（热能工程专业论文）太阳能空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究.pdf

河北工业大学硕士论文 i 太阳能太阳能-空气源蓄能热泵中相变蓄热器的传热性能研究 摘 要 空气源蓄能热泵中相变蓄热器的传热性能研究 摘 要 太阳能是新能源和可再生能源中最引人注目， 开发研究最多， 应用最广的清洁能源， 因此可以说，未来全球能源的主流就是太阳能。太阳能热泵结合了太阳能的清洁性、可 再生性和热泵的节能性，是一种节能、无污染的能源利用系统。将太阳能热泵技术应用 到别墅采暖中将成为未来人们缓解建筑能耗大幅攀升的有效手段和节约能源、 保护环境 的重要途径。 课题首先从太阳能热泵和空气源热泵的理论出发，提出并设计了太阳能- 空气源蓄 能热泵系统，给出了太阳能热泵系统的运行模式。该系统既能起到节能环保的作用，又 具有对现在电力“削峰填谷”的特点。 其次，用f l u e n 软件对系统中所设计的板式相变蓄热器进行了数值模拟，对比分析 了有无自然对流情况下融化和凝固过程中液相分数和壁面热流密度随时间的变化趋势 和不同时刻下的固液界面图，比较了不同的蓄热器放置形式对融化过程的影响。同时给 出了在自然对流影响下，融化和凝固过程中速度场在不同时刻的分布。 在以上对板式相变蓄热器研究基础上，从强化换热的角度出发，讨论了在板式蓄热 器内添加内肋片，提升蓄热器的入口温度，提高蓄热器的入口速度和添加复合材料对融 化过程所起到的强化换热效果。并分析了添加复合材料所要遵循的原则，初步提出比较 单一材料和复合材料换热效果的标准。 关键词：关键词： 太阳能空气源 热泵 蓄热板式肋片f l u e n t 模拟 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 ii study of the heat transfer in the plate latent energy storage exchanger in solar-air source energy storage heat pump abstract solar energy is a sort of clear energy and it is the most popular, the most investigated and the most widely used in new energy and regenerative energy field today. its said that, the mainstream of future energy in the world is solar energy. solar heat pump is an energy-saving and non-pollution system of energy utilization, combining the cleanliness, recycling of the solar energy and the energy-saving of the heat pump. the application of solar heat pump technology to villa heating is becoming the useful means to solve the fast rise of energy consumein architecture and the important approach to economize conventional energysources and to protect environment. first of all, from the theory of the solar source heat pump system and the solar source heat pump system, the solar-air source energy storage system and was established, and the module of the this system was also designed. this system can not only play an important role in the energy-saving, but also in the shift of the electricity from on-peak electric rate periods to off-peak periods. secondly, fluent 6.2 was used to simulate the phase change heat transfer process of the plate energy storage system. comparative analysis the melting and solidification process with natural convection and without natural convection, the solid-liquid interface in the different time, the complete melting time influenced by different style of placement of the plate storage