機(jī)械振動(dòng)誘發(fā)過(guò)冷三水醋酸鈉蓄熱單元釋能特性實(shí)驗(yàn)研究

杜海翔，周?chē)?guó)兵

機(jī)械振動(dòng)誘發(fā)過(guò)冷三水醋酸鈉蓄熱單元釋能特性實(shí)驗(yàn)研究

杜海翔，周?chē)?guó)兵

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

利用鋼球敲擊和電磁振動(dòng)器誘發(fā)圓角矩形蓄熱單元內(nèi)穩(wěn)定過(guò)冷三水醋酸鈉溶液凝固并釋放熱量，實(shí)驗(yàn)研究了蓄熱單元表面不同敲擊位置以及不同振動(dòng)頻率和輸入電壓下結(jié)晶誘導(dǎo)時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：17個(gè)敲擊位置的誘導(dǎo)時(shí)間圖譜可分為3個(gè)層次，即法蘭附近、四周邊角和單元中間位置，相應(yīng)平均誘導(dǎo)時(shí)間依次為10.2 s，30 s，50 s，尤其處于法蘭和邊角之間的敲擊位置誘導(dǎo)時(shí)間最短，均在10 s內(nèi)；經(jīng)作用強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)電磁振動(dòng)裝置在單元表面同一位置的振動(dòng)加速度和位移值約為鋼球敲擊的1/4；在0~20 Hz內(nèi)，隨著電磁振動(dòng)頻率增加，誘導(dǎo)時(shí)間單調(diào)遞減且變化率整體呈減小趨勢(shì)，其中20 Hz為較佳觸發(fā)頻率，誘導(dǎo)時(shí)間僅為33.3 s；輸入電壓增大導(dǎo)致振動(dòng)功率增大，單位時(shí)間輸入能量增大，誘導(dǎo)進(jìn)程加快，輸入電壓為36 V的誘導(dǎo)時(shí)間約是12 V的1/3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為機(jī)械振動(dòng)誘發(fā)過(guò)冷水合鹽凝固釋能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

機(jī)械振動(dòng)；過(guò)冷；三水醋酸鈉；誘導(dǎo)時(shí)間；結(jié)晶

0 引言

利用相變材料（PCMs）蓄熱是克服可再生能源間歇的有效手段。與有機(jī)PCMs相比，無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)具有儲(chǔ)能密度大、價(jià)格低廉、溫度易控制等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在中低溫跨季節(jié)蓄能領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用[1,2]。但大部分水合鹽存在過(guò)冷現(xiàn)象[3]，影響實(shí)際熱循環(huán)系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性，因此大多數(shù)研究將其視為蓄能系統(tǒng)利用的不利因素，并通過(guò)添加各種鹽[4]、石墨[5,6]、納米銀[7]和氮化鋁[8]等成核劑來(lái)減小過(guò)冷度。

然而，水合鹽材料較大的過(guò)冷度可使其在極少損失熱量的情況下完成長(zhǎng)期蓄熱，這為實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)蓄能提供了有利條件。文獻(xiàn)[9,10]基于三水醋酸鈉（SAT）研究了3種季節(jié)性儲(chǔ)熱模塊的穩(wěn)定過(guò)冷性能，并成功用CO2局部低溫方法實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。文獻(xiàn)[11]對(duì)兩種SAT混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在環(huán)境溫度下穩(wěn)定過(guò)冷長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月后通過(guò)CO2局部冷卻成功釋放熱量。文獻(xiàn)[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完全熔化的SAT很容易過(guò)冷至0 ℃以下，且觀測(cè)到最大過(guò)冷度為89 ℃。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)出利用CaCl2?6H2O進(jìn)行蓄能的地源熱泵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)冬季對(duì)30 m2農(nóng)業(yè)溫室的不間斷供暖，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

