專利名稱：含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程熱物理學(xué)科領(lǐng)域，具體涉及到蓄熱蓄冷節(jié)能控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
含相變材料流體兼有可流動(dòng)與高熱量強(qiáng)度蓄熱或蓄冷的特性，其主要組成包括(1)在一定溫度范圍內(nèi)溶解或凝固的相變材料(Phase Change Material，縮寫PCM)，比如有機(jī)烴烷類、無機(jī)相變鹽類等，(2)流體載體，比如水；(3)混合液穩(wěn)定劑或相變微粒包裹膜，比如表面活性劑或樹脂類薄膜材料。通過改變顆粒內(nèi)的相變材料成分，可以獲得有不同相變溫度、溶解熱和流變特性的蓄熱流體，在熱泵空調(diào)行業(yè)有開發(fā)和應(yīng)用潛力。因此，國(guó)內(nèi)外把這種以蓄熱或蓄冷為目的混合流體稱之為功能性熱流體，該類流體的制備技術(shù)基本成熟(CN 1570014A)，但由于其復(fù)雜的熱物性和流變特性，實(shí)際應(yīng)用例并不多見，特別是利用其在自然對(duì)流狀態(tài)下的蓄熱蓄冷過程與控制仍處于初級(jí)階段。針對(duì)以上現(xiàn)狀，本發(fā)明提出一種以不消耗動(dòng)力(泵耗功)的自然對(duì)流方式下的蓄熱或蓄冷模式。含相變微粒流體，目前可以分為兩類，一種是以表面活性劑作為穩(wěn)定劑，通常稱之為乳狀液，另一種是以包裹殼形式包裹相變材料的相變流體，通常稱之為微膠囊相變流體。本發(fā)明對(duì)以上兩種相變流體皆適用。
同時(shí)，充填有蓄能流體的蓄熱槽高度越低，效果會(huì)越顯著，因此，該發(fā)明更適合于微型機(jī)械內(nèi)的蓄能或溫度過熱保護(hù)。該方法也具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種利用含相變微粒材料流體進(jìn)行蓄熱或蓄冷時(shí)最佳加熱溫度或冷卻溫度的確定方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化蓄能的溫度控制，降低蓄能過程所需時(shí)間。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。蓄熱流體空間為一個(gè)水平放置的蓄熱槽結(jié)構(gòu)，蓄熱槽的上、下分別為冷卻面或加熱面，四周圍是絕熱保溫面。相變流體蓄熱蓄冷溫度的控制方法是，測(cè)定在自然對(duì)流情況下的流體內(nèi)部溫度分布與加熱或冷卻表面的溫度變化，從而獲得流體表面換熱系數(shù)隨加熱溫度、蓄熱槽高度的變化規(guī)律，確定出蓄熱體加熱表面或冷卻表面的最佳控制溫度。在最佳控制溫度下，蓄熱槽內(nèi)的傳熱得到強(qiáng)化，同時(shí)可以減少總體的蓄能時(shí)間，提高蓄熱或蓄冷效率。
含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，首先確定相變流體的相變溫度范圍，即起始發(fā)生相變的溫度和相變終止溫度。在加熱過程中表現(xiàn)為固體相變材料開始融解時(shí)的溫度Ts和相變材料全部融解為液態(tài)時(shí)的溫度T1之差，即ΔT＝(T1-Ts)。進(jìn)行加熱蓄熱時(shí)相變流體蓄熱溫度的選擇為開始融解溫度Ts加上相變溫度范圍ΔT的0.75～0.9倍，即Ts+(0.75～0.9)×ΔT。具體地說，開始融解時(shí)的溫度Ts是指相變材料的比熱隨加熱溫度升高而突然增大時(shí)的溫度，如圖3所示。
進(jìn)行冷卻蓄冷時(shí)蓄冷槽內(nèi)相變流體溫度的設(shè)置為Ts+(0.75～0.9)×ΔT，其中Ts為相變流體表面冷卻溫度。具體地說，相變流體表面冷卻溫度Ts是指相變材料的比熱隨溫度突然增加前時(shí)的溫度。


圖1是加熱蓄熱過程蓄熱槽結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是冷卻蓄冷過程蓄熱槽結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是采用差分熱量?jī)x(DSC)方法測(cè)得的混合液比熱隨溫度的變化曲線。
圖4是實(shí)測(cè)例傳熱系數(shù)隨不同加熱表面溫度的變化。
