一种电场加速有机相变材料熔化装置的制作方法

1.本实用新型涉及潜热储能的技术领域，尤其涉及一种电场加速有机相变材料熔化装置。


背景技术：

2.有机相变材料如石蜡类、醇类、脂肪酸类、高级脂肪烃类等具有相变潜热高、稳定性好、无腐蚀性、无过冷和相分离等优点，广泛应用在太阳能热利用、工业余热回收、电子产品热管理、建筑节能、电力调峰等领域。有机相变材料(phase change materials,pcms)的低导热系数极大地阻碍了相变传热过程，限制了储能系统的性能。人们发展了多种主动和被动强化传热技术克服这一弊端。目前，基于被动技术强化有机pcms熔化传热已有广泛且深入研究，主要包括使用翅片、添加高导热纳米粒子、泡沫金属、微胶囊技术、优化传热过程等。主动强化传热技术应用在有机pcms熔化过程研究较少，国内尚无电场作用下有机相变材料熔化实验研究装置。


技术实现要素：

3.针对上述产生的问题，本实用新型的目的在于提供一种电场加速有机相变材料熔化装置。
4.为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
5.一种电场加速有机相变材料熔化装置，其中，包括：实验箱体1、与所述实验箱体1连接的第一恒温油浴装置2、与所述实验箱体1连接的第二恒温油浴装置3、与所述实验箱体1连接的示波器4、与所述实验箱体1连接的皮安表5、与所述实验箱体1连接的温度巡检仪6、与所述实验箱体1连接的高压功率放大器9和与所述高压功率放大器9连接的信号发生器10，其中，所述实验箱体1包括：相正对设置的第一换热器11和第二换热器12，所述第一换热器11和所述第一恒温油浴装置2连接，所述第二换热器12和所述第二恒温油浴装置3连接，所述第一换热器11和所述第二换热器12之间设有铜棒组13。
6.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，所述实验箱体1还包括：底板14和与所述底板14连接的相正对设置的两个侧板，所述底板14的两端分别与所述第一换热器11和所述第二换热器12连接，所述第一换热器11和所述第二换热器12均设于两个所述侧板之间。
7.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，还包括：热电偶61，第一换热器11的侧壁和第二换热器12的侧壁上均连接有若干所述热电偶61，每一个所述热电偶均与温度巡检仪6连接。
8.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，还包括：相机7，所述相机7设于实验箱体1的侧面，相机7的镜头朝向所述实验箱体1设置，所述相机7和所述温度巡检仪6均与计算机8连接。
9.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，所述高压功率放大器9接地，所述
皮安表5接地。
10.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，还包括：保温棉，所述实验箱体1的外壁上连接有所述保温棉。
11.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，所述铜棒组包括：至少八根相互平行设置的铜棒131，每根铜棒131的两端分别与两个所述侧板连接。
12.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，所述铜棒组包括：至少三排相互平行设置的铜棒排132，每排所述铜棒排132与竖直平面平行，任意相邻的两排所述铜棒排132之间的间距为10mm。
13.上述的电场加速有机相变材料熔化装置，其中，每排所述铜棒排132的任意相邻的两铜棒之间的间距为10mm。
14.本实用新型由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
15.(1)本实用新型提供了一种电场加速有机相变材料熔化装置，便于实验人员进行强化传热技术应用在有机pcms熔化过程研究；
