相变蓄热技术在热泵中的应用

相变蓄热技术在热泵中的应用汪南、杨硕、朱冬生(华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州)摘要：本文综述了蓄热技术的研究进展及其在热泵中的应用，重点介绍了相变蓄热式热泵热水器，最后展望了该技术的发展。关键词：蓄热相变热泵热水器0前言能源是国家经济增长和社会发展的重要物质基础，随着人类能源需求量的增大，能源问题越来越引起人们的重视。 但是，很多能量具有断续性和不稳定性的特征，大量的热能在时间和空间的整合上不平衡，能量不足，另一方面多馀的热量被浪费掉。 因此，合理利用能源，提高能源利用率是当务之急。能量储存技术是采用适当的方式，利用特定的装置，暂时不使用，或者通过一定的储存材料储存多馀的热能，必要时再利用，以此来提高能量利用效率，保护环境的重要技术。 相变蓄热技术在太阳能、工业馀热、废热利用及电力调节等方面具有很大的潜在应用优势，近年来引起了许多科研人员的重视。1蓄热技术研究进展1983年，美国Telkes博士在蓄热技术方面做了很多工作1 . 她对水合盐，特别是十水硫酸钠(na2s0410h2o )进行了长期研究，对na2s0410h2o的相变寿命进行了1000次实验，预计材料相变将达到2000次，在马萨诸塞州建立了世界第一个PCM被动太阳房。 20世纪70年代初，三菱电子公司和东京电力共同开展了采暖和制冷系统相变材料的研究，他们研究了水合硝酸盐、磷酸盐、氟化物和氯化钙。 在相变材料的应用中，他们特别强调制冷和空调系统的储藏。 东京科学技术大学工业和工程化学系的Yoneda等人研究了可用于建筑采暖的硝酸共晶水合盐系列，筛选出性能良好的MgCl26H20和Mg(NO3)26H2O共晶盐(熔点59.1)。 位于Ibaraki的电子技术实验室，对相变温度为200300的硝酸盐及其共晶混合物进行了研究。 德国的GawronK和SchroderJ在-650的温度范围内研究了相变性能后，在建议采用NaF-H20共晶盐(-3.5)进行贮冷的低温蓄热和热泵的应用中采用KF4H20的建筑物供暖系统中，采用CaCl26H20(29)或NaCl Krichel画了大量的PCMs的物性图。 他认为石蜡、水合盐和盐(elath-rate )是100以下贮藏用相变材料的最佳候选材料。我国对蓄热相变的理论和应用也进行了广泛的研究2-9，中国科技大学从1978年开始了相变蓄热的研究，陈则韶、葛新石、张寅平等人1012在相变材料的热物性测定和相变过程的热传导分析方面做了很多工作，申请了很多专利。 1983年，华中师范大学阮德水等13系统研究了典型的无机水合盐na2s 0410 h2o和NaCH3COO3H2O的成核作用，经常解决无机水合盐过冷问题的胡起柱等人采用DNS法新制备了na2s 0410 h2o， 1984年，河北省科学院能源研究所唐钉等人对相变蓄热材料进行了热量研究，研制了太阳室相变蓄热器，并在1990年进行了实验，测量了NaCl均匀固态物质的初始熔化热和上述样品在150.1下长时间保温的熔化热，从相平衡和结晶机理探讨了初始化热值低的原因。 哈尔滨船舶工程学院周云峰、温淑芝等人开发的蓄热材料由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成。 具有良好的蓄热性能，原料成本低，无毒，无腐蚀性，生产时不污染环境，产品可多年回收利用，适合各种温室冬季供暖，节约能源。 这项研究发明于1987年获得了国家专利。 1992年清华大学阮德水、李元哲等人在以Na2S0410H2O为基质的低共熔物中选择了合适的容器，该蓄热装置于19861987年冬在清华大学的比较实验室进行了测试，19891990年冬在北京温泉乡被动太阳室进行了应用实验。 实验结果表明，相变蓄热材料白天能有效储存多馀的太阳能，夜间向室内供热，减少了太阳室的温度变动，提高了室内温度。近年来，国内学者对相变材料、复合相变材料、定形相变材料等进行了深入研究，取得了一些进展。2蓄热技术在热泵中的应用2.1热泵热水器的工作原理热泵是从周围环境吸收热量，并将其传递给被加热对象(温度高的物体)的能量提高装置。 在工作中，自身消耗一部分能量，挖掘出储存在环境介质中的能量，在制冷剂循环系统中提高温度利用，热泵装置整体消耗的功能只是输出功能的一小部分，因此利用热泵能够节约大量的高品质能源。 普通热泵包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等多种形式，作为空调技术已经普遍应用。 热泵热水器在热泵的热水供给面上的应用，即用高温制冷剂将水加热到一定的温度进行热水供给。 热泵热水器被认为是继气体热水器、电热水器、太阳能热水器之后的第四种热水器，其工作原理如图1所示。热泵热水器由压缩机、蒸发器、加热器(冷凝器)、膨胀阀、热水循环泵、贮水箱和控制器部分构成。 制冷剂将人蒸发到压缩机后，被高温高压的蒸汽压缩，进入冷凝器，向贮水箱的水传热，使水升温，使冷凝器内的工质蒸汽变成液体，经膨胀阀变成低压液体，人进入蒸发器，吸收空气中的热量，变成低压蒸汽，再次进入压缩机，完成循环。 