相变贮能装置热设计方法.ppt
PCM贮热装置热设计方法,焦冬生热科学与能源工程系,2,内容,相变贮能装置容量设计的一般准则相变材料的封装分布式相变贮能床设计贮能床压降和泵功的确定,3,换热器,按照传送能量的方法：间壁式：热流体和冷流体间有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另一流体恒在壁的另侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。混合式：依靠热流体和冷流体的直接接触而进行传热；蓄热式：其中也有固体壁面，但两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触，当热流体流过时，把热量蓄于壁内，其温度逐渐升高，而当冷流体流过时，壁面放热，其温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。,4,流动方式,顺流式（并流式）：两种流体平行地向着同一个方向流动；逆流式：两种流体也是平行流动，但它们的流动方向相反；,中国科学技术大学相变贮能讲义,5,流动方式,错流式：两种流体的流动方向相互垂直交叉。当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成是顺流或逆流；混合式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分；,6,管壳式换热器,7,稳态传热的基本方程式为热负荷 总传热系数对数平均温度差,8,阻力,管程阻力可按一般摩擦阻力计算式可得。但管程总的阻力应是各程直管摩擦阻力、每程回弯阻力以及进出口阻力（可忽略不计）三项之和Ft结构校正系数；Ns串联的壳程数，指串联的换热器数；Np管程数,9,阻力,对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式较多，计算结果相差较大。-流过管束的阻力损失，；-流过折流板缺口的阻力损失，；Fs-壳程阻力结垢校正系数，对液体可取Fs=1.15，对气体或可凝蒸汽取Fs=1.0；Ns-壳程数；,10,换热器分析,有效度是一个换热器的实际传热速率与最大传热速率之比。最大可能传热速率：从原则上讲，是一个无穷长的逆流换热器可以达到的传热速率。,11,换热器分析,传热单元数NTU-是流体间平均温差为1 度时的传热速率与两种流体中热容量流率较小的流体温度改变1度时的传热速率之比值。对于任何换热器，可以有,12,热管换热器,13,贮热换热器理论基础,相图结晶动力学传热计算,14,贮热换热器试验基础,圆管矩形,15,简单区域中的相变传热（水平圆管内熔化）,由于固态PCM的密度大于液态PCM的密度，熔化过程中，固态PCM不断下沉。以开始熔化t=0时的固态Mf圆心为参考，上界面与管壁顶端的距离,16,简单区域中的相变传热（水平圆管内熔化）,引入无量纲几何参数和时间参数：,17,物理和数学模型,利用质量守恒和动量守恒假设：底层狭层区域的流动是准稳态流动径向压力梯度、流动速度忽略体积力可忽略流体密度为常数,18,层底流体对固体PCM的托力等于所受重力和浮力之差,19,解方程,液态PCM质量的比率,20,方程（1-4）可计算溶化过程中几乎所有的重要参数。适用条件为,21,水平椭圆管，,由于椭圆与圆、球不同，没有固定的半径，因而难以得到其管内接触熔化问题的解析解。采用分段圆弧法，,b a,r1,r2,0,22,水平椭圆管,定义椭圆管熔化率 对于固体顶部的非接触融化距离,23,24,25,26,即对半径为r2的圆弧,D=0.1,得,27,熔化过程中的平均Nusselt数,熔化过程的平均Nusselt数无量纲,28,求解,以上各式均为复杂的积分或微分方程，没有显式解因而需要通过数值计算求得。其步骤为：当 时将式(5298)与(5299)代入式(5-301)，求得 的变化规律。求 的 值作为式(5.302)的积分边界条件，进而得 的变化规律将1与2步骤求得的 分别代人式(5297)、(5.304)可求得熔化率 及平均 数当 时，以上各量从步骤2开始计算：,29,结果,30,自然对流对相变传热的影响实验熔化和凝固 雷诺数大于1700时产生自然对流。水平管，竖直管、板；矩形腔内，水平管内，球内的试验，经过短暂的导热阶段后，自然对流将产生和发展。