太陽能熱泵相變蓄熱器的研究進展
由于相變材料的傳熱系數一般較低,且在相變過程中伴有體積變化。因此,合理地設計相變蓄熱器是相變蓄熱系統中的一個重要組成部分,各國的研究者們嘗試設計了各種類型的蓄能換熱器。
1、相變蓄能材料/水換熱器
相變蓄能換熱器的形式主要有殼管式和矩形式,絕大多數的相變蓄能換熱器的換熱介質為水,對于采用這種介質蓄能的換熱器研究起源較早,直到今天仍然有很多學者在不斷的研發新型的相變蓄能材料/水換熱器,并對其換熱特性、傳熱機理等進行不斷的深入研究,以期早日實現工程應用。
在國外, 2000 年,Mehmet對圓柱形蓄熱裝置進行了理論分析,并采用焓法對相變蓄熱單元的瞬時過程作了分析,指出相變材料、圓柱體的半徑、流體的流量、入口溫度等蓄熱裝置的運行效率均有影響。2002年, Giovanni對平板型相變材料在固液變化過程中熱傳遞進行了數值和實驗研究,實驗結果和模擬值相吻合 。Kamal A. R.Ismail等對融化區存在自然對流的水平圓柱蓄熱器中的相變問題進行了數值模擬,建立了二維穩態數學模型,并進行了驗證 。2003年, Uros St2ritih對具有加肋表面的相變蓄熱器傳熱特性進行了實驗研究,將凝固和融化過程與平板表面的換熱器進行了對比。肋片效率由通過肋片的熱流和不通過肋片的熱流比例來確定。2005 年, K.C. Nayak等對相變蓄熱器中的傳熱強化裝置進行了研究,采用有限容積法對兩種類型的換熱器進行了數值模擬,可以看出,傳熱強化裝置在蓄熱器運行中起了很重要的作用。2008 年, V. Sha2tikian等對恒熱流條件下的內加肋相變蓄熱器進行了數值研究,采用Fluent軟件進行了動態數值模擬,結果顯示,瞬時相變過程取決于熱流、相變材料的蓄熱能力和肋片尺寸三個因素。
在國內,張寅平等對相變蓄能技術進行了深入研究,在理論探索和實驗研究方面都取得了豐碩的成果。2002年,陳穎等提出了圓柱形相變蓄熱器的結構,通過傳熱分析和實驗研究,總結出放熱性能變化規律,得出了滿足工程精度的實驗準則式。2003年,楊啟容等通過建立與實際相似的加肋同心套管式潛熱蓄熱器模擬實驗臺,對潛熱蓄熱器內通流體時的充熱、放熱過程進行了實驗研究,得出了流體的出口溫度、充熱量和放熱量隨時間的變化規律 。2005年,馬貴陽等研制開發了在低谷用電時段儲存電能、在用電高峰時放熱的相變蓄熱裝置,裝置中加裝了強化傳熱的導熱翅片和放熱的換熱盤管。通過對不同出水流量下時放熱過程中的熱工參數測試結果分析可知,導熱翅片起到很好的強化傳熱作用。
王增義等研制了熱管式相變蓄熱換熱器,采用石蠟作為蓄熱材料,對其儲、放能過程即內部石蠟的融化與凝固過程進行了實驗研究,結果表明,熱管在該換熱器內極好地發揮了換熱元件的作用,換熱器運行狀況良好,各項功能均能較好地實現。2007年,朱孝欽等研究了一種以傳統的管殼式換熱器作為結構基礎,管內充填相變材料CaCl2. 6H2O的新型換熱器的儲熱性能 。
2、相變蓄能材料/制冷劑換熱器
采用制冷劑作為換熱介質,與相變蓄能材料間進行直接換熱的蓄能換熱器是近幾年才開始研究的,其省略了傳統的中間換熱環節,故換熱效率有所提高。
2007年, FuqiaoWang等在制冷系統中采用制冷劑作為換熱介質的相變蓄熱器,將其作為系統中的預冷凝器,系統COP可以提高6% ,隨后又通過數值模擬研究了將相變蓄熱器設置于系統不同位置時的不同效果。呂磊磊等介紹了一種應用于空調系統冷凝熱回收的復合相變蓄熱器。這種復合相變蓄器是一種片管式換熱器外套蓄熱箱體,在高溫制冷劑管外側加裝翅片,相變材料在殼體與翅片管間儲存,冷、熱流體分別在管內流動,具有管殼式和翅片管式換熱器各自的優點,利用相變材料放出潛熱提高供水溫度,不需用熱水時,壓縮機不必停機,而是加熱融化相變材料,以儲存熱量 。
綜上所述,我們可以看出太陽能熱泵一直是利用可再生能源的有效途徑,太陽能蓄能熱泵的研究更是國內外的熱點研究課題。近年來,隨著相變蓄能材料研究的進步、相變蓄熱器強化換熱研究的深入,相變潛熱蓄熱吸引了各國學者越來越多的關注。但是,相比而言,國內的研究仍落后于國外,其研究主要依靠對國外技術的引進、吸收,缺乏創新。因此,未來的研究應力爭在系統上突出“新”, 在技術上突出“用”, 在目標上突出“遠”。
目前的太陽能熱泵蓄能技術,其蓄能設備基本上是機械地連接在系統上,尤其是在蓄能裝置在冬季蓄熱,夏季蓄冷兩工況下均使用的時候,這就在太陽能熱泵系統中增加了換熱環節,降低了換效率,導致系統的復雜、成本的提高,控制的復雜。在某種程度上,使推廣與應用變得緩慢。因此,通過系統集成創新,構建高度簡化、造價便宜、用能合理的太陽能熱泵集成系統才是解決問題的途徑。但是,由于太陽能熱泵應用的成本偏高,規模偏小,如何突破核心關鍵技術,推動太陽能熱泵技術領域相關設備的生產與發展,提高太陽能利用領域的集成創新能力,仍是期待解決的問題。
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