一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。该装置包括电磁线圈、电源、时间继电器、储热器壳体、相变材料、磁性粒子、传热流体流道、传热流体入口和传热流体出口。本发明专利技术中在相变材料储热或放热时，电磁线圈在电源和时间继电器的作用下周期性工作，牵引磁性粒子在固液界面和液态区间上下运动，传递热量，同时磁性粒子还将带动液态相变材料强制对流。本发明专利技术通过导热和流动两个方面强化了相变材料的相变过程，可显著提高相变材料的相变速率。

A phase change heat storage strengthening device based on variable magnetic field and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法
本专利技术设计强化换热领域，尤其设计一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。
技术介绍
当前社会在经济迅猛发展的同时，化石能源枯竭引发的能源危机也逐步体现，增大可再生能源利用比重的呼声也越来越高。而以太阳能和风能为代表的可再生能源存在来源不连续的特点，因此在实际应用中需要配置能量储存装置。相变材料具有储热密度高、放热温度恒定、循环稳定性好和控制简单等优点，可广泛应用于太阳能储热、工业余热利用、建筑热回收等领域。但是相变材料导热系数较低，严重限制其储/放热速率的提升，制约了相变材料实际应用的发展。对此，研究者们提出了多种解决方案，如加入翅片管或封装成微胶囊等以增大换热面积，嵌入泡沫金属框架或添加纳米高导热粒子等以提高有效导热率。自然对流对相变材料熔化/凝固过程的促进作用是较为显著的，但现有相变强化技术在提高导热的同时，都在一定程度上限制了液态相变材料的对流，制约其强化相变的效果。因此，亟需一种能够提高导热的同时不削弱甚至强化对流的相变强化装置和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法。本专利技术拟用如下技术方案实现本专利技术的目的：一种基于可变磁场的相变储热强化装置，所述相变储热强化装置包括可变磁场产生部分和储热器部分；所述可变磁场产生部分包括电磁线圈、电源和时间继电器，连接方式为：电磁线圈、电源和时间继电器串联成闭合电路，电磁线圈在时间继电器控制下间歇性通电；所述储热器部分包括储热器壳体、相变材料、磁性粒子、传热流体流道、传热流体入口和传热流体出口；连接方式为：相变材料和磁性粒子放置于储热器壳体内部，传热流体流道布置于储热器壳体的下方，且传热流体流道的顶部和储热器壳体的底部接触换热，传热流体入口和传热流体出口分别布置于传热流体流道两侧；所述电磁线圈同轴环绕于储热器壳体的外部，且电磁线圈产生的磁场力推动磁性粒子向上运动。作为优选，所述相变材料是指能够在液态和固态间转化时吸收或放出大量潜热的低熔点物质，包括无机相变材料或有机相变材料。进一步的，所述无机相变材料包括熔融盐、水合盐。进一步的，所述有机相变材料包括石蜡、脂肪酸。作为优选，所述磁性粒子包括铁磁性颗粒或永磁体颗粒。进一步的，所述铁磁性颗粒包括铁、钴、镍颗粒。作为优选，所述电磁线圈的直径从顶部至底部均匀增大，保证内部产生的磁场磁感应强度梯度朝上。作为优选，所述传热流体流道和储热器壳体同心布置，其横截面均为圆形。作为优选，传热流体入口和传热流体出口在传热流体流道两侧的布置高度错开。本专利技术的另一目的在于提供一种根据上述任意一项所述相变储热强化装置的运行方法，其包括储热强化方法和放热强化方法；其中所述储热强化方法为：高温的传热流体通过传热流体入口流入传热流体流道，热量被回收后温度降低，由传热流体出口流出；储热器底部的相变材料吸收载热流体的热量后熔化成液态，储存热量；通过电源和时间继电器控制电磁线圈周期性通电产生磁场；当电磁线圈工作时，相变材料液态部分中的磁性粒子向上移动，当电磁线圈停止工作时，相变材料液态部分中的磁性粒子在重力作用下向下移动；通过磁性粒子的交替性上下移动，将热量由储热器底部携带至相变材料的固液界面释放，进而加速相变材料中未熔化部分熔化；同时，磁性粒子的运动带动相变材料中的已熔化部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料中未熔化部分熔化，强化储热过程；其中所述放热强化方法为：低温的传热流体通过传热流体入口流入传热流体流道，吸收热量后温度升高，由传热流体出口流出；储热器底部的相变材料放出热量后缓慢凝固成固态；通过电源和时间继电器控制电磁线圈周期性通电产生磁场；当电磁线圈工作时，相变材料液态部分中的磁性粒子向上移动，当电磁线圈工作时，相变材料液态部分中的磁性粒子在重力作用下向下移动；磁性粒子的交替性上下移动，将冷量由固液界面携带至相变材料液态部分中释放，进而加速相变材料中液态部分凝固；同时，磁性粒子的运动带动相变材料中的液态部分强制对流，形成环流，进一步加速相变材料中液态部分凝固，强化放热过程。与现有技术相比，本专利技术所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置具有的优势在于通过导热和流动两个方面强化了相变材料的相变过程，显著提高相变材料的相变速率。在相变材料中添加的磁性粒子，通常具有较高的导热系数，可提高相变材料的有效导热率；另一方面，通过电磁线圈的周期性工作，牵引磁性粒子在固液界面和液态区间上下运动，加速热量传递，同时磁性粒子还将带动液态相变材料强制对流，加速相变过程。