system. and velocity field was given in the form of diagram in the melting and solidification process with natural convection. on the basis of the above analysis of the latent heat storage system, from the view of the heat transfer enhancement, fins was used to enhanced the heat transfer process, the temperature and the velocity of the inlet was increased, compound phase-change materials was also used to enhanced the heat transfer of the latent storage system. the principles of the addition of the composite materials was emphatic analyzed and the efficiency of comparison of the single phase-change material and compound phase-change material was put forward. key words： solar energyair-sourceheat pumpheat storage plateheat exchangerfinsfluent simulation 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作 品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权 采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或 者部分内容的阅览服务； 学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：日期： 导师签名：日期： 河北工业大学硕士论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 11 .1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 能源是人类生存的基础，能源的合理开发和利用是整个社会发展的源泉，也是人类文明与进步 的重要标志之一。随着社会生产的进步与发展，随着人民生活水平的提高，能源需求还将大幅度增 长。然而，能源的开发和利用受到资源、技术、经济和环境等众多因素的制约。 当前全球一次性能源构成主要是以矿物燃料为主体，但矿物燃料作为地球的资源，一方面在不 久的将来会枯竭，如全球已确知的石油储备仅够用 40 年，天然气储备仅够用 65 年，煤的储备大约 也只够用 200 年; 另一方面大量矿物燃料的使用又造成了环境污染和生态破坏，严重地危害着人们 的健康。因此，开发和利用新能源符合可持续发展战略。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变过程 产生的能量，是各种可再生能源(包括生物质能、风能、海洋能、水能等)中最重要的基本能源。太 阳能作为一种对环境不产生污染的新能源，取之不尽，用之不竭。权威专家估计，如果实施强化可 再生能源的发展战略1，到本世纪中叶，可再生能源可占世界电力市场的 3/5，燃料市场的 2/5;美国 的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究表明，太阳能将在本世纪进入一个快速发展阶段，并 在 2050 年左右达到 30%的比例，次于核能居于第二位，本世纪末将取代核能居于第一位2。太阳能 作为可资利用的能源，主要有光-电转换(发电)，光-化学转换(制氢)，光-热转换(热利用)。太阳能热 水器是以太阳能光热转换、利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，由于它不消耗矿物燃料，无 污染，价格较低，使用安全方便，备受世界各国的重视，日益成为太阳能热利用领域的主要方向。 蓄热技术的历史源远流长，工业应用就可以追溯到 19 世纪的蒸汽机时代在太阳能热利用、工 业余热回收、采暖及空调领域中，为了调整热能供应与人们需求之间的不一致，热能的贮存是极为 关键的一环。蓄热方法主要有显热蓄热、潜热蓄热。所谓显热式蓄热，就是通过加热介质，使其温 度升高， 而蓄热也叫 “热容式蓄热” ， 其技术最为成熟， 但由于物质显热有限所以其设备庞大成本高， 不便于推广民用。潜热蓄热是利用蓄热介质被加热到相变温度发生相变时吸收大量相变热而蓄热， 它也叫相变式蓄热。物质由固态转变为液态熔解由液态转变为气态气化，或由固态直接转变为气态 升华都会吸收相变热，而进行逆过程时则释放相变热，这是潜热式蓄热所依据的基本原理。在没有 专门说明时，相变式蓄热一般是指固液相变蓄热。潜热蓄热密度高，储热释热过程温度基本不变， 所以相变蓄热系统的效率高、体积小、成本低、便于推广民用、因而这种蓄热方式近年来在国际上 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 2 受到极大的关注成为研究的热点。 