目前，過(guò)冷水合鹽長(zhǎng)期蓄能主要分為3個(gè)階段：充熱、蓄熱和觸發(fā)釋能。當(dāng)有熱量需求時(shí)，可通過(guò)外部手段觸發(fā)過(guò)冷水合鹽凝固而釋放潛熱，因此選擇一種簡(jiǎn)單有效的觸發(fā)方式尤為重要。已有研究主要集中在局部低溫[14,15]、施加電場(chǎng)[16]和磁場(chǎng)[17]、添加晶核[18]、超聲波振動(dòng)[19-23]以及機(jī)械振動(dòng)[24]等方法。文獻(xiàn)[21]對(duì)比分析了超聲波作用下純水和脫氣水的成核溫度，結(jié)果證明空化效應(yīng)是水成核的主要因素。文獻(xiàn)[22]將20 kHz超聲波作用于SAT溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著超聲波功率增大，成核概率增大，誘導(dǎo)時(shí)間減小，且濃度為53%的SAT溶液結(jié)晶效果最好。文獻(xiàn)[24]研究了功率在0～20 W的振動(dòng)片對(duì)Na2CO3溶液過(guò)冷度的影響，結(jié)果表明振動(dòng)明顯減小了過(guò)冷度和誘導(dǎo)時(shí)間，并且隨著振動(dòng)強(qiáng)度增大，效果明顯。但實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)片直接放入了溶液內(nèi)部，在實(shí)際封閉蓄熱單元應(yīng)用尚待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[25]研究了小球敲擊振動(dòng)對(duì)過(guò)冷三水醋酸鈉結(jié)晶誘導(dǎo)期的影響，分析得出：敲擊動(dòng)量越大，結(jié)晶誘導(dǎo)期越短；敲擊位置接近單元法蘭誘導(dǎo)時(shí)間更短。本文以SAT為相變材料，利用鋼球敲擊裝置和電磁振動(dòng)器分別研究了蓄熱單元表面不同敲擊位置以及不同振動(dòng)頻率和輸入電壓下結(jié)晶誘導(dǎo)時(shí)間的變化規(guī)律，并針對(duì)兩種機(jī)械裝置進(jìn)行作用強(qiáng)度測(cè)試分析，為優(yōu)化過(guò)冷水合鹽跨季節(jié)蓄能系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

實(shí)驗(yàn)材料為三水醋酸鈉，AR級(jí)，純度為99.1%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括3部分：加熱循環(huán)系統(tǒng)用于加熱蓄熱單元內(nèi)SAT，使其完全融化至過(guò)熱狀態(tài)，完成充熱過(guò)程；測(cè)量系統(tǒng)主要記錄室內(nèi)環(huán)境、水箱以及蓄熱單元表面的溫度變化；機(jī)械振動(dòng)裝置用于觸發(fā)過(guò)冷SAT溶液凝固放熱。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在地下室內(nèi)進(jìn)行，房間溫度維持在20 ℃左右。

1.1 加熱循環(huán)系統(tǒng)

如圖1所示，加熱循環(huán)系統(tǒng)[25]包括電加熱水箱、蓄熱水箱、蓄熱單元、水泵和進(jìn)、出水管等。電加熱水箱和蓄熱水箱同為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)（不銹鋼制），尺寸分別為600 mm×500 mm×900 mm和820 mm× 600 mm×550 mm，水箱外部均采用雙層保溫。儲(chǔ)熱模塊沿用易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過(guò)冷的圓角矩形蓄熱單元[26]，尺寸為600 mm×400 mm×20 mm，圓角半徑為10 mm，壁面材料為304不銹鋼（壁厚1.5 mm），受機(jī)械振動(dòng)耐久性良好。為實(shí)現(xiàn)充分加熱，單元用鋼制支架分層放置，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)、出水管以及用于連接的管道外部均用保溫棉包裹以減小熱損失。

1—電加熱水箱 2—水泵3—進(jìn)水管 4—蓄熱水箱 5—蓄熱單元 6—支架 7—出水管

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由四線制PT100薄膜鉑電阻（溫度傳感器，精度為±0.15+0.002|T|）、數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34907A、計(jì)算機(jī)、電子天平（精度為0.1 mg）和直尺（精度為0.1 mm）組成。室內(nèi)環(huán)境和水箱均布置溫度測(cè)點(diǎn)，蓄熱單元表面分布6個(gè)測(cè)點(diǎn)（1~6），如圖2所示。

1.3 機(jī)械振動(dòng)裝置

1.3.1 鋼球敲擊振動(dòng)裝置

鋼球敲擊實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，鋼制小球（b=4 cm）從固定支架標(biāo)記處自由下落，敲擊單元表面以觸發(fā)過(guò)冷SAT溶液凝固放熱。實(shí)驗(yàn)保證鋼球下落高度相同，對(duì)圖4所示單元正面位置1~17（沿中心軸對(duì)稱(chēng)布置）進(jìn)行敲擊，形成觸發(fā)圖譜。另外單元與地面保持約7°傾角，保證敲擊點(diǎn)處容器內(nèi)表面無(wú)空隙或氣泡，沖擊力能夠直接傳遞至溶液。在圖3中，單元沿其長(zhǎng)邊放置，正面（法蘭面）朝上。敲擊單元表面位置1~6、10~17時(shí)，左側(cè)即法蘭側(cè)低于右側(cè)；而敲擊位置7~9時(shí)，左側(cè)則高于右側(cè)，確保成功觸發(fā)。

