CN111551379A - 温差能俘获热机俘能性能实验平台和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温差能俘获热机俘能性能实验平台和实验方法，属于海洋温差能实验室装备技术领域。实验平台包括：可控温水箱，用于模拟海底环境，温差能俘获热机置于所述可控温水箱中，所述温差俘获热机的底部设有连接至所述可控温水箱外部的油管；压力补偿腔体，其内通有液压油，并通过管路一连接至所述油管，形成第一油路；所述压力补偿腔体还设有用于调节所述第一油路内压力的调节机构，和用于测量温差俘获热机内相变材料凝固时体积变化的测量组件一；溢流阀，通过管路二连接至所述油管，形成第二油路；所述溢流阀的阀口处设有用于测量温差俘获热机内相变材料熔化时体积变化的测量组件二。可以实现对温差能俘获热机俘能性能的测试。

Description

温差能俘获热机俘能性能实验平台和实验方法

技术领域

本发明涉及海洋温差能实验室装备技术领域，具体地说，涉及一种温差能俘获热机俘能性能实验平台和实验方法。

背景技术

水下移动观测平台是海洋水体剖面观测的重要手段，主要包括浮标、滑翔机、水下自主航行器、剖面仪四类，对海洋水体剖面观测意义重大。但是能源不足严重限制了水下移动观测平台的使用寿命、剖面频率、观测范围。海洋温差能是水下移动平台在水下能够得到能源补充的重要来源。

水下移动观测平台主要通过温差能俘获热机在工作的过程中进行能源俘获。通常，海洋温差能俘获热机包括水密的导热腔体，容纳于导热腔体的内腔内的相变材料，位于导热腔体内的体积可变油腔，固设在导热腔体的泡沫金属体，及位于相变材料与体积可变油腔之间以隔离二者的密封液体。导热腔体包括筒状缸体，水密且可拆卸地套装在筒状缸体的上敞口端上的上密封端盖，水密且可拆卸地套装在筒状缸体的下敞口端上的下密封端盖，及置于筒状缸体内的油囊。上密封端盖与筒状缸体的内壁面之间采用螺纹可拆卸结构进行固连，并在二者侧壁面之间套装有密封用密封圈，在上密封端盖的中央区域设有填装孔，在填装孔上套装有密封堵头。下密封端盖与筒状缸体的内壁面之间采用螺纹可拆卸结构进行固连，并在二者侧壁面之间套装密封用密封圈，在下密封端盖上设置过油孔，金属密封件与过油孔螺纹连接并基于密封垫圈等密封件进行密封配合，而将油管与体积可变油腔连接，体积可变油腔具有与外部油路连接的油路接口。其中，油囊用于将筒状缸体的内腔分隔成前述体积可变油腔与用于容纳泡沫金属体的容纳腔，容纳腔被泡沫金属体所填充后剩余的腔室用于容纳相变材料与密封液体，泡沫金属体的孔隙构成多孔状态容纳腔，在相变材料完全融化时用于容纳相变材料，利用相变材料完全包围泡沫金属体，而在相变材料完全固化收缩时，用于相变材料与部分密封液体。油囊的油口与油管的端口套装固连而连通，利用油囊的内腔构建体积可变油腔。

以上现有的温差能俘获热机存在俘获能量效率低、能量损耗严重、能量俘获周期长、影响水下移动观测平台剖面频率等不足。因此对其俘能性能需要展开研究，以便找提升俘能效率和俘能周期的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种温差能俘获热机俘能性能实验平台和实验方法，用以研究影响温差能俘获热机俘能性能的参数特性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明的温差能俘获热机俘能性能实验平台包括：

可控温水箱，用于模拟海底环境，温差能俘获热机置于所述可控温水箱中，所述温差俘获热机的底部设有连接至所述可控温水箱外部的油管；

压力补偿腔体，其内通有液压油，并通过管路一连接至所述油管，形成第一油路；所述压力补偿腔体还设有用于调节所述第一油路内压力的调节机构，和用于测量温差俘获热机内相变材料凝固时体积变化的测量组件一；