蓄热技术作为缓解能源危机的一个重要手段， 有着广泛的应用前景和现实意义。 主要表现在以 下几个方面: ( 1 ) 移峰填谷及电余热的储存 随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对工作和生活环境提出了更高的要求，采暖、通 风和空调的用能也随之急剧增长，导致电网负荷峰谷差不断加大。近年来国家电力部门为了缓解电 网负荷峰谷差过大，确保高效稳定用电，采用昼夜电价分计制。如此以来，采用蓄冷技术，在夜间 用低谷电制冷蓄冷，在白天用电高峰时释放冷量来满足需求，成为平衡电网峰谷负荷的一种有效方 法。 电力资源的短缺是人类长期面临的问题， 但是电力资源的浪费非常严重， 我国葛洲坝水利工程 的高峰与低谷的发电输出功率比为 2 2 0 万千瓦/ 8 0 万千瓦， 在低谷发不出的电能只有通过放水解决， 如果这部分的电能能够回收利用，则可大大缓解能源紧张状况。同样在小型水电、风力发电站蓄热 技术也是目前能源回收的一个重要手段。 电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰与低谷的负荷差异问题。可以节约燃料，降低电厂的 初投资和燃料费用，提高电厂的运行效率和改善电厂的利用率，降低排气污染。 ( 2 ) 工业热能储存 化工生产以及许多工业过程中余热废热的排放是不连续的，要求充分利用这些不稳定的能源就 需要采用蓄热技术将这些热量暂时储存起来，在需要的时候再释放出去。这样既可以降低企业能量 消耗，又可以减少由一次能源转变为二次能源的转变过程中产生各种有害物质对环境的污染。采用 蓄热技术回收储存碱性氧气转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热，既节约了能源，又减少 了空气污染及冷却、淬火过程中水的消耗。在造纸和制浆工业中，燃烧废木料的锅炉适应负荷的能 力较差，采用蓄热装置后，可以提高其负荷适应能力。在食品工业的洗涤、蒸煮和杀茵等过程中， 由于负荷经常发生波动，采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色工艺过 程也可采用蓄热装置来满足负荷波动。在采暖系统中热能的生产随需求的变化要随时调整，蓄热的 作用显得更加重要。 因为借助蓄热装置， 可以降低能量转换装置以及二次能传输系统( 区域热力管网) 的设计功率。采暖锅炉由于需求的波动导致锅炉启停频繁，导致启停过程的能量损失非常大。采用 蓄热装置后，能够有效地增加了系统蓄热容量，在一定范围内可以满足波动负荷的要求，从而降低 锅炉启停的频率，降低能量消耗。 ( 3 ) 太阳能热储存 在我国一些高山地区如甘肃、西藏等，由于太阳辐射强度大，而其他能源短缺，使得太阳能的 河北工业大学硕士论文 3 利用比较普遍。由于太阳辐射受天气、地理、昼夜和季节等规律性的约束。为了保持供热或供电装 置不间断的运行，就需要蓄热装置将太阳能储存起来，以满足生产和生活用能连续、稳定的要求。 即使在外层空间，在地球轨道上运行的航天器由于受到地球阴影的遮挡，对太阳能的接受也存在不 连续的特点，因此，空间发电系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。 在太阳能吸附空调系统中，为了保持吸附式空调不间断地运行，利用蓄热装置将太阳能储存起 来，在夜晚或者阴雨天释放出来，以满足吸附式空调的加热、解吸过程的需要。 ( 4 ) 保温及缓冲 在太空领域，人造卫星等航天器的研制过程中常涉及到仪器、仪表或材料的恒温控制。人造卫 星在运行过程中，时而处于太阳的照射之下，时而处于遮蔽之中，使得人造卫星表面温差很大。为 了保证人造卫星内温度恒定在特定的温度范围，利用相变蓄热材料在特定温度下的吸热与放热来控 制温度的变化，使人造卫星正常工作。当外界温度高于特定温度时，相变材料开始熔化，吸收热量; 当外温度低于特定温度时，相变材料开始结晶，放出热量，使其温度恒定。 在其他许多领域中， 如可以用于制造保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯; 注入相变材料的丝织物 可以用于制作保温性能好， 质量轻的服装; 在沥青地面或混凝土中混入相变材料能够防止建筑物的防 冻。 综合以上可知: 对相变蓄热技术进行深入的研究，弄清相变材料相变传热过程的机理; 根据实际 需要选择和配置性能优越的相变材料、改善其热性能，弄清相变蓄能应用中可能涉及的问题及解决 途径，对实际应用中具体方案的优化设计及效果的评估具有重要的工程应用价值和学术意义。 1 . 2 相变蓄热材料概述和应用1 . 2 相变蓄热材料概述和应用 相变材料具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能，因而通过恰 当的设计将相变材料引入建筑围护结构中，可以使室外温度和热流波动的影响被削弱，把室内温度 控制在舒适的范围内。 1 . 2 . 1 相变材料的相变形式1 . 2 . 1 相变材料的相变形式 6 6 物质的存在通常认为有三态，物质从一种状态变到另一种状态叫相变。相变是物质集态或组成 的变化。相变过程一般是等温或近似等温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称 为相变潜热。 