汽车余热利用蓄能材料及其释热特性试验研究研究论文电子版下载

汽车余热利用蓄能材料及其释热特性试验研究研究论文电汽车余热利用蓄能材料及其释热特性试验研究研究论文电 子版下载子版下载 设计 计算 研究 汽车余热利用蓄能材料及其释热特性试验研究高淳王 国华 张天时矫振伟 1 吉林大学 2 吉林大学汽车仿真与控制 国家重点实验室 摘要 比较了石蜡和八水氢氧化钡两种材料在 蓄热过程中的温变特性和吸热能力 并研究了低温环境下八水氢氧 化钡蓄热器在放热过程中的低温释热性能 结果表明 与石蜡相比 八水氢氧化钡蓄热材料更高的导热性能和 熔解潜热使它具有更快和更大的瞬时吸热能力 并在初期的大温差 下显现出更好的蓄热特性八水氢氧化钡用于低温环境释热过程的温 升作用显著 且在更低的低温环境下具有相对较高的放热总量主题 词汽车余热蓄能材料释热特性U463A1 373 201 38 04Re s e arch onPhas e Change Mat e r i a l s and The r malR l e as eCha r ace r i s t i c0f The r malSt or age by Us i ng Aut o Was t eHe atGa o Ch un Wa ngGuo hu a一 Zh a n gTi a ns hi J ia oZhe nwei 1 J il i n Uni ve rs i t y 2 S KeL br ay fAu mot Smua oa d C t o l J il i n Uni ve rsi t y Ab s T mp e r t un g e c h r a c t e r i s ic n d t h e r ma l s t o r g e a b il i t yf b a iu mh y d rx i e oc t h yd r t e a n d p a ffi n d u r i n gt h e rm l s t o r a g e a r eco mp ar e d a ndt heh r l e a s a bii yi n t h e l o w t e mp a t u r e o fbar ium h y dr ox id eo e t ahy dr a t eun drlo wt e mp a t ur i st udi e d T hr eu lt sh o w ha t par ed wi t h p r a fin ba r ium h ydrxi d eoct ahy dr a t eh a s bt e r h eat co n duct ivi ty a nd l a e n t h eatf us i o n whi chma keit h f a st e r a n dg r a ns i e n th eat abs rpt i o nca pa city f uth e rmo r e its hows su p e io r the rm l sto ra ge ca pact yi n g ae r t empeat udi fr ence ba riumhydr ox ide oct ahydr at eha s o bv i ou s f uct i o i n t e mpat u rr is edu rin gh at rlaseun de rlowt empatur e s a nd ha s mor eheat ras in lowr t empaturen v ir o nme n t Key wor dsAut owas t e heat He astorage mat er ial s Heat rel ease char aceri st ic1前言佳 P h的as方e案Ch选an择ge M它ate较ria高ls的 P蓄CM能 解决汽车余 热利用和冷起动热管理问题一直备率逐步得到技术应用 31 利用余热和P CM储能 用于吉林省科技发展基金重点项目 No xx004 家大学生 刨新性实验计划项目 No xxA42057 b 汽车MRF制动器的制动力矩与磁感应强度呈现对数变化关系 与 工作问隙呈现负指数变化关3系对MRF制动器建立电控策略和模型应 考虑这种特征 以获得适合操作习惯的制动输入一输出响应 e 在仿真条件下 磁感应强度处于0 5 2T时 如果叶片径向尺寸 增大10 则制动力矩的增大能够达到40 左右在磁感应强度一定 的情况下 叶片数目和叶片厚度的增加与制动力矩的增长均呈线性 变化关系6参考文献1王鸿云 郑惠强 李泳鲜 MRF的研究与应用 机械设7计 xx 25 5 l一8 2黄豪彩 黄宜坚 磁流变技术及其在机械工程中的应用 一38一制造技术与机床 xx 7 24 26 Lo r d Mate ria ls Divisio n De si g in g withMR Flui ds rdC prat io nEng in e r ingNo te 1999 