溢流阀，通过管路二连接至所述油管，形成第二油路；所述溢流阀的阀口处设有用于测量温差俘获热机内相变材料熔化时体积变化的测量组件二。

上述技术方案中，通过可控温水箱模拟海底水下环境，将温差能俘获热机放置到可控温水箱中，通过油管将温差能俘获热机内的体积可变油腔连通至压力补偿腔体，可测量在第一油路的压力一定的情况下，相变材料凝固时的油液体积减少的数据。通过油管将温差能俘获热机内的体积可变油腔连通至溢流阀，可测量在第二油路的压力在目标压力下，相变材料熔化时的油液体积增多的数据。基于上述测量的数据，可以实现对温差能俘获热机俘能性能的测试，明确温差能俘获热机在俘能过程中不同的环境参数对俘能性能的影响关系曲线，优化参数以实现温差能俘获热机高俘能效率和短俘能周期。

可选地，在一个实施例中，所述的调节机构包括设置在所述压力补偿腔体内的活塞，用于测量所述压力补偿腔体内液压油的压力的压力传感器，控制所述活塞移动的致动器，以及与所述压力传感器和所述致动器通讯连接的控制器。

在控制器中设定一个初始压力，当压力传感器的压力数据小于设定的初始压力时，控制器向致动器发出指令使其推动活塞向下运动，压力补偿腔体中油压增高。当压力传感器的压力数据达到设定的初始压力时，控制器控制致动器停止运动。

可选地，在一个实施例中，所述的致动器包括设置在所述压力补偿腔体顶部的滚珠丝杠电机，所述滚珠丝杠电机的丝杆固定在所述活塞的顶部。

可选地，在一个实施例中，所述的压力传感器固定在所述活塞上。

可选地，在一个实施例中，所述的压力补偿腔体为圆筒状，所述的测量组件一为连接在所述活塞上的位移传感器。

控制器通过读入位移传感器的位移量，并通过此数据和压力补偿腔的内径，计算出在一定时间内的油液减少总量，由此反映温差能俘获热机内相变材料的凝固过程。

可选地，在一个实施例中，所述的测量组件二为放置在所述溢流阀的阀口处的量筒。

可选地，在一个实施例中，所述的油管连接有为各油路补充液压油的打油泵，油管上还设有测量油路油压的压力表。

可选地，在一个实施例中，所述的第一油路和第二油路上均设有截止阀。

可选地，在一个实施例中，所述的可控温水箱内设有缠绕在所述温差能俘获热机周围的铜管，所述铜管内通水，通过控制铜管内水的温度实现可控温水箱内的温度变化。

第二方面，本发明的温差能俘获热机俘能性能实验方法基于上述实验平台实现，包括以下步骤：

凝固试验，将溢流阀的压力调至0MPa，关闭第一油路，使第二油路充满液压油；关闭第二油路，并打开第一油路，将可控温水箱中水温降至相变材料凝固点以下；相变材料凝固，体积变小，温差能俘获热机通过第一油路从压力补偿腔体内吸油，压力补偿腔体中液压油减少，测量组件一对液压油的体积进行测量；设定一时间段为一个记录周期，每个周期记录一次液压油的体积数据；当体积数据连续两个观察周期不变化时视为相变凝固过程结束；

熔化试验，在相变凝固过程结束的基础上，关闭第一油路，打开第二油路，将溢流阀压力调至目标压力，使第二油路充满液压油，并保证第二油路内压力达到目标压力；将可控温水箱中水温调至相变材料熔点之上；相变材料熔化，体积膨胀，温差能俘获热机将油液通过第二油路从溢流阀的阀口流出，测量组件二对流出的油液的体积进行测量；设定一时间段为一个记录周期，每个周期记录一次液压油的体积数据；当体积数据连续两个观察周期不变化时视为相变熔化过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

通过本发明的实验平台，可以实现对温差能俘获热机俘能性能测试，明确温差能俘获热机在俘能过程中不同的环境参数对俘能性能的影响关系曲线，优化参数实现俘能热机高俘能效率和短俘能周期。

通过本发明的实验平台不仅对水下移动观测平台的能源补给有着重要意义，为提升水下移动观测平台的使用寿命、剖面频率、观测范围，减少回收布放成本提供实际途径，还对海洋温差能的大规模开发利用有一定的参考价值。

