CN114441587A - 一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，包括高压蓄能器、恒温水浴***、高压油收集与补充***、压力控制***以及电磁流量计。高压蓄能器盛放待测相变材料，其中还设有橡胶油囊，以模拟相变材料在换热温差的驱动下将热能转化为高压油压能或机械能的工作过程，压力控制***主要是使用高压油泵与溢流阀控制橡胶油囊内的压力，电磁流量计可精确测量高压油的体积流量从而量化高压油的做功能力。本发明可以模拟不同相变材料，不同工作压力、不同冷源和热源温度状态下的工作过程，可以直接测试有机类相变材料在温差能利用过程中体积变化率及工作性能，且具有造价低、操作简单、通用性强、对真实工作过程还原程度高等优点。

Description

一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置
技术领域
本发明涉及一种测量相变材料性能的实验装置，尤其涉及一种可以直接测试有机类相变材料在温差能利用领域的可行性与工作性能的实验装置。
背景技术
随着科学研究、技术手段与社会经济的不断发展，关于海洋科学、海洋资源、海洋环境的研究受到了越来越多的关注。同时，实现海洋资源的合理的勘探、开发、利用，对促进国家能源战略、军事战略、经济战略的长效稳定发展也具有重要意义。因此，以海洋温差能为代表的海洋能源得到了诸多研究。所谓的海洋温差能，是指以表层、深层海水的温度差的形式所储存的海洋热能，具有储量巨大、清洁可再生等优点。以温差相变产生的形变直接驱动做功部件或发电机是海洋温差能利用的主要原理之一。其中，相变材料是实现温差能相变驱动的关键，相变材料可以在低于相变温度的深层海水的冷却作用下完成凝固过程，体积收缩；或者在高于相变温度的表层海水的加热作用下完成熔化过程，体积膨胀。冷热海水的交替作用，可以实现相变材料的循环相变，从而实现海洋温差能利用***的连续运行。当前，使用相变材料利用温差能的方式已经在海洋运载器动力装置、深层海水泵水发电等领域得到了初步研究与应用。
在海洋温差能利用装置中，相变材料的相变体积变化率是影响装置性能的主要指标，相同的相变潜热情况下，越大的相变体积变化率的材料具有更强的做功潜力与更高的能量转化效率。当前，主要使用的是以烷烃类为代表的有机相变材料，该类相变材料的相变温度处于表层海水与深层海水温度之间，且具有相变体积变化率大、不溶于水、化学稳定性好、热稳定性好、无毒、低腐蚀、廉价易得等优点。另外，当前对海洋温差能利用过程的研究装置一般都将相变材料的相变传热过程与相变材料体积变化引起的能量转换过程分开，对包含传热、相变、做功在内的相变材料全工作流程的实验研究仅能通过复杂的现场测试。
发明内容
基于上述问题，本发明公开了一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，旨在可以简单易行地测定相变材料的相变体积变化率，并对相变材料在海洋能温差能利用过程中的做功能力及能量转化效率进行考评。且具有设备造价低、操作简单、通用性强、对真实工作过程还原程度高等优点。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，包括高压蓄能器、恒温水浴***、高压油收集与补充***和压力控制***；所述恒温水浴***包括水浴箱、恒温水箱和PID温控器，所述恒温水箱内设有与PID温控器相连的电加热器和制冷机组，所述恒温水箱设有进水口和出水口，所述进水口通过进水管连接至所述水浴箱的进水口，所述出水口通过出水管连接至所述水浴箱的出水口，所述进水管上在所述恒温水箱至所述水浴箱依次设有第一阀门和循环水泵，所述出水管上设有第二阀门；所述高压蓄能器设置在所述水浴箱内，所述高压蓄能器内部设有橡胶油囊，所述橡胶油囊与所述高压蓄能器的金属外壳之间的空间是相变材料腔，所述金属外壳的底部设有相变材料灌装/排出口，所述高压蓄能器的顶部与所述橡胶油囊之间为可拆卸的螺