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术一种基于可变磁场的相变储热强化装置的结构示意图。图中：电磁线圈1、电源2、时间继电器3、储热器壳体4、相变材料5、磁性粒子6、传热流体流道7、传热流体入口8和传热流体出口9；具体实施方式本专利技术的一个较佳实施例提供了一种基于可变磁场的相变储热强化装置及其运行方法，如图1所示，具体包括电磁线圈1、电源2、时间继电器3、储热器壳体4、相变材料5、磁性粒子6、传热流体流道7、传热流体入口8和传热流体出口9。该相变储热强化装置按功能可以划分为可变磁场产生部分和储热器部分。其中，可变磁场产生部分包括电磁线圈1、电源2和时间继电器3，其连接方式为：电磁线圈1、电源2和时间继电器3串联成闭合电路，其中时间继电器3在该供电电路中起到周期性开断的作用，使得电磁线圈1在时间继电器3控制下间歇性通电，进而周期性产生电磁场。储热器部分包括储热器壳体4、相变材料5、磁性粒子6、传热流体流道7、传热流体入口8和传热流体出口9，其连接方式为：相变材料5和磁性粒子6放置于储热器壳体4内部。本实施例中的相变材料5是指能够在液态和固态间转化是吸收或放出大量潜热的低熔点物质，包括熔融盐、水合盐等无机相变材料和石蜡、脂肪酸等有机相变材料，可根据需要选择一种或多种。本实施例中的磁性粒子6包括铁、钴、镍等铁磁性颗粒和永磁体颗粒，也可根据需要选择一种或多种。在无磁场状态下，磁性粒子6在重力作用下沉于储热器壳体4的底部。传热流体流道7设计成圆盘形式，其同心布置于圆筒状的储热器壳体4的下方，传热流体流道7的顶部和储热器壳体4的底部紧密接触实现换热，因此两者之间的分隔板尽量采用高导热材料。传热流体入口8和传热流体出口9对称布置于传热流体流道7两侧，冷流体或热流体从传热流体入口8流入，然后经过传热流体流道7后从传热流体出口9流出。为了保证流体在传热流体流道7内不会出现流动死角，可以设计传热流体入口8和传热流体出口9在传热流体流道7两侧的布置高度错开，即传热流体入口8和传热流体出口9分别与传热流体流道7的左侧边偏下位置和右侧边偏上位置相连。该装置中，强化换热是通过相变材料5中的磁性粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述相变储热强化装置包括可变磁场产生部分和储热器部分；/n所述可变磁场产生部分包括电磁线圈(1)、电源(2)和时间继电器(3)，连接方式为：电磁线圈(1)、电源(2)和时间继电器(3)串联成闭合电路，电磁线圈(1)在时间继电器(3)控制下间歇性通电；/n所述储热器部分包括储热器壳体(4)、相变材料(5)、磁性粒子(6)、传热流体流道(7)、传热流体入口(8)和传热流体出口(9)；连接方式为：相变材料(5)和磁性粒子(6)放置于储热器壳体(4)内部，传热流体流道(7)布置于储热器壳体(4)的下方，且传热流体流道(7)的顶部和储热器壳体(4)的底部接触换热，传热流体入口(8)和传热流体出口(9)分别布置于传热流体流道(7)两侧；所述电磁线圈(1)同轴环绕于储热器壳体(4)的外部，且电磁线圈(1)产生的磁场力推动磁性粒子(6)向上运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述相变储热强化装置包括可变磁场产生部分和储热器部分；
所述可变磁场产生部分包括电磁线圈(1)、电源(2)和时间继电器(3)，连接方式为：电磁线圈(1)、电源(2)和时间继电器(3)串联成闭合电路，电磁线圈(1)在时间继电器(3)控制下间歇性通电；
所述储热器部分包括储热器壳体(4)、相变材料(5)、磁性粒子(6)、传热流体流道(7)、传热流体入口(8)和传热流体出口(9)；连接方式为：相变材料(5)和磁性粒子(6)放置于储热器壳体(4)内部，传热流体流道(7)布置于储热器壳体(4)的下方，且传热流体流道(7)的顶部和储热器壳体(4)的底部接触换热，传热流体入口(8)和传热流体出口(9)分别布置于传热流体流道(7)两侧；所述电磁线圈(1)同轴环绕于储热器壳体(4)的外部，且电磁线圈(1)产生的磁场力推动磁性粒子(6)向上运动。


2.根据权利要求1所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述相变材料(5)是指能够在液态和固态间转化时吸收或放出大量潜热的低熔点物质，包括无机相变材料或有机相变材料。


3.根据权利要求2所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述无机相变材料包括熔融盐、水合盐。


4.根据权利要求2所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述有机相变材料包括石蜡、脂肪酸。


5.根据权利要求1所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述磁性粒子(6)包括铁磁性颗粒或永磁体颗粒。


6.根据权利要求5所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述铁磁性颗粒包括铁、钴、镍颗粒。


7.根据权利要求1所述的一种基于可变磁场的相变储热强化装置，其特征在于，所述电磁线圈(1)的直径从顶部至底部均匀增大，保证内部产生的磁场磁感应强度梯度朝上。


8.根据权利要求1所述的一种基于可变磁场的相变储热...

【专利技术属性】
技术研发人员：范誉斌，张学军，赵阳，张春伟，余萌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33