太阳能热泵相变蓄热器的研究进展
由于相变材料的传热系数一般较低,且在相变过程中伴有体积变化。因此,合理地设计相变蓄热器是相变蓄热系统中的一个重要组成部分,各国的研究者们尝试设计了各种类型的蓄能换热器。
1、相变蓄能材料/水换热器
相变蓄能换热器的形式主要有壳管式和矩形式,绝大多数的相变蓄能换热器的换热介质为水,对于采用这种介质蓄能的换热器研究起源较早,直到今天仍然有很多学者在不断的研发新型的相变蓄能材料/水换热器,并对其换热特性、传热机理等进行不断的深入研究,以期早日实现工程应用。
在国外, 2000 年,Mehmet对圆柱形蓄热装置进行了理论分析,并采用焓法对相变蓄热单元的瞬时过程作了分析,指出相变材料、圆柱体的半径、流体的流量、入口温度等蓄热装置的运行效率均有影响。2002年, Giovanni对平板型相变材料在固液变化过程中热传递进行了数值和实验研究,实验结果和模拟值相吻合 。Kamal A. R.Ismail等对融化区存在自然对流的水平圆柱蓄热器中的相变问题进行了数值模拟,建立了二维稳态数学模型,并进行了验证 。2003年, Uros St2ritih对具有加肋表面的相变蓄热器传热特性进行了实验研究,将凝固和融化过程与平板表面的换热器进行了对比。肋片效率由通过肋片的热流和不通过肋片的热流比例来确定。2005 年, K.C. Nayak等对相变蓄热器中的传热强化装置进行了研究,采用有限容积法对两种类型的换热器进行了数值模拟,可以看出,传热强化装置在蓄热器运行中起了很重要的作用。2008 年, V. Sha2tikian等对恒热流条件下的内加肋相变蓄热器进行了数值研究,采用Fluent软件进行了动态数值模拟,结果显示,瞬时相变过程取决于热流、相变材料的蓄热能力和肋片尺寸三个因素。
在国内,张寅平等对相变蓄能技术进行了深入研究,在理论探索和实验研究方面都取得了丰硕的成果。2002年,陈颖等提出了圆柱形相变蓄热器的结构,通过传热分析和实验研究,总结出放热性能变化规律,得出了满足工程精度的实验准则式。2003年,杨启容等通过建立与实际相似的加肋同心套管式潜热蓄热器模拟实验台,对潜热蓄热器内通流体时的充热、放热过程进行了实验研究,得出了流体的出口温度、充热量和放热量随时间的变化规律 。2005年,马贵阳等研制开发了在低谷用电时段储存电能、在用电高峰时放热的相变蓄热装置,装置中加装了强化传热的导热翅片和放热的换热盘管。通过对不同出水流量下时放热过程中的热工参数测试结果分析可知,导热翅片起到很好的强化传热作用。
王增义等研制了热管式相变蓄热换热器,采用石蜡作为蓄热材料,对其储、放能过程即内部石蜡的融化与凝固过程进行了实验研究,结果表明,热管在该换热器内极好地发挥了换热元件的作用,换热器运行状况良好,各项功能均能较好地实现。2007年,朱孝钦等研究了一种以传统的管壳式换热器作为结构基础,管内充填相变材料CaCl2. 6H2O的新型换热器的储热性能 。
2、相变蓄能材料/制冷剂换热器
采用制冷剂作为换热介质,与相变蓄能材料间进行直接换热的蓄能换热器是近几年才开始研究的,其省略了传统的中间换热环节,故换热效率有所提高。
2007年, FuqiaoWang等在制冷系统中采用制冷剂作为换热介质的相变蓄热器,将其作为系统中的预冷凝器,系统COP可以提高6% ,随后又通过数值模拟研究了将相变蓄热器设置于系统不同位置时的不同效果。吕磊磊等介绍了一种应用于空调系统冷凝热回收的复合相变蓄热器。这种复合相变蓄器是一种片管式换热器外套蓄热箱体,在高温制冷剂管外侧加装翅片,相变材料在壳体与翅片管间储存,冷、热流体分别在管内流动,具有管壳式和翅片管式换热器各自的优点,利用相变材料放出潜热提高供水温度,不需用热水时,压缩机不必停机,而是加热融化相变材料,以储存热量 。
综上所述,我们可以看出太阳能热泵一直是利用可再生能源的有效途径,太阳能蓄能热泵的研究更是国内外的热点研究课题。近年来,随着相变蓄能材料研究的进步、相变蓄热器强化换热研究的深入,相变潜热蓄热吸引了各国学者越来越多的关注。但是,相比而言,国内的研究仍落后于国外,其研究主要依靠对国外技术的引进、吸收,缺乏创新。因此,未来的研究应力争在系统上突出“新”, 在技术上突出“用”, 在目标上突出“远”。
目前的太阳能热泵蓄能技术,其蓄能设备基本上是机械地连接在系统上,尤其是在蓄能装置在冬季蓄热,夏季蓄冷两工况下均使用的时候,这就在太阳能热泵系统中增加了换热环节,降低了换效率,导致系统的复杂、成本的提高,控制的复杂。在某种程度上,使推广与应用变得缓慢。因此,通过系统集成创新,构建高度简化、造价便宜、用能合理的太阳能热泵集成系统才是解决问题的途径。但是,由于太阳能热泵应用的成本偏高,规模偏小,如何突破核心关键技术,推动太阳能热泵技术领域相关设备的生产与发展,提高太阳能利用领域的集成创新能力,仍是期待解决的问题。
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