CN113028875A - 触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统及方法，包括机械振动装置、蓄热单元、温度数据采集仪、四线制PT100薄膜铂电阻、计算机。蓄热单元用于存放过冷水合盐相变材料，机械振动装置用于对蓄热单元施加振动，引起所述过冷水合盐相变材料凝固释能；四线制PT100薄膜铂电阻用于测量过冷水合盐相变材料释能过程中蓄热单元表面的温度变化；温度数据采集仪用于收集四线制PT100薄膜铂电阻测量的温度数据；计算机用于对温度数据进行记录和显示。在释能时，将其内的水合盐相变材料完成充热的蓄热单元放置于地面并成7°倾角，待蓄热单元在环境下自然冷却至室温后，将机械振动装置中的电磁振动器触头直接作用于蓄热单元表面，使水合盐相变材料凝固并释放熔解热。

Description

触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统及方法
技术领域
本发明属于新型环保高效蓄能设备技术领域，特别涉及一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统及方法。
背景技术
随着世界人口增长，化石能源消费量不断增加，由此引发的环境污染和温室效应日趋严重。提高能源利用率，用太阳能等可再生能源来替代化石能源已成为近几年的研究热点。针对太阳能季节性、昼夜周期性的特点，跨季节蓄能技术是解决其供需不匹配的关键手段。蓄能技术可充分利用不稳定能源，将多余热量暂时储存起来，等需要时再释放出去，在太阳能热利用和废、余热回收等领域具有广泛前景。
蓄能技术按照介质可分为显热蓄能、化学蓄能和潜热蓄能三种。显热蓄能系统简单、花费低、技术成熟，但蓄热设备体积庞大、有一定的温度限制；化学蓄能具有蓄热密度高、清洁、无污染等优点，但反应过程复杂、技术难度高；潜热蓄能，又叫相变蓄能，具有材料易获得、储能密度大、系统体积小、在能量存储和释放过程保持温度恒定等特点，可较好解决显热蓄能和化学蓄能存在的问题。
无机水合盐相变材料由于其相变温度适宜，储能密度大，材料易获取，放热温度易控制而成为蓄能材料的绝佳选择。大部分水合盐存在较大过冷度，影响传热效率和热循环稳定性，但这一性质能使其在极少损失热量的情况下实现长期储存，成为实现跨季节储能的有利条件。目前，过冷水合盐长期蓄能主要分为三个阶段：充热、蓄热和触发释能。当有热量需求时，需要触发过冷水合盐相变材料凝固而释放潜热，目前触发过冷水合盐凝固释能的方法主要集中在超声波振动、机械振动、局部低温、施加电场和磁场等，其中机械振动方法简单、有效且无危险性，具有明显实用价值，但针对作用于容器外部的机械振动触发方法研究极少。
发明内容
本发明将直流电源接入电磁振动器，对圆角蓄热单元表面进行振动作用，进而触发蓄热单元内相变材料凝固并释放潜热。目的在于针对机械振动触发方式提供一种简单、有效且无危险性的系统及方法，以提高触发过冷水合盐凝固的效率，对于在中低温建筑跨季节蓄能的实际应用具有重要意义。
一方面，本发明提出了一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，包括：机械振动装置、蓄热单元、温度数据采集仪、四线制PT100薄膜铂电阻、计算机；所述蓄热单元用于存放过冷水合盐相变材料；所述机械振动装置用于对所述蓄热单元施加振动，引起所述过冷水合盐相变材料凝固释能；所述四线制PT100薄膜铂电阻用于测量所述过冷水合盐相变材料释能过程中蓄热单元表面的温度变化；所述温度数据采集仪用于收集所述四线制PT100薄膜铂电阻测量的温度数据；所述计算机用于对所述温度数据进行记录和显示。
进一步，所述机械振动装置包括电磁振动器、MOS管模块、脉冲驱动器、直流电源变压器、导线和插座。
优选地，所述电磁振动器为直流电磁振动器，电压为0-36V，频率0-20Hz，振幅1mm。
优选地，通过调节所述脉冲控制器的频率和直流电源变压器的电压来调节所述机械振动装置的振动频率和振动强度。
优选地，所述直流电源变压器的电压在0-50V之间可变。
优选地，所述蓄热单元为圆角矩形蓄热单元。
优选地，所述圆角矩形蓄热单元表面分布六个测温点，其中背面分布有五个测温点，四个圆角位置各一个、中心一个；正面中心布置一个测温点。
