CN109406561A - 一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置 - Google Patents

一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，包括水槽、活动插板、金属泡沫蓄冰半球、半球壳、恒温水浴、数据采集器和图像采集器等；其中，活动插板可拆卸设置在水槽内壁上，半球壳通过周向设置的圆环压板安装在活动插板上，金属泡沫蓄冰半球设置在半球壳内；水槽上部出口通过回水管路与恒温水浴入口连通，且水槽上部出口处连接有回水泵，水槽下部入口通过回水管路与恒温水浴出口连通；数据采集器通过热电偶连接到金属泡沫蓄冰半球内；图像采集器正对水槽设置，电脑分别与数据采集器和图像采集器相连接。本发明能够为金属泡沫蓄冰球提供恒定的球面温度边界条件，且易于安装和更换试件，并能够克服传统冰蓄冷实验相界面变化不直观的缺陷。

Description

一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置
技术领域
本发明属于机械设计领域，具体涉及一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置。
背景技术
国际能源署《世界能源展望2017》基本预测显示，全世界能源和电力需求从长远来看将持续增长，到2040年，该需求将增长30％。以中国为例，近些年随着社会现代化进程的推进，电网负荷不断增加，负荷峰谷差不断拉大，城市电力需求量增长迅速，大多数城市的负荷增长达到10％-24％。我国95％以上的高峰负荷年累计持续时间只有几十个小时，采用增加调峰发电装机的方法来满足这部分高峰负荷很不经济。因此，在保证电力供应要求的同时缩小负荷峰谷差对缓解电力供需紧张的压力、保障电网安全平稳运行意义重大。
随着分时电价及其相关优惠政策在全国范围内的推广，蓄能技术得到了迅速的发展，其中利用冰蓄冷技术能够转移夏季空调系统负荷，利用夜间电网低谷时段的电能进行制冰蓄冷，从而将夏季白天的空调冷负荷转移到夜间，蓄冷技术对于转移电力高峰负荷，实现“削峰填谷”具有显著效果，由于相变材料具有较高的相变潜热，可储存更多的能量而被广泛采用，其中，由于水具有较高的相变潜热且便宜易得，因此通过将水制成冰储存冷量的形式是工程中常用的方法，但对于大多数相变材料而言，虽然其具有较高的相变潜热，能达到较高的储能密度，但其普遍较低的热导率导致其在能量储存和释放过程中换热效率普遍不高，对于水而言，在其蓄冰过程中同样存在这一问题。因此，研究如何改善相变材料较低的热导率从而提升相变材料储能、释能速率对蓄能系统而言具有较高的实际意义。
多孔金属泡沫因其较高的热导率、较大的比表面积等优异性能刚好能够弥补相变材料热导率低下的不足，且其独特的骨架多孔结构还能使相变材料内嵌形成相变材料-金属泡沫复合结构，虽然目前已有大量研究人员针对金属泡沫强化换热进行了一系列研究，但对于金属泡沫在蓄冰过程中相界面的变化规律的研究还有所欠缺且不够直观，且对于目前采用较多的蓄冰球蓄冷技术而言，蓄冰球内部的相界面变化规律对于蓄冰过程具有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其能够为金属泡沫蓄冰球提供恒定的球面温度边界条件，且易于安装和更换试件，并且能够克服传统冰蓄冷实验相界面变化不直观的缺陷，使得在实验过程中能够形象直观地观测并记录相界面变化规律，从而实现实验过程可视化，更加直观、形象、深刻。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，包括水槽、活动插板、金属泡沫蓄冰半球、半球壳、圆环压板、回水泵、恒温水浴、数据采集器、电脑、图像采集器和热电偶；其中，
活动插板可拆卸设置在水槽内壁上，半球壳通过周向设置的圆环压板安装在活动插板上，金属泡沫蓄冰半球设置在半球壳内；水槽上部出口通过回水管路与恒温水浴入口连通，且水槽上部出口处连接有回水泵，水槽下部入口通过回水管路与恒温水浴出口连通；
数据采集器通过热电偶连接到金属泡沫蓄冰半球内；图像采集器正对水槽设置，电脑分别与数据采集器和图像采集器相连接。
本发明进一步的改进在于，回水管路上设置有回水阀，供水管路上设置有供水阀，在供水管路和回水管路之间还设有旁通管路，且旁通管路上设置有旁通阀。
本发明进一步的改进在于，水槽内壁上在竖直方向上平行设置有两个卡条，在水平方向上设置有一个挡块，该活动插板卡扣在两个卡条和挡块之间。
本发明进一步的改进在于，活动插板内部开设有排液孔和排气孔，排液孔和排气孔通过溢流管引出至水槽上方。
本发明进一步的改进在于，半球壳采用具有高热导率的金属材料加工而成。
本发明进一步的改进在于，活动插板与半球壳的接边圆环配合面上开设有密封垫圈槽，密封垫圈槽内设置有密封垫圈。
本发明进一步的改进在于，活动插板上开设有若干沉头螺孔，圆环压板上对应位置也开设有相同数目的普通螺孔，圆环压板上开设有与半球壳的接边圆环相配合的压边凹槽，活动插板与圆环压板通过穿过普通螺孔的螺栓和沉头螺孔内的螺母固定连接。
