，耐冲击，使用温度范围广-40～80℃，不易受水和化学药品的污染，抗酸和溶剂能力强。
更优选的，基底层4使用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料，杨氏模量为2～2.5GPa，与聚偏氟乙烯(PVDF)压电层2的杨氏模量接近，因此在压电薄膜1涡激振动变形时基底层4与压电层2可以更好地吻合，而且聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料制作工艺成熟，成本低。
更优选的，当流体管道8内流体为液体时，保护层5为25～50μm的防水保护层5，其采用聚对苯二甲酸乙二酯层或防水涂层；
当流体管道8内流体为气体时，保护层5采用防尘绝缘层。
作为本发明的一种优选的实施方式，压电薄膜1的尾端采用夹持件7固定安装在流体管道8内，其中，夹持件7采用两块刚性板组成，刚性板上下两端固定在流体管道8的壁面上。
作为本发明的一种优选的实施方式，压电薄膜1还通过整流电路12连接外部传感器节点负载13，并由整流电路12将压电薄膜1产生的交流电流和电压转化为传感器节点负载13的额定直流电流与电压。压电薄膜1周期性涡激振动产生的交流电流和电压要经过整流转换为传感器负载的额定的直流电流和电压值，整流电路12包括标准的交流-直流整流桥、电感和直流-直流转换器，电感的选择原则是使感抗与压电薄膜1的内部容抗匹配，从而将压电薄膜1产生的电能提取给负载，再通过直流-直流转化器将压电薄膜1输出的高电压转化为负载的额定电压。压电薄膜1的内部容抗Xc＝1/2πf1C，其中f1是压电薄膜1实际振动频率，C是压电层2的电容。
实施例1
如图1和图2所示，基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能的装置，其主体为多层复合而成的压电薄膜1，包括两层压电层2，中间夹层为调整压电薄膜1的抗弯刚度并增加压电层2的应变的基底层4，两层压电层2外侧分别是一层保护层5。压电层2两侧镀有金属电极3，两层压电层2的金属电极3并联后由连接端子6连接到后端电路。压电薄膜1尾缘被夹持件7夹持固定在流体管道8中，压电薄膜1在管道内流体9的来流方向的前缘自由，流体9在压电薄膜1产生的涡激振动的作用下在尾迹中产生逆卡门涡街10，相邻的逆卡门涡加速中间流体形成高速冲击射流11，冲击流体管道8的壁面增强传热。图3展示的是在管道高度的中部截面内使用粒子图像测速方式获得的流场的流线和速度图，以及一个周期内压电薄膜1涡激振动的变形状态，速度云图的幅值为无量纲的速度，即当地流体速度U除以压电薄膜上游来流的平均速度U0。可以看出压电薄膜1产生剧烈的振动变形，涡激振动的压电薄膜1的尾迹中产生逆卡门涡街10，相邻的旋转方向相反的涡加速涡间的流体流速到平均来流流速的2倍以上，形成以高速冲击两个壁面的射流11，图3(a～e)展示了在压电薄膜1涡激振动的一个周期内逆卡门涡街10不断向下游传输，并有新的涡在振动变形的压电薄膜1附近产生并脱落进入逆卡门涡街10，同时高速射流11依次向下游扫掠过管道8的壁面，将管道8的壁面上的热量带走，达到增强换热的目的。压电薄膜1的振幅达到压电薄膜1的长度的量级，通过压电层的压电效应产生可观的电能。图4的电路图中展示了压电薄膜1的两个压电层2并联的等效电路图，通过连接端子6连接后端的整流电路12，持续地为低功耗的传感器节点负载13提供电能。
本实例中，压电薄膜1采用了矩形形状，弦长为20mm，展长为60mm。压电层2使用了30μm厚度的聚偏氟乙烯(PVDF)，杨氏模量为2.5GPa。基底层4使用40μm厚度的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料，杨氏模量为2.0-2.5GPa。管道8宽度为40mm，高度为80mm。流体9为水，来流速度为0.3～0.4m/s，对应的压电薄膜1的无量纲抗弯刚度为0.2～0.3，压电薄膜1在此工况范围内可以产生图3所示的剧烈的的涡激振动，增强传热效率达到不使用本发明装置的120％。
本实例中，传感器节点负载13为监测环境温度的传感器，功率为1.5mW,允许输入直流电压范围为4V～30V，传感器的测试温度范围为:-55℃～+150℃。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，管道内流体9为空气，流体管道8宽度为200mm，流体9流速为10～20m/s。压电薄膜1的弦长为54mm，压电层2厚度为100μm，两压电层的金属电极使用串联方式，基底层4厚度为100μm，对应的压电薄膜1的无量纲抗弯刚度仍然保持在0.2～0.3的范围内，以保证在不同质量和不同速度的气体工质中压电薄膜1仍然能产生涡激振动。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，包括流体通道和压电薄膜，沿流体通道来流方向，所述压电薄膜的尾端夹持固定在流体通道内，前端在流体作用力与自身抗弯刚度产生的回复力的作用下产生周期性涡激振动；
所述的压电薄膜的无量纲抗弯刚度K为0.2～0.3，K＝B/ρU3L3，其中，B为压电薄膜抗弯刚度，ρ为流体密度，U为流体管道内流体速度，L为压电薄膜长度；
所述的压电薄膜的涡激振动的振动幅值达到压电薄膜长度的30％以上，其无量纲振动频率f0的工作范围为0.10～0.18，其中，无量纲振动频率f0＝f1L/U，f1为压电薄膜实际振动频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的压电薄膜由基底层、具有压电效应的压电层和保护层复合而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的压电层和保护层分别设有两层，并依次复合在基底层两侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的压电层为高分子偏氟乙烯压电层，其厚度为30～50μm，杨氏模量为2.0～2.5GPa。
5.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的基底层采用聚对苯二甲酸乙二酯塑料制成，其杨氏模量为2～2.5GPa。
6.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，当流体管道内流体为液体时，所述保护层为25～50μm的防水保护层，其采用聚对苯二甲酸乙二酯层或防水涂层；
当流体管道内流体为气体时，所述保护层采用防尘绝缘层。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的压电薄膜的尾端采用夹持件固定安装在流体管道内，其中，夹持件采用两块刚性板组成，所述刚性板上下两端固定在流体管道的壁面上。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜涡激振动的管道增强传热与采集电能装置，其特征在于，所述的压电薄膜还通过整流电路连接外部传感器节点负载，并由整流电路将压电薄膜产生的交流电流和电压转化为传感器节点负载的额定直流电流与电压。
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