相变材料( p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ) 的相变形式一般可分为下面四类: 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 4 ( 1 ) s o l i d - s o l i d 固一固相变 ( 2 ) s o l i d - l i q u i d 固一液相变 ( 3 ) l i q u i d - g a s 液一汽相变 ( 4 ) s o l i d - g a s 固一汽相变 一般说来，从( 1 ) 到( ( 4 ) 相变潜热逐渐增大。由于第( 3 ) , ( 4 ) 类相变过程中有大量气体，相变物 质的体积变化很大，因此，尽管这两类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。 1 . 2 . 2 相变蓄热材料的种类1 . 2 . 2 相变蓄热材料的种类 7 8 9 7 8 9 相变材料的分类主要有以下几种: 1 . 2 . 2 . 1 按相变过程分类 相变材料按照其相变过程可以分为固一固相变、固一液相变、固一气相变、液一气相变。由于 相变过程的不同使得各种相变材料的应用范围不同。 ( 1 ) 固一固相变材料 固一固相变材料在发生相变前后因固体的晶格结构改变而放热吸热。 因此， 这种相变材料在相 变过程中无液相产生，相变前后体积变化小，无毒、无腐蚀，对容器的材料和制作技术要求不高， 其相变潜热与固一液相变材料处于同一数量级，且过冷度小，使用寿命长，是一类很有应用前景的 蓄热材料。 但固一固相变材料相变温度通常较高， 适合于建筑材料的固一固相变材料比较难以获得。 ( 2 ) 液一气相变材料 液一气相变材料由于在相变过程中发生过大的体积变形，在建筑节能领域难以应用，不宜作工 程材料。 ( 3 ) 固一液相变材料 固一液相变材料在较小的温度范围内发生相变，潜热也比较大，而体积变化相对较小，是目前 应用最为广泛的相变材料。无机相变材料和大多数有机相变材料都属于固一液相变材料。 1 . 2 . 2 . 2 按化学成分分类 按照化学成分分为无机相变材料和有机相变材料。 ( 1 ) 无机相变材料 无机物分为无机水合盐、无机盐、金属和合金，其中只有无机水合盐属于中、低温相变储能材 料，其提供了熔点从几摄氏度到一百多摄氏度的可供选择的相变材料，无机水合盐的特点是与有机 类相变材料比导热系数大、融解热大、密度大、储热密度大、化学性质一般呈中性、价格便宜。可 用于供暖空调系统及建筑维护结构的结晶水合盐类相变材料包括碱金属和碱土余属的卤化盐、硫酸 盐、磷酸盐、醋酸盐等盐类水合物。但此类相变材料存在着过冷、相分离、析出、腐蚀、污染等问 河北工业大学硕士论文 5 题。在冷却过程中，当温度达到熔化温度时，结晶不能发生，成核率较低，溶液处于过冷状态，相 变材料不能像预期的那样在熔化点释放出相变潜热。 ( 2 ) 有机蓄热材料 有机蓄热材料与无机蓄热材料相比较，有机蓄热材料的导热性较差，但其固体成型好、不易发 生相分离及过冷现象，腐蚀性较小，且其相变温度及相变热随着碳链的增长而增大。因此，为得到 合适的相变温度及相变热，常将几种有机物配合形成多组分有机蓄热材料，从而使其具有很大的储 热温度范围。有时也将有机与无机蓄热材料相配合，以消除各自的不足，常采用的有机蓄热材料为 醇、梭酸及结晶型聚烯烃类。 1 . 2 . 2 . 3 按相变温度分类 按使用温度范围分类，可分为高温相变材料和低温相变材料。高温蓄热材料主要用于小功率电 站、太阳能发电和低温热机方面。若要大量使用这类材料，还有不少问题需要解决，尤其是腐蚀性 热交换器的传热设计问题。它分为 4 类: ( 1 )单纯盐: 如 l i h 分子量小而熔化热很大( 2 8 4 0 j / g ) ， 己应用于人造卫星上作蓄热物质; l i f 也 是一种理想的蓄热物质，以 5 5 0 - 8 4 8 显热和 8 4 8 相变热来开动斯特林热机。缺点是价格高，只 能应用于特殊场合。 ( 2 )碱: 碱的比热高，熔化热大，稳定性强。在高温下蒸汽压力很低，价格便宜，也是较好的蓄 热物质。如 n a o h 在 2 8 7 和 3 1 8 均有相变，潜热达 3 3 0 j / g , 在美国和日本己用于采暖制冷方面。 ( 3 )金属与合金: 如铝因其熔化热大，导热性高，蒸汽压力低，是一种较好的蓄热物质; m g - z n , a 1 - m g ,a l - c u ,m g - c u 等合金的熔化热也十分高，也可作为蓄热物质。 ( 4 )混合盐: 可根据需要将各种盐类配制成 1 2 0 - 8 5 0 0 温度范围内使用的蓄热物质。其熔化热 大，熔融时体积变化小，传热较好。低温蓄热材料广泛应用于各种工业或公用设施中回收废热和储 存太阳能，它的储能密度大，成本低，腐蚀性小，制作简单，是目前固一液相变蓄热研究的主流。 通常为多组分体系，有主蓄热剂、相变温度调整剂、防过冷剂(成核剂)、悬浮剂、防相分离剂(当固、 液相共存时因密度差易发生相分离)、促进剂等组分。用于建筑节能领域的都属于低温相变材料。 1.2.3 相变蓄能技术的应用相变蓄能技术的应用 1 . 2 . 3 . 1 国内外几家公司研制开发出的相变蓄能产品 相变储能目前已经在工业和民用方面得到越来越多的应用。图 1 . 3 为德国 o l s b e r g 公司开发出 的利用低谷电蓄热的电暖气的照片，分别为其外观和内部构造的示意图。 