,实际影响因素,31,新相的体积埋于n-octadecance（18）中水平圆管加热器所熔化的体积水平面从下往上的熔化（无自然对流），平板熔化层的厚度n-eicosane（20）在竖直圆管上由传导控制的凝固,32,传热系数局部传热系数 用阴影法测得的均匀加热水平管的局部传热系数加热面传热系数,33,34,相界面传热系数水平圆柱热源准稳态熔化时界面局部传热系数所埋圆柱熔化时的周向平均传热系数从圆柱外高度为L的环形区间的外表面加热熔化,35,相界面位置,从下部加热熔化或从上部凝固，固液界面能量平衡方程传热系数可由无相变从下部加热液体层的自然对流公式确定,36,n-octadecance在圆柱均匀加热熔化,n-heptadecance被冷的水平圆管冷却而向外固化,熔化过程中自然对流的影响是最主要的，对相变系统的任何分析都必须加以考虑。,37,界面由对流的多维相变,38,相变装置传热设计准则,对LHTES装置经济性和可行性的正确认识必须有关于PCM中的传热和相变过程定量数据的分析热物性对贮热和释热过程的影响程度；贮热装置所需的PCM质量；相变过程所需的时间；液相PCM中传导和对流的相对重要性,39,多维固化的相似准则（忽略自然对流）热容可忽略；热物性随温度的变化很小；PCM以及冷却剂的温度在整个对流冷却表面均匀，因而传热系数均匀；固化开始后，液相中的传热可忽略，界面能量平衡方程也忽略。,40,根据能量守恒方程，固化所需的无量纲时间计算量减少难以处理的问题成为可能即使相似准则所依赖的假设被适度违反，它的有效性也不会受到很大的破坏。,41,潜热贮热装置的有效度-NTU法假设平衡固化具有光滑的界面PCM的固液相密度差的影响可忽略在狭窄的工作温度范围内每相中的热物性与温度无关管壁面的传热系数和冷却剂温度分布均匀传热系数和冷却剂温度不随时间变化液相PCM初始处于熔点温度能量守恒传热单元数有效度,42,有效度 为一个换热器的实际传热率 与最大可能传热速率比值传热单元数 是流体间平均温差为1度时 的传热速率与两种流体中 热容量流率较小的流体温差 改变1度时的传热速率之值,43,改善传热的方法 在令人满意的系统设计、建造和运行之前，一些与装置充热、释热有关的问题必须解决不相容成核传热强化传热（固化）用扩展表面强化传热：凝固、熔化、增稠剂用主动性方法强化：搅拌、悬浮液,44,数学建模液相内自然对流忽略PCM处于熔点温度PCM固液界面假定从容器壁面均匀向前推进；PCM固相和液相之间物理和输运性质的差可忽略PCM和容器的显热与潜热相比可忽略PCM和工作流体间的传热可使用总导热概念工作流体中的热扩散与对流相比可忽略过冷过热均忽略对环境的热损可忽略,45,方程,对PCM（1）基本控制体和通道流体（2）建立控制方程,46,设计PCM贮能装置所要考虑的主要因素有：装置的工作温度范围及热负荷；PCM与传热介质的物性；贮能装置的构造（configuration）；贮能装置的隔热；贮能装置的压降和泵功,47,相变贮能装置容量设计的一般准则,贮能装置的大小与为提供所要求的热量所需贮能材料的数量和类型及为满足性能所选择的隔热情况有关；对于太阳能应用，还要考虑贮能材料的质量和集热器面积之比以及经济因素等；最简单的方法是采用近似方法和某些经验准则。,48,对太阳能住宅采暖和家用热水系统详细的计算机模拟表明：单位集热面积贮存能量的进一步增加对系统年热性能的改进没有多大影响，一般在 为好。因而，确定PCM贮能装置大小的经验准则可通过对选取的显热贮能准则加以改进而得到：其中 为单位质量PCM的焓差。,49,对于给定的一段时间内提供一定量能量的太阳能取暖和家用热水器，考虑贮热损失，其贮热装置的容积UA为设备的热负荷因子；WiCpi为设备热容量日常渗漏速率；UAs为贮能装置损失热负荷因子（）；f为贮能装置提供能量的月数（1-2天通常写为1/30-2/30）；是月平均加热度天数（）；Qw为贮能装置提供的总热水负荷（kJ）;是贮能装置的空隙率液体系统，堆积床 PCM装置,50,采暖度日数（HDD18）采暖度日数（HDD18）是一年中当某天室外日平均温度低于18C时，将低于18C的度数乘以1天，所得出的乘积的累加值。其单位为Cd。在国家行业标准夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ1342001）中，建筑物节能综合指标限值中的耗热量指标（qh）和采暖年耗电量（Eh）是根据建筑物所在地的采暖度日数（HDD18）确定的。空调度日数（CDD26）其值为一年中当某天是室外日平均温度高于26C时，将高于26C的度数乘以1天，再将此乘积累加。其单位为Cd。在节能设计标准中，建筑物节能综合指标限值中的耗冷量指标（qc）和空调年耗电量（Ec）是根据建筑物所在地的空调度日数（CDD26）确定的。