另一方面，本发明提出一种采用上述系统触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，包括：将其内的水合盐相变材料完成充热的蓄热单元放置于地面并成7°倾角；蓄热单元在环境下自然冷却至室温；将电磁振动器触头直接作用于蓄热单元表面，使水合盐相变材料凝固并释放熔解热。
优选地，所述直流电磁振动器的频率为20Hz。
优选地，所述直流电源变压器的电压输出为36V。
优选地，机械振动装置在蓄热单元边角处触发振动。
本发明的有益效果在于：利用本发明方法对蓄热单元触发的过程较短，弥补了超声波、局部低温等触发方式诱导时间过长的不足。本发明系统中的电磁振动装置体积小、重量轻、可人工手持、操作简单、纯机械装置、无危险性，相比电场和磁场触发安全系数更高。本发明的系统和方法中，通过脉冲控制器和直流电源变压器可自行调节振动频率和强度，可根据不同工况确定最佳触发条件。
附图说明
图1是机械振动装置结构示意图；
图2(a)是蓄热单元正面温度测点分布示意图；图2(b)是蓄热单元背面温度测点分布示意图；
图3是蓄热单元中过冷水合盐相变材料充热后需要释能前蓄热单元的放置示意图；
图4是不同振动频率下触发蓄热单元时，蓄热单元温度随时间变化曲线(振动开始作用时刻为0时刻)；
图5是不同输入电压下触发蓄热单元时，蓄热单元温度随时间变化曲线(振动开始作用时刻为0时刻)。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
本发明提出一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，该系统包括机械振动装置、蓄热单元、温度数据采集仪，四线制PT100薄膜铂电阻、计算机等。
图1为机械振动装置的结构示意图，包括电磁振动器1、MOS管模块2、脉冲驱动器3、直流电源变压器4、导线5、插座6。在本发明的一个实施方式中，电磁振动器1优选为直流电磁振动器，其电压为0-36V，频率0-20Hz，振幅1mm。 MOS管模块2控制电流负载，调节输出。脉冲控制器3优选为可调节频率的。直流电源变压器4的电压优选为0-50V之间可变。
蓄热单元优选采用圆角矩形蓄热单元，如图2(a)和2(b)所示。圆角矩形蓄热单元优选尺寸为600mm(L)×400mm(W)×20mm(H)，圆角半径(r)为 10mm，壁面材料为304不锈钢，受机械振动耐久性良好。圆角矩形蓄热单元中的水合盐相变材料优选为CH3COONa·3H2O。
圆角蓄热单元表面分布测温点，优选测温点布置四线制PT100薄膜铂电阻用于测量温度。优选圆角蓄热单元表面分布有六个测温点。测温点的布置，如图2(a)和2(b)所示，优选圆角蓄热单元背面分布有五个测温点，且四个圆角位置各一个、中心一个，圆角蓄热单元正面中心布置一个测温点。数据采集仪将采集到的温度数据发送到计算机，由计算机记录和显示温度随时间的变化曲线。
在释能之前，蓄热单元内的水合盐应该处于过冷状态。此时打开直流变压电源，将电磁振动器作用于圆角矩形蓄热单元表面，在触头振动作用下，局部水合盐溶液产生压力和密度的较大波动，达到临界成核半径而触发结晶。在此过程中，可通过调节脉冲控制器的频率和直流电源变压器的电压来调节振动频率和振动强度。
为说明本发明的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，本发明的实施例中，需要先使得蓄热单元中的水合盐处于过冷状态。先向蓄热单元注入液态水合盐相变材料，充注体积应达到95％以上。采用加热循环系统(太阳能热水器、蓄热水箱、水泵和进、出水管)使蓄热单元内水合盐材料完成充热过程，之后将其搬出放置于地面并成7°左右倾角，如图3所示。蓄热单元在环境下自然冷却至室温(20℃左右)，此时水合盐相变材料处于过冷状态并最终长期稳定存在于蓄热单元中，储存熔解热。
采用四线制PT100薄膜铂电阻为温度测点，在室内环境和蓄热水箱中均布置测点以监测温度变化，如在环境和蓄热水箱中各放置一个测温点。同时蓄热单元表面分布6个测温点T1～T6，如图2(a)和2(b)所示，以记录温度变化。蓄热单元表面六个测温点中第一个出现温度上升的测点为准定义诱导时间为：振动作用开始时刻至温度突然升高(过冷液出现结晶)，即如图4和图5中所示出的，温度曲线突然上升的拐点时刻所经历的时间。测点数据由Agilent 34907A 数据采集仪收集，并通过计算机显示和记录。