图 1 . 4 和图 1 . 5 为国内中山新迪能源与环境设备有限公司设计制造的蓄能产品照片。图 1 . 4 为 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 6 高效相变蓄热装置模块示意图，可根据客户需要而灵活搭配和现场安装，高效相变蓄热装置体积可 降至常规蓄热水箱的 4 0 % - 6 0 % ，相同蓄热温度下热散失也降低一半左右，用于供暖的热水品质高。 图 1 . 5 为蓄热式家用电暖器，利用夜间的低谷电蓄热 8 小时，白天供暖 1 6 小时以上。利用对流作用 使室温均匀舒适，温度在 5 0 - 2 5 内任意调控，热效率高达 9 9 % 以上。 图 1.3德国 olsberg 公司开发研制的蓄热电暖气 fig1.3 heat storage electrical heater olsberg company manufacture in germany 图 1.4 中山新迪公司开发的高效相变蓄热模块图1.5 中山新迪公司研制的蓄热式家用电暖气 fig1.4 high efficiency phase change heat storagefig 1.5heat storage domiciliary electrical module zhongshanxinde company manufactureheater zhongshanxinde company manufacture 1 . 2 . 3 . 2 相变储能在太阳能领域的应用研究 太阳能取之不尽，对环境无污染，被认为是最有应用前景的能源之一。但太阳能是不稳定的， 夜间没有太阳辐射，而且随着天气、气候、季节的变化辐射量也不同，所以太阳能的储存和释放成 河北工业大学硕士论文 7 为研究的一个热点，相变储能材料在太阳能利用中的应用引起了研究者的兴趣。如工业级乙酞胺、 硬醋酸和乙酞苯胺作为相变储热材料用于太阳能炊具中，能够在太阳辐射期间吸收太阳能，傍晚时 利用储存的能量煮饭。石蜡用于太阳能空气加热器中与传统的吸热装置相比，提高了传热表面和传 热系数，有效降低了热能损失。 1 . 2 . 3 . 3 相变节能建筑材料和构件研究 随着人们生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度要求也愈来愈高，相应的建筑能耗也随之 提高，造成能源消耗过快，环境污染加剧。怎样在人的舒适度、能耗、环境中找到合理的平衡点已 成为建筑设计、建筑节能领域的永恒主题。相变储能材料与合理利用太阳能的结合提供了一种提高 建筑物舒适度、降低能耗和对环境负面影响的有效途径。 k . a . r . h m a i l 等人设计了一种装有相变储能材料的玻璃窗，当温度下降到一定程度时，双层玻 璃之间的相变材料开始逐渐凝固，从而阻止室内温度下降。实验结果证明填充相变材料的双层玻璃 窗比填充空气的同种玻璃窗的热效应要好得多。 空气交换器用于很多建筑中作为通风设备， 在冬季， 从建筑物中排出的废热空气流把热量传递给从外面进入的新鲜冷空气。问题是，当外界气温降到 0 以下时，废气中的水分就会凝固形成霜，最终导致管道的堵塞，使空气交换器的性能急剧下降。 可以采取的措施是在冷空气和热空气通道之间使用相变储能材料分隔，利用其调温能力保持废热空 气管道内壁温度在冰点以上，从而避免结霜。 将相变储能材料与建筑材料相结合，利用其储放热能力来调整室内的温度波动，由于储放热的 作用，热流的波动幅度被削弱，通过恰当的设计，就可以把温度的波动控制在较舒服的范围内。 h . h a d j i e v a m 1 0 对吸收了 n a 2s 035 h2o 。的多孔水泥体系，进行多次热循环，研究了它的储热能力 和结构稳定性，说明了此相变材料储能体系用于相变储能墙板的局限性和适用性。d . b a n l 领导的实 验小组研究了含 9 3 %- 9 5 % 市售棕搁酸甲酷和 7 % - 5 % 市售硬酷酸甲酷的相变材料在建筑灰泥墙板中的 应用 1 1 ，此材料相变温度区间在 2 3 - 2 6 . 5 ，相变热至少为 1 8 0 k j / k g 。在炎热的夏季，这种墙板 可以减小昼夜温差，在 2 3 - 2 6 . 5 范围内，其储热能力至少是一般墙板的 1 2 倍。他们又测试比较 分别浸入了硬脂酸丁酷和石蜡的普通水泥板的储热性能， 研究了空气流通速度对储放热速度的影响。 该研究在大规模实验的基础上证明了把适当的相变材料与水泥复合，制造具有储放热功能建筑用水 泥板的可行性。同时他们还进行了大型的应用实验，建造了完全相同的、中间用墙隔开的两间房子， 其中一间房子的墙和天花板是用一般的灰泥板，而另一间用的是吸收了相变材料的灰泥板。研究结 果表明，在供暖或制冷系统停止后的延续时间里，用吸收了相变材料的灰泥板做墙板的房子里，室 温能够保持在人体感到舒适的范围内。 将相变材料作为组元引入建筑构件中，采用的方法主要由以下三种: 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 8 ( 1 ) 将相变材料密封在合适的容器中; ( 2 ) 将相变材料密封在建筑材料中: ( 3 ) 将相变材料直接与建筑材料混合。 这些具有储热功能的建筑材料及构件可以做成墙、地板、天花板，应用于被动式太阳房中。 1.2.3.4 相变储能材料在其它领域的应用 相变储能材料在其它领域的应用涉及面很广。