螺旋盘管式潜热蓄热单元蓄释热特性研究

摘要

过去十几年来，快速的经济增长以及世界工业化进程已经极大地增加了全球能源需求，并且化石能源的过度使用也已导致了一系列相关的环境问题。为解决迫在眉睫的能源短缺与环境危机，许多国家都开始倡导利用太阳能资源，因其具有可持续性并且不会增加全球温室气体排放量。然而，太阳能在不同时间、天气以及季节下具有不稳定性，这种特性会限制太阳能热利用系统在某些特定区域的应用。为保障系统的可靠运行，将合适的蓄热部件与系统相整合被当作是太阳能热利用系统的首要问题。
　　对于基本的蓄热方式，可将其分为显热蓄热系统与潜热蓄热系统。与目前广泛使用的显热蓄热系统相比，潜热蓄热系统的主要优势是利用相变材料提供较高的能量储存密度并实现相对恒温的蓄热和释热过程，减小了系统的占用空间，并且其与热源以及末端设备的兼容性更好。
　　本文首先对一种新型潜热蓄热单元进行了拆解，了解了其内部的螺旋换热器构造并记录了其详细的尺寸参数。通过差示扫描量热仪与热阻测试仪对蓄热单元所使用的相变材料进行了熔化和凝固热以及导热系数的精确测定，得到了其关键的热物理参数。搭建了多功能实验平台用以对蓄热单元进行各种工况的测试，其主要功能包括温度监控、电加热器蓄热、水箱释热以及太阳能集热。
　　随后根据蓄热单元的尺寸参数以及相变材料的热物理参数，基于焓——多孔介质法建立了蓄热单元的三维数值模型。通过数值计算研究了相变材料的动态熔化和凝固规律，并利用实验测试数据验证了数值模型的可靠性，两者的相对误差在±8％以内。
　　数值与实验结果表明，传热流体的温度是影响蓄热速率的主要因素，而传热流体的流量则可调节释热速率与释热品质。对于蓄热过程，在进水温度为定值（60℃）的情况下，进水流量由0.25m3/h上升至1.0m3/h后，对平均蓄热功率的提升幅度很小，并且所有工况下的总蓄热时间均保持在10000s左右；在进水流量为定值（0.25m3/h）的情况下，进水温度由55℃上升至70℃后，总蓄热时间由13000s降至6000s，降幅达53.8%。然而进水温度对蓄热速率的提升不是无限制的，因为换热器的换热能力在温度超过一定值后会受换热面积的限制，蓄热单元与热源的最佳匹配温度为60-65℃。对于释热过程，释热速率与释热品质呈负相关性，进水流量由0.05m3/h上升至0.1m3/h后，有效释热量由2937kJ上升至3720kJ，而最终时刻的进出水温差则由2.5℃下降至1℃。数值结果还表明，重力与浮升力产生的自然对流换热对相变材料的熔化有明显的促进作用，但其对相变材料的凝固影响较微弱。与此同时，对于蓄热单元的两种安装方式——卧式安装与立式安装，两者仅在蓄热过程中存在一些差异，而对实际工程应用的影响不大。
　　最后对由多个蓄热单元组成的蓄热系统与太阳能——空气源热泵的联合运行特性进行了实验测试与分析，结果表明蓄热系统与低温地板辐射采暖末端的匹配性较好，在白天与夜间可维持6.5-7.5小时的有效采暖温度。此外，通过在拉萨市所获得的供暖季室外气象数据，对潜热蓄热在西部高寒地区太阳能——空气源热泵供热系统中的应用进行了展望分析。
　　本文提供了研究相变蓄热的思路与方法，所得结果对于未来的蓄热设计以及实际工程应用具有一定的参考价值。

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景

1.2潜热蓄热在国内外的研究及应用现状

1.3课题研究内容及技术路线

1.4本章小结

2 新型潜热蓄热单元及实验平台搭建

2.1新型潜热蓄热单元

2.2蓄热单元的尺寸参数

2.3相变材料的热物理参数

2.4实验平台搭建

2.5实验测试数据处理

2.6本章小结

3 数值模型的建立

3.1数值计算介绍

3.2数值模型的建立过程

3.3本章小结

4 蓄热单元的蓄热特性

4.1数值模型的验证（蓄热过程）

4.2相变材料的动态熔化规律

4.3传热流体对蓄热特性的影响

4.4自然对流换热对蓄热特性的影响

4.5蓄热单元与热源的耦合匹配关系

4.6本章小结

5 蓄热单元的释热特性

5.1数值模型的验证（释热过程）

5.2相变材料的动态凝固规律

5.3传热流体对释热特性的影响

5.4自然对流换热对释热特性的影响

5.5蓄热单元与末端设备的耦合匹配关系

5.6本章小结

6 潜热蓄热系统与太阳能——空气源热泵的联合运行特性

6.1太阳能——空气源热泵联合供热系统

6.2联合供热系统的实验测试方案

6.3联合供热系统的运行特性

6.4 潜热蓄热在西部高寒地区的供暖应用展望分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

C. 动态进水温度条件下的UDF计算程序