CN112577767A - 一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统及方法，该系统包括：发射器，用于安装在相变蓄冷容器内部，N个发生器沿蓄冷容器垂直方向分布；接收器，用于安装在相变蓄冷容器内部，在每个发射器的同一水平面上，M个接收器沿蓄冷容器水平方向分布，M*N个接收器组成多层接收器；集中控制器，分别和发射器以及接收器相信号连接，以控制发射器发出信号，并从接收器接收信号，对蓄冷容器蓄冷量进行计算。本发明基于超声波在液体、不同厚度固体传播时的衰减规律，通过在蓄冷容器内布置多个发射器和多层接收器，利用集中控制器对发射器进行分时控制、并基于蒙特卡洛法对接收到的信号进行分析计算，从而实现相变蓄冷容器蓄冷量的精确计算。

Description

一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统及方法

技术领域

本发明涉及蓄冷领域，特别涉及一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统及方法。

背景技术

蓄冷技术通过在电力低谷时段蓄冷，在电力高峰时段放冷，可以减少空调制冷机组电力高峰期的耗能，一方面实现了电力的移峰填谷，另一方面可以利用峰谷电价差节约空调整体运行费用，是一种能源优化利用技术。其中，蓄冷容器作为冷能存储装置，一般根据用户侧的日用冷需求确定当日的蓄冷量，在一个循环周期内，应保证蓄冷量和放冷量一致。因此，对于蓄冷容器，需要一种可以直接测量或者间接计算其蓄冷量的方法。

对于目前广泛使用的含相变材料的固液两相流体的蓄冷介质，如冰浆、相变微胶囊等，主要以潜热形式存储冷量。由于固液相之间存在密度差，固相在浮力和粘性力共同作用下，会富集在容器的顶部或底部，而富集区堆积的形状、紧密程度等与固体颗粒的形貌和粒径密切相关；在这种情况下，难以通过简单的基于液位相对变化的测量方法精确计算出固相的体积(质量)，也就无法得到蓄冷容器当前准确的蓄冷量。而蓄冷量计算值和真实值之间较大的误差，对于蓄冷系统的能量控制将带来较大的影响，运行过程易于带来蓄冷量不足、无法满足用户需求或者蓄冷量过多、能耗增加等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统及方法，以得到蓄冷容器内的实时蓄冷量，为蓄冷、放冷控制提供精确的参考依据

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统，包括：

发射器，用于安装在相变蓄冷容器内部，N个发射器沿蓄冷容器垂直方向分布；

接收器，用于安装在相变蓄冷容器内部，在每个发射器的同一水平面上，M个接收器沿蓄冷容器水平方向分布，M*N个接收器组成多层接收器；

集中控制器，分别和发射器以及接收器相信号连接，以控制发射器发出信号，并从接收器接收信号，对蓄冷容器蓄冷量进行计算；

其中，N和M为正整数。

进一步地，所述蓄冷容器为柱体，且以柱体底面为蓄冷容器的底部水平放置，蓄冷槽的截面形状为柱体底面形状，包括规则形状和任意不规则形状。

进一步地，所述所述蓄冷容器内的蓄冷介质为含相变材料的固液两相流体。

进一步地，所述发射器为超声波发射器，接收器为超声波接收器。

第二方面，本发明实施例提供了一种相变蓄冷容器蓄冷量测量方法，应用于上述的测量系统，所述方法包括：

S1、集中控制器以时间长度T为循环周期，在一个循环周期内，按垂直顺序分时控制发射器发出信号，发射器发出信号的时间间隔为T/N；

S2、发射器E_i(i＝1,2……N)发出信号后，与该发射器处于同一水平面的M个接收器R_ij(j＝1,2……M)接收信号，并将M个接收信号S_ij传送至集中控制器；

S3、集中控制器根据M个接收信号S_ij的强弱，获得当前发射器E_i与同一个水平面上M个接收器R_ij之间冰层的厚度L_ij，并计算当前冰层面积占蓄冷容器底面积的比例A_i；

