專利名稱：含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法
技術領域：
本發明屬于工程熱物理學科領域，具體涉及到蓄熱蓄冷節能控制技術。
背景技術：
含相變材料流體兼有可流動與高熱量強度蓄熱或蓄冷的特性，其主要組成包括(1)在一定溫度范圍內溶解或凝固的相變材料(Phase Change Material，縮寫PCM)，比如有機烴烷類、無機相變鹽類等，(2)流體載體，比如水；(3)混合液穩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，在熱泵空調行業有開發和應用潛力。因此，國內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基本成熟(CN 1570014A)，但由于其復雜的熱物性和流變特性，實際應用例并不多見，特別是利用其在自然對流狀態下的蓄熱蓄冷過程與控制仍處于初級階段。針對以上現狀，本發明提出一種以不消耗動力(泵耗功)的自然對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。本發明對以上兩種相變流體皆適用。
同時，充填有蓄能流體的蓄熱槽高度越低，效果會越顯著，因此，該發明更適合于微型機械內的蓄能或溫度過熱保護。該方法也具有簡便易行的特點。
發明內容
本發明的目的是提出一種利用含相變微粒材料流體進行蓄熱或蓄冷時最佳加熱溫度或冷卻溫度的確定方法，實現優化蓄能的溫度控制，降低蓄能過程所需時間。
本發明通過以下技術方案實現。蓄熱流體空間為一個水平放置的蓄熱槽結構，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，測定在自然對流情況下的流體內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隨加熱溫度、蓄熱槽高度的變化規律，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，蓄熱槽內的傳熱得到強化，同時可以減少總體的蓄能時間，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，即起始發生相變的溫度和相變終止溫度。在加熱過程中表現為固體相變材料開始融解時的溫度Ts和相變材料全部融解為液態時的溫度T1之差，即ΔT＝(T1-Ts)。進行加熱蓄熱時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的溫度，如圖3所示。
進行冷卻蓄冷時蓄冷槽內相變流體溫度的設置為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的溫度。
圖1是加熱蓄熱過程蓄熱槽結構示意圖。
圖2是冷卻蓄冷過程蓄熱槽結構示意圖。
圖3是采用差分熱量儀(DSC)方法測得的混合液比熱隨溫度的變化曲線。
圖4是實測例傳熱系數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-是絕熱保溫外結構，3-是加熱蓄熱過程的發熱表面，4-是冷卻表面。
具體實施例方式
以下通過具體實施例對本發明作進一步的說明。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℃。實施例中C23H48的比熱隨溫度的變化通過熱差分儀DSC測得，結果如圖3所示。通過圖3可以確定在加熱蓄熱過程中C23H48開始融解時的溫度Ts為40℃，C23H48全部融解成液態時的溫度T1為49℃。
在加熱蓄熱時，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倍時為最佳。本實施例條件下為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。本實施例中C23H48的質量濃度包括30％，20％，10％，5％，圖4中可見，預測的最佳控制溫度范圍基本上不隨濃度變化。
在進行冷卻蓄冷時，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，此時可以獲得最大的傳熱系數。本實施例情況下，最大傳熱系數可以達到熱傳導狀態下傳熱系數的2-4倍。
本實施例中的相變材料C23H48流體的相變溫度范圍，是通過差分熱量儀(DSC)測定得到的，由于測定結果與測定過程中的冷卻速度或加熱速度有關，因此，要求對試樣的加熱或冷卻速度不超過5℃/10分鐘，本實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定法獲得。通過測定比熱隨溫度的變化數據，得到比熱突增達到最高值，然后降低恢復到原來值后的溫度范圍。
本發明的有益效果在于，采用最佳蓄熱或蓄冷控制溫度，可以使蓄熱(冷)槽最快產生對流換熱狀態，并且在自然對流過程中，獲得的傳熱系數或傳熱能力最大，從而可以縮短總的蓄熱(冷)完成時間。溫度的控制策略只與相變溫度范圍有關，而與潛熱量的大小、相變材料的濃度無關，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量濃度的混合液。
權利要求
1.含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于進行加熱蓄熱時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時的溫度；Ts為加熱過程中相變材料開始融解時的溫度。
2.含相變材料流體蓄熱蓄冷溫度控制方法，其特征在于進行冷卻蓄冷時蓄冷槽內相變流體溫度的設置為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的溫度。
4.按照權利要求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的溫度。
全文摘要
本發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。進行加熱蓄熱時相變流體蓄熱溫度的選擇為開始融解溫度T
文檔編號G01N25/02GK1959391SQ20061012951
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者戴傳山 申請人:天津大學