选用 mg(n03)26h2o 作为主储热材料， 作为添加剂调节相变温度， 可以用于处理发热发电系统产生的城市废热(温度在 60-100ohclmg 22 6 )在冷藏系统中，用主要为 na2s03l0h2o ,naci 和 kcl 的混合物作为相变储能材料代替传统的 换热体系，能够提高冷藏系统的性能，有利于缓解高峰制冷负荷、克服开门期间的能量损失和满足 较长停电期间的制冷需要。另外相变储能材料在纺织服装、温室种植等领域都有应用。随着相变材 料基础和应用研究的不断深入，相变材料应用的深度和广度都将不断拓展。 1.3国内外蓄热器的研究现状国内外蓄热器的研究现状 1.3.1 国内文献国内文献 我国相变材料蓄热技术的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱。重庆大学张洪济教授对相 变热传导进行了系统的研究12，华中理工大学程尚模教授等对水平矩形管、圆管、椭圆管的 pcm 的接触融化问题进行了研究13,14，浙江大学的土剑峰教授建立了组合式相变材料蓄热系统中相变温 度分布研究、组合相变材料储热系统的储热速率研究15。中国科学院广州能源研究所研制出相变贮 能电火锅、电饭锅，业大橡胶厂和中国科技大学的陈则韶教授研制出“冰球蓄冷器” ，中山市新迪能 源与环境设备有限公司研制了相变蓄热式太阳能热水系统及其应用。在文献16中，用导热热阻公 式对蓄冷平板堆积床构造数学模型，藉此进行了数值计算分析。在文献17中，建立了相变蓄热球 体堆积床的传热模型，用能量平衡方程和热阻公式模拟计算，并与实验结果验证。文献18中，对 相变潜热随温度变化的变温固液相变过程进行了数值分析计算，文中指出显热容法特别适用十求解 相变发生在一个温度范围内的相变问题。文献19中，对板式相变储换热器的储换热性能进行了实 验研究， 把实验台的实验结果与模拟结果进行比较， 分析了偏差的原因并验证了理论模型的适用性。 在文献20中， 提出了对二维(相变)复合材料的导热问题的数值模拟采用一维均质简化导热模型的处 理方法，得到的结果适用性很有限(模型的有效性只限于平均特性，不能描写温度场的细节)。在文 献21中，提出了一种可用与航天器热控系统的套管式蓄冰装置，采用焓法进行数值模拟，给出了 河北工业大学硕士论文 9 蓄冰装置在充释冷过程中蓄冷介质温度、结融冰厚度和相应充释冷功率随时间的变化。在文献22 中，建立了纤维复合相变材料相变传热问题的焓法求解模型，并用来求解复合相变材料在相变过程 中流体温度和固液相变界面随时间和空间的变化。在文献23中，分析讨论了非理想相变特性材料 的传热性能受到相变潜热及比热与温度关系的影响，并提出了非理想相变特性材料蓄热性能的简化 分析方法及其最大相对误差，给出了相应的估算公式。在文献24中，用双倒易边界元方法，计算 求解相变材料在周期性加热冷却第二类边界条件下出现的多重相变运动边界问题。清华大学的张寅 平教授等在共晶 pcm 融点及融解热预测方面、在堆积床相变换热器性能研究方面、在贮热相变材 料的制备及改善相变材料导热性能方面作了大量工作25,26。关于相变蓄热及蓄冷问题的数值计算， 文献6中有专门章节对已有研究成果做了总结综述。 我国许多地方实施的利用“削峰填谷”缓解电网负荷过重、峰谷差过大的电价昼、夜分计制， 使相变贮能成为研究和应用热点。热泵系统要求与之相匹配的 pcm 贮热系统，这使得我国近期内 pcms 的应用研究主要集中在与之相应的 pcm 的材料选配及性能改善、相变换热器的设计和性能 优化、整个系统的设计和性能优化方面。此外，利用相变材料研制节能建材和构件、开发新型口用 品也是今后相变材料应用研究的一个方向。 1.3.2 国外文献国外文献 在相变贮能的理论和应用研究方面， 美国一直处于领先地位。 早在 20 世纪 60 年代， 美国 nasa 大力发展了 pcm（phase change material）热控技术。阿波罗 15 将 pcm 系统用于信号处理单元， 驱动控制电子器件和月球通讯中继单元。空间实验室 sl-1 采用了 pcm 以防止液体循环辐射器系统 中返回液体温度的过度变化。pcm 近年来最主要的研究和应用在于建筑物的集中空调、 采暖及被动式太阳房领域。在被动式太阳房领域，dr.maria telkes 做了大量工作。二战结束后不久， 她作为 mit 的 research associate 对水合盐，尤其是十水硫酸钠进行了长期的研究，并在马萨诸塞州 建起了世界上第一座 pcm 被动太阳房。dr.telkes，dr.g.a.lane，dr.p.j.moses，dr.r.l.cole，dr.j.a. clark 和 dr.r.viskanta 在相变材料配置和性能研究、相平衡、结晶、相变传热、相变材料性能改善、 相变材料封装方式、相变贮能系统设计等方面做了大量工作。 仅次于美国的是日本。70 年代早期，日本三菱电子公司和东京电力公司联合进行了用于采暖和 制冷系统的相变材料的研究，他们研究了水合硝酸盐、磷酸盐、氟化物和氯化钙。在相变材料应用 方面，他们特别强调制冷和空调系统中的贮能。东京科技大学工业和工程大学系的 yoneda 等人研 究了一系列可用于建筑物取暖的硝酸共晶水合盐，从中筛选出性能较好的 mgcl26h2o 和 mg(no3)26h2o 共晶盐。位于 ibaraki 的电子技术实验室对相变温度范围为 200300的硝酸盐 及它们的共晶水合物进行了研究。 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 10 德国也进行了大量相变贮能的机理和应用研究。 