CN113758342A - 一种基于应变玻璃合金的相变储热装置及储热方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于应变玻璃合金的相变储热装置及储热方法，储热装置包括框架式结构的机架，机架的底板中心设置有刚性环形支撑件，刚性环形支撑件为顶部开口的柱体结构，刚性环形支撑件的内部设置有应变玻璃合金填充床，应变玻璃合金填充床的上方设置有与加载机构相连的压盘，加载机构支撑安装在机架上并能够沿机架在竖直方向上下移动，通过加载机构向下运动带动压盘压缩应变玻璃合金填充床；应变玻璃合金填充床通过热交换网络与用热对象和热源连接，通过压缩从热源蓄热完成的应变玻璃合金填充床，使应变玻璃合金填充床释放潜热，向用热对象提供热量。本发明不仅实现了高效的热量存储，同时实现了热量快速释放和传递，可为瞬时高功率放能设备提供热量。

Description

一种基于应变玻璃合金的相变储热装置及储热方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于应变玻璃合金的相变储热装置及储热方法。
背景技术
随着科技的进步与发展，清洁、绿色的可持续再生的能源供给成为了未来能源应用领域的重要方向，伴随着可再生能源的发展，储能技术不仅具有可以回收、二次利用工业废热、余热以及减少环境污染的优点，而且因其可以解决许多可再生能源存在的波动、不连续的问题而受到越来越多的关注。传统的储热技术包括了显热储热、相变储热和热化学/吸附储热技术，其中显热储热作为目前应用最为广泛的储热技术，其发展受限于其系统体积过大、储能密度过低、成本过高；而热目前化学/吸附储热的研究大多停留在理论阶段；相变储热材料具有的高储热密度、充放热过程温变小等特点，正逐渐受到储热领域研究人员的青睐，然而传统的相变储热材料如有机类相变储热材料石蜡、脂肪酸类等以及熔融盐类相变储热材料，其相变过程存在相分离、过冷、导热性差、相容性差等问题，往往需要通过制备复合材料的方法来解决，但是，通过复合材料的制备往往会造成牺牲储热密度的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于应变玻璃合金的相变储热装置及储热方法，实现热量的高效存储、释放和传递。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于应变玻璃合金的相变储热装置，包括框架式结构的机架，机架的底板中心设置有刚性环形支撑件，刚性环形支撑件为顶部开口的柱体结构，刚性环形支撑件的内部设置有应变玻璃合金填充床，所述应变玻璃合金填充床的上方设置有与加载机构相连的压盘，所述的加载机构支撑安装在机架上并能够沿机架在竖直方向上下移动，通过加载机构向下运动带动压盘压缩应变玻璃合金填充床，所述的刚性环形支撑件用于阻止应变玻璃合金床被压缩时发生弯曲；所述的应变玻璃合金填充床通过热交换网络分别与用热对象和热源连接，通过压缩从热源蓄热完成的应变玻璃合金填充床，使应变玻璃合金填充床释放潜热，向用热对象提供热量。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，所述刚性环形支撑件的内表面涂覆有低导热系数涂层并在低导热系数涂层外侧添加绝热层。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，所述的加载机构采用手动压杆或者电动压缩机构；所述手动压杆的中部通过销钉和压盘铰接，手动压杆的一端开设有条形活动通孔，通过将销钉穿过条形活动通孔实现和机架的连接；所述电动压缩机构包括与压盘相连的驱动装置，驱动装置与设置在机架两侧纵梁上的导轨相连接。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，所述压盘的盘面尺寸与刚性环形支撑件的顶部开口大小相等，所述压盘的作用力方向垂直于应变玻璃合金填充床。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，所述的热交换网络包括两条并列与主回路相连的分支管路，其中一条分支管路上设置有用热对象和第一电磁阀，另一条分支管路上设置有热源和第二电磁阀。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，应变玻璃合金填充床由高换热比表面积的应变玻璃合金填充而成，所述应变玻璃合金为条形圆管状。
作为本发明相变储热装置的一种优选方案，常温下处于马氏体状态的应变玻璃合金填充床能够被温度驱动产生相变；当受到温度高于奥氏体转变终止温度的热源驱动时，应变玻璃合金填充床从热源吸收热量，温度升高至奥氏体转变终止温度以上并发生由马氏体相向奥氏体相的转变，该过程为应变玻璃合金填充床储能过程；储能完成后，应变玻璃合金填充床冷却至环境温度，此时，应变玻璃合金填充床处于应变玻璃相；当通过压盘对应变玻璃合金填充床施加瞬时的压缩应变力，所述的应变玻璃合金填充床由应变玻璃相转变为马氏体相，相变过程释放潜热，应力释放后，应变玻璃合金床仍保持马氏体相。
本发明还提出一种基于应变玻璃合金的相变储热方法，包括以下步骤：