16.(2)本实用新型通过高压功率放大器和信号发生器对实验箱体内提供各种波形下的电场环境，通过实验箱体两侧的恒温油浴装置和换热器对温度进行控制，同时对实验过程的各类数据进行采集，实现了对强化传热技术应用在有机pcms熔化过程研究。
附图说明
17.图1是本实用新型的一种电场加速有机相变材料熔化装置的结构示意图。
18.图2是本实用新型的一种电场加速有机相变材料熔化装置的实验箱体的结构示意图。
19.图3是本实用新型的一种电场加速有机相变材料熔化装置的实验箱体的俯视示意图。
20.附图中：1、实验箱体；2、第一恒温油浴装置；3、第二恒温油浴装置；4、示波器；5、皮安表；6、温度巡检仪；7、相机；8、计算机；9、高压功率放大器；10、信号发生器；11、第一换热器；12、第二换热器；13、铜棒组；14、底板；61、热电偶；131、铜棒；132、铜棒排。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
22.请参照图1至图3所示，示出了一种电场加速有机相变材料熔化装置，其中，包括：实验箱体1、与实验箱体1连接的第一恒温油浴装置2、与实验箱体1连接的第二恒温油浴装置3、与实验箱体1连接的示波器4、与实验箱体1连接的皮安表5和与实验箱体1连接的温度巡检仪6，其中，实验箱体1包括：相正对设置的第一换热器11和第二换热器12，第一换热器11和第一恒温油浴装置2连接，第二换热器12和第二恒温油浴装置3连接，第一换热器11和第二换热器12之间设有铜棒组13。
23.进一步，在一种较佳实施例中，实验箱体1还包括：底板14和与底板14连接的相正对设置的两个侧板，底板14的两端分别与第一换热器11和第二换热器12连接，第一换热器11和第二换热器12均设于两个侧板之间。
24.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：热电偶61，第一换热器11的侧壁和第二换热器12的侧壁上均连接有若干热电偶61，每一个热电偶均与温度巡检仪6连接。
25.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：相机7，相机7设于实验箱体1的侧面，相机7的镜头朝向实验箱体1设置，相机7和温度巡检仪6均与计算机8连接。
26.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：高压功率放大器9和信号发生器10，高压功率放大器9和实验箱体1连接，信号发生器10和高压功率放大器9连接。
27.进一步，在一种较佳实施例中，高压功率放大器9接地，皮安表5接地。
28.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：保温棉，实验箱体1的外壁上连接有保温棉。
29.进一步，在一种较佳实施例中，铜棒组包括：至少八根相互平行设置的铜棒131，每根铜棒131的两端分别与两个侧板连接。
30.进一步，在一种较佳实施例中，铜棒组包括：至少三排相互平行设置的铜棒排132，每排铜棒排132与竖直平面平行，任意相邻的两排铜棒排132之间的间距为10mm。
31.进一步，在一种较佳实施例中，每排铜棒排132的任意相邻的两铜棒之间的间距为10mm。
32.以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围。
33.本实用新型在上述基础上还具有如下实施方式：
34.本实用新型的进一步实施例中，第一换热器11、第二换热器12、底板14和两个侧板合围形成方腔，方腔内部尺寸为40.0mm
×
40.0mm
×
40.0mm，第一换热器11设于方腔左侧，第二换热器12设于方腔右侧，第一换热器11和第二换热器12之间依次设有三排铜棒排132，由左到右依次为第一排、第二排和第三排，三排铜棒排132相互平行，三排铜棒排132、第一换热器11和第二换热器12之间相互平行，每根铜棒131均水平设置，第一排和第一换热器11之间的距离为10mm，第一排有三根铜棒131，第一排最下方的一根和底板14之间的距离为10mm，第一排的任意相邻的两根铜棒131之间的距离为10mm，任意相邻的两排铜棒排132之间的间距为10mm，第二排有三根铜棒131，第二排最下方的一根和底板14之间的距离为15mm，第二排的两根铜棒131之间的距离为10mm，第三排有三根铜棒131，第三排最下方的一根和底板14之间的距离为10mm，第三排的任意相邻的两根铜棒131之间的距离为10mm。