纹连接结构；所述高压油收集与补充***包括高压油箱，自所述高压油箱至所述橡胶油囊的入口连接有高压油管线，在所述的高压油管线上、自所述高压油箱至所述橡胶油囊依次设有高压油泵、第一蝶阀、电磁流量计和第二蝶阀，所述电磁流量计连接有流量累加器；所述压力控制***包括设置在所述高压油管线上的压力变送器和排气支路和溢流支路；所述压力变送器位于所述第一蝶阀与所述电磁流量计之间的管段上；所述排气支路通过第一三通连接在所述第二蝶阀与所述橡胶油囊之间的管段上，所述排气支路上设有排气阀；所述溢流支路通过第二三通连接在所述第一蝶阀与所述压力变送器之间的管段上，所述溢流支路上设有第三蝶阀和溢流阀。
进一步讲，本发明所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其中：
所述高压油箱的液面高度同时低于所述溢流支路的出口和所述高压油泵的进口。
所述高压蓄能器的金属外壳和所述橡胶油囊均为圆柱桶式结构。
所述相变材料腔内灌装的相变材料是相变温度在0～100℃之间的有机类、无机类或复合类液固相变材料。
所述水浴箱的外侧面包围有保温棉。
所述橡胶油囊内的高压油体积为相变材料腔体积的50％～100％。
所述高压油箱内为10号航空液压油。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的实验装置是借助常规的蓄能器盛放相变材料，并以此模拟相变材料在换热温差的驱动下将热能转化为高压油压能或机械能的工作过程；使用本发明的实验装置可以直接测试有机类相变材料在温差能利用过程中体积变化率及工作性能。本发明可以模拟不同相变材料，不同工作压力、不同冷源和热源温度状态下的工作过程，且具有造价低、操作简单、通用性强、对真实工作过程还原程度高等优点。
附图说明
图1是本发明测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置的结构示意简图；
图中：
11-高压蓄能器 12-橡胶油囊 13-螺纹连接结构 14-相变材料腔
20-水浴箱 21-PID温控器 22-循环水泵 23-电加热器
24-制冷机组 25-第一阀门 26-第二阀门 27-恒温水箱
31-压力变送器 32-第三蝶阀 33-第二蝶阀 34-第一蝶阀
35-溢流阀 36-高压油泵 37-高压油箱 38-流量累加器
39-电磁流量计 310-排气阀
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明所提供的用于提供的可以直接测试有机类相变材料在温差能利用领域的可行性与工作性能的实验装置的设计思路是：借助于常规的高压蓄能器模拟相变材料在相变换热器内的传热、相变过程，并通过相变材料的形变挤压(吸收)橡胶油囊，从而完成热能到高压油压能的能量转化过程。除作为主体的高压蓄能器外，还包括相变换热温度、高压油供给/流量/压力等控制***。
如图1所示，本发明实验装置的结构是，该实验装置包括高压蓄能器11、恒温水浴***、高压油收集与补充***和压力控制***。
所述恒温水浴***包括水浴箱20、恒温水箱27和PID温控器21，所述恒温水箱27内设有与PID温控器21相连的电加热器23和制冷机组24，所述恒温水箱27设有进水口和出水口，所述进水口通过进水管连接至所述水浴箱20的进水口，所述出水口通过出水管连接至所述水浴箱20的出水口，所述进水管上在所述恒温水箱27至所述水浴箱20依次设有第一阀门25和循环水泵22，所述出水管上设有第二阀门26。所述水浴箱20的外侧面包围有保温棉，保证水浴箱20与外界绝热。
所述高压蓄能器11设置在所述水浴箱20内，所述高压蓄能器11内部设有橡胶油囊12，所述高压蓄能器11的金属外壳和所述橡胶油囊12均为圆柱桶式结构，所述金属外壳的底部设有相变材料灌装/排出口，所述高压蓄能器11的顶部与所述橡胶油囊12之间为可拆卸的螺纹连接结构13。所述橡胶油囊12内的高压油体积为相变材料腔14体积的50％～100％。所述高压油为10号航空液压油。所述橡胶油囊12与所述高压蓄能器11的金属外壳之间的空间是相变材料腔14，所述相变材料腔14内灌装的相变材料是相变温度在0～100℃之间的有机类、无机类或复合类液固相变材料。