通过热交换网络连通应变玻璃合金填充床和热源，此时处于马氏体相的应变玻璃合金填充床从热源处吸收热量，应变玻璃合金填充床由常温下马氏体相向奥氏体相转变，相变过程伴随应变玻璃合金填充床高度不断增加；完成蓄热过程后，所述应变玻璃合金填充床与其上方的压盘接触，将应变玻璃合金填充床和热源断开，应变玻璃合金填充床自热冷却至常温；
当用热对象需要热量时，加载机构通过压盘产生一个瞬时的压缩应变力来压缩玻璃填充床，并通过热交换网络连通应变玻璃合金填充床和用热对象，应变玻璃合金填充床由应变玻璃相向马氏体相转变，相变过程释放潜热，热量通过热交换网络提供给用热对象，完成放热过程。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：将设置在刚性环形支撑件内部的应变玻璃合金填充床作为储放热部件，刚性环形支撑件阻止应变玻璃合金床被压缩时发生弯曲。传统储热材料的导热率低、储热密度低，本发明有效利用了应变玻璃合金快速放能的优势，实现了高效的热量传递，利用应变玻璃合金固体材料导热率高的特性，实现快速的热量传递，本发明应变玻璃合金相较于传统PCM相变储能材料的导热率提升了1-2个数量级，不需使用复合材料来提高导热率的同时，提升了储能密度，展现了高效的蓄热和释放热量的能力。
附图说明
图1本发明相变储热装置蓄热过程的剖面示意图；
图2本发明相变储热装置蓄热完成时的剖面示意图；
图3本发明相变储热装置放热过程的剖面示意图；
图4本发明相变储热电动压缩装置蓄热过程的剖面示意图；
图5本发明相变储热手动压缩装置蓄热过程的剖面示意图；
图6本发明相变储热装置对应的蓄热放热相变过程示意图；
附图中：101-机架；102-刚性压杆；103-压盘；104-应变玻璃合金填充床；105-刚性环形支撑件；106-第一电磁阀；107-第二电磁阀；108-用热对象；109-热源；110-热交换网络；111-导轨；112-电动压缩机构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种基于应变玻璃合金的相变储热装置，包括框架式结构的机架101，机架101的底板中心和刚性环形支撑件105固定连接，机架101的纵梁内侧安装有加载机构，加载机构可沿机架101竖直方向移动，加载机构的下侧中部位置连接压盘103，刚性环形支撑件105内部安装有应变玻璃合金床104。应变玻璃合金床104由数个具有高比表面积的细长薄壁圆管状的应变玻璃合金自上而下竖直填充而成。通过刚性环形支撑件105的约束，应变玻璃合金床104竖直放置于机架101的上方；应变玻璃合金床104通过热交换网络110、第一电磁阀106和第二电磁阀107分别和用热对象108、热源109连接；通过加载机构下压压盘103，可以对应变玻璃合金床104提供一个瞬时的高压缩应变力，压盘103的位移受刚性环形支持件105限制，刚性环形支撑件105用于防止应变玻璃合金床被压缩时发生弯曲，压盘103的下压过程始终保持竖直位移。刚性环形支撑件105内表面涂有低导热系数涂层并在低导热系数涂层外侧添加绝热层，用于隔绝对外界环境散热。
本发明基于应变玻璃合金的储热方法为：应变玻璃合金填充床104通过热交换网络110吸收热源109的热量，如图1所示，第二电磁阀107处于开启状态，第一电磁阀106处于关闭状态，热源109的热量通过热交换网络110传递给应变玻璃合金床104，应变玻璃合金床104开始进行蓄热过程，当应变玻璃合金床104完成蓄热过程时，如图2所示，关闭第一电磁阀106和第二电磁阀107，应变玻璃合金床104通过自然冷却的方式温度降低到环境温度，当用热对象108需要用热时，如图3所示，开启第一电磁阀106的同时，保持第二电磁阀107处于关闭状态，并利用加载机构向下压动压盘103，对应变玻璃合金床104施加一个瞬时高应力，应变玻璃合金床104发生相变，相变释放的潜热通过热交换网络110输送给用热对象108，放热过程完成后，回到如图1所示的状态，应变玻璃合金床104重新开始蓄热过程。
本发明的加载机构可以是电动压缩机构，如图4所示，电动压缩装置112可以通过导轨111在机架内侧沿竖直方向移动，当电动压缩装置112向下移动时，带动压盘103压缩应变玻璃合金填充床104；如图5所示，为本发明相变储热手动压缩装置结构示意图，手动压杆102的一端带有条形活动通孔，通过销钉和机架101活动连接，手动压杆102的中间位置和压盘103铰接，通过向下压动手动压杆102可以对压盘103施加向下的应力。
本发明基于应变玻璃合金的相变储热装置在外界温度、应力驱动下产生相变吸放热现象，图6描述了本发明相变储热装置对应的蓄热放热相变过程：在常温下处于马氏体相的应变玻璃合金床104，通过外界热源109的加热作用，应变玻璃合金床104由马氏体相向奥氏体相转变，通过自然冷却，应变玻璃合金床104处于应变玻璃相，完成应变玻璃合金床104的蓄热过程，通过外界施加的瞬时高应力，应变玻璃合金床104将由常温下应变玻璃合金相向马氏体相转变，相变过程释放大量潜热，应力卸载后，应变玻璃合金床104仍然保持马氏体相。