附图说明

图1为温差能俘获热机俘能性能实验平台的机构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1，本实施例的温差能俘获热机俘能性能实验平台包括：可控温水箱100，压力补偿装置200，溢流阀300，手动打油泵500，测量组件一和测量组件二。将温差能俘获热机001放置在可控温水箱100中，温差俘获热机001的底部设有连接至可控温水箱100外部的油管400，油管400上设有压力表401。

压力补偿装置200包括压力补偿腔体201，活塞202，拉线式位移传感器203，压力传感器204，滚珠丝杠电机205和控制器206。压力补偿腔体201内通有液压油208，并通过管路一402连接至油管400，形成第一油路，管路一402上设有手动截止阀402a。压力补偿腔体201为圆筒状。拉线式位移传感器203、压力传感器204和滚珠丝杆电机205通过数据传输线207与控制器206通讯连接，完成数据传输和控制。在相变材料凝固阶段，由于凝固过程具有无序性，因此在常压下的凝固过程中可能形成真空闭孔孔隙，阻碍油液的进入，此时油液的减少速率无法真实反应相变材料的凝固过程。因此采用上述压力补偿装置200。

拉线式位移传感器203为本实施例的测量组件一。活塞202，拉线式位移传感器203，压力传感器204，滚珠丝杠电机205和控制器206构成本实施例的中调节第一油路内压力的调节机构。在控制器206中设定一个初始压力，当通过数据传输线207读到的压力传感器204的压力数据小于设定的初始压力时，控制器206向滚珠丝杠电机205发出指令使其推动活塞202向下运动，压力补偿腔体201中油压增高。当压力传感器204的压力数据达到设定的初始压力时，控制器206控制滚珠丝杠电机205停止运动。控制器206通过数据传输线207读入拉线式位移传感器203的位移量，并通过此数据和压力补偿腔体201的内径，计算出在一定时间内的油液减少总量，由此反映温差能俘获热机001内相变材料的凝固过程。

溢流阀300通过管路二403连接至油管400，形成第二油路，管路二403上设有手动截止阀403a。量筒600为本实施例的测量组件二，量筒600放置在溢流阀300的阀口处。

手动打油泵500通过管路三404连通油管400，在管路三404上设有手动截止阀404a。手动打油泵500将液压油输送至第一油路和第二油路中，使各油路充满液压油。

温差能俘获热机主要依靠相变材料在不同相性之间的转化产生的体积变化差来俘获能量，目前主要使用固-液相变材料。因此本实施例的实验平台也是主要针对相变材料的凝固和熔化过程进行特性研究。

在凝固阶段，相变材料由液态变为固态，体积缩小，温差能俘获热机001通过油管400吸进液压油，压力补偿装置200中液压油减少，活塞202下降，通过拉线式传感器203测得液压油减少的总量和减少的速度。在熔化阶段，相变材料由固态变为液态，体积增大，温差能俘获热机001通过油管400挤出液压油，液压油经过溢流阀300排入量筒600，观察量筒600中液压油增加的速率和总量。

利用本实施例的实验平台进行实验的方法包括：

凝固试验，由于在常温下相变材料为液态，因此首先进行凝固试验。将溢流阀300的溢流压力调至0MPa，关闭手动截止阀403a，打开手动截止阀402a和404a。通过手动打油泵500向油管400中打油至溢流阀300的阀口出油，保证整个回路中充满液压油。关闭手动截止阀404a和403a，将可控温水箱100中水温降至相变材料凝固点(5℃)以下，打开手动截止阀402a。相变材料凝固，体积变小。温差能俘获热机001通过油管400从外部吸油。压力补偿腔体201中油液减少，活塞202下降，拉线式位移传感器203伸长。选择20分钟为一个记录周期，每个周期记录一次油位数据。当油位数据连续两个观察周期不变化时视为相变凝固过程结束。

熔化试验，熔化过程在凝固完全的基础上进行。关闭手动截止阀402a，打开手动截止阀403a和404a。将溢流阀300的溢流压力调至目标压力，通过手动打油泵500向油管400中打油至溢流阀300的阀口出油，此时保证油管400内压力达到目标压力，并可通过压力表401查看。将可控温水箱100中水温调整至相变材料熔点之上。相变材料熔化，体积膨胀。温差能俘获热机001将油液从油管400从挤出，油液从溢流阀300的阀口流出，量筒600中油位上升。选择20分钟为一个记录周期，每个周期记录一次油位数据。当油位数据连续两个观察周期不变化时视为相变熔化过程结束。