所述高压油收集与补充***包括高压油箱37，自所述高压油箱37至所述橡胶油囊12的入口连接有高压油管线，在所述的高压油管线上、自所述高压油箱37至所述橡胶油囊12依次设有高压油泵36、第一蝶阀34、电磁流量计39和第二蝶阀33，所述电磁流量计39连接有流量累加器38。本发明中，所述的电磁流量计39可精确测量高压油的体积流量从而量化高压油的做功能力。
所述压力控制***包括设置在所述高压油管线上的压力变送器31和排气支路和溢流支路；所述压力变送器31位于所述第一蝶阀34与所述电磁流量计39之间的管段上；所述排气支路通过第一三通连接在所述第二蝶阀33与所述橡胶油囊12之间的管段上，所述排气支路上设有排气阀310；所述溢流支路通过第二三通连接在所述第一蝶阀34与所述压力变送器31之间的管段上，所述溢流支路上设有第三蝶阀32和溢流阀35。本发明中，所述高压油箱37的液面高度同时低于所述溢流支路的出口和所述高压油泵36的进口。所述压力控制***主要是使用高压油泵36与溢流阀35控制橡胶油囊12内的压力。
本发明中的电磁流量计39与压力控制***均分布在高压油管线上，减少了设备的占地面积和复杂程度。
实施例：
1、本发明实验装置的制造与组装：
(1)高压蓄能器11的组装：购入常规的高压蓄能器，该高压蓄能器为高度430mm，外径152mm的圆柱形结构，外壁材料为不锈钢，最大承受压力31.5MPa。内部附有容积为1L的橡胶油囊12，橡胶油囊12与高压蓄能器11的金属外壳之间的空间为用来盛放待测相变材料的相变材料腔14，其体积为1.5L。高压蓄能器11的底部带有可拆卸的螺纹连接结构的相变材料灌装/排出口，可用来灌装或排出相变材料。高压蓄能器11的顶部带有可拆卸的螺纹连接结构13，用于直接与橡胶油囊12相连。
(2)本发明中的温控***采用恒温水浴***，其制造及组装是：购入具有制冷与制热功能的恒温水箱27，该恒温水箱27的温度控制依靠于可显示温度示数的PID温控器21。恒温水箱27内附有与PID温控器21相连的循环水泵22、电加热器23、制冷机组24、进出水口以及其对应的第一阀门25和第二阀门26。本发明中的温控***还建立有作为第二恒温环境的水浴箱20，使用PU管作为连接水浴箱20的进出水口与恒温水箱27进出水口的管线。本发明中，应设置恒温水箱27出水口较大流量。保证水浴箱20的充分换热以减小因相变材料吸热造成水浴箱20内温度分布不均匀带来的实验误差。
(3)高压油收集与补充***及压力控制***的制造及组装：准备10号航空液压油，压力变送器31，高压油泵36，高压油箱37，带有流量累加器38的小流量的电磁流量计39，三个蝶阀(32、33和34)，一个溢流阀35和一个排气阀310，高压油管，PU管和若干和转接头。按图1所示，组装上述各将零部件。其中，排气支路末端采用简单的不锈钢开口转接头，且应保证排气口的放置高度应高于所述高压蓄能器11的放置高度，以保证橡胶油囊12内的气体早于高压油的排出，最后使用高压不锈钢转接头将高压油收集与补充***的高压管线与高压蓄能器11连接。
2、利用本发明实验装置进行具体实验的过程：
(1)相变材料灌装：
1-1)打开高压蓄能器11底部的连接螺纹，打开高压蓄能器11顶部与橡胶油囊12的连接螺纹，使高压蓄能器11的内部与外界连通。准备充足的待测相变材料，通过环境温度或外部加热的方式使相变材料处于液态并盛放于容器内，借助与高压蓄能器11底部相变材料灌装/排出口螺纹口及灌装管线连接盛放相变材料的容器与橡胶油囊12外部和高压蓄能器11外壳之间的空间；借助高压蓄能器11顶部的螺纹口处的螺纹连接结构13及其连接管线，连接高压油收集与补充***与橡胶油囊12的内部空间。