12 Y oJ H W rl ey NM De si g n o fahi gh e ffi ci en cyma g ne torhe o o gi ca l va lu e I nl igen tM te ria lS y ste msa nd Sct ure s xx 13 10 679 687Ma rk R e t a1 P r o pe rt i e sa nd ap pl i ca t ionso f ma gn etorhe o o gi caf lu id s Pr oc o f SPIE ln tS oc OptEn gWa shi ngtonS PIE 1998 3327 262 275 刘景辉 轿车制动系建模与仿真及ABS控制策略r 学位论文1 上海上海交通大学 xx GB7258 xx机动车运行安全技术条件 学林 修改稿收到日期为xx年4月l8日 汽车技术 设计 计算 研究 冬季车辆起动时预热室内空气 玻 璃除霜 可提高车辆舒适性和安全性 以及改善冷起动性能对于电 动汽车可将动力系统余热存储 一方面帮助电池恒温 另一方面帮助冬季预热在内燃机和热能工程领域 针对相变蓄热开 展了一些探索研究1991年 Os kr Sc ha t z提出了热池 He Ba ter y 概念 就如同电池蓄电 利用余热和PCM储能 将汽车发动机冷却 水的热量储存起来 用于冬季车辆起动时预热室内空气 玻璃除霜 提高舒适性和安全性 以及改善冷起动性能 4J E Ko rin等人在催化器上采用相变蓄能 起动时所释放存储的热量使催化 器尽快达到有效工作温度 51此外 Ad amc zv k等提出的真空绝热 可减少因传导和辐射损失的热量 并能够实现 长时间的跨时间蓄能沈卫东等研究者将P CM封装在球囊中并装填在真空多孔绝热的贮热器里 进行充 放热 试验 开展利用车用潜热贮热器的流动与换热试验研究 71此外 数 值计算模拟分析也不断受到重视 T haAi do ss等构建数学模型分析汽车余热蓄能以及高温照明系统热防护杨启 容等研究P CM贮存汽车发动机冷却系统热能 尝试改善汽车低温环境冷起动问 题l9l高青等设计模块组合式P CM相变蓄热器 针对发动机工况进行了热流体和蓄热性能数值计算 分析rio l ll廖海蛟等对高温肋板式相变蓄热器的蓄 放热特性进行了数值分 析112 纵观已有研究 对于低温释热性能研究很少涉及 为了进一 步认识冷起动环境的蓄热释热温变性和性能 本文将通过试验重点 比较P CM的蓄热能力差异 并开展低温释热特性的研究2试验及其装备余热 蓄热器 图1 设计采用壳管式基本形式构造 其结构简单紧凑 管内 流经循环流体 壳管间充填PCM 蓄热器内部封装7根外径为9 5mi l 壁厚为0 6mm的薄壁铜管 内管壳管P cM口簟板封 头 图1相变蓄热 器结构所建立试验测试系统主要包括可控加热水箱 相变蓄热器 散热器 循环泵 可控低温水箱 调节阀 开关阀 自动控温单元 温度与流量测量仪等 相变蓄热器热工试验系统流程如图2所示 xx年第8期图2热工试验系统流程3PCM蓄热对比3 1PCM基本数据试验 采用八水氢氧化钡 Ba OH 8H O 和石蜡两种PCM 它们基本适用于中低温蓄能系统 作为相变蓄热 材料已经在工程中广泛应用 其基本物性参数测估值见表l所列 表1石蜡和氢氧化钡物性参数测估值融点固相导热系固相比液相比热 材料温度密度数 W 熔解热热 k J k J k g k g m m K 一 k J k g一 kg K K 一石蜡60775O 15184 52 202 3O八水氢氧化钡78218O l 2630l1 171 26由表1可知 与石蜡物性参数比较 八水氢氧化 钡导热能力高出8 4倍 熔解热高出1 63倍 但是其比热参数略低 固相比热和液相比热分别比石蜡低46 8 和45 由于相变蓄热器以潜热形式为主 同时在相同容积内封装质量对于 蓄热能力也起到关键作用以0 和固相比热为衡量基础的估算可知 八水氢氧化钡潜热蓄能占76 7 左右 石蜡潜热蓄能占58 3 左 右 3 2蓄热温变特性在相同的热流动工况下 分别进行八水氢氧化钡 与石蜡2种PCM试验 研究其温变特性差异和规律 其中 试验热循环流体人口温度为85 流量均为1 25m3 h试验 所得到的八水氢氧化钡与石蜡两种PCM的蓄热过程平均温度试验结果 如图3所示时间 mi n图3蓄热过程PCM平均温度由图3可知 两种P CM尽管温变趋势基本一致 但是蓄热过程的温变拖延性差异较大 其中 八一39 设计 计算 研究 水氢氧化钡相变蓄热器温升迅速 短时间进 入相变融化阶段 升温时曲线呈现两段过程 即初期的速升段和很 快进入的缓升段相反 石蜡温时曲线具有明显的速升延迟性 表现 出明显的3段过程 前期缓升段 中期速升段和后期缓升段 显然 八水氢氧化钡相变蓄热几乎不存在前期缓升段 或者说极其短暂 从而导致温变曲线缩成两段过程 而石蜡相变蓄 却具有相当长的前期缓升段 此外 八水氢氧化钡相变蓄热器充填P CM较石蜡相变蓄热器多出近一倍的质量 