本实施例的实验平台可在温差能俘获热机所受其他环境参数相同的情况下，对不同温差能俘获热机的腔体内径、腔壁厚度、是否添加传热介质在同一条件下进行实验，探究不同容器腔体机械结构对俘能性能的影响关系曲线。

本实施例的实验平台可在温差能俘获热机所受其他环境参数相同的情况下，在凝固阶段设置不同的初始压力，探究受不同初始压力对相变材料凝固速率、凝固体积变化率的影响关系曲线。

本实施例的实验平台可在温差能俘获热机所受其他环境参数相同的情况下，在熔化阶段设置不同的管道目标压力，探究受不同管道压力对相变材料熔化速率、熔化体积变化率的影响关系曲线。

本实施例的实验平台可在温差能俘获热机所受其他环境参数相同的情况下，改变可变温水箱的环境温度，探究不同的初始环境温度对相变材料相变速率、相变体积变化率的影响。

Claims (10)

1.一种温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，包括：

可控温水箱，用于模拟海底环境，温差能俘获热机置于所述可控温水箱中，所述温差俘获热机的底部设有连接至所述可控温水箱外部的油管；

压力补偿腔体，其内通有液压油，并通过管路一连接至所述油管，形成第一油路；所述压力补偿腔体还设有用于调节所述第一油路内压力的调节机构，和用于测量温差俘获热机内相变材料凝固时体积变化的测量组件一；

溢流阀，通过管路二连接至所述油管，形成第二油路；所述溢流阀的阀口处设有用于测量温差俘获热机内相变材料熔化时体积变化的测量组件二。

2.根据权利要求1所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的调节机构包括设置在所述压力补偿腔体内的活塞，用于测量所述压力补偿腔体内液压油的压力的压力传感器，控制所述活塞移动的致动器，以及与所述压力传感器和所述致动器通讯连接的控制器。

3.根据权利要求2所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的致动器包括设置在所述压力补偿腔体顶部的滚珠丝杠电机，所述滚珠丝杠电机的丝杆固定在所述活塞的顶部。

4.根据权利要求2所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的压力传感器固定在所述活塞上。

5.根据权利要求2所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的压力补偿腔体为圆筒状，所述的测量组件一为连接在所述活塞上的位移传感器。

6.根据权利要求1所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的测量组件二为放置在所述溢流阀的阀口处的量筒。

7.根据权利要求1所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的油管连接有为各油路补充液压油的打油泵，油管上还设有测量油路油压的压力表。

8.根据权利要求1所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的第一油路和第二油路上均设有截止阀。

9.根据权利要求1所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台，其特征在于，所述的可控温水箱内设有缠绕在所述温差能俘获热机周围的铜管，所述铜管内通水，通过控制铜管内水的温度实现可控温水箱内的温度变化。

10.一种基于权利要求1-9任一权利要求所述的温差能俘获热机俘能性能实验平台实现的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

凝固试验，将溢流阀的压力调至0MPa，关闭第一油路，使第二油路充满液压油；关闭第二油路，并打开第一油路，将可控温水箱中水温降至相变材料凝固点以下；相变材料凝固，体积变小，温差能俘获热机通过第一油路从压力补偿腔体内吸油，压力补偿腔体中液压油减少，测量组件一对液压油的体积进行测量；设定一时间段为一个记录周期，每个周期记录一次液压油的体积数据；当体积数据连续两个观察周期不变化时视为相变凝固过程结束；

熔化试验，在相变凝固过程结束的基础上，关闭第一油路，打开第二油路，将溢流阀压力调至目标压力，使第二油路充满液压油，并保证第二油路内压力达到目标压力；将可控温水箱中水温调至相变材料熔点之上；相变材料熔化，体积膨胀，温差能俘获热机将油液通过第二油路从溢流阀的阀口流出，测量组件二对流出的油液的体积进行测量；设定一时间段为一个记录周期，每个周期记录一次液压油的体积数据；当体积数据连续两个观察周期不变化时视为相变熔化过程结束。

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