CN110671957A - 一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。该装置包括第一电磁铁、第二电磁铁、电源、循环延时继电器、储热器壳体、相变材料、磁性粒子、传热流体流道、传热流体入口和传热流体出口。本发明中在相变材料储热或放热时，第一电磁铁和第二电磁铁在电源和循环延时继电器的作用下，交替工作，牵引磁性粒子在固液界面和液态区间上下运动，传递热量，同时磁性粒子还将带动液态相变材料强制对流。本发明通过导热和流动两个方面强化了相变材料的相变过程，可显著提高相变材料的相变速率。

Description

一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法
技术领域
本发明设计强化换热领域，尤其涉及一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。
背景技术
当前社会在经济迅猛发展的同时，化石能源枯竭引发的能源危机也逐步体现，增大可再生能源利用比重的呼声也越来越高。而以太阳能和风能为代表的可再生能源存在来源不连续的特点，因此在实际应用中需要配置能量储存装置。
相变材料具有储热密度高、放热温度恒定、循环稳定性好和控制简单等优点，可广泛应用于太阳能储热、工业余热利用、建筑热回收等领域。但是相变材料导热系数较低，严重限制其储/放热速率的提升，制约了相变材料实际应用的发展。对此，研究者们提出了多种解决方案，如加入翅片管或封装成微胶囊等以增大换热面积，嵌入泡沫金属框架或添加纳米高导热粒子等以提高有效导热率。自然对流对相变材料熔化/凝固过程的促进作用是较为显著的，但现有相变强化技术在提高导热的同时，都在一定程度上限制了液态相变材料的对流，制约其强化相变的效果。因此，亟需一种能够提高导热的同时不削弱甚至强化对流的相变强化装置和方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。
本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：
一种基于交变磁场的相变储热强化装置，所述相变储热强化装置包括交变磁场产生部分和储热器部分；
所述交变磁场产生部分包括第一电磁铁、第二电磁铁、电源和循环延时继电器；连接方式为：第一电磁铁和第二电磁铁通过循环延时继电器并联于电源上且由循环延时继电器控制交替通电；
所述储热器部分包括储热器壳体、相变材料、磁性粒子、传热流体流道、传热流体入口和传热流体出口；连接方式为：相变材料和磁性粒子放置于储热器壳体内部，传热流体流道布置于储热器壳体的下方，且传热流体流道的顶部和储热器壳体的底部接触换热，传热流体入口和传热流体出口分别布置于传热流体流道两侧；所述第一电磁铁布置于储热器壳体上部，第二电磁铁布置于传热流体流道的下部，两个电磁铁对磁性粒子的竖向磁吸力方向相反。
作为优选，所述相变材料是指能够在液态和固态间转化时吸收或放出潜热的低熔点物质，包括无机相变材料或有机相变材料。
进一步的，所述无机相变材料包括熔融盐、水合盐。
进一步的，所述有机相变材料包括石蜡、脂肪酸。
作为优选，所述磁性粒子包括铁磁性颗粒或永磁体颗粒。
作为优选，所述铁磁性颗粒包括铁、钴、镍颗粒。
作为优选，所述传热流体流道、第一电磁铁和第二电磁铁和储热器壳体同心布置，其横截面均为圆形。
作为优选，所述传热流体入口和传热流体出口在传热流体流道两侧的布置高度错开。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任意一项所述相变储热强化装置的运行方法，其包括储热强化方法和放热强化方法；
其中所述储热强化方法为：
高温的传热流体通过传热流体入口流入传热流体流道，热量被回收后温度降低，由传热流体出口流出；储热器底部的相变材料吸收传热流体的热量后熔化成液态，储存热量；通过电源和循环延时继电器控制第一电磁铁和第二电磁铁按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁工作时，第二电磁铁关闭；第一电磁铁关闭时，第二电磁铁工作；两个电磁铁带动相变材料中已熔化部分中的磁性粒子交替性上下移动，将热量由储热器底部携带至固液界面释放，进而加速相变材料中未熔化部分熔化；同时，磁性粒子的运动带动相变材料中的已熔化部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料中未熔化部分熔化，强化储热过程；
其中所述放热强化方法为：
低温的传热流体通过传热流体入口流入传热流体流道，吸收热量后温度升高，由传热流体出口流出。储热器底部的相变材料放出热量后凝固成固态；通过电源和循环延时继电器控制第一电磁铁和第二电磁铁按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁工作时，第二电磁铁关闭；第一电磁铁关闭时，第二电磁铁工作；两个电磁铁带动相变材料的液态部分中的磁性粒子交替性上下移动，将冷量由固液界面携带至相变材料液态部分中释放，加速相变材料中液态部分凝固；同时，磁性粒子的运动带动相变材料中的液态部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料中液态部分凝固，强化放热过程。