schroeder 等人对-680的 pcm 做了研究， 他们推荐在贮冷中采用 nafh2o 共晶盐（-3.5） ，在低温贮热或热泵应用中采用 kf4h2o，在 建筑采暖系统中，采用 cacl26h2o（29）或 na2hpo4（35） 。krichel 绘制了大量 pcm 的物性 图表。他认为石蜡、水合盐和包合盐是 100以下贮能相变材料的最佳候选材料。德国著名的西门 子公司在 pcm 的研制中也很活跃，除了对水合盐 pcm 做了大量研究工作外，还研究了用于高温贮 热的多孔陶瓷材料中充填 pcm 的技术。此外，瑞典、法国、意大利和前苏联在贮能相变材料的理 论和应用研究方面也作了大量工作。 1.4本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 由于太阳能的间歇性和不稳定性，本文把空气源热泵作为太阳能热泵的补充热源，为了进一步 的提高效率，系统中添加了相变蓄能系统，该太阳能空气源蓄能热泵系统既能满足节能的需要， 又起到了对现在电力“削峰添谷”的作用。本文主要针对太阳能空气源蓄能热泵系统主要做了以 下几个方面的研究： 建立了太阳能空气源蓄能热泵系统，初步为该系统设计运行模式，所设计的运行模式尽量使 用太阳能集热器和蓄热器以起到节能环保的作用，并且利用空气源热泵的晚上运行满足现在电 力“削峰添谷”的要求。 在f l u e n t 模拟的基础上，针对上述系统中的板式相变蓄热器，研究了有无自然对流情况下相变 材料融化和凝固过程中液相比例和流体壁面热流密度随时间的变化关系，比较了不同的放置形 式对融化速率的影响，分析了不同时刻下的固液界面图和在自然对流影响下液态相变材料中速 度场的分布情况。 在分析了无肋片的板式相变换热器的基础上，为了进一步强化板式相变蓄热器的换热效果又做 了以下几点讨论：给蓄热器添加内肋片来扩大蓄热器的内部换热面积，提升蓄热器的入口 温度，提高换热器的入口速度，用复合材料来代替上述系统当中的单一材料。并初步提出 了比较复合材料和单一材料蓄热效率的标准。 河北工业大学硕士论文 11 第二章太阳能第二章太阳能-空气源蓄能热泵系统和运行模式空气源蓄能热泵系统和运行模式 2.1 太阳能空气源蓄能热泵系统太阳能空气源蓄能热泵系统 太阳能是人们接触最广也是最熟悉的一种能源。太阳能的季节特性很明显，夏天日照时间长， 投射角较大，获得的能量比较多，冬天则反之，由于技术、经济方面的原因，太阳能设备还不能够 更有效地跨季节使用。采用太阳能热泵组合系统既是从充分利用太阳能设备出发，考虑居民冬季采 图 2-1 太阳能-空气源蓄能热泵系统 fig 2-1the system of the solar -air source latent heat storage 暖。但是，太阳能在生活、供暖方面利用存在的不足之处，是太阳能为一种间歇性能源，其辐射受 到昼夜、季节以及风雪天气等因素的影响，表现为间断性和不稳定性，解决这一问题的方法就是要 给太阳能热泵系统添加辅助的设备，选择应用最为广泛的空气源热泵作为辅助的热源，并且把蓄热 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 12 材料结合进来，它可以获得太阳能的热量和晚上空气源热泵所产生的热量进行蓄热，在太阳能间断 期将所存储的热量释放给人们热用户使用。图 2-1 为本文所设计的太阳能-空气源热泵系统的系统 图，其中主要的设备为：a 太阳能集热器 b 蓄热器 c 集热器泵 d 水源蒸发器 e 蒸发器 f 膨胀阀 g 水源冷凝器 h 压缩机 i 风机盘管 j 冷凝器 k 房间 l 补水水箱 m 蓄热器泵，并且通过一系列 阀门的启停可以有多种运行模式。 这个系统在以往的太阳能-空气源蓄能热泵系统的基础上增加了水 源蒸发器和水源冷凝器，这两个设备可以与太阳能集热器和蓄热器的水进行热交换，从而给热用户 提供热量。蓄热器是该系统当中的关键部件，由于板式蓄热器的蓄热效果比管壳式的结构紧凑、换 热好，所以在该系统中的相变蓄热器采用板式换热系统，板式相变换热器的形式如图 2-2 所示。 图 2 - 2板式相变换热器的物理模型 f i g2 - 2t h ep h y s i cm o d u l eo ft h ep l a t ep h a s ec h a n g eh e a te x c h a n g e r 相变换热器的壁面和内部存放蓄热材料的空腔壁面的材料都为铝。 图 2 - 2 ( b ) 为板式相变换热器 的一个计算单元，热媒体（水）按照箭头 所示的方向流入，矩形腔内存放的是相变材料 , 由于流体向矩形腔内传热，腔内的相变材料融化或者凝固，从而实现热媒体( 水) 和相 22 6 a c clh o 变材料的蓄热和放热过程。 2.2 太阳能太阳能-空气源蓄能热泵系统的运行模式空气源蓄能热泵系统的运行模式 以上为所设计的太阳能-空气源蓄能热泵的系统图，该系统通过阀门的起停可以有多种工作模 式，主要的工作模式如下： 1.太阳能热泵直接供热模式 太阳能集热器水源蒸发器太阳能集热器 水源蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀水源蒸发器 2.太阳能-空气源热泵联合供热模式 相变平板 入口 出口 河北工业大学硕士论文 13 太阳能集热器水源蒸发器太阳能集热器 水源蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀水源蒸发器 蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀蒸发器 3.