35.本实用新型的进一步实施例中，潜热储能系统利用相变材料发生物相变化时吸收或释放大量热量特点，将热量储存起来，也称为相变储能。有机相变材料如石蜡类具有化学稳定、无过冷和相分离特点，被广泛应用于潜热储能领域。但有机相变材料低导热系数严重限制了潜热储能系统性能。基于主动施加电场强化传热技术具有智能控制、响应快、无噪音和运动部件等特点。通过电场加速有机相变材料熔化装置可以在实验室层面探索电场强化有机相变材料熔化内在机制。
36.本实用新型的进一步实施例中，电场加速有机相变材料熔化装置包括电学系统、恒温系统、数据采集系统、实验箱体1四部分。实验采用信号发生器10与高压功率放大器9组合以输出满足实验需要的电压波形，采用示波器4实时监测电路中输出电压，采用皮安表5测量电路中的电流。实验采用两恒温油浴中的循环工质为25#变压器油，其中右侧恒温油浴的温度高于有机相变材料的熔点以保证熔化进行，左侧恒温油浴的温度低于有机相变材料
熔点3.0℃以使左侧有机相变材料维持固态。
37.本实用新型的进一步实施例中，实验箱体1为一个多线方腔结构，实验箱体1左右壁面温度由左右两侧恒温油浴保持恒定。实验箱体1左右壁面各均匀布置4条热电偶61实时监测温度，热电偶61采集的温度由温度巡检仪6实时显示。采用数码相机7在指定时间间隔拍摄记录有机相变材料熔化过程，同时实验箱体1包覆保温棉以减少熔化过程中的热量损失。
38.本实用新型的进一步实施例中，方腔左右壁面为铝换热器，方腔前、后、下壁面为亚克力玻璃。方腔内部尺寸为40.0mm
×
40.0mm
×
40.0mm，方腔内部布置8条直径为3.0mm铜棒131,各铜棒131中心水平间距为10.0mm，第一排和第三排铜棒131中心竖直间距为10.0mm，第二排铜棒131距离上下壁面间距为25.0mm，其竖直间距仍为10.0mm。实验中第一排、第三排铜棒131与高压功率放大器9输出的电压相连接，第二排铜棒131和左右壁面的铝换热器进行接地。
39.本实用新型的进一步实施例中，有机相变材料一般是良好的绝缘材料，可以承受极强电场而不会被击穿，由此能够受益电场效应。有机石蜡类介电材料电导率较低(σ≤10
‑6s/m)，低电导率意味着低电流，所以即使施加高压，外界输入的电功耗也很小。
40.本实用新型的进一步实施例中，通过向线电极施加电压可使多线
‑
方腔结构内产生非均匀的电场分布，电场强度分布由求解以下控制方程获得：
[0041][0042][0043]
其中，式(1)中ε为有机相变材料介电常数，为电场矢量，式(2)中v为多线电极施加的电势。
[0044]
本实用新型的进一步实施例中，向第一排、第三排线电极施加5.0kv电压时，最大电场幅值出现在多线电极附近，其最大电场强度为2.6
×
106v/m，该电场强度大于电荷注入所需要的临界场强，保证施加电压时线电极不断有电荷注入，从而产生库伦力并驱动方腔内的液相相变材料产生强迫对流，使加热的液相相变材料不断与固相相变材料接触，进而加快有机相变材料熔化过程，属于有源强化工质流动及传热过程范畴。
[0045]
本实用新型的进一步实施例中，电场加速有机相变材料熔化装置包括电学系统、恒温系统、数据采集系统、实验箱体1四部分。实验通过两恒温水浴提供的循环水维持实验箱体1左右壁面恒定温度；采用信号发生器10和高压功率放大器9提供各种波形下的电场环境，采用示波器4实时显示、监测电路中的电压，采用皮安表5测量电路中的电流；采用高速相机7拍摄记录相变材料熔化过程，利用热电偶61及温度巡检仪6监测实验箱体1左右壁面温度。
[0046]
本实用新型的进一步实施例中，多线方腔结构内部尺寸分布，其内部尺寸为40mm
×
40mm
×
40mm，其左右壁面为铝制密封水冷头，其前后壁面为5.0mm厚的透明亚克力玻璃。方腔内插入8只直径为3.0mm的黄铜棒131电极，电极水平间距为10.0mm。为产生非均匀电场分布，第一列和第三列电极连接高压直流电源，中间第二列电极和左右壁面进行接地处理。在实验过程中，多线方腔结构包覆30mm厚、导热系数为0.036w/m