与现有技术相比，本发明所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置具有的优势在于通过导热和流动两个方面强化了相变材料的相变过程，显著提高相变材料的相变速率。在相变材料中添加的磁性粒子，通常具有较高的导热系数，可提高相变材料的有效导热率；另一方面，通过两个电磁铁的交替工作，牵引磁性粒子在固液界面和液态区间上下运动，加速热量传递，同时磁性粒子还将带动液态相变材料强制对流，加速相变过程。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种基于交变磁场的相变储热强化装置的结构示意图。
图中：第一电磁铁1、第二电磁铁2、电源3、循环延时继电器4、储热器壳体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体流道8、传热流体入口9和传热流体出口10。
具体实施方式
本发明的一个较佳实施例提供了一种基于交变磁场的相变储热强化装置及其运行方法，如图1所示，具体包括第一电磁铁1、第二电磁铁2、电源3、循环延时继电器4、储热器壳体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体流道8、传热流体入口9和传热流体出口10。
该相变储热强化装置按功能可以划分为交变磁场产生部分和储热器部分。
其中，交变磁场产生部分包括第一电磁铁1、第二电磁铁2、电源3和循环延时继电器4，各部件的连接方式为：第一电磁铁1和第二电磁铁2通过循环延时继电器4并联于电源3上，两者的电路分别接入循环延时继电器4，且由循环延时继电器4控制交替通电，当电路导通时相应电磁铁通电，然后产生电磁性。在循环延时继电器4控制下，第一电磁铁1和第二电磁铁2择一通电。
储热器部分包括储热器壳体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体流道8、传热流体入口9和传热流体出口10，各部件的连接方式为：相变材料6和磁性粒子7放置于储热器壳体5内部。本实施例中的相变材料6是指能够在液态和固态间转化是吸收或放出大量潜热的低熔点物质，包括熔融盐、水合盐等无机相变材料和石蜡、脂肪酸等有机相变材料，可根据需要选择一种或多种。本实施例中的磁性粒子7包括铁、钴、镍等铁磁性颗粒和永磁体颗粒，也可根据需要选择一种或多种。
传热流体流道8设计成圆盘形式，其同心布置于圆筒状的储热器壳体5的下方，传热流体流道8的顶部和储热器壳体5的底部紧密接触实现换热，因此两者之间的分隔板尽量采用高导热材料。传热流体入口9和传热流体出口10对称布置于传热流体流道8两侧，冷流体或热流体从传热流体入口9流入，然后经过传热流体流道8后从传热流体出口10流出。为了保证流体在传热流体流道8内不会出现流动死角，可以设计传热流体入口9和传热流体出口10在传热流体流道8两侧的布置高度错开，即传热流体入口9和传热流体出口分别与传热流体流道8的左侧边偏下位置和右侧边偏上位置相连。
该装置中，强化换热是通过相变材料6中的磁性粒子7上下移动来实现的，而磁性粒子7的驱动力来自于电磁铁。因此，第一电磁铁1布置于储热器壳体5上部，第二电磁铁2布置于传热流体流道8的下部，两个电磁铁对磁性粒子7的竖向磁吸力方向相反。在本实施例中，第一电磁铁1和第二电磁铁2也采用圆盘形式，两者与储热器壳体5同心布置，第一电磁铁1通电时对磁性粒子7施加垂直向下的磁吸力，第二电磁铁2通电时对磁性粒子7施加垂直向上的磁吸力，且此时向上的磁吸力需要足够大使粒子能够克服自身重力向上移动。
基于上述强化装置，本发明还可以提供一种相变储热强化运行方法，其包括储热强化方法和放热强化方法两部分。
其中所述储热强化方法为：
初始状态下，储热器内的相变材料6温度较低，呈固态。然后将高温的传热流体通过传热流体入口9流入传热流体流道8，热量通过换热被相变材料6回收后流体温度降低，由传热流体出口10流出。由于换热是在储热器壳体5的底部进行的，因此储热器底部的相变材料6先吸收传热流体的热量后逐渐熔化成液态，储存热量，而位于上方的相变材料6依然保持固态，在相变材料6下方出现了固液界面。通过电源3和循环延时继电器4控制第一电磁铁1和第二电磁铁2按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁1工作时，第二电磁铁2关闭；第一电磁铁1关闭时，第二电磁铁2工作；两个电磁铁带动相变材料6中已熔化部分中的磁性粒子7交替性上下移动，将热量由储热器底部携带至固液界面释放，进而加速相变材料6中未熔化部分熔化；同时，磁性粒子7的运动带动相变材料6中的已熔化部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料6中未熔化部分熔化，强化储热过程。
同理，其中所述放热强化方法为：
初始状态下，储热器内的相变材料6温度较高，呈液态。低温的传热流体通过传热流体入口9流入传热流体流道8，吸收热量后温度升高，由传热流体出口10流出。由于换热是在储热器壳体5的底部进行的，储热器底部的相变材料7放出热量后逐渐凝固成固态，而位于上方的相变材料6依然保持液态，在相变材料6下方也出现了固液界面。通过电源3和循环延时继电器4控制第一电磁铁1和第二电磁铁2按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁1工作时，第二电磁铁2关闭；第一电磁铁1关闭时，第二电磁铁2工作；两个电磁铁带动相变材料6的液态部分中的磁性粒子7交替性上下移动，将冷量由固液界面携带至相变材料6液态部分中释放，加速相变材料6中液态部分凝固；同时，磁性粒子7的运动带动相变材料6中的液态部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料6中液态部分凝固，强化放热过程。