在圖1和圖2中1-是含相變材料的混合液，2-是絕熱保溫外結(jié)構(gòu)，3-是加熱蓄熱過程的發(fā)熱表面，4-是冷卻表面。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1和圖2分別是加熱蓄熱和冷卻蓄冷用的蓄熱槽，蓄熱或蓄冷槽水平放置。蓄熱槽內(nèi)充填的相變材料是含有純甲基二十三烷(C23H48)微粒，C23H48的相變溫度為47.7℃。實(shí)施例中C23H48的比熱隨溫度的變化通過熱差分儀DSC測(cè)得，結(jié)果如圖3所示。通過圖3可以確定在加熱蓄熱過程中C23H48開始融解時(shí)的溫度Ts為40℃，C23H48全部融解成液態(tài)時(shí)的溫度T1為49℃。
在加熱蓄熱時(shí)，充填的流體溫度最初控制在C23H48融解開始溫度Ts，而加熱表面的溫度控制在融解開始溫度加上相變溫度范圍的0.75～0.9倍時(shí)為最佳。本實(shí)施例條件下為40+0.75×(49-40)＝46.75℃至40+0.9×(49-40)＝48.1℃范圍為最佳。即圖4中所示陰影部分的溫度范圍。本實(shí)施例中C23H48的質(zhì)量濃度包括30％，20％，10％，5％，圖4中可見，預(yù)測(cè)的最佳控制溫度范圍基本上不隨濃度變化。
在進(jìn)行冷卻蓄冷時(shí)，C23H48的溫度控制在46.75℃至48.1℃，而上部冷卻表面的溫度控制在相變材料C23H48融解開始溫度40℃為最佳，此時(shí)可以獲得最大的傳熱系數(shù)。本實(shí)施例情況下，最大傳熱系數(shù)可以達(dá)到熱傳導(dǎo)狀態(tài)下傳熱系數(shù)的2-4倍。
本實(shí)施例中的相變材料C23H48流體的相變溫度范圍，是通過差分熱量?jī)x(DSC)測(cè)定得到的，由于測(cè)定結(jié)果與測(cè)定過程中的冷卻速度或加熱速度有關(guān)，因此，要求對(duì)試樣的加熱或冷卻速度不超過5℃/10分鐘，本實(shí)施例的加熱和冷卻速度為5℃/10分鐘。相變溫度范圍也可以通過其它流體比熱的測(cè)定法獲得。通過測(cè)定比熱隨溫度的變化數(shù)據(jù)，得到比熱突增達(dá)到最高值，然后降低恢復(fù)到原來值后的溫度范圍。
本發(fā)明的有益效果在于，采用最佳蓄熱或蓄冷控制溫度，可以使蓄熱(冷)槽最快產(chǎn)生對(duì)流換熱狀態(tài)，并且在自然對(duì)流過程中，獲得的傳熱系數(shù)或傳熱能力最大，從而可以縮短總的蓄熱(冷)完成時(shí)間。溫度的控制策略只與相變溫度范圍有關(guān)，而與潛熱量的大小、相變材料的濃度無關(guān)，因此，該方法適用于含不同相變材料、或者相同相變材料但有不同質(zhì)量濃度的混合液。
權(quán)利要求
1.含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于進(jìn)行加熱蓄熱時(shí)相變流體蓄熱溫度的選擇為開始融解溫度Ts加上相變溫度范圍ΔT的0.75～0.9倍，即Ts+(0.75～0.9)×ΔT，ΔT＝(T1-Ts)，其中T1為加熱過程中相變材料全部融解為液態(tài)時(shí)的溫度；Ts為加熱過程中相變材料開始融解時(shí)的溫度。
2.含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于進(jìn)行冷卻蓄冷時(shí)蓄冷槽內(nèi)相變流體溫度的設(shè)置為Ts+(0.75～0.9)×ΔT，其中Ts為相變流體表面冷卻溫度。
3.按照權(quán)利要求1所述的含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于所述開始融解時(shí)的溫度Ts是指相變材料的比熱隨加熱溫度升高突然增大時(shí)的溫度。
4.按照權(quán)利要求2所述的含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于所述相變流體表面冷卻溫度Ts是指相變材料的比熱隨溫度突然增加前時(shí)的溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含相變材料流體的蓄熱或蓄冷過程最佳溫度控制方法。進(jìn)行加熱蓄熱時(shí)相變流體蓄熱溫度的選擇為開始融解溫度T
文檔編號(hào)G01N25/02GK1959391SQ20061012951
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者戴傳山 申請(qǐng)人:天津大學(xué)