CN1959391A - 含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含相变材料流体的蓄热或蓄冷过程最佳温度控制方法。进行加热蓄热时相变流体蓄热温度的选择为：开始融解温度T_s加上相变温度范围ΔT的0.75～0.9倍，即T_s+(0.75～0.9)×ΔT，ΔT＝(T₁－T_s)。T₁为加热过程中相变材料全部融解为液态时的温度。进行冷却蓄冷时蓄冷槽内相变流体温度的设置也为T_s+(0.75～0.9)×ΔT，但T_s为相变流体表面冷却温度。本方法可使蓄热(冷)槽最快地产生热对流状态，缩短总的蓄热(冷)完成时间。并且温度的控制策略只与相变温度范围有关，而与潜热量的大小、相变材料的浓度无关，因此该方法适用于含不同相变材料、或者相同相变材料但有不同质量浓度的混合液。

Description

含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法

                             技术领域

本发明属于工程热物理学科领域，具体涉及到蓄热蓄冷节能控制技术。

                             背景技术

含相变材料流体兼有可流动与高热量强度蓄热或蓄冷的特性，其主要组成包括(1)在一定温度范围内溶解或凝固的相变材料(Phase Change Material，缩写PCM)，比如有机烃烷类、无机相变盐类等，(2)流体载体，比如水；(3)混合液稳定剂或相变微粒包裹膜，比如表面活性剂或树脂类薄膜材料。通过改变颗粒内的相变材料成分，可以获得有不同相变温度、溶解热和流变特性的蓄热流体，在热泵空调行业有开发和应用潜力。因此，国内外把这种以蓄热或蓄冷为目的混合流体称之为功能性热流体，该类流体的制备技术基本成熟(CN 1570014A)，但由于其复杂的热物性和流变特性，实际应用例并不多见，特别是利用其在自然对流状态下的蓄热蓄冷过程与控制仍处于初级阶段。针对以上现状，本发明提出一种以不消耗动力(泵耗功)的自然对流方式下的蓄热或蓄冷模式。含相变微粒流体，目前可以分为两类，一种是以表面活性剂作为稳定剂，通常称之为乳状液，另一种是以包裹壳形式包裹相变材料的相变流体，通常称之为微胶囊相变流体。本发明对以上两种相变流体皆适用。

同时，充填有蓄能流体的蓄热槽高度越低，效果会越显著，因此，该发明更适合于微型机械内的蓄能或温度过热保护。该方法也具有简便易行的特点。

                             发明内容

本发明的目的是提出一种利用含相变微粒材料流体进行蓄热或蓄冷时最佳加热温度或冷却温度的确定方法，实现优化蓄能的温度控制，降低蓄能过程所需时间。

本发明通过以下技术方案实现。蓄热流体空间为一个水平放置的蓄热槽结构，蓄热槽的上、下分别为冷却面或加热面，四周围是绝热保温面。相变流体蓄热蓄冷温度的控制方法是，测定在自然对流情况下的流体内部温度分布与加热或冷却表面的温度变化，从而获得流体表面换热系数随加热温度、蓄热槽高度的变化规律，确定出蓄热体加热表面或冷却表面的最佳控制温度。在最佳控制温度下，蓄热槽内的传热得到强化，同时可以减少总体的蓄能时间，提高蓄热或蓄冷效率。

含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法，首先确定相变流体的相变温度范围，即起始发生相变的温度和相变终止温度。在加热过程中表现为固体相变材料开始融解时的温度T_s和相变材料全部融解为液态时的温度T₁之差，即ΔT＝(T₁-T_s)。进行加热蓄热时相变流体蓄热温度的选择为：开始融解温度T_s加上相变温度范围ΔT的0.75～0.9倍，即T_s+(0.75～0.9)×ΔT。具体地说，开始融解时的温度T_s是指相变材料的比热随加热温度升高而突然增大时的温度，如图3所示。

