第09講相變貯能裝置熱的設計方法-課件

1、PCM貯熱裝置熱設計方法焦冬生熱科學與能源工程系1PCM貯熱裝置熱設計方法焦冬生1內(nèi)容相變貯能裝置容量設計的一般準則相變材料的封裝分布式相變貯能床設計貯能床壓降和泵功的確定2內(nèi)容2換熱器按照傳送能量的方法：間壁式：熱流體和冷流體間有一固體壁面，一種流體恒在壁的一側(cè)流動，而另一流體恒在壁的另側(cè)流動，兩種流體不直接接觸，熱量通過壁面而進行傳遞。混合式：依靠熱流體和冷流體的直接接觸而進行傳熱；蓄熱式：其中也有固體壁面，但兩種流體并非同時而是輪流地和壁面接觸，當熱流體流過時，把熱量蓄于壁內(nèi)，其溫度逐漸升高，而當冷流體流過時，壁面放熱，其溫度逐漸降低，如此反復進行，以達到熱交換的目的。3換熱器按照傳送能

2、量的方法：3流動方式 順流式（并流式）：兩種流體平行地向著同一個方向流動；逆流式：兩種流體也是平行流動，但它們的流動方向相反；4流動方式 順流式（并流式）：兩種流體平行地向著同一個方向流動流動方式錯流式：兩種流體的流動方向相互垂直交叉。當交叉次數(shù)在四次以上時，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢將其看成是順流或逆流；混合式：兩種流體在流動過程中既有順流部分，又有逆流部分；5中國科學技術大學相變貯能講義流動方式錯流式：兩種流體的流動方向相互垂直交叉。當交叉次數(shù)在管殼式換熱器6管殼式換熱器6穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程式為熱負荷 總傳熱系數(shù)對數(shù)平均溫度差 7穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程式為7阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力計算式

3、可得。但管程總的阻力應是各程直管摩擦阻力、每程回彎阻力以及進出口阻力（可忽略不計 ）三項之和Ft結(jié)構校正系數(shù)；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)，指串聯(lián)的換熱器數(shù)；Np管程數(shù)8阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力計算式可得。但管程總的阻力應是阻力對于殼程阻力的計算，由于流動狀態(tài)比較復雜，計算公式較多，計算結(jié)果相差較大。 -流過管束的阻力損失，； -流過折流板缺口的阻力損失，；Fs-殼程阻力結(jié)垢校正系數(shù)，對液體可取Fs=1.15，對氣體或可凝蒸汽取Fs=1.0；Ns-殼程數(shù)； 9阻力對于殼程阻力的計算，由于流動狀態(tài)比較復雜，計算公式較多，換熱器分析有效度是一個換熱器的實際傳熱速率與最大傳熱速率之比。最大可能傳熱速率：從

4、原則上講，是一個無窮長的逆流換熱器可以達到的傳熱速率。10換熱器分析有效度是一個換熱器的實際傳熱速率與最大傳熱速率之比換熱器分析傳熱單元數(shù)NTU-是流體間平均溫差為1 度時的傳熱速率與兩種流體中熱容量流率較小的流體溫度改變1度時的傳熱速率之比值。對于任何換熱器，可以有11換熱器分析傳熱單元數(shù)NTU-是流體間平均溫差為1 度時的傳熱熱管換熱器12熱管換熱器12貯熱換熱器理論基礎相圖結(jié)晶動力學傳熱計算13貯熱換熱器理論基礎相圖13貯熱換熱器試驗基礎圓管矩形14貯熱換熱器試驗基礎圓管14簡單區(qū)域中的相變傳熱（水平圓管內(nèi)熔化）由于固態(tài)PCM的密度大于液態(tài)PCM的密度，熔化過程中，固態(tài)PCM不斷下沉。以

5、開始熔化t=0時的固態(tài)Mf圓心為參考，上界面與管壁頂端的距離15簡單區(qū)域中的相變傳熱（水平圓管內(nèi)熔化）由于固態(tài)PCM的密度簡單區(qū)域中的相變傳熱（水平圓管內(nèi)熔化）引入無量綱幾何參數(shù)和時間參數(shù)：16簡單區(qū)域中的相變傳熱（水平圓管內(nèi)熔化）引入無量綱幾何參數(shù)和物理和數(shù)學模型利用質(zhì)量守恒和動量守恒假設：底層狹層區(qū)域的流動是準穩(wěn)態(tài)流動徑向壓力梯度、流動速度忽略體積力可忽略流體密度為常數(shù)17物理和數(shù)學模型利用質(zhì)量守恒和動量守恒17層底流體對固體PCM的托力等于所受重力和浮力之差18層底流體對固體PCM的托力等于所受重力和浮力之差18解方程液態(tài)PCM質(zhì)量的比率19解方程液態(tài)PCM質(zhì)量的比率19方程（1-4）可