圖2 蓄熱單元表面溫度測(cè)點(diǎn)分布示意圖

1—固定支架 2—下落位置標(biāo)記 3—鋼球 4—法蘭 5—蓄熱單元 6—支撐物

圖4 敲擊位置分布圖

1.3.2 直流電磁振動(dòng)裝置

受限于鋼球敲擊的頻率，對(duì)于更高頻率采用直流電磁振動(dòng)裝置，包括電磁振動(dòng)器（電壓0～36 V，頻率0～20 Hz，振幅1 mm）、MOS管模塊、脈沖驅(qū)動(dòng)器、直流電源變壓器（0～50 V）以及電源插座、導(dǎo)線等。實(shí)驗(yàn)研究輸入電壓為24 V時(shí)，不同頻率（1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz）以及頻率為10 Hz時(shí)，不同輸入電壓（12 V、24 V、36 V）對(duì)過(guò)冷SAT誘導(dǎo)時(shí)間的影響。

1.3.3 兩種機(jī)械振動(dòng)裝置作用強(qiáng)度測(cè)試

采用LC-3000振動(dòng)分析儀對(duì)鋼球敲擊和電磁振動(dòng)器的作用強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。步驟如下：設(shè)定單元表面位置14（如圖4所示）為振動(dòng)作用點(diǎn)，并將壓力傳感器吸附于A點(diǎn)（距離位置14約5 cm處）。之后利用鋼球和電磁振動(dòng)器分別對(duì)位置14作用（頻率均為1 Hz，鋼球下落高度為10 cm）。設(shè)置振動(dòng)分析儀參數(shù)的分析頻率1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，對(duì)加速度（反映振動(dòng)作用力）和位移（反映鋼板形變量）進(jìn)行采集，過(guò)程中持續(xù)保持作用，待分析儀顯示數(shù)值穩(wěn)定后停止采集并通過(guò)PC端獲取。

表1示出兩種機(jī)械振動(dòng)裝置作用下，單元表面A點(diǎn)處加速度及位移值對(duì)比，可以看出，在當(dāng)前直流電磁振動(dòng)裝置作用下，A點(diǎn)加速度及位移值明顯較小，約為鋼球敲擊的1/4，表明實(shí)驗(yàn)所用兩種裝置對(duì)蓄熱單元的振動(dòng)強(qiáng)度存在差異。

表1 單元表面A點(diǎn)處加速度和位移值對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)前采用烘干法[27]測(cè)得樣品SAT實(shí)際含水量為40.18%。首先向5個(gè)相同的蓄熱單元分別裝入6 kg液態(tài)SAT（無(wú)額外添加水或其它物質(zhì)）并用法蘭蓋密封，之后將單元在蓄熱水箱保持恒溫81 ℃循環(huán)加熱12 h后移出并置于地面，被室內(nèi)空氣冷卻至過(guò)冷狀態(tài)并穩(wěn)定維持24 h，最后進(jìn)行觸發(fā)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)第一部分通過(guò)鋼球敲擊不同位置并觸發(fā)SAT凝固釋放潛熱，鋼球下落高度=10 cm，敲擊間隔為2 s，記錄鋼球敲擊次數(shù)并與誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)照；第二部分通過(guò)手持電磁振動(dòng)器對(duì)單元表面位置16施加振動(dòng)并控制方向、位置不變，改變振動(dòng)頻率和輸入電壓并記錄誘導(dǎo)時(shí)間。定義誘導(dǎo)時(shí)間in為振動(dòng)作用開(kāi)始時(shí)刻0到單元6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)中第一個(gè)出現(xiàn)溫度突然升高（過(guò)冷液出現(xiàn)結(jié)晶）的時(shí)刻1，即in=1–0。為降低實(shí)驗(yàn)偶然性，每個(gè)工況外部條件一致并重復(fù)3次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)所用鋼球質(zhì)量=265.73 g，定義敲擊動(dòng)量為其質(zhì)量與敲擊前速度的乘積，即：

