太陽(yáng)能熱泵相變蓄熱器的研究進(jìn)展
由于相變材料的傳熱系數一般較低,且在相變過(guò)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(gè)重要組成部分,各國的研究者們嘗試設計了各種類(lèi)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(zhì)為水,對于采用這種介質(zhì)蓄能的換熱器研究起源較早,直到今天仍然有很多學(xué)者在不斷的研發(fā)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(jìn)行不斷的深入研究,以期早日實(shí)現工程應用。
在國外, 2000 年,Mehmet對圓柱形蓄熱裝置進(jìn)行了理論分析,并采用焓法對相變蓄熱單元的瞬時(shí)過(guò)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(guò)程中熱傳遞進(jìn)行了數值和實(shí)驗研究,實(shí)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(wèn)題進(jìn)行了數值模擬,建立了二維穩態(tài)數學(xué)模型,并進(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗研究,將凝固和融化過(guò)程與平板表面的換熱器進(jìn)行了對比。肋片效率由通過(guò)肋片的熱流和不通過(guò)肋片的熱流比例來(lái)確定。2005 年, K.C. Nayak等對相變蓄熱器中的傳熱強化裝置進(jìn)行了研究,采用有限容積法對兩種類(lèi)型的換熱器進(jìn)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(jìn)行了數值研究,采用Fluent軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數值模擬,結果顯示,瞬時(shí)相變過(guò)程取決于熱流、相變材料的蓄熱能力和肋片尺寸三個(gè)因素。
在國內,張寅平等對相變蓄能技術(shù)進(jìn)行了深入研究,在理論探索和實(shí)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(guò)傳熱分析和實(shí)驗研究,總結出放熱性能變化規律,得出了滿(mǎn)足工程精度的實(shí)驗準則式。2003年,楊啟容等通過(guò)建立與實(shí)際相似的加肋同心套管式潛熱蓄熱器模擬實(shí)驗臺,對潛熱蓄熱器內通流體時(shí)的充熱、放熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗研究,得出了流體的出口溫度、充熱量和放熱量隨時(shí)間的變化規律 。2005年,馬貴陽(yáng)等研制開(kāi)發(fā)了在低谷用電時(shí)段儲存電能、在用電高峰時(shí)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(pán)管。通過(guò)對不同出水流量下時(shí)放熱過(guò)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(guò)程即內部石蠟的融化與凝固過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗研究,結果表明,熱管在該換熱器內極好地發(fā)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(shí)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(zhì),與相變蓄能材料間進(jìn)行直接換熱的蓄能換熱器是近幾年才開(kāi)始研究的,其省略了傳統的中間換熱環(huán)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(zhì)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(guò)數值模擬研究了將相變蓄熱器設置于系統不同位置時(shí)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(dòng),具有管殼式和翅片管式換熱器各自的優(yōu)點(diǎn),利用相變材料放出潛熱提高供水溫度,不需用熱水時(shí),壓縮機不必停機,而是加熱融化相變材料,以?xún)Υ鏌崃?。
綜上所述,我們可以看出太陽(yáng)能熱泵一直是利用可再生能源的有效途徑,太陽(yáng)能蓄能熱泵的研究更是國內外的熱點(diǎn)研究課題。近年來(lái),隨著(zhù)相變蓄能材料研究的進(jìn)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(xué)者越來(lái)越多的關(guān)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(shù)的引進(jìn)、吸收,缺乏創(chuàng )新。因此,未來(lái)的研究應力爭在系統上突出“新”, 在技術(shù)上突出“用”, 在目標上突出“遠”。
目前的太陽(yáng)能熱泵蓄能技術(shù),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(shí)候,這就在太陽(yáng)能熱泵系統中增加了換熱環(huán)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(guò)系統集成創(chuàng )新,構建高度簡(jiǎn)化、造價(jià)便宜、用能合理的太陽(yáng)能熱泵集成系統才是解決問(wèn)題的途徑。但是,由于太陽(yáng)能熱泵應用的成本偏高,規模偏小,如何突破核心關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)太陽(yáng)能熱泵技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)設備的生產(chǎn)與發(fā)展,提高太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的集成創(chuàng )新能力,仍是期待解決的問(wèn)題。
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