需要注意的是，上述的“高温”、“低温”仅仅是相对性的表述，并没有明确的温度范围，实际的流体温度需根据实际工况确定。
由此可见，在该装置中相变材料储热或放热时，第一电磁铁和第二电磁铁在电源和循环延时继电器的作用下，交替工作，牵引磁性粒子在固液界面和液态区间上下运动，传递热量，同时磁性粒子还将带动液态相变材料强制对流。本发明通过磁性粒子导热和相变材料流动两个方面，同步强化了相变材料的相变过程，相对于不设置强化措施的储热装置或者仅强制对流的储热装置，均可显著提高相变材料的相变速率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述相变储热强化装置包括交变磁场产生部分和储热器部分；
所述交变磁场产生部分包括第一电磁铁(1)、第二电磁铁(2)、电源(3)和循环延时继电器(4)；连接方式为：第一电磁铁(1)和第二电磁铁(2)通过循环延时继电器(4)并联于电源(3)上且由循环延时继电器(4)控制交替通电；
所述储热器部分包括储热器壳体(5)、相变材料(6)、磁性粒子(7)、传热流体流道(8)、传热流体入口(9)和传热流体出口(10)；连接方式为：相变材料(6)和磁性粒子(7)放置于储热器壳体(5)内部，传热流体流道(8)布置于储热器壳体(5)的下方，且传热流体流道(8)的顶部和储热器壳体(5)的底部接触换热，传热流体入口(9)和传热流体出口(10)分别布置于传热流体流道(8)两侧；所述第一电磁铁(1)布置于储热器壳体(5)上部，第二电磁铁(2)布置于传热流体流道(8)的下部，两个电磁铁对磁性粒子(7)的竖向磁吸力方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述相变材料(6)是指能够在液态和固态间转化时吸收或放出潜热的低熔点物质，包括无机相变材料或有机相变材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述无机相变材料包括熔融盐、水合盐。
4.根据权利要求2所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述有机相变材料包括石蜡、脂肪酸。
5.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述磁性粒子(7)包括铁磁性颗粒或永磁体颗粒。
6.根据权利要求5所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述铁磁性颗粒包括铁、钴、镍颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述传热流体流道(8)、第一电磁铁(1)和第二电磁铁(2)和储热器壳体(5)同心布置，其横截面均为圆形。
8.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述传热流体入口(9)和传热流体出口(10)在传热流体流道(8)两侧的布置高度错开。
9.一种根据权利要求1～8中任意一项所述相变储热强化装置的运行方法，其特征在于，包括储热强化方法和放热强化方法；
其中所述储热强化方法为：
高温的传热流体通过传热流体入口(9)流入传热流体流道(8)，热量被回收后温度降低，由传热流体出口(10)流出；储热器底部的相变材料(6)吸收传热流体的热量后熔化成液态，储存热量；通过电源(3)和循环延时继电器(4)控制第一电磁铁(1)和第二电磁铁(2)按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁(1)工作时，第二电磁铁(2)关闭；第一电磁铁(1)关闭时，第二电磁铁(2)工作；两个电磁铁带动相变材料(6)中已熔化部分中的磁性粒子(7)交替性上下移动，将热量由储热器底部携带至固液界面释放，进而加速相变材料(6)中未熔化部分熔化；同时，磁性粒子(7)的运动带动相变材料(6)中的已熔化部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料(6)中未熔化部分熔化，强化储热过程；
其中所述放热强化方法为：
低温的传热流体通过传热流体入口(9)流入传热流体流道(8)，吸收热量后温度升高，由传热流体出口(10)流出。储热器底部的相变材料(7)放出热量后凝固成固态；通过电源(3)和循环延时继电器(4)控制第一电磁铁(1)和第二电磁铁(2)按照固定周期交替通电产生磁场，且第一电磁铁(1)工作时，第二电磁铁(2)关闭；第一电磁铁(1)关闭时，第二电磁铁(2)工作；两个电磁铁带动相变材料(6)的液态部分中的磁性粒子(7)交替性上下移动，将冷量由固液界面携带至相变材料(6)液态部分中释放，加速相变材料(6)中液态部分凝固；同时，磁性粒子(7)的运动带动相变材料(6)中的液态部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料(6)中液态部分凝固，强化放热过程。
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