S4、将一个周期内计算得到的所有A_i在垂直方向上进行积分，计算得到蓄冷量C_sto；

S5、回到步骤S1，继续进行一个循环。

进一步地，所述蓄冷量C_sto由式(1)计算得到：

式中，C_N为蓄冷容器的额定蓄冷量；S为蓄冷容器底面积；V_N为蓄冷容器100％蓄冷量对应的体积；h_i为发射器E_i在垂直方向上的高度，i＝1,2……N；h₀为蓄冷容器0％蓄冷量对应的高度。

进一步地，所述步骤S3包括：

在集中控制器中设定柱体底面积为S，发射器E_i和接收器R_ij之间水平连线的中点为O_ij；当测得发射器E_i和接收器R_ij之间的冰层厚度为L_ij时，从O_ij位置沿水平连线分别向发射器E_i和接收器R_ij作长为L_ij/2的线段，得到两端点为O_{ij_1}和O_{ij_2}；将同一水平面上的全部端点以线段形式按顺序连接成一个闭合曲面，结合柱体底面积S，利用蒙特卡洛法计算当前冰层面积占蓄冷容器底面积的比例A_i

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明基于超声波在液体、不同厚度固体传播时的衰减规律，通过在蓄冷容器内布置多个发射器和多层接收器，利用集中控制器对发射器进行分时控制、并基于蒙特卡洛法对接收到的信号进行分析计算，从而实现相变蓄冷容器蓄冷量的精确计算。解决了基于液位相对变化测量方法无法计算固相体积的问题，并避免了传统积分计算方法所带来的累积误差，大幅提高了测量方法的适用性和精确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的相变蓄冷容器蓄冷量测量系统应用在圆柱体蓄冷容器的连接示意图；

图2为任一发射器E_i所在平面的信号传输和形状分析示意图。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所示，在本实施例中，蓄冷容器采用圆柱体结构，且以圆柱体的底面圆形作为蓄冷容器的底部水平放置，蓄冷容器内的蓄冷介质为含相变材料的固液两相流体。将N个超声波发射器E₁、E₂、……、E_N从上至下沿蓄冷容器垂直方向均匀安装，使其处于同一垂直方向；在每个发射器的同一水平面上，M个超声波接收器沿蓄冷容器水平方向分布，M*N个接收器组成多层接收器；发射器和接收器分别连接集中控制器，集中控制器一方面用于控制发射器发出信号，并从接收器接收信号，另一方面通过接收到的信号，对蓄冷容器蓄冷量进行计算。对蓄冷容器蓄冷量进行计算。测量及计算步骤包括：

1、设定系统参数。在集中控制器中，设定为蓄冷容器额定蓄冷量C_N、蓄冷容器底面积S、蓄冷容器100％蓄冷量对应的体积V_N、为蓄冷容器0％蓄冷量对应的高度h₀、发射器E_i在垂直方向上的高度h_i(i＝1,2……N)。设定循环周期为T；并在一个循环周期内，根据发射器的数量N，得到发射器发出信号的时间间隔为T/N。

2、发射器分时发出信号。按照从E₁到E_N的顺序，根据时间间隔T/N，每一个时间间隔内，控制一个发射器发出信号；同时，在该时间间隔内，接收器接收到信号之后，集中控制器仅采集与该发射器处于同一水平面的M个接收器的信号。例如，如图2所示，在t＝T*(i-1)/N时刻，集中控制器控制发射E_i发出信号，其它发射器不发出信号；且当发射器E_i发出信号后，若与其处于同一水平面的接收器为7个且分别为R_i1、，R_i2、……R_i7，则R_i1、R_i2、……R_i7将接收到的7个接收信号S_i1、，S_i2、……S_i7传送至集中控制器。

3、冰层面积计算。如图2所示，集中控制器得到7个信号后，根据信号衰减程度与发射器和接收器之间固体厚度的转换关系，得到发射器E_i和接收器R_i1、，R_i2、……R_i7间的冰层厚度分别为L_i1、，L_i2、……L_i7。以发射器E_i和接收器R_i1为例，设定两者的水平连线重点为O_i1，从O_i1位置沿水平连线分别向发射器E_i和接收器R_i1作长为L_i1/2的线段，得到两端点为O_{i1_1}和O_{i1_2}；同理可以得到其它端点。将全部14个端点以线段形式按顺序连接成一个闭合曲面，结合柱体底面积S，也即圆形的面积，利用蒙特卡洛法计算闭合曲面占圆形面积的概率，也即得到当前冰层面积占蓄冷容器底面积的比例A_i。