太阳能热泵供热蓄热模式 太阳能集热器蓄热器水源蒸发器太阳能集热器 水源蒸发器、蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀水源蒸发器、蒸发器 4.蓄热器直接供热模式 蓄热器水源蒸发器蓄热器 水源蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀水源蒸发器 5.空气源热泵供热模式 蒸发器压缩机水源冷凝器膨胀阀蒸发器 6. 空气源热泵蓄热供热模式 蒸发器压缩机水源冷凝器、冷凝器膨胀阀蒸发器 7.太阳能蓄热模式 太阳能集热器蓄热器水源蒸发器泵太阳能集热器 8 空气源热泵-蓄热器联合供暖模式 蓄热器水源蒸发器蓄热器泵蓄热器 水源蒸发器、蒸发器压缩机冷凝器膨胀阀水源蒸发器、蒸发器 以上八种工作模式已经可以满足日常的需要，下面详细的介绍一下各个模式分别在什么状况下 使用，太阳能热泵直接供热模式用于日照条件一般，天气多云，白天天气气温不是很高，房间需要 的热量和太阳能热泵的供热量大致相等的时， 开启阀门 1、 7 和集热器泵， 关闭其余阀门和蓄热器泵， 利用太阳能热泵直接给房间供暖。 太阳能-空气源热泵联合供热模式用于日照条件一般，白天气温不高，太阳能热泵所提供的热量 不能满足热用户需要，并且蓄热器内没有热量存储时，开启阀门 1、7、8 和集热器泵，关闭其他阀 门和蓄热器泵，采用太阳能热泵和空气源热泵联合供暖的模式。 太阳能热泵供热蓄热模式用于日照条件好，白天气温较高，但是热用户还需要少量热量时，开启 阀门 1、7、蓄热器泵和集热器泵，关闭其他阀门，太阳能热泵既能给房间供暖同时也能蓄热器蓄热， 以备早晚和夜间使用。 蓄热器直接供暖模式主要用于，白天温度较低，并且日照条件不好，不能利用太阳能，和第二天 天气晴朗时，前一天晚上直接利用蓄热器的水和蒸发器中的冷凝器换热给房间提供热量，这时开启 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 14 阀门 3、7 和蓄热器泵，同时关闭其他阀门和集热器泵。 空气源热泵直接供暖模式用于第二天日照不好，并且气温较低，但是蓄热器内有热量储备，这时 为了提高经济效益， 并不采用蓄热器直接给房间供暖的模式， 而是利用空气源热泵直接给房间供热， 把蓄热器内的热量留给第二天使用，这样有效的利用了昼夜电价差，提高了经济效益，这时要开启 阀门 8，并关闭蓄热器泵、集热器泵和其他阀门。 空气源热泵蓄热供热模式用于第二天日照不好，并且气温较低，不能利用太阳能时，并且蓄热器 内没有热量储备，当天晚上要利用比较廉价的电能给蓄热器蓄热，并且由于晚上的气温较低，房间 的热负荷不为零， 空气源热泵既要给房间供暖也要给蓄热器蓄热以备第二天使用， 这样就起到了 “削 峰填谷”的作用，这时要开启阀门 8、5、4 和蓄热器泵，并关闭其他阀门和集热器泵。 太阳能蓄热模式是用于日照条件非常好， 房间没有热负荷， 从集热器流出的水温直接可以给蓄热 器蓄热，这时开启阀门 2、7、蓄热器泵和集热器泵，关闭其他阀门，值得注意的是这种情况下水只 是流过水源蒸发器，但是水源蒸发器并没有开启，所以水并没有和水源蒸发器换热。这种状态下并 没有使用电能，是经济效益最好的状态。 空气源热泵-蓄热器联合工作模式用于日照条件不好，室内温度较低，利用蓄热器并不能完全满 足需要，并用空气源热泵作为辅助的情况下，这时要开启阀门 3、7、8 和蓄热器泵，并且关闭其他 阀门和集热器泵。 以上八种模式基本能够满足日常的需要，在选用运行模式时主要的原则如下： 在白天尽量使用太阳能供热，太阳能不能满足的情况下考虑用蓄热器内的热量，如前两者仍 不能满足需要，则利用空气源热泵供热。 在夜间选择运行模式时要考虑第二天的天气状况，如果第二天的天气状况较好，太阳能可以 满足白天的热负荷，则晚上可以用蓄热器给房间供暖，如果第二天的天气状况不好，当天夜间 一定要采用空气源热泵供热，把蓄热器内的热量留下来以满足第二天的需要。如果第二天的天 气状况不好，蓄热器内也没有热量存储的情况下，当天晚上一定要采用空气源热泵蓄热供热模 式，既给房间供热又给蓄热器蓄热，在这种情况下对空气源热泵的要求比较高。 以上只是初步的设计了系统的结构和运行的模式，需要指出的是如果要实现以上的运行模式， 一定要注意天气变化根据天气的变化来选择运行模式才能获得最好的经济效益，并且该系统也需要 一些自动控制的设备，可以根据天气变化自动的开启阀门和泵来选择不同的运行模式以方便热用户 的需要，该系统主要正对中小型别墅使用，并且该系统与常规系统相比，初投资比较大，但是在投 入使用后由于太阳能、蓄热设备和夜间空气源热泵供暖这些措施的运用，回收期和其他的太阳能供 热系统相比也会大大的缩短，在该系统当中主要需要研究的部件为蓄热器，下面几章将主要讨论蓄 河北工业大学硕士论文 15 热器的蓄热的形式，蓄热器的放热和蓄热过程，并且一些措施来强化蓄热器的换热，使蓄热器的蓄 热效率更高。 太阳能-空气源蓄能热泵系统中相变蓄热器的传热性能研究 16 第三章 相变传热计算方法分析及其数值计算第三章 相变传热计算方法分析及其数值计算 3 . 13 . 1相变传热问题的特点相变传热问题的特点 在自然界和各种工业生产过程中，存在着大量有相变的导热问题。这类问题又称之为斯蒂芬问 题。对相变传热问题进行深入的分