式中：取9.8 m/s2。

3.1 不同敲擊位置誘導(dǎo)時(shí)間的變化規(guī)律

圖5示出鋼球在不同敲擊位置觸發(fā)過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線，每次實(shí)驗(yàn)保證敲擊動(dòng)量相同，圖6是在位置1~17中隨機(jī)選擇的5個(gè)特征位置（3，4，9，14，16）作為數(shù)據(jù)示例。可以看出，不同敲擊位置誘導(dǎo)時(shí)間存在明顯差異，且相同位置3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間和敲擊次數(shù)也略有不同，因此取3次實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)時(shí)間的算術(shù)平均值，即平均誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)不同敲擊位置進(jìn)行規(guī)律分析。

圖6示出不同敲擊位置平均誘導(dǎo)時(shí)間分布圖，其中（a）圖可橫向比較各點(diǎn)平均誘導(dǎo)時(shí)間及層次，（b）圖可直觀看到蓄熱單元敲擊位置平均誘導(dǎo)時(shí)間的立體分布。

圖6 不同敲擊位置平均誘導(dǎo)時(shí)間分布圖

圖7可以看出，敲擊位置根據(jù)誘導(dǎo)時(shí)間可明顯分為3個(gè)層次：第一層位置1，3，16，17，誘導(dǎo)時(shí)間分別為11 s，13 s，7.7 s，9.1 s；第二層位置2，4，5，6，7，8，9，10，11，12，誘導(dǎo)時(shí)間分別為33.3 s，32 s，32 s，25.6 s，31.3 s，29 s，30.2 s，25.6 s，29 s，32.3 s；第三層位置13，14，15，誘導(dǎo)時(shí)間分別為45 s，55.5 s，49.6 s。3個(gè)層次誘導(dǎo)時(shí)間依次增加，且每個(gè)層次不同位置誘導(dǎo)時(shí)間大致接近，經(jīng)平均計(jì)算，可得代表3個(gè)層次的誘導(dǎo)時(shí)間依次是10.2 s，30.0 s，50.0 s。

第一層即位置1，3，16，17位于法蘭附近，整體誘導(dǎo)時(shí)間較短，其中位置16誘導(dǎo)時(shí)間僅為7.7 s，原因是靠近法蘭及邊角處凹槽、縫隙存在較多，導(dǎo)致接觸角變得極小，所需臨界成核能量很低，容易觸發(fā)成核；第二層次各位置分布在單元四周且遠(yuǎn)離法蘭，誘導(dǎo)時(shí)間較第一層長(zhǎng)；第三層各位置遠(yuǎn)離法蘭和四周邊角，分布在單元中間，成核過(guò)程大概率靠受沖擊后溶液內(nèi)部壓力和密度變化使分子團(tuán)簇達(dá)到臨界成核半徑，從而誘發(fā)結(jié)晶。由于缺少結(jié)構(gòu)上的促進(jìn)成核因素，因此第三層各位置誘導(dǎo)時(shí)間較第一、二層長(zhǎng)，而其中位置14位于單元中心，誘導(dǎo)時(shí)間最長(zhǎng)。結(jié)果表明：法蘭附近最容易觸發(fā)成核，四周邊角次之，而單元中間位置尤其正中心最難觸發(fā)。

圖7 振動(dòng)頻率10 Hz觸發(fā)過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線

3.2 不同振動(dòng)頻率下誘導(dǎo)時(shí)間的變化規(guī)律

圖7示出振動(dòng)頻率10 Hz，輸入電壓24 V條件下觸發(fā)過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線，3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較小，可取平均值作誘導(dǎo)時(shí)間分析。