4、蓄冷量计算。当得到一个周期内全部的A_i之后，将A_i在垂直方向上进行积分，根据以下公式得到蓄冷量C_sto。

5、计时器清零，继续进行一个循环。

综上，本发明基于超声波在液体、不同厚度固体传播时的衰减规律，通过在蓄冷容器内布置多个发射器和多层接收器，利用集中控制器对发射器进行分时控制、并基于蒙特卡洛法对接收到的信号进行分析计算，从而实现相变蓄冷容器蓄冷量的精确计算。该方法解决了基于液位相对变化测量方法无法计算固相体积的问题，并避免了传统积分计算方法所带来的累积误差，大幅提高了测量方法的适用性和精确性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种相变蓄冷容器蓄冷量测量系统，其特征在于，包括：

发射器，用于安装在相变蓄冷容器内部，N个发射器沿蓄冷容器垂直方向分布；

接收器，用于安装在相变蓄冷容器内部，在每个发射器的同一水平面上，M个接收器沿蓄冷容器水平方向分布，M*N个接收器组成多层接收器；

集中控制器，分别和发射器以及接收器相信号连接，以控制发射器发出信号，并从接收器接收信号，对蓄冷容器蓄冷量进行计算；

其中，N和M为正整数。

2.如权利要求1所述的相变蓄冷容器蓄冷量测量系统，其特征在于，所述蓄冷容器为柱体，且以柱体底面为蓄冷容器的底部水平放置，蓄冷槽的截面形状为柱体底面形状，包括规则形状和任意不规则形状。

3.如权利要求1所述的相变蓄冷容器蓄冷量测量系统，其特征在于，所述蓄冷容器内的蓄冷介质为含相变材料的固液两相流体。

4.如权利要求1所述的相变蓄冷容器蓄冷量测量系统，其特征在于，所述发射器为超声波发射器，接收器为超声波接收器。

5.一种相变蓄冷容器蓄冷量测量方法，应用于权利要求1-4任一所述的测量系统，其特征在于，所述方法包括：

S1、集中控制器以时间长度T为循环周期，在一个循环周期内，按垂直顺序分时控制发射器发出信号，发射器发出信号的时间间隔为T/N；

S2、发射器E_i(i＝1,2……N)发出信号后，与该发射器处于同一水平面的M个接收器R_ij(j＝1,2……M)接收信号，并将M个接收信号S_ij传送至集中控制器；

S3、集中控制器根据M个接收信号S_ij的强弱，获得当前发射器E_i与同一个水平面上M个接收器R_ij之间冰层的厚度L_ij，并计算当前冰层面积占蓄冷容器底面积的比例A_i；

S4、将一个周期内计算得到的所有A_i在垂直方向上进行积分，计算得到蓄冷量C_sto；

S5、回到步骤S1，继续进行一个循环。

6.如权利要求5所述的相变蓄冷容器蓄冷量测量方法，其特征在于，所述蓄冷量C_sto由式(1)计算得到：

式中，C_N为蓄冷容器的额定蓄冷量；S为蓄冷容器底面积；V_N为蓄冷容器100％蓄冷量对应的体积；h_i为发射器E_i在垂直方向上的高度，i＝1,2……N；h₀为蓄冷容器0％蓄冷量对应的高度。

7.如权利要求5所述的相变蓄冷容器蓄冷量测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

在集中控制器中设定柱体底面积为S，发射器E_i和接收器R_ij之间水平连线的中点为O_ij；当测得发射器E_i和接收器R_ij之间的冰层厚度为L_ij时，从O_ij位置沿水平连线分别向发射器E_i和接收器R_ij作长为L_ij/2的线段，得到两端点为O_{ij_1}和O_{ij_2}；将同一水平面上的全部端点以线段形式按顺序连接成一个闭合曲面，结合柱体底面积S，利用蒙特卡洛法计算当前冰层面积占蓄冷容器底面积的比例A_i。

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