本发明进一步的改进在于，水槽、活动插板及圆环压板均采用透明有机玻璃加工而成。
本发明进一步的改进在于，实验时，水槽装满有乙二醇溶液。
本发明进一步的改进在于，实验开始前，先将金属泡沫蓄冰半球内的空气排出，将试件准备完毕后，在水槽中灌满乙二醇水溶液，打开回水泵以及恒温水浴，使水槽内的乙二醇水溶液温度降低到所需温度，然后将安装好试件的活动插板固定在水槽内壁上，并连通数据采集器、电脑和图像采集器，监测凝固过程中的温度变化和相界面变化情况。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，首先，能够为蓄冰球提供球面恒温壁面；其次，采用活动插板、圆环压板和螺栓紧固的形式进行固定安装，并通过密封垫圈进行密封，使得更换试件更加方便，能显著提高实验效率；第三，在活动插板上设置排液孔和排气孔，能够在安装时尽量排出内部空气，并在实验过程中及时排出部分液体，避免由于凝固体积膨胀导致内部压力增加而导致实验装置发生泄漏；最后，实现蓄冰球蓄冰实验过程的可视化研究，便于在实验过程中直观地观察、记录蓄冰过程中相界面的变化过程，尤其直观地展示出金属泡沫蓄冰球内部的凝固变化过程，使实验过程更加直观，使研究人员对凝固过程中相界面的变化规律认识更加透彻。
因此，本发明提供的一种实现金属泡沫蓄冰球内部相界面可视化的实验方案，其结构便于试件安装和拆卸，且在测温的同时还能通过热电偶实时采集金属泡沫内部温度情况。
附图说明
图1为本发明提供的金属泡沫蓄冰球可视化实验装置系统图；
图2为水槽的剖面内视结构图；
图3为水槽内部部件拆解图。
附图标记说明：1为水槽，2为活动插板，3为密封垫圈，4为金属泡沫蓄冰半球，5为半球壳，6为圆环压板，7为螺栓，8为溢流管，9为回水泵，10为旁通阀，11为回水阀，12为供水阀，13为恒温水浴，14为数据采集器，15为电脑，16为图像采集器，17为热电偶；
101为卡条，102为挡块，301为密封垫圈槽，501为接边圆环，601为压边凹槽，701为螺母，702为沉头螺孔，703为普通螺孔，801为排液孔，802为排气孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明总的构思是：在实验开始时，水槽1内装满乙二醇溶液，并通过回水泵9与恒温水浴中的低温乙二醇溶液进行循环，不断降低水槽1内乙二醇的温度，直到温度降低到实验所需温度，其中旁通阀10用于调节进入水槽1的乙二醇流量从而使水槽1内液面保持平衡，同时在实验过程中，数据采集器14通过热电偶17采集金属泡沫蓄冰半球4内的温度并传输到电脑15，通过电脑15控制图像采集器16自动采集凝固过程中相界面变化情况，其中，为实现实验过程可视化，本装置中的水槽1和活动插板2均采用透明的有机玻璃制成，且为便于试件安装和拆卸，采用螺栓7进行固定，并采用密封垫圈3进行密封处理，考虑到初始时试件内部可能会存在空气，并且水凝固后体积会有所增加，因此在实验前需要先排出空气，实验过程中需要及时排出部分液体，所以在活动插板2中设置了排气孔802和排液孔801，再通过溢流管8排出水槽1。
为了详细说明本发明的技术内容以及构造和目的，下面结合附图介绍一种具体的实施例。
由图1至图3可知，本发明提供的金属泡沫蓄冰球可视化实验装置的具体构造为：本实验装置包含水槽1、活动插板2、金属泡沫蓄冰半球4、半球壳5、圆环压板6、螺栓7、溢流管8、回水泵9、旁通阀10、回水阀11、供水阀12、恒温水浴13、数据采集器14、电脑15、图像采集器16和热电偶17；其中水槽1上部通过回水管路与恒温水浴13进行连接，且水槽1上部出口处连接回水泵9；其中回水管路上设有回水阀11，供水管路上设有供水阀12，在供回水管路之间还设有旁通管路并安装有旁通阀10；数据采集器14通过热电偶17连接到金属泡沫蓄冰半球4内；电脑15分别与数据采集器14和图像采集器16相连接。水槽1内壁设有卡条101和挡块102，活动插板2通过卡条101和挡块102进行固定。活动插板2内部设有排液孔801和排气孔802，排液孔801和排气孔802与上部的溢流管8进行连接，与半球壳5的接边圆环501配合面上设有密封垫圈槽301，并与密封垫圈3进行配合。金属泡沫蓄冰半球4安装于半球壳5内，且半球壳5采用具有高热导率的金属材料加工而成。活动插板2与圆环压板6通过螺栓7和螺母701进行连接，活动插板2上设有若干沉头螺孔702，圆环压板6上对应位置也设有相同数目的普通螺孔703，圆环压板6上设有压边凹槽601并与半球壳5的接边圆环501相配合。水槽1、活动插板2及圆环压板6均采用透明有机玻璃加工而成。
由图1可知，本发明提供的金属泡沫蓄冰球可视化实验装置的工作流程为：实验开始前，先将金属泡沫蓄冰半球4内的空气通过排气孔802再经溢流管8排出，将试件准备完毕后，在水槽1中灌满乙二醇水溶液，打开供水阀12、回水阀11、水泵9以及恒温水浴13，使水槽1内的乙二醇水溶液温度降低到所需温度，然后将安装好试件的活动插板2通过水槽1侧壁的卡条101和挡块102固定在水槽1侧壁上，并连通数据采集器14、电脑15和图像采集器16，监测凝固过程中的温度变化和相界面变化情况。