圖8示出不同振動(dòng)頻率觸發(fā)過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線及平均誘導(dǎo)時(shí)間分布。可以看出，頻率為1 Hz時(shí)誘導(dǎo)時(shí)間較長(zhǎng)，在3 min左右，其余各頻率基本在2 min以內(nèi)觸發(fā)；經(jīng)計(jì)算，各頻率（1，5，10，15，20 Hz）平均誘導(dǎo)時(shí)間分別是190.0 s，110.8 s，91.7 s，50.2 s，33.3 s；頻率由1 Hz增至5 Hz時(shí)，誘導(dǎo)時(shí)間差值較大，為79.2 s，而由15 Hz增至20 Hz時(shí)，差值僅為16.9 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：頻率為1 Hz時(shí)較難觸發(fā)，20 Hz為較佳觸發(fā)頻率；在0～20 Hz內(nèi)，隨著振動(dòng)頻率增加，平均誘導(dǎo)時(shí)間單調(diào)遞減，并且誘導(dǎo)時(shí)間變化率整體呈減小趨勢(shì)。主要原因?yàn)殡S著振動(dòng)頻率增大，周期性機(jī)械疊加效應(yīng)明顯，溶液內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)加劇，局部密度和壓力有較大波動(dòng)，分子團(tuán)簇即初始核形成概率大大增加。另一方面，溶液中枝晶的形成和溶解處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，當(dāng)振動(dòng)頻率增至一定值，較強(qiáng)的沖擊力變化可能會(huì)導(dǎo)致部分新產(chǎn)生的枝晶折斷并加速其溶解，從而產(chǎn)生抑制作用，因此誘導(dǎo)時(shí)間變化率降低。

圖8 不同振動(dòng)頻率下溫度及平均誘導(dǎo)時(shí)間變化

3.3 不同輸入電壓下誘導(dǎo)時(shí)間的變化規(guī)律

圖9示出不同輸入電壓觸發(fā)過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線及平均誘導(dǎo)時(shí)間分布。可以看出，隨著輸入電壓增大（12 V，24 V，36 V），平均誘導(dǎo)時(shí)間逐漸降低，依次是157.5 s，91.7 s，54.7 s，輸入電壓為36 V的誘導(dǎo)時(shí)間約是12 V的1/3。從振動(dòng)裝置分析，輸入直流電壓變大，電磁振動(dòng)器功率增大，在振動(dòng)頻率不變的情況下，振動(dòng)觸頭對(duì)單元表面作用力增大。因此單位時(shí)間內(nèi)溶液外部能量輸入增大，導(dǎo)致內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)加劇，可快速達(dá)到分子所需臨界形核能，從而縮短誘導(dǎo)時(shí)間。

圖9 不同輸入電壓下溫度及平均誘導(dǎo)時(shí)間變化

4 結(jié)論

本文采用兩種機(jī)械振動(dòng)裝置對(duì)SAT蓄熱單元進(jìn)行觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同位置、振動(dòng)頻率和功率下的誘導(dǎo)時(shí)間，總結(jié)機(jī)械振動(dòng)方法的觸發(fā)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為過(guò)冷水合鹽跨季節(jié)蓄存太陽(yáng)能系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中觸發(fā)釋能方法設(shè)計(jì)及觸發(fā)條件優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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Experimental Investigation on Discharging Characteristics of Supercooled Sodium Acetate Trihydrate Thermal Storage Unit by Mechanical Vibration

DU Haixiang, ZHOU Guobing

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Experiments are performed on the effect of mechanical vibration with a steel ball and electromagnetic vibrator on inducing solidification and heat release of supercooled sodium acetate trihydrate solution in the rounded rectangular heat storage unit. The change regulations of crystallization induction time under different knock positions on the surface of the heat storage unit, different vibration frequencies and input voltages are investigated. The results show that the 17 knock positions can be divided into three groups according to the induction time map, i.e. the vicinity of flange, four edges and the center of the unit, with the corresponding average induction time being 10.2 s, 30 s and 50 s respectively. In particular, the induction time for positions between the vicinity of flange and the four edges are the shortest, which are both within 10 s. With the strength test, the vibration acceleration and displacement of the experimental electromagnetic vibration device at the same position on the unit surface are about 1/4 that of the steel ball. As the electromagnetic vibration frequency increases within 0~20 Hz, the induction time decreases monotonically and the rate of change shows a decreasing trend as a whole. Also, 20 Hz is the better trigger frequency with the induction time of only 33.3 s. The vibration power is increased for higher input voltage and then the input energy per unit time is larger with shorter induction period. The induction time for an input voltage of 36 V is about 1/3 that of 12 V. The experimental results can provide a reference for the design of energy release system of mechanical vibration inducing supercooled salt solidification.

mechanical vibration; supercooled; sodium acetate trihydrate; induction time; crystallization

TK02;O614.112

A

1672-0792(2021)03-0064-08

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.03.009

2020-12-09

北京市自然科學(xué)基金（3192034，3152022）

杜海翔（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄嘧冃钅埽?/p>

周?chē)?guó)兵（1970—），男，教授，主要研究方向?yàn)橄嘧冃钅芗疤?yáng)能熱利用。