CN113933336A - 相变材料测试组件、测试系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种相变材料测试组件、测试系统及控制方法。该相变材料测试组件包括至少两个蓄热单元，所述蓄热单元包括容器和换热器，所述换热器设在所述容器内，能对所述容器内的相变材料发生热交换；所有所述换热器为串联或/和并联连通。通过多个蓄热单元相互的串、并联连接方式，组成蓄热模块，通过合理的控制方法，可以同时测试多种不同相变温度的材料的循环稳定性，提高工作效率。
Description
技术领域
本申请属于相变蓄热技术领域，具体涉及一种相变材料测试组件、测试系统及控制方法。
背景技术
相变材料是一种自身相态发生改变时能吸收或释放大量潜热的物质，合理利用相变潜热能够改善能源供求在时间和空间上不匹配的问题。随着人们节能环保意识的进一步增强，相变材料在建筑、工业、生活等多个领域受到重视。相变材料在长期的循环使用过程中，其结构和物性参数会发生变化，如相变潜热降低、相分离、过冷度增大等情况，从而导致相变材料在整个循环系统中的充、放热量降低，影响产品的使用寿命。因此，相变材料在投入应用之前，必须通过循环稳定性实验测试其使用寿命。
相变材料的导热系数较小，在系统应用中通常将相变材料填充到换热器中形成相变蓄热器，增强相变材料与流体的换热能力，常用的换热器有管翅式换热器。蓄热器中的相变材料在被翅片划分成一个很小的区域，有利于减少在循环过程中由于重力因素对相变材料带来的分层作用。
现有的测试相变材料的设备，只能提供单一的温度环境，而不同相变温度的材料需要不同的充放热温度，因此上述测试装置不能同时测量多种不同相变温度的相变材料，工作效率低。
发明内容
因此，本申请提供一种相变材料测试组件、测试系统及控制方法，能够解决现有技术中测试装置不能同时测量多种不同相变温度的相变材料的问题。
为了解决上述问题，本申请提供一种相变材料测试组件，包括：
至少两个蓄热单元，所述蓄热单元包括容器和换热器，所述换热器设在所述容器内，能对所述容器内的相变材料发生热交换；所有所述换热器为串联或/和并联连通。
可选地，所述换热器的进出管路上均设有流量调控组件，能调控流经所述换热器的流量。
可选地，所述流量调控组件包括截止阀，所述换热器的进出管路上均设有所述截止阀。
可选地，所述流量调控组件还包括有流量计，所述流量计设在所述换热器的排出管路上。
可选地，所述容器内设有测温组件，能够监测所述相变材料的温度。
可选地，所述测温组件包括隔离管和测温件，所述隔离管设在所述容器内壁上，所述测温件插设于所述隔离管中。
可选地，所述相变材料测试组件还包括有连接件，所述容器外壁与所述连接件之间设有插接组件；一个所述容器能与多个所述连接件插接，一个所述连接件能与多个所述容器插接。
可选地，所述插接组件包括相互匹配的凸出和凹槽，所述凸出和所述凹槽设为圆柱状。
根据本申请的另一方面，提供了一种测试系统，包括如上所述的相变材料测试组件。
可选地，所述测试系统还包括有循环管路，所述循环管路上依次设有所述蓄热单元、加热器和泵送机构；所述蓄热单元还并联连接有进液管路和排液管路。
根据本申请的再一方面，提供了一种如上所述测试系统的控制方法，包括：
多个相变温度相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器中，所有换热器并联连通；通过加热器来改变换热器内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度；
多个相变温度不相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器中；相变温度的差值小于不同换热器内流体的温差，换热器为串联连通；或相变温度的差值大于等于不同换热器内流体的温差，换热器为并联连通；通过加热器来改变每个换热器内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度。
本申请提供的一种相变材料测试组件，包括：至少两个蓄热单元，所述蓄热单元包括容器和换热器，所述换热器设在所述容器内，能对所述容器内的相变材料发生热交换；所有所述换热器为串联或/和并联连通。
通过多个蓄热单元相互的串、并联连接方式，组成蓄热模块，通过合理的控制方法，可以同时测试多种不同相变温度的材料的循环稳定性，提高工作效率。
附图说明
图1为本申请实施例的相变材料测试组件的结构示意图；
图2为本申请实施例的相变材料测试组件的外部连接示意图；
图3为本申请实施例的连接件的结构示意图；
图4为本申请实施例的连接件和蓄热单元的连接关系示意图；
图5为本申请实施例的测试系统的结构示意图。
附图标记表示为：
1、水泵；2、电加热器；3、第一控温装置；4、排空阀；5、第一三通阀；6、低温恒温槽；7、第一单向调节阀；8、第二单向调节阀；9、混水阀；10、第二控温装置；11、第一进水管连接件；12、第二进水管连接件；13、蓄热模块；14、第一蓄热单元；15、连接件；151、杆件；152、凹槽；153、底座；16、第二蓄热单元；17、第三出水管连接件；18、第四出水管连接件；19、第一截止阀；20、第二截止阀；21、第一流量计；22、第二流量计；23、第二三通阀；24、入水管接口；25、出水管接口；26、盖板；27、凸出；28、换热器；281、容器；29、隔离管。
具体实施方式