Claims (10)

1.一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，包括水槽(1)、活动插板(2)、金属泡沫蓄冰半球(4)、半球壳(5)、圆环压板(6)、回水泵(9)、恒温水浴(13)、数据采集器(14)、电脑(15)、图像采集器(16)和热电偶(17)；其中，
活动插板(2)可拆卸设置在水槽(1)内壁上，半球壳(5)通过周向设置的圆环压板(6)安装在活动插板(2)上，金属泡沫蓄冰半球(4)设置在半球壳(5)内；水槽(1)上部出口通过回水管路与恒温水浴(13)入口连通，且水槽(1)上部出口处连接有回水泵(9)，水槽(1)下部入口通过回水管路与恒温水浴(13)出口连通；
数据采集器(14)通过热电偶(17)连接到金属泡沫蓄冰半球(4)内；图像采集器(16)正对水槽(1)设置，电脑(15)分别与数据采集器(14)和图像采集器(16)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，回水管路上设置有回水阀(11)，供水管路上设置有供水阀(12)，在供水管路和回水管路之间还设有旁通管路，且旁通管路上设置有旁通阀(10)。
3.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，水槽(1)内壁上在竖直方向上平行设置有两个卡条(101)，在水平方向上设置有一个挡块(102)，该活动插板(2)卡扣在两个卡条(101)和挡块(102)之间。
4.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，活动插板(2)内部开设有排液孔(801)和排气孔(802)，排液孔(801)和排气孔(802)通过溢流管(8)引出至水槽(1)上方。
5.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，半球壳(5)采用具有高热导率的金属材料加工而成。
6.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，活动插板(2)与半球壳(5)的接边圆环(501)配合面上开设有密封垫圈槽(301)，密封垫圈槽(301)内设置有密封垫圈(3)。
7.根据权利要求6所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，活动插板(2)上开设有若干沉头螺孔(702)，圆环压板(6)上对应位置也开设有相同数目的普通螺孔(703)，圆环压板(6)上开设有与半球壳(5)的接边圆环(501)相配合的压边凹槽(601)，活动插板(2)与圆环压板(6)通过穿过普通螺孔(703)的螺栓(7)和沉头螺孔(702)内的螺母(701)固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，水槽(1)、活动插板(2)及圆环压板(6)均采用透明有机玻璃加工而成。
9.根据权利要求1所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，实验时，水槽(1)装满有乙二醇溶液。
10.根据权利要求9所述的一种金属泡沫蓄冰球可视化实验装置，其特征在于，实验开始前，先将金属泡沫蓄冰半球(4)内的空气排出，将试件准备完毕后，在水槽(1)中灌满乙二醇水溶液，打开回水泵(9)以及恒温水浴(13)，使水槽(1)内的乙二醇水溶液温度降低到所需温度，然后将安装好试件的活动插板(2)固定在水槽(1)内壁上，并连通数据采集器(14)、电脑(15)和图像采集器(16)，监测凝固过程中的温度变化和相界面变化情况。
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