1-2)将盛放相变材料的容器放置于高于高压蓄能器11的位置，在重力作用下，相变材料缓慢流入高压蓄能器11外壳与橡胶油囊12之间的空间(即相变材料腔14)，同时由于挤压，橡胶油囊12的体积逐渐减小。直至油囊12的体积达到最小，待测相变材料停止流入。
本发明中，待测相变材料的灌装量应尽量大于1L、且小于2L。
1-3)保持高压蓄能器11底部的螺纹连接结构与盛放相变材料的容器连通。将高压蓄能器11顶部的连接螺纹结构13与高压油收集***的高压管线相连，打开第一和第二蝶阀(33和34)、排气阀310，并保证第三蝶阀32是关闭的；打开电磁流量计39和高压油泵36，高压油由高压油箱37泵入橡胶油囊12，流量累加器38实时记录高压油的泵油量。待流量累加器38的数值达到橡胶油囊12额定体积的80％时，关闭高压油泵36，关闭第一和第二蝶阀(33和34)及排气阀310。
1-4)拆卸高压蓄能器11底部的螺纹连接结构，封装相变材料腔14。记录盛放相变材料的容器及灌装管线的质量差，该值即为灌装进相变材料腔14内相变材料的总灌装质量m。
(2)相变材料凝固阶段性能测试：
2-1)调节溢流阀35至待测压力，打开第一、第二和第三蝶阀(32、33和34)，关闭排气阀310，运行高压油泵36，在高压油泵36的作用下，高压油收集与补充***管路的压力逐渐升高，通过观察压力变送器31直至管路内的压力高于溢流阀35的设定压力，溢流阀35打开，此时，高压油流动回路建立完成l；记录此刻压力变送器31示数，该值等于橡胶油囊12内的压力。将流量累加器38的计数清零。
2-2)调节PID温控器21设置值低于相变温度，待恒温水箱27内循环水温度稳定后，打开第一和第二阀门(25和26)及循环水泵22，冷却水流入水浴箱20后，将高压蓄能器11放入水浴箱20，相变材料在高压蓄能器11内的相变材料腔14内凝固，其体积收缩，橡胶油囊12容积扩张，导致高压管线内的高压油流入橡胶油囊12，流入橡胶油囊12的油量体积及流量由流量累加器38实时记录。待流量累加器38的流量在30min无示数变化后即可认为相变材料凝固完成；此时，记录电磁流量计39的数值为V1，记录压力变送器31的示数为P1，自高压蓄能器11放入水浴箱20时刻至电磁流量计39第一次示数为零时所用的时间为t1，即为相变材料由初始温度相变至设定温度所用时间。
(3)相变材料熔化阶段体积变化率测定：
3-1)调节溢流阀35至待测压力，打开第一、第二和第三蝶(32，33和34)，关闭排气阀310，运行高压油泵36，在该高压油泵36的作用下，高压油收集与补充***管路的压力逐渐升高，直至管路内的压力高于溢流阀35设定压力，溢流阀35打开，此时高压油流动回路建立完成。记录压力变送器31示数，该值等于橡胶油囊12的内压力。将流量累加器38清零。
3-2)关闭高压油泵36，关闭第一蝶阀34；打开温控***，调节PID温控器21设置值高于相变温度，待恒温水箱27内循环水温度稳定后，打开第一和第二阀门(25和26)与循环水泵22，冷却水流入水浴箱20后，将高压蓄能器11放入水浴箱20，相变材料在相变材料腔14内融化，相变材料的体积膨胀，挤压橡胶油囊12容积，高压油流入收集***，流入油量的体积及流量由流量累加器38记录。待该流量累加器38的数据有30min无示数变化后即可认为相变材料融化完成，记录此时的电磁流量计的数值为V2，记录压力变送器31的示数为P2，记录高压蓄能器11放入水浴箱20时至电磁流量计39第一次示数为零时所用时间为t2，即为相变材料由初始温度相变至设定温度所用时间。
(4)实验结束：
关闭第一和第二阀门(25、26)及循环水泵22，关闭PID温控器21，关闭第一蝶阀34，关闭高压油泵36，调节溢流阀35设定值至常压，压力控制***泄压后，关闭第二和第三蝶阀(32和33)、排气阀310。相变材料可留置于高压蓄能器11内与橡胶油囊12之间的相变材料腔14内，待下次测量或拆卸高压蓄能器11底部的螺纹连接结构后从相变材料灌装/排出口排出后以备填充其他材料。
3、实验过程的数据处理：
3、实验过程的数据处理：
