CN110701938B - 一种基于旋转磁场的相变储热强化装置及其运行方法 - Google Patents

一种基于旋转磁场的相变储热强化装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转磁场的相变储热强化装置及其运行方法。该装置包括旋转电机、传动杆、永磁体、储热器外壳体、储热器内腔体、相变材料、磁性粒子、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，永磁体在旋转电机的作用下绕储热器匀速旋转，牵引相变材料液态部分中的磁性粒子绕储热器中轴线圆周运动，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

一种基于旋转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，尤其设计一种基于旋转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，提供一种基于旋转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：
一种基于旋转磁场的相变储热强化装置，所述相变储热强化装置包括动态磁场产生部分和储热器部分；
所述动态磁场产生部分包括旋转电机、传动杆和永磁体，连接方式为：旋转电机与在传动杆的中点垂直相连，永磁体悬挂于传动杆的一端，永磁体在旋转电机的驱动下水平圆周转动；
所述储热器部分包括储热器外壳体、储热器内腔体、相变材料、磁性粒子、传热流体入口和传热流体出口，连接方式为：储热器外壳体同轴布置于储热器内腔体外部，且两者夹持构成流体通道，流体通道与储热器内腔体构成传热接触，相变材料和磁性粒子放置于储热器内腔体中，传热流体入口和传热流体出口分别布置于储热器外壳体两侧；
所述永磁体悬挂位置需保证在旋转电机带动下旋转时不会与所述储热器部分发生碰撞，且永磁体的旋转路径环绕在储热器外壳体外部，旋转过程中对磁性粒子施加绕储热器内腔体中轴线旋转的磁吸力。
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，包括无机相变材料和有机相变材料。
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和永磁体颗粒。
进一步的，所述铁磁性颗粒包括铁、钴、镍颗粒。
作为优选，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根据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储热器外壳体和储热器内腔体之间的流道，热量被回收后温度降低，由传热流体出口流出；贴近储热器外壳体的相变材料吸收载热流体的热量后先熔化成液态，储存热量；旋转电机带动永磁体绕储热器匀速旋转，带动相变材料已熔化部分中的磁性粒子绕储热器旋转，带动相变材料的已熔化部分绕圆周强制对流，加快相变材料的未熔化部分的熔化速率，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储热器外壳体和储热器内腔体之间的流道，被高温的相变材料加热，由传热流体出口流出；贴近储热器外壳体的相变材料换热后先凝固成固态，放出热量；旋转电机带动永磁体绕储热器匀速旋转，带动相变材料的未凝固部分中磁性粒子绕储热器旋转，带动相变材料的未凝固部分绕圆周强制对流，加快相变材料的未凝固部分的凝固速率，强化放热过程。
与现有技术相比，本发明所述的一种基于旋转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；同时，通过旋转永磁体的带动，磁性粒子牵引液态相变材料进行强制对流，强化相变过程。
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是本发明一种基于旋转磁场的相变储热强化装置的结构示意图。
图2是本发明一种基于旋转磁场的相变储热强化装置的储热器俯视图。
图中：旋转电机1、传动杆2、永磁体3、储热器外壳体4、储热器内腔体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体入口8和传热流体出口9。
具体实施方式
本发明的一个较佳实施例提供了一种基于旋转磁场的相变储热强化装置，如图1和2所示，具体包括旋转电机1、传动杆2、永磁体3、储热器外壳体4、储热器内腔体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体入口8和传热流体出口9。
该相变储热强化装置按功能可以划分为动态磁场产生部分和储热器部分。
其中，动态磁场产生部分包括旋转电机1、传动杆2和永磁体3，连接方式为：旋转电机1与在传动杆2的中点垂直相连，进而以中点为旋转中心驱动传动杆2水平转动，永磁体3悬挂于传动杆2的一端，使得永磁体3在旋转电机1的驱动下水平圆周转动。
储热器部分包括储热器外壳体4、储热器内腔体5、相变材料6、磁性粒子7、传热流体入口8和传热流体出口9，连接方式为：储热器内腔体5和储热器外壳体4均呈圆筒状，储热器外壳体4同轴布置于储热器内腔体5外部，且两者夹持构成流体通道，流体通道处入口和出口外均密闭。流体通道与储热器内腔体5构成传热接触，因此两者之间的分隔板尽量采用高导热材料。相变材料6和磁性粒子7放置于储热器内腔体5中，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。传热流体入口8和传热流体出口9分别布置于储热器外壳体4两侧，冷流体或热流体从传热流体入口8流入，然后经过储热器外壳体4后从传热流体出口9流出。为了保证流体在储热器外壳体4内不会出现流动死角，可以设计传热流体入口8和传热流体出口9在储热器外壳体4两侧的布置高度错开，即传热流体入口8和传热流体出口9分别与储热器外壳体4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周向旋转移动来实现的，而磁性粒子7的驱动力来自于永磁体3。永磁体3悬挂位置需保证在旋转电机1带动下旋转时不会与所述储热器部分发生碰撞，且永磁体3的旋转路径环绕在储热器外壳体4外部，旋转过程中对磁性粒子7施加绕储热器内腔体5中轴线旋转的磁吸力。需要注意的是，永磁体3的磁吸力应当保持在适当的值，使其既能够驱动磁性粒子7旋转，又不至于使磁性粒子7过于集中团聚，旋转过程中应当使得磁性粒子7能够总体在整个储热器内腔体5横截面上都有分散。否则，团聚的磁性粒子7容易在相变材料6放热凝固过程中，被集中性的凝固在贴近储热器内腔体5外壁的位置，导致相变材料6中间位置缺少磁性粒子7，进而导致强制对流作用失效。
基于上述相变储热强化装置，本发明还提供了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。然后高温的传热流体通过传热流体入口8流入储热器外壳体4和储热器内腔体5之间的流道，热量被回收后温度降低，由传热流体出口9流出；贴近储热器外壳体4的相变材料6吸收载热流体的热量后先熔化成液态，储存热量；由于换热是在靠近流道的位置进行的，因此储热器内腔体5外侧的相变材料5先吸收传热流体的热量后逐渐熔化成液态，储存热量，而位于中间的相变材料5依然保持固态，在相变材料5中出现了固液界面。旋转电机1带动永磁体3绕储热器匀速旋转，带动相变材料6已熔化部分中的磁性粒子7绕储热器旋转，带动相变材料6的已熔化部分绕圆周强制对流，加快相变材料6的未熔化部分的熔化速率，强化储热过程。
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。然后低温的传热流体通过传热流体入口8流入储热器外壳体4和储热器内腔体5之间的流道，被高温的相变材料6加热，由传热流体出口9流出；贴近储热器外壳体4的相变材料6换热后先凝固成固态，放出热量；由于换热是在靠近流道的位置进行的，因此储热器内腔体5外侧的相变材料5先向传热流体释放热量后逐渐凝固成固态，而位于中间的相变材料5依然保持液态，在相变材料5中出现了固液界面。旋转电机1带动永磁体3绕储热器匀速旋转，带动相变材料6的未凝固部分中磁性粒子7绕储热器旋转，带动相变材料6的未凝固部分绕圆周强制对流，加快相变材料6的未凝固部分的凝固速率，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，本发明中在相变材料储热或放热时，永磁体在旋转电机的作用下绕储热器匀速旋转，牵引相变材料液态部分中的磁性粒子绕储热器中轴线圆周运动，带动液态相变材料强制对流。而且，除了对流换热之外，磁性粒子本身通常具有较高的导热系数，也可提高相变材料的有效导热率。因此，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，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，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 (8)