当需要热量供应(如冬季的热需求)时，采用本发明中系统和方法，将电磁振动器(如图1所示)触头直接作用于蓄热单元表面，改变其内部液体压力和密度，使分子运动加剧，导致分子聚集达到临界成核半径，形成初始晶核，进而触发全部溶液结晶，释放熔解热。不同触发位置可导致诱导时间不同，在蓄热单元边角处作用诱导时间更短，可更快触发。
改变不同振动频率进行触发，结果如图4所示，随着频率增大，触发过程加快，诱导时间减小，较佳频率为20Hz。
改变不同输入电压进行触发，随着电压升高，振动功率增大，诱导过程加快，图5中示出，较佳输入电压值为36V。
上述实施方式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之内。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 (11)

1.一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，包括：机械振动装置、蓄热单元、温度数据采集仪、四线制PT100薄膜铂电阻、计算机；所述蓄热单元用于存放过冷水合盐相变材料；所述机械振动装置用于对所述蓄热单元施加振动，引起所述过冷水合盐相变材料凝固释能；所述四线制PT100薄膜铂电阻用于测量所述过冷水合盐相变材料释能过程中蓄热单元表面的温度变化；所述温度数据采集仪用于收集所述四线制PT100薄膜铂电阻测量的温度数据；所述计算机用于对所述温度数据进行记录和显示。
2.根据权利要求1所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：所述机械振动装置包括电磁振动器、MOS管模块、脉冲驱动器、直流电源变压器、导线和插座。
3.根据权利要求1所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：所述电磁振动器为直流电磁振动器，电压为0-36V，频率0-20Hz，振幅1mm。
4.根据权利要求2所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：通过调节所述脉冲控制器的频率和直流电源变压器的电压来调节所述机械振动装置的振动频率和振动强度。
5.根据权利要求2所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：所述直流电源变压器的电压在0-50V之间可变。
6.根据权利要求1所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：所述蓄热单元为圆角矩形蓄热单元。
7.根据权利要求6所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统，其特征在于：所述圆角矩形蓄热单元表面分布六个测温点，其中背面分布有五个测温点，四个圆角位置各一个、中心一个；正面中心布置一个测温点。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，其特征在于：将其内的水合盐相变材料完成充热的蓄热单元放置于地面并成7°倾角；蓄热单元在环境下自然冷却至室温；将电磁振动器触头直接作用于蓄热单元表面，使水合盐相变材料凝固并释放熔解热。
9.根据权利要求8所述的一种采用权利要求1-7任一项所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，其特征在于：所述直流电磁振动器的频率为20Hz。
10.根据权利要求8所述的一种采用权利要求1-7任一项所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，其特征在于：所述直流电源变压器的电压输出为36V。
11.根据权利要求8所述的一种采用权利要求1-7任一项所述的一种触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动系统触发过冷水合盐蓄热单元凝固释能的机械振动方法，其特征在于：所述机械振动装置在所述蓄热单元边角处触发振动。
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