太陽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(shù)一般較低,且在相變過程中伴有體積變化。因此,合理地設(shè)計(jì)相變蓄熱器是相變蓄熱系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,各國的研究者們嘗試設(shè)計(jì)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(shù)的相變蓄能換熱器的換熱介質(zhì)為水,對(duì)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(duì)其換熱特性、傳熱機(jī)理等進(jìn)行不斷的深入研究,以期早日實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。
在國外, 2000 年,Mehmet對(duì)圓柱形蓄熱裝置進(jìn)行了理論分析,并采用焓法對(duì)相變蓄熱單元的瞬時(shí)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(yùn)行效率均有影響。2002年, Giovanni對(duì)平板型相變材料在固液變化過程中熱傳遞進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬值相吻合 。Kamal A. R.Ismail等對(duì)融化區(qū)存在自然對(duì)流的水平圓柱蓄熱器中的相變問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,建立了二維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了驗(yàn)證 。2003年, Uros St2ritih對(duì)具有加肋表面的相變蓄熱器傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,將凝固和融化過程與平板表面的換熱器進(jìn)行了對(duì)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(duì)相變蓄熱器中的傳熱強(qiáng)化裝置進(jìn)行了研究,采用有限容積法對(duì)兩種類型的換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,可以看出,傳熱強(qiáng)化裝置在蓄熱器運(yùn)行中起了很重要的作用。2008 年, V. Sha2tikian等對(duì)恒熱流條件下的內(nèi)加肋相變蓄熱器進(jìn)行了數(shù)值研究,采用Fluent軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬,結(jié)果顯示,瞬時(shí)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(gè)因素。
在國內(nèi),張寅平等對(duì)相變蓄能技術(shù)進(jìn)行了深入研究,在理論探索和實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu),通過傳熱分析和實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)出放熱性能變化規(guī)律,得出了滿足工程精度的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則式。2003年,楊啟容等通過建立與實(shí)際相似的加肋同心套管式潛熱蓄熱器模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)潛熱蓄熱器內(nèi)通流體時(shí)的充熱、放熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guī)律 。2005年,馬貴陽等研制開發(fā)了在低谷用電時(shí)段儲(chǔ)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(qiáng)化傳熱的導(dǎo)熱翅片和放熱的換熱盤管。通過對(duì)不同出水流量下時(shí)放熱過程中的熱工參數(shù)測(cè)試結(jié)果分析可知,導(dǎo)熱翅片起到很好的強(qiáng)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(duì)其儲(chǔ)、放能過程即內(nèi)部石蠟的融化與凝固過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,熱管在該換熱器內(nèi)極好地發(fā)揮了換熱元件的作用,換熱器運(yùn)行狀況良好,各項(xiàng)功能均能較好地實(shí)現(xiàn)。2007年,朱孝欽等研究了一種以傳統(tǒng)的管殼式換熱器作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),管內(nèi)充填相變材料CaCl2. 6H2O的新型換熱器的儲(chǔ)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始研究的,其省略了傳統(tǒng)的中間換熱環(huán)節(jié),故換熱效率有所提高。
2007年, FuqiaoWang等在制冷系統(tǒng)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(tǒng)中的預(yù)冷凝器,系統(tǒng)COP可以提高6% ,隨后又通過數(shù)值模擬研究了將相變蓄熱器設(shè)置于系統(tǒng)不同位置時(shí)的不同效果。呂磊磊等介紹了一種應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱回收的復(fù)合相變蓄熱器。這種復(fù)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(cè)加裝翅片,相變材料在殼體與翅片管間儲(chǔ)存,冷、熱流體分別在管內(nèi)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(jī)不必停機(jī),而是加熱融化相變材料,以儲(chǔ)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(nèi)外的熱點(diǎn)研究課題。近年來,隨著相變蓄能材料研究的進(jìn)步、相變蓄熱器強(qiáng)化換熱研究的深入,相變潛熱蓄熱吸引了各國學(xué)者越來越多的關(guān)注。但是,相比而言,國內(nèi)的研究仍落后于國外,其研究主要依靠對(duì)國外技術(shù)的引進(jìn)、吸收,缺乏創(chuàng)新。因此,未來的研究應(yīng)力爭(zhēng)在系統(tǒng)上突出“新”, 在技術(shù)上突出“用”, 在目標(biāo)上突出“遠(yuǎn)”。
目前的太陽能熱泵蓄能技術(shù),其蓄能設(shè)備基本上是機(jī)械地連接在系統(tǒng)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,這就在太陽能熱泵系統(tǒng)中增加了換熱環(huán)節(jié),降低了換效率,導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜、成本的提高,控制的復(fù)雜。在某種程度上,使推廣與應(yīng)用變得緩慢。因此,通過系統(tǒng)集成創(chuàng)新,構(gòu)建高度簡(jiǎn)化、造價(jià)便宜、用能合理的太陽能熱泵集成系統(tǒng)才是解決問題的途徑。但是,由于太陽能熱泵應(yīng)用的成本偏高,規(guī)模偏小,如何突破核心關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)太陽能熱泵技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)與發(fā)展,提高太陽能利用領(lǐng)域的集成創(chuàng)新能力,仍是期待解決的問題。
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