·
k的保温棉减少散热损失。
[0047]
本实用新型的进一步实施例中，采用纯度为99.0％的正十八烷、切片石蜡作为有机相变材料。便于分析熔化过程中的流动传热机理及数值建模。石蜡成本较低，被广泛应用在潜热储能领域，可为应用电场提升潜热储能系统性能提供直接参考。正十八烷的熔点为27.5℃，潜热为232.2j/g，粘度为3.8
×
10
‑3pa
·
s，相对介电常数为2.06，电导率为6.0
×
10
‑
13
s/m，石蜡的熔点为62.0℃，潜热为128.3j/g，粘度为5.7
×
10
‑3pa
·
s，相对介电常数为2.2，电导率为5.5
×
10
‑
13
s/m。
[0048]
本实用新型的进一步实施例中，为研究对流传热机制下电场对有机相变材料熔化过程的影响，采用右壁面加热、左壁面冷却方式进行实验。相比较施加正直流电压，施加负直流电压产生的电场效应更加明显。故施加的直流电压极性为负。同时选择
±
10.0kv交流方波信号研究不同电场力对熔化过程的贡献。
[0049]
本实用新型的进一步实施例中，正十八烷左壁面温度为25.0℃，右壁面温度为35.0℃，施加电压为0kv，
‑
5kv，
‑
7.5kv，
‑
10.0kv，
±
10.0kv，石蜡左壁面温度为60.0℃，右壁面温度为85.0℃，施加电压为0kv，
‑
5kv，
‑
7.5kv，
‑
10.0kv。
[0050]
本实用新型的进一步实施例中，取适量pcms至于抽滤瓶中，抽滤瓶内放置一旋转磁性转子。将抽滤瓶置于恒温加热台上，抽滤瓶的温度调至pcms熔点之上，抽滤瓶与真空泵相连接，保证pcms在负压状态下中熔化，滤除pcms内部溶解的空气。打开恒温水浴循环系统，将多线方腔腔体进行预热，防止熔化的pcms加入实验箱体1内急速凝固形成不规则的晶枝结构。将熔化的pcms通过注射器缓慢注入实验箱体1内，防止气泡产生。将左侧恒温水浴温度调整至pcms熔点温度，右侧恒温水浴温度降至10.0℃，使pcms均匀单向凝固。pcms完全凝固后，将左右壁面的温度调整至pcms熔点之下3.0℃，并保持3.0h。保证pcms内部温度分布均匀。将左、右恒温水浴的温度调整至安排的实验工况温度。每隔10min，短暂移除腔体包覆的保温棉，利用相机7记录固液相界面位置。
[0051]
本实用新型的进一步实施例中，无施加电场下pcms熔化无施加电场下正十八烷、石蜡熔化，整个熔化过程中，pcms固液相分界面清晰光滑。在熔化初期10.0min阶段，正十八烷和石蜡固液相分界面与加热壁面平行，此时热量以导热形式进行传递。随着熔化过程进行，固液相分界面不再和右侧加热壁面平行，顶端pcms首先熔化，顶端固液相分界面逐渐向左侧凹陷，这与液相pcms内部温差驱动的对流流动有关。右侧加热壁面将热量传递给近右壁面附近的液相pcms，加热后的液相pcms在浮力驱动下竖直向上流动，向上流动的液相pcms在温差的驱动下继续水平向左流动，向左流动的液相pcms接触未熔化的固相pcms后温度降低，密度增加，导致变冷后的液相pcms在重力作用下沿着固液相分界面向下流动，向下流动的液相pcms到达腔体底部后继续水平向右流动，到达右侧加热壁面端。液相pcms区内存在逆时针的热环流、加热后的液相pcms与固相pcms持续接触作用，保证了pcms在无施加电场下熔化能够持续进行。当液相pcms到达左侧冷却壁面后，固液相分界面整体向右凸出，此时液相pcms内部自然热对流减弱，pcms熔化过程变慢。当整个熔化过程进行至300min，剩余3.5％正十八烷、41.2％石蜡未熔化。
[0052]
本实用新型的进一步实施例中，第一列和第三列线电极施加
‑
5.0kv电压下正十八烷熔化过程为，当开始熔化进行至10.0min时，固液相界面尚未到达第三列电极位置处，此时固液相分界面依然和加热壁面保持平行，与无施加电场下固液相界面形状分布保持一致。随着熔化过程继续进行，在第30min，顶部液相pcms开始到达第三列顶部电极位置，电极