结合参见图1至图5所示，根据本申请的实施例，一种相变材料测试组件，包括：
至少两个蓄热单元，所述蓄热单元包括容器281和换热器28，所述换热器28设在所述容器281内，能对所述容器281内的相变材料发生热交换；所有所述换热器28为串联或/和并联连通。
多个蓄热单元之间通过简单串并联组合的连接方式，组合成蓄热模块13，可以同时测试多种不同相变温度的材料的循环稳定性，提高工作效率；还可根据实际应用需求增加或减少蓄热单元，不影响系统整体实验的持续进行。
容器281本身是带盖板26的，盖板26上设置入水管接口24和出水管接口25，用于换热器28与外部连通。如图5所示，蓄热单元上的入水管接口24可以与系统管路的进水管连接件15相接，出水管接口25可以与系统管路的出水管连接件相接，实现蓄热单元并联充放热的模式。
蓄热单元的入水管接口24可以与上一蓄热单元的出水管接口25相连，实现不同蓄热单元串联充放热的模式。出水管连接件与管路的连接方式包括但不限于螺纹连接、承插式连接等。蓄热单元的入水管接口24出设有单向调节阀，用于控制充放热的水流量，可研究水流量对蓄热模块13充放热性能的影响。
在一些实施例中，换热器28的进出管路上均设有流量调控组件，能调控流经所述换热器28的流量。优选的，流量调控组件包括截止阀，所述换热器28的进出管路上均设有所述截止阀。更优选的，流量调控组件还包括有流量计，所述流量计设在所述换热器28的排出管路上。
蓄热单元上设有入水管接口24与出水管接口25以及调节阀，通过蓄热单元与出入管的多种连接方式，在实现蓄热单元的串、并联充放热功能的同时，可调节充放热的水流量大小。
在一些实施例中，容器281内设有测温组件，能够监测所述相变材料的温度。优选的，测温组件包括隔离管29和测温件，所述隔离管29设在所述容器281内壁上，所述测温件插设于所述隔离管29中。
蓄热单元的容器281内设置测温组件，测试相变材料在充放热过程的温度变化情况；相变材料具有一定的腐蚀性，热电偶长期与相变材料接触会导致探头被腐蚀，因此在容器281拐角处，比如四个角设有隔离管29，隔离管29内插设热电偶来测温，避免测温探头与相变材料直接接触，保护测温探头不被相变材料腐蚀。
在一些实施例中，相变材料测试组件还包括有连接件15，所述容器281外壁与所述连接件15之间设有插接组件；一个所述容器281能与多个所述连接件15插接，一个所述连接件15能与多个所述容器281插接。优选的，插接组件包括相互匹配的凸出27和凹槽152，所述凸出27和所述凹槽152设为圆柱状。
连接件15的主体为直杆，竖直设在底座153上；直杆的侧壁设有多个圆柱状凹槽152。而容器281为方形，四个直角边设置了圆柱状凸出27，圆柱状凸出27与圆柱状凹槽152匹配插接，结构紧固。
圆柱状凸出27的直接略微小于连接件15凹槽152的直径，确保圆柱状凸出27可以插接到连接件15凹槽152内部，使蓄热单元与连接件15紧密连接。圆柱状凹槽152和圆柱状凸出27涂有光滑耐磨涂层，保证蓄热单元与连接件15的组装更简易。
连接件15可以同时和四个蓄热单元组装成蓄热模块13，每个蓄热单元又可以组装四个连接件15。
蓄热单元的外壳体是采用耐腐蚀的不锈钢制成。
蓄热单元可随时脱离蓄热模块13，用于评估相变材料在循环中的变化情况，不影响测试系统的正常运行。
根据本申请的另一方面，提供了一种测试系统，包括如上所述的相变材料测试组件。
在一些实施例中，测试系统还包括有循环管路，所述循环管路上依次设有所述蓄热单元、加热器和泵送机构；所述蓄热单元还并联连接有进液管路和排液管路。
如图5所示的测试系统，包含水泵1、电加热器2、三通阀、低温恒温槽6、流量计、截止阀、蓄热模块13等。
相变材料循环稳定性测试系统的工作原理及控制方法：
系统工作的原理是通过管内不同温度的水对相变材料加热或冷却，使相变材料融化或凝固，达到蓄热系统充热或放热的目的。在系统工作之前，要将系统内蓄满水。
蓄水过程：第一三通阀5的bc端导通，第二三通阀23的ac端导通，阀门保持全开，混水阀9关闭。打开进水管路，自来水经过低温恒温槽6、蓄热模块13、流量计、电加热器2、水泵1。蓄水过程打开排空阀4，排出管路中的空气。
充热过程：第一三通阀5的ac端导通，第二三通阀23的ac端导通，阀门保持全开，开启水泵1，关闭旁通阀。设定电加热器2的加热温度，在水泵1的作用下，从电加热器2出来的热水进入蓄热模块13，加热相变材料，对蓄热系统充热。从蓄热模块13出来的水又回到电加热器2进一步加热，不断循环。
放热过程：打开进水水龙头，第一三通阀5的bc端导通，第二三通阀23的bc端导通，关闭水泵1。设定低温恒温槽6的放热水温，从低温恒温槽6出来的水进入到蓄热模块13，对相变材料进行降温放热。低温恒温槽6内置浮球阀，水位超过上限高度自动停止进水。
根据本申请的再一方面，提供了一种如上所述测试系统的控制方法，包括：
多个相变温度相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器281中，所有换热器28并联连通；通过加热器来改变换热器28内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度；
多个相变温度不相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器281中；相变温度的差值小于不同换热器28内流体的温差，换热器28为串联连通；或相变温度的差值大于等于不同换热器28内流体的温差，换热器28为并联连通；通过加热器来改变每个换热器28内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度。