说明八水氢氧化钡蓄热材 料良好的导热性和相对较低的固相比热 使它的蓄热温变特性具有 更明显的短时蓄能优越性3 3蓄热能力特性蓄热能力采用蓄热时变 过程的吸热强度和累计吸热量为衡量参数 前者表征蓄热器相变蓄 热过程瞬时吸热能力 后者表征蓄热延时过程积累的吸热总量两种P CM蓄热器的蓄热能力分别如图4和图5所示111咖蕞时间 mi n图4蓄热过程吸热强度对比时I1日J mi n图5蓄热过程吸热量对比由图4可知 蓄热器蓄能能力在蓄热开始强 度较高 随着热循环流体与P CM问的温差降低 蓄热能力逐步降低 蓄热前期 八水氢氧化钡具 有更大的蓄热吸热强度 随着蓄热进程 两者间的差别减小 直至全部融化时的瞬时吸热能 力基本一致 显然 八水氢氧化钡蓄热材料更高的导热性能和熔解潜热使它具有 更快和更大的瞬时吸热能力 并在初期的大温差下显现出更好的蓄 热特性 其中 两者的吸热强度差异最初高达70 后来逐步趋于一致结合 图3温变曲线可知 在相同的蓄热条件下 蓄热器内的八水氢氧化钡 融化份额要远远大于石蜡图5表职 在试验范围内 八水氢氧化钡蓄热器 40 一直处于较大的蓄热总量 后期上升速率降低 主要缘故是以过热为主的显热吸热量逐步成为主导作用 显然 八水氢氧化钡蓄热器具有更加优势的蓄热性能4低温释热特性 汽车冷起动处于低温环境 因此蓄热器释热应用主要是发生在低温 条件下 为此开展蓄热器低温环境释热过程的放热能力研究更加必 要以某发动机冷起动预热为例研究了八水氢氧化钡蓄热器的低温释 热特性 本试验采用一定容积的低温水介质模拟加热过程 其中 低温介质 采用乙二醇水溶液 其质量为43 35k g 流量选择为0 9m3 h 低温水箱初始温度分别选择为一8 一 l3 两种工况 4 1低温释热温变特性图6和图7分别描述了蓄热器释热过程PCM平均 温度变化和低温水箱温升变化图6低温环境释热过程PCM平均温度时f B mi n图7低温环境吸热水箱温度从图6可以看出 相变蓄热器释热过程温 降极为迅速 而且在前半段温度下降较快随着环境温度降低 释热 温降更迅速些 其中 在一8 一l3 两种低温条件下 40mi n时的温度差别约为3 6 从图7可以看出 低温水箱温升明显 特别是初期温升更加明显 表 明该蓄热器可以迅速实现释热 达到快速放热目的 其中初期3mi n温升 在一8 一l3 两种低温条件下 分别达到4 8o C和8 提高率分别为1 6 r ain和2 7oC mi n 显然 所设计八水氢氧化钡蓄热器具有良好的释热性能 3r ain释热能力迅速 有利于短时快速释热升温 缩短暖机时间 4 2低温释热能力释热过程与蓄热过程一样采用相同意义的评价汽 车技术 设计 计算 研究 参数 既释热时变过程的放热强度和累计放热量 前 者表征蓄热器相变释热过程瞬时放热能力 后者表征蓄热器相变释 热过程积累的放热总量 图8和图9分别描述了两种低温环境八水氢氧化钡蓄热器在释热过程 中的放热强度和放热量 11耄1倒蕞时间 mi n图8低温环境放热强度8oo500 xx006003oo5结束语a 相同条件下 较石蜡蓄热温变迅速 八水氢氧化钡可显著缩短相变时间 表现出 更具优势的温xx年第8期时特征 蓄热能力强b 在相同蓄热器容积下 八水氢氧化钡充填量较石蜡多 出近一倍 并仍可表现出迅速的温升特性c 试验设计的蓄热器在低 温释热过程的初期3mi n温变性能迅速 具有良好的短时释热能力 有利于短时快速释热升 温 缩短暖机时间参考文献l Hup ferR a ndHa be lG De ve lo pmen to fa Metho df ortheL ong Te rm Eff ici ency a ndCos tEv lua t ino fMo bi e Id le Re duct ion Tchn olo gies MI RT S AEPa perxx 01 2031 xx 2Ki mG Go nder J Lu st ba derJ Pe sran A The r ma lMa n age mento fBatr iesin Advance dVe hicl es Usin g P ha se Cha n ge M teria ls NREI PI一540 4254J4 The Ftureo fTr ans prat ion xx 12 3Z lba B Ma nnJ M Lu isaF C bez andH ra ld Mehl ing R view onther malen er gystoragewithphasechan ge materi als hetransferanl yisandappl icat io ns Ap plied Ther r eal Enginer ing 23 3 xx 251 283 4S ehatz O Co ld Started Imp ro ve men witha Hea Store SAE Pape r910305 1991 5Ko rin E Res he fR Ts he