本发明利用应变玻璃合金快速放能的优势，实现了高效的热量传递，利用应变玻璃合金固体材料导热率高的特性，实现了快速的热量传递，且应变玻璃合金相较于传统PCM相变储能材料的导热率提升了1-2个数量级，不需要使用复合材料来提高导热率的同时，提升了储能密度，展现了高效的蓄热和释放热量的能力，克服了传统储热材料的制约。
综上，本发明相变储热装置及储热方法不仅实现了高效的热量存储，同时利用了应变玻璃合金的特性，实现了热量的快速释放和传递，可以为瞬时高功率放能的设备提供热量。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：包括框架式结构的机架(101)，机架(101)的底板中心设置有刚性环形支撑件(105)，刚性环形支撑件(105)为顶部开口的柱体结构，刚性环形支撑件(105)的内部设置有应变玻璃合金填充床(104)，所述应变玻璃合金填充床(104)的上方设置有与加载机构相连的压盘(103)，所述的加载机构支撑安装在机架(101)上并能够沿机架(101)在竖直方向上下移动，通过加载机构向下运动带动压盘(103)压缩应变玻璃合金填充床(104)，所述的刚性环形支撑件(105)用于阻止应变玻璃合金床(104)被压缩时发生弯曲；所述的应变玻璃合金填充床(104)通过热交换网络(110)分别与用热对象(108)和热源(109)连接，通过压缩从热源(109)蓄热完成的应变玻璃合金填充床(104)，使应变玻璃合金填充床(104)释放潜热，向用热对象(108)提供热量。
2.根据权利要求1所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：所述刚性环形支撑件(105)的内表面涂覆有低导热系数涂层并在低导热系数涂层外侧添加绝热层。
3.根据权利要求1所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：所述的加载机构采用手动压杆(102)或者电动压缩机构(112)；所述手动压杆(102)的中部通过销钉和压盘(103)铰接，手动压杆(102)的一端开设有条形活动通孔，通过将销钉穿过条形活动通孔实现和机架(101)的连接；所述电动压缩机构(112)包括与压盘(103)相连的驱动装置，驱动装置与设置在机架(101)两侧纵梁上的导轨(111)相连接。
4.根据权利要求1所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：所述压盘(103)的盘面尺寸与刚性环形支撑件(105)的顶部开口大小相等，所述压盘(103)的作用力方向垂直于应变玻璃合金填充床(104)。
5.根据权利要求1所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：所述的热交换网络(110)包括两条并列与主回路相连的分支管路，其中一条分支管路上设置有用热对象(108)和第一电磁阀(106)，另一条分支管路上设置有热源(109)和第二电磁阀(107)。
6.根据权利要求1所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：应变玻璃合金填充床(104)由高换热比表面积的应变玻璃合金填充而成，所述应变玻璃合金为条形圆管状。
7.根据权利要求1或6所述基于应变玻璃合金的相变储热装置，其特征在于：常温下处于马氏体状态的应变玻璃合金填充床(104)能够被温度驱动产生相变；当受到温度高于奥氏体转变终止温度的热源(109)驱动时，应变玻璃合金填充床(104)从热源(109)吸收热量，温度升高至奥氏体转变终止温度以上并发生由马氏体相向奥氏体相的转变，该过程为应变玻璃合金填充床(104)储能过程；储能完成后，应变玻璃合金填充床(104)冷却至环境温度，此时，应变玻璃合金填充床(104)处于应变玻璃相；当通过压盘(103)对应变玻璃合金填充床(104)施加瞬时的压缩应变力，所述的应变玻璃合金填充床(104)由应变玻璃相转变为马氏体相，相变过程释放潜热，应力释放后，应变玻璃合金床(104)仍保持马氏体相。
8.一种如权利要求1至7中任意一项所述基于应变玻璃合金的相变储热装置的储热方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过热交换网络(110)连通应变玻璃合金填充床(104)和热源(109)，此时处于马氏体相的应变玻璃合金填充床(104)从热源(109)处吸收热量，应变玻璃合金填充床(104)由常温下马氏体相向奥氏体相转变，相变过程伴随应变玻璃合金填充床(104)高度不断增加；完成蓄热过程后，所述应变玻璃合金填充床(104)与其上方的压盘(103)接触，将应变玻璃合金填充床(104)和热源(109)断开，应变玻璃合金填充床(104)自热冷却至常温；
当用热对象(108)需要热量时，加载机构通过压盘(103)产生一个瞬时的压缩应变力来压缩玻璃填充床(104)，并通过热交换网络(110)连通应变玻璃合金填充床(104)和用热对象(108)，应变玻璃合金填充床(104)由应变玻璃相向马氏体相转变，相变过程释放潜热，热量通过热交换网络(110)提供给用热对象(108)，完成放热过程。
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