进行冷却蓄冷时蓄冷槽内相变流体温度的设置为T_s+(0.75～0.9)×ΔT，其中T_s为相变流体表面冷却温度。具体地说，相变流体表面冷却温度T_s是指相变材料的比热随温度突然增加前时的温度。

                             附图说明

图1是加热蓄热过程蓄热槽结构示意图。

图2是冷却蓄冷过程蓄热槽结构示意图。

图3是采用差分热量仪(DSC)方法测得的混合液比热随温度的变化曲线。

图4是实测例传热系数随不同加热表面温度的变化。

在图1和图2中：1-是含相变材料的混合液，2-是绝热保温外结构，3-是加热蓄热过程的发热表面，4-是冷却表面。

                           具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。图1和图2分别是加热蓄热和冷却蓄冷用的蓄热槽，蓄热或蓄冷槽水平放置。蓄热槽内充填的相变材料是含有纯甲基二十三烷(C₂₃H₄₈)微粒，C₂₃H₄₈的相变温度为47.7℃。实施例中C₂₃H₄₈的比热随温度的变化通过热差分仪DSC测得，结果如图3所示。通过图3可以确定在加热蓄热过程中C₂₃H₄₈开始融解时的温度T_s为40℃，C₂₃H₄₈全部融解成液态时的温度T₁为49℃。

在加热蓄热时，充填的流体温度最初控制在C₂₃H₄₈融解开始温度T_s，而加热表面的温度控制在融解开始温度加上相变温度范围的0.75～0.9倍时为最佳。本实施例条件下为40+0.75×(49-40)＝46.75℃至40+0.9×(49-40)＝48.1℃范围为最佳。即图4中所示阴影部分的温度范围。本实施例中C₂₃H₄₈的质量浓度包括30％，20％，10％，5％，图4中可见，预测的最佳控制温度范围基本上不随浓度变化。

在进行冷却蓄冷时，C₂₃H₄₈的温度控制在46.75℃至48.1℃，而上部冷却表面的温度控制在相变材料C₂₃H₄₈融解开始温度40℃为最佳，此时可以获得最大的传热系数。本实施例情况下，最大传热系数可以达到热传导状态下传热系数的2-4倍。

本实施例中的相变材料C₂₃H₄₈流体的相变温度范围，是通过差分热量仪(DSC)测定得到的，由于测定结果与测定过程中的冷却速度或加热速度有关，因此，要求对试样的加热或冷却速度不超过5℃/10分钟，本实施例的加热和冷却速度为5℃/10分钟。相变温度范围也可以通过其它流体比热的测定法获得。通过测定比热随温度的变化数据，得到比热突增达到最高值，然后降低恢复到原来值后的温度范围。

本发明的有益效果在于，采用最佳蓄热或蓄冷控制温度，可以使蓄热(冷)槽最快产生对流换热状态，并且在自然对流过程中，获得的传热系数或传热能力最大，从而可以缩短总的蓄热(冷)完成时间。温度的控制策略只与相变温度范围有关，而与潜热量的大小、相变材料的浓度无关，因此，该方法适用于含不同相变材料、或者相同相变材料但有不同质量浓度的混合液。

Claims (4)

1.含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法，其特征在于进行加热蓄热时相变流体蓄热温度的选择为：开始融解温度T_s加上相变温度范围ΔT的0.75～0.9倍，即T_s+(0.75～0.9)×ΔT，ΔT＝(T₁-T_s)，其中T₁为加热过程中相变材料全部融解为液态时的温度；T_s为加热过程中相变材料开始融解时的温度。

2.含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法，其特征在于进行冷却蓄冷时蓄冷槽内相变流体温度的设置为T_s+(0.75～0.9)×ΔT，其中T_s为相变流体表面冷却温度。

3.按照权利要求1所述的含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法，其特征在于所述开始融解时的温度T_s是指相变材料的比热随加热温度升高突然增大时的温度。

4.按照权利要求2所述的含相变材料流体蓄热蓄冷温度控制方法，其特征在于所述相变流体表面冷却温度T_s是指相变材料的比热随温度突然增加前时的温度。

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