,51,相变材料的封装封装材料的选择,封装材料的选择应考虑以下几点：与相变材料的相容性、良好的传热特性、加工方便、密封性好。具体要求如下：容器的物理性能：强度、柔韧性、热稳定性、密封性、耐久性、安全性、传热性能；容器与相变材料的相容性：无腐蚀、容器材料与相变材料无互溶现象，无化学反应；经济性：封装成本低；在实际应用中应考虑主要的要求，采用具体的封装方式和封装材料。,52,（1）相容性与稳定性,金属金属常作为PCM的容器；大多数水合盐会加剧金属的氧化过程，如容器密封性能好，则腐蚀减弱；有机PCM的腐蚀性较小；Lane,Abhat等人对一些容器与PCM的相容性进行了测试，结果见右表。,53,塑料 塑料没有金属的腐蚀问题，但有降解问题，如软化和脆化。软化 在分子尺度上，塑料结构疏松，一些小分子可以扩散方式渗透，使其软化；Lane 及Schroeder等人的实验均表明：塑料与绝大部分水合盐相容，但其性能（如强度等）受有机相变材料影响较大。脆化 塑料中加入防氧化剂可减轻塑料的脆化，但需避免阳光的照射。,54,（2）容器的物理性能,强度及耐温性能为使封装相变材料的容器保持密封性及一定形状（不影响传热），保证一定的使用寿命，容器应具备一定的强度；考虑到相变材料的相变过程一般伴随有明显的体积变化，在选择相变材料的容器材料和结构时应特别注意；还需注意容器的耐温性能。,55,柔韧性Lane等人对一些容器和结构的柔韧性进行了研究，包括薄膜袋、罐、PE、聚丙烯瓶等。实验结果不理想；LDPE柔韧性比HDPE的好，但防水性差；聚丙烯的性能与LDPE类似；,56,容器材料的传质阻抗容器材料应能很好地阻止容器由于扩散引起的传质，以保持容器内相变材料的稳定。,57,58,相变材料的封装相变材料的封装形式,相变材料的封装形式有内部换热器的集总封装；宏封装（macro encapsulation）微封装（micro encapsulation）,59,具有内部换热器的集总封装（bulk storage or tank heat exchange）,具有内部换热器的集总封装指相变材料封装在一个大容器中，容器内通过传热介质对相变材料进行充、放热；对于非直接接触式系统，主要的问题是如何改善PCM与传热流体之间的换热，一般采用加大换热面积、在换热器外表面加延伸表面，在相变材料内加金属片、网格等。,60,为改善PCM与传热流体之间的换热，研究者们提出了直接接触换热式贮热系统；该类系统中的相变材料须与传热介质不相溶，如石蜡-水工作对；这类系统不太稳定。,61,系统中底部换热器为充热换热器，顶部换热器为取热换热器，容器中充有占其容积90%的PCM-结晶醋酸钠和传热介质R113；当底部充热换热器通热流体充热时，R113受热蒸发。由于醋酸钠的结构疏松，故R113蒸汽可沿其内部毛细通道加热PCM，又R113密度大于醋酸钠，故冷凝后的R113又回到底部；取热过程类似。,热管系统与相变贮能系统的结合：GALISOL系统,62,(2)分封装主要应用于相变堆积床贮热系统,微胶囊利用胶质化学将PCM封装在直径为20 到 200 um的胶囊内.这种颗粒不适于堆积床，但可以制成泥浆装的输送介质，其加热效率是水的两倍宏胶囊，这种胶囊完全被传热介质冲刷，需要不同的换热器。,63,分布式相变贮能床设计,PCM床设计的关键参数是床内的粒子类型、平均尺寸、形状、空隙率以及PCM与流体的热和输运性质、床的总体尺寸（横截面积和长度）、流动速率和流体的进口温度。PCM床设计的一般使流体尽可能竖直流过堆积床，最好避免水平流动或任何一种螺旋流动以及有障碍的流动。若竖直流动不可能或不方便，也可设计成水平流过含PCM的竖直圆管簇。（对空气介质比较合适）,64,例 一种含PCM的竖直圆管簇贮能床,雷诺数2000-4000交错排列管簇整齐排列管簇,65,贮能粒子类型、大小和形状的选择堆积床的平均空隙率堆积床的流动条件堆积床的传热系数的计算 以上这些与传统的堆积床的要求基本上相同，而实际上，相变堆积床传热系数的计算到目前为止没有成熟的结果。,66,多孔表面的封装材料不能使用。PCM粒子以直径范围在之间的贮热效率最高，生产的经济性最好。等效平均球径,67,堆积床的平均空隙率实际上堆积床是一个大小不均粒子的随机堆积。,68,堆积床流动,准则方程总体积和表面积,69,表面质量速率G0表面速度V0表面雷诺数,70,传热系数,空气-固体传热系数上限下限中限,71,72,Galloway和 Sage 对随机堆积的球床给出了在相当宽的雷诺数范围都使用的关系式,73,PCM管簇床的传热系数,74,贮能床压降和泵功的确定,压降堆积床圆管和球相变单元堆积床,75,管簇,76,谢 谢,