1.一种基于旋转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动态磁场产生部分和储热器部分；
所述动态磁场产生部分包括旋转电机（1）、传动杆（2）和永磁体（3），连接方式为：旋转电机（1）与传动杆（2）的中点垂直相连，永磁体（3）悬挂于传动杆（2）的一端，永磁体（3）在旋转电机（1）的驱动下水平圆周转动；
所述储热器部分包括储热器外壳体（4）、储热器内腔体（5）、相变材料（6）、磁性粒子（7）、传热流体入口（8）和传热流体出口（9），连接方式为：储热器外壳体（4）同轴布置于储热器内腔体（5）外部，且两者夹持构成流体通道，流体通道与储热器内腔体（5）构成传热接触，相变材料（6）和磁性粒子（7）放置于储热器内腔体（5）中，传热流体入口（8）和传热流体出口（9）分别布置于储热器外壳体（4）两侧；
所述永磁体（3）悬挂位置需保证在旋转电机（1）带动下旋转时不会与所述储热器部分发生碰撞，且永磁体（3）的旋转路径环绕在储热器外壳体（4）外部，旋转过程中对磁性粒子（7）施加绕储热器内腔体（5）中轴线旋转的磁吸力。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转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，包括无机相变材料和有机相变材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于旋转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所述的一种基于旋转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所述的一种基于旋转磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述磁性粒子（7）包括铁磁性颗粒和永磁体颗粒。
6.根据权利要求5所述的一种基于旋转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所述的一种基于旋转磁场的相变储热强化装置，其特征在于，传热流体入口（8）和传热流体出口（9）在储热器外壳体（4）两侧的布置高度错开。
8.一种根据权利要求1~7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（8）流入储热器外壳体（4）和储热器内腔体（5）之间的流道，热量被回收后温度降低，由传热流体出口（9）流出；贴近储热器外壳体（4）的相变材料（6）吸收载热流体的热量后先熔化成液态，储存热量；旋转电机（1）带动永磁体（3）绕储热器匀速旋转，带动相变材料（6）已熔化部分中的磁性粒子（7）绕储热器旋转，带动相变材料（6）的已熔化部分绕圆周强制对流，加快相变材料（6）的未熔化部分的熔化速率，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（8）流入储热器外壳体（4）和储热器内腔体（5）之间的流道，被高温的相变材料（6）加热，由传热流体出口（9）流出；贴近储热器外壳体（4）的相变材料（6）换热后先凝固成固态，放出热量；旋转电机（1）带动永磁体（3）绕储热器匀速旋转，带动相变材料（6）的未凝固部分中磁性粒子（7）绕储热器旋转，带动相变材料（6）的未凝固部分绕圆周强制对流，加快相变材料（6）的未凝固部分的凝固速率，强化放热过程。
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