测试装置可以同时对多种相变材料进行循环稳定性测试实验。
相变材料的充热水温与相变材料的相变温度有关，如果充热水温大幅高于材料的相变温度，相变材料将在高温作用下发生变性。因此，不同相变材料的测试要控制合适的充热水温。
对相同相变温度的材料进行充热实验，通过第一控温装置3设定电加热器2的出水温度，出水温度高于材料的相变温度10℃～20℃，低于相变材料的变性温度。此时蓄热模块13采用并联连接的方式，关闭混水阀9，进入不同蓄热单元的充热水温相同。同理，放热过程也是采用并联的连接方式。
对不同相变温度的材料进行充热实验，以两个蓄热单元组成的蓄热模块13为例，蓄热模块13采用并联连接。第一蓄热单元14所需的充热水温为T1，第二蓄热单元16所需的充热水温为T2，且T1>T2，则设定电加热器2的出水温度为T1，打开连接第二蓄热单元16的混水阀9，第二温控装置调节混水阀9的开度，使第二蓄热单元16的充热温度达到设定值T2，从而实现不同相变温度的材料同时进行循环测试的功能。同理，放热过程也可以通过低温恒温槽6设定所需的放热水温，温度控制方法与充热过程一致。
值得注意的是，上述实施例仅对两个蓄热单元组成的蓄热模块13进行阐述，蓄热单元的数量不受限制，多个蓄热单元的工作原理相同。
相变蓄热系统充放热量的计算方法：
实验系统通过水对相变材料进行充放热，因此水的换热量即为相变材料的换热量。蓄热单元进水温度为tin，出水温度为tout，水流量为m，水的比热容为cp，则相变材料与水的换热量Q＝cp·m·(tin-tout)。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (11)
1.一种相变材料测试组件，其特征在于，包括：
至少两个蓄热单元，所述蓄热单元包括容器(281)和换热器(28)，所述换热器(28)设在所述容器(281)内，能对所述容器(281)内的相变材料发生热交换；所有所述换热器(28)为串联或/和并联连通。
2.根据权利要求1所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述换热器(28)的进出管路上均设有流量调控组件，能调控流经所述换热器(28)的流量。
3.根据权利要求2所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述流量调控组件包括截止阀，所述换热器(28)的进出管路上均设有所述截止阀。
4.根据权利要求3所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述流量调控组件还包括有流量计，所述流量计设在所述换热器(28)的排出管路上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述容器(281)内设有测温组件，能够监测所述相变材料的温度。
6.根据权利要求5所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述测温组件包括隔离管(29)和测温件，所述隔离管(29)设在所述容器(281)内壁上，所述测温件插设于所述隔离管(29)中。
7.根据权利要求1所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述相变材料测试组件还包括有连接件(15)，所述容器(281)外壁与所述连接件(15)之间设有插接组件；一个所述容器(281)能与多个所述连接件(15)插接，一个所述连接件(15)能与多个所述容器(281)插接。
8.根据权利要求7所述的相变材料测试组件，其特征在于，所述插接组件包括相互匹配的凸出(27)和凹槽(152)，所述凸出(27)和所述凹槽(152)设为圆柱状。
9.一种测试系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的相变材料测试组件。
10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括有循环管路，所述循环管路上依次设有所述蓄热单元、加热器和泵送机构；所述蓄热单元还并联连接有进液管路和排液管路。
11.一种如权利要求9-10任一项所述测试系统的控制方法，其特征在于，包括：
多个相变温度相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器(281)中，所有换热器(28)并联连通；通过加热器来改变换热器(28)内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度；
多个相变温度不相同的相变材料进行测试，分别装入不同蓄热单元的容器(281)中；相变温度的差值小于不同换热器(28)内流体的温差，换热器(28)为串联连通；或相变温度的差值大于等于不同换热器(28)内流体的温差，换热器(28)为并联连通；通过加热器来改变每个换热器(28)内的流体温度，使得流体温度高于相变温度10℃～20℃且低于相变材料的变性温度。
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