附近处pcms较其他区域熔化较快，电极附近处固液相界面呈现半圆型。随着固液相界面的移动，当液相pcms到达第三列下方电极位置时，电极附近处pcms同样先熔化并呈半圆型分布。在之后的熔化过程中，固液相分界面依然保持不规则的波浪型分布。整个熔化过程，在线电极施加电压条件下，固液相分界面不同无施加电场下水平向右凹型推进演化，而是整体向左近似均匀地进行熔化。施加
‑
7.5kv、
‑
10.0kv电压下正十八烷熔化过程与以上施加
‑
5.0kv电压下正十八烷熔化过程相类似。
[0053]
本实用新型的进一步实施例中，对比了熔化至130min，无施加电压和施加不同电压下固液相界面位置。随着线电极施加电压的增加，固液相界面位置会整体向左移动，对应剩余固相正十八烷越少。施加不同电压下液相分数随时间演化，可以看出，随着线电极施加电压的增加，液相分数升至1.0即完全熔化所需时间越少。当无施加电压时，pcms完全熔化所需时间为330min，而当线电极施加电压为
‑
10.0kv时，pcms完全熔化所需时间为150min，其熔化时间可缩短54.5％。此时电路中的电流仅为3.04
×
10
‑6a，对应功耗为0.0304w，由此可以看出采用电场强化pcms熔化的经济性。
[0054]
本实用新型的进一步实施例中，固相pcms和液相pcms具有不同介电常数及熔化过程存在温度梯度，为验证介电力对熔化过程的影响，向线电极施加
±
10.0kv、占空比为50.0％的方波信号，施加方波信号频率对应的时间尺度要小于pcms中电荷弛豫时间和pcms粘性时间尺度，避免产生空间电荷从而排除库仑力的贡献。选取施加的
±
10.0kv方波频率为60.0hz。施加
±
10.0kv方波和无施加电场的固液相界面位置在相同熔化时刻基本重合，熔化过程中没有观察到电极附近pcm较其他区域熔化较快的现象。由此可以断定，介电力对pcms熔化过程的贡献可忽略不计，因此库伦力驱动的pcms在液相区内强迫流动是电场加快pcm熔化的直接原因。库伦力为空间电荷密度和电场强度的乘积。空间电荷产生机制包括传导机制和电荷注入机制。传导机制即电场强化中性电介质分解的onsager效应，其与电解质种类、电导率、电场强度有关。在无施加电场时，电解质的分解速率和再结合速率相同。当施加电场时，分解速率被强化，再结合速率受外加电场影响较小，分解速率大于再结合速率，分解产生的电荷将会被吸引至相反极性的电极表面，形成异号电荷层。实验选用的正十八烷具有极低的电导率，通过传导机制产生的空间电荷量可忽略不计。电荷注入机制要求较高电场强度，其幅值需大于106v/m，电场作用下电解质和电极表面发生复杂的电化学反应，电极表面积聚的电荷形成同号电荷层，在外部电场作用下，同号电荷层排离电极表面进而驱动周围的流体流动。一般认为，在低电场强度时传导机制占主导，当电场强度大于临界注入阈值时，注入机制起主导作用。
[0055]
本实用新型的进一步实施例中，施加电场下石蜡熔化线电极施加
‑
10.0kv，在熔化初期固液相界面与右加热平行，其与无施加电场下石蜡熔化初期固液相界面分布相同。当固液相界面到达电极位置处，电极附近只有局部石蜡熔化较其他区域先熔化，在整个石蜡熔化过程，未观察到固液相界面明显地波浪型分布，电场加速石蜡熔化过程效果并不明显，其可归因于石蜡较正十八烷具有较高的粘度，熔化过程中石蜡的粘度为5.7
×
10
‑3pa
·
s，而正十八烷的粘度为3.8
×
10
‑3pa
·
s，石蜡熔化过程施加
‑
10.0kv电压产生的电场力不足以显著地克服粘性力进而引起明显电对流。
[0056]
本实用新型的进一步实施例中，通过搭建的多线方腔结构实验装置，研究了向多线电极施加不同电压对正十八烷、石蜡熔化过程的影响。得到以下结论：在无施加电压下，
正十八烷、石蜡熔化初期热量以导热形式传递。随着熔化过程的进行，热量将会以热对流形式进行传递。施加电压可明显加快正十八烷熔化过程，其熔化时间在施加
‑
10.0kv电压下最多可缩短54.5％，电场作用熔化过程中介电力贡献可忽略不计，库伦力为主导力，空间电荷由线电极注入产生。本实验中由于采用的液态石蜡具有较高粘度，施加
‑
10.0kv只能局部加速熔化，但未能明显地加速整体熔化过程。
[0057]
以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。