设w .蒸发器吸收压缩机的工作(来自工厂的电力)的热量为Q1时，冷凝器向水放出的热量为Q2，它们的关系式为：Q2=Q1 W有效比COP=Q2/W1以上分析表明，热泵热水器的加热量大于用电量，C0P值一般在3以上，节能效果显着。由于热泵成本框架的原因(包括空调在内的热泵系统整体、压缩机、冷凝器、蒸发器等重要部件，需要储水箱和充填工程等，输入电力大，制造成本高)，决定价格必然很高，新产品市场难以启动，推进普及极为困难热泵热水器开放市场，消费者节能环保意识普及是一个方面，但是设置尺寸与占有空间相同，是选择燃气热水器、电热水器、热泵热水器中的哪一个的问题。 我国居民住宅以单元房为主，面积有限，室内设置巨大热泵热水器立式贮水箱不方便。 因此，热泵热水器的发展面临许多问题。2.2相变蓄热技术在热泵热水器中的应用华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室朱冬生教授课题组在深入研究热泵热水器和蓄热技术的基础上，结合两项技术优势，提出了相变蓄热式热泵热水器的设想，并申请了专利14。 材料采用石蜡，相变温度在60度左右。 本课题研究的高效率相变蓄热热泵热水器，不仅继承了普通热泵热水器的节能和谷物廉价电力使用的优点，还克服了普通热泵热水器的问题和不足。 由于能够大幅度地减少压缩机的电力和尺寸，因此能够大幅度地减少热泵热水器的成本和销售价格，能够与冷凝器结合的轻量、小型、灵活地配置的相变蓄热箱，取代以往的热泵热水器的大型立式蓄热箱，在房屋的内装时将相变蓄热箱置于墙壁中图2是相变蓄热式热泵热水器的动作原理图，由蒸发器、压缩机、储藏系统和膨胀阀构成，储藏系统内由相变材料的石蜡、储藏热交换板、热交换板和散热片构成，储藏热交换板和热交换板交替配置，板和板之间用散热片连接，散热片之间用石蜡连接相变蓄热式热泵热水器的工作分为两个阶段。储藏阶段：关闭入出水阀，用储藏热交换板对压缩机排出的高温高压工程和相变储藏材料的石蜡进行热交换，热泵产生的热以显热和相变潜热的形式储藏在石蜡中。散热阶段：打开进出水阀。 在此，在石蜡蓄热量足够多的情况下，使压缩机停止，使自来水通过贮藏装置的热交换板，在石蜡的蓄热量将水加热到期望的温度的方式和石蜡的贮藏热量不足的情况下，使压缩机工作，使通过了贮藏装置的自来水通过加热热交换器与工业品进行热交换新型高效相变蓄热式热泵热水器具有以下优点(l )将固液相变化蓄热节能技术与高效供热热泵技术有机结合。(2)可大幅度减小压缩机的功率和尺寸，大幅度减少热泵热水器的成本框架(包括压缩机、冷凝器、蒸发器等重要部件和填充工程等)。(3)用轻量、小型、柔软可配置的相变蓄热箱代替普通热泵热水器的巨大立式蓄热箱，在房屋装修时可将相变蓄热箱置于墙体内，非常适合国内机房的设置。(4)可利用谷电蓄热，而且蓄热温度低，与环境的温差小，大幅度减轻了散热损失。(5)由于采用了小电力压缩机，减轻了对电线容量的依赖，旧住宅改造也可以考虑设置使用。(6)采用阶段加热和逆流高效换热技术，有效降低了加热过程中的传热温差，使平均冷凝压力低于传统热泵系统，提高了系统的有效率。(7)热量通过相变材料传递，因此水和电分离。 产品安全可靠。三结论随着经济的发展和人民生活水平的提高，居民的能源消费量迅速增加，其中生活温水占了很大的比重。 目前，生活热水通常是通过燃气、电力等高品质能源消耗热水器获得的，产生生活热水器的节能研究对合理利用和开发居民生活能源，促进整个社会的节能和环境保护具有重要意义。 因此，热泵技术与蓄热技术相结合，开发出高效的相变蓄热热泵热水器，具有很大的社会效益和经济效益。参考文献1派克曼g，吉利P.V .着.蓄热技术及其应用D .北京：机械工业出版社，1989，45-762崔海亭、袁修干、侯欣宾.蓄热技术的研究与应用J .化工进展，2002，21 (1):23-253BelenZalba、JoseM.Marin、LuisaF.Cabeza、et al.reventeronthermalenergystoragewithphasechangeematerals、heattransfernalysisandapple4装置或唐黎明.相变蓄热材料的研究进展J .化学世界. 2001，42 (12 ):662-6655贺岩峰、张令轩、燕淑春.热能储存材料的研究进展J .现代化工，1994，14 (8):8-126王补宣、葛新石太阳能利用中蓄热研究的新进展J .自然杂志，1981，4 (1):16-197 m.lacroix.numericalsimulationfashell -和- tubeelatentheatthermalenergystorageunit. j .solar能源，1993，50 (4) :53678郑宏飞.大阳能化学蓄热的研究现状和前景J .新能. 1995，17 (4):5-89义、刘道平.固液相变蓄热技术的研究进展J .节能. 2002，(12):3-710陈则韶、葛新石.相变蓄热材料热物性与石蜡增量与容积增量的关系J .太阳热学报，1983，4 (1):9-1511求解陈则韶.凝固相变热传导问题的简便方法热阻法J