相变材料填充体积：V0＝m/ρ0；
设定压力下的凝固时材料体积变化率：α1＝V1/V0；
设定压力下的熔化时材料体积变化率：α1＝V2/V0；
设定压力下的凝固时材料做吸收功：W1＝P1×V1；
设定压力下的融化时材料做膨胀功：W2＝P2×V2；
设定压力下的凝固时材料做功效率：η1＝P1×V1/(m×cp×△T1+m×h)，其中，cp为定压比热容，△T1为凝固前后温差，h为相变潜热。
设定压力下的融化时材料做功效率：η2＝P2×V2/(m×cp×△T2+m×h),其中，cp为定压比热容，△T为融化前后温差，h为相变潜热。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，包括高压蓄能器(11)，其特征在于，还包括恒温水浴***、高压油收集与补充***和压力控制***；
所述恒温水浴***包括水浴箱(20)、恒温水箱(27)和PID温控器(21)，所述恒温水箱(27)内设有与PID温控器(21)相连的电加热器(23)和制冷机组(24)，所述恒温水箱(27)设有进水口和出水口，所述进水口通过进水管连接至所述水浴箱(20)的进水口，所述出水口通过出水管连接至所述水浴箱(20)的出水口，所述进水管上在所述恒温水箱(27)至所述水浴箱(20)依次设有第一阀门(25)和循环水泵(22)，所述出水管上设有第二阀门(26)；
所述高压蓄能器(11)设置在所述水浴箱(20)内，所述高压蓄能器(11)内部设有橡胶油囊(12)，所述橡胶油囊(12)与所述高压蓄能器(11)的金属外壳之间的空间是相变材料腔(14)，所述金属外壳的底部设有相变材料灌装/排出口，所述高压蓄能器(11)的顶部与所述橡胶油囊(12)之间为可拆卸的螺纹连接结构(13)；
所述高压油收集与补充***包括高压油箱(37)，自所述高压油箱(37)至所述橡胶油囊(12)的入口连接有高压油管线，在所述的高压油管线上、自所述高压油箱(37)至所述橡胶油囊(12)依次设有高压油泵(36)、第一蝶阀(34)、电磁流量计(39)和第二蝶阀(33)，所述电磁流量计(39)连接有流量累加器(38)；
所述压力控制***包括设置在所述高压油管线上的压力变送器(31)和排气支路和溢流支路；所述压力变送器(31)位于所述第一蝶阀(34)与所述电磁流量计(39)之间的管段上；所述排气支路通过第一三通连接在所述第二蝶阀(33)与所述橡胶油囊(12)之间的管段上，所述排气支路上设有排气阀(310)；所述溢流支路通过第二三通连接在所述第一蝶阀(34)与所述压力变送器(31)之间的管段上，所述溢流支路上设有第三蝶阀(32)和溢流阀(35)。
2.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述高压油箱(37)的液面高度同时低于所述溢流支路的出口和所述高压油泵(36)的进口。
3.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述高压蓄能器(11)的金属外壳和所述橡胶油囊(12)均为圆柱桶式结构。
4.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述相变材料腔内灌装的相变材料是相变温度在0～100℃之间的有机类、无机类或复合类液固相变材料。
5.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述水浴箱(20)的外侧面包围有保温棉。
6.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述橡胶油囊(12)内的高压油体积为相变材料腔(14)体积的50％～100％。
7.根据权利要求所述的测量相变材料在温差能利用过程性能的实验装置，其特征在于，所述高压油箱(37)内为10号航空液压油。
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