6、計算溶化過程中幾乎所有的重要參數(shù)。適用條件為20方程（1-4）可計算溶化過程中幾乎所有的重要參數(shù)。20水平橢圓管，由于橢圓與圓、球不同，沒有固定的半徑，因而難以得到其管內(nèi)接觸熔化問題的解析解。采用分段圓弧法， b ar1r2021水平橢圓管，由于橢圓與圓、球不同，沒有固定的半徑，因而難以得水平橢圓管定義橢圓管熔化率 對于固體頂部的非接觸融化距離22水平橢圓管定義22232324242525 即對半徑為r2的圓弧,D=0.1,得26 即對半徑為r2的圓弧,D=0.1,得26熔化過程中的平均Nusselt數(shù)熔化過程的平均Nusselt數(shù)無量綱27熔化過程中的平均Nusselt數(shù)熔化過程的平均Nus

7、selt求解以上各式均為復雜的積分或微分方程，沒有顯式解因而需要通過數(shù)值計算求得。其步驟為：當 時將式(5298)與(5299)代入式(5-301)，求得 的變化規(guī)律。求 的 值作為式(5.302)的積分邊界條件，進而得 的變化規(guī)律將1與2步驟求得的 分別代人式(5297)、(5.304)可求得熔化率 及平均 數(shù)當 時，以上各量從步驟2開始計算：28求解以上各式均為復雜的積分或微分方程，沒有顯式解因而需要通結(jié)果29結(jié)果29自然對流對相變傳熱的影響實驗熔化和凝固 雷諾數(shù)大于1700時產(chǎn)生自然對流。水平管，豎直管、板；矩形腔內(nèi)，水平管內(nèi)，球內(nèi)的試驗，經(jīng)過短暫的導熱階段后，自然對流將產(chǎn)生和發(fā)展。實際

8、影響因素30自然對流對相變傳熱的影響實際影響因素30新相的體積埋于n-octadecance（18）中水平圓管加熱器所熔化的體積水平面從下往上的熔化（無自然對流），平板熔化層的厚度n-eicosane（20）在豎直圓管上由傳導控制的凝固31新相的體積31傳熱系數(shù)局部傳熱系數(shù) 用陰影法測得的均勻加熱水平管的局部傳熱系數(shù)加熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)32傳熱系數(shù)323333相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)水平圓柱熱源準穩(wěn)態(tài)熔化時界面局部傳熱系數(shù)所埋圓柱熔化時的周向平均傳熱系數(shù)從圓柱外高度為L的環(huán)形區(qū)間的外表面加熱熔化34相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)34相界面位置從下部加熱熔化或從上部凝固，固液界面能量平衡方程傳熱系數(shù)可由無相變從下部加熱液體層的

9、自然對流公式確定35相界面位置從下部加熱熔化或從上部凝固，固液界面能量平衡方程3n-octadecance在圓柱均勻加熱熔化n-heptadecance被冷的水平圓管冷卻而向外固化熔化過程中自然對流的影響是最主要的，對相變系統(tǒng)的任何分析都必須加以考慮。36n-octadecance在圓柱均勻加熱熔化n-heptad界面由對流的多維相變37界面由對流的多維相變37相變裝置傳熱設計準則對LHTES裝置經(jīng)濟性和可行性的正確認識必須有關于PCM中的傳熱和相變過程定量數(shù)據(jù)的分析熱物性對貯熱和釋熱過程的影響程度；貯熱裝置所需的PCM質(zhì)量；相變過程所需的時間；液相PCM中傳導和對流的相對重要性38相變裝置傳

10、熱設計準則對LHTES裝置經(jīng)濟性和可行性的正確認識 多維固化的相似準則（忽略自然對流）熱容可忽略；熱物性隨溫度的變化很?。籔CM以及冷卻劑的溫度在整個對流冷卻表面均勻，因而傳熱系數(shù)均勻；固化開始后，液相中的傳熱可忽略，界面能量平衡方程也忽略。39 多維固化的相似準則（忽略自然對流）39根據(jù)能量守恒方程，固化所需的無量綱時間計算量減少難以處理的問題成為可能即使相似準則所依賴的假設被適度違反，它的有效性也不會受到很大的破壞。40根據(jù)能量守恒方程，固化所需的無量綱時間40潛熱貯熱裝置的有效度-NTU法假設平衡固化具有光滑的界面PCM的固液相密度差的影響可忽略在狹窄的工作溫度范圍內(nèi)每相中的熱物性與溫度

11、無關管壁面的傳熱系數(shù)和冷卻劑溫度分布均勻傳熱系數(shù)和冷卻劑溫度不隨時間變化液相PCM初始處于熔點溫度能量守恒傳熱單元數(shù)有效度41潛熱貯熱裝置的有效度-NTU法41有效度 為一個換熱器的實際傳熱率 與最大可能傳熱速率比值傳熱單元數(shù) 是流體間平均溫差為1度時 的傳熱速率與兩種流體中 熱容量流率較小的流體溫差 改變1度時的傳熱速率之值42有效度42改善傳熱的方法 在令人滿意的系統(tǒng)設計、建造和運行之前，一些與裝置充熱、釋熱有關的問題必須解決不相容成核傳熱強化傳熱（固化）用擴展表面強化傳熱：凝固、熔化、增稠劑用主動性方法強化：攪拌、懸浮液43改善傳熱的方法43數(shù)學建模液相內(nèi)自然對流忽略PCM處于熔點溫度P

12、CM固液界面假定從容器壁面均勻向前推進；PCM固相和液相之間物理和輸運性質(zhì)的差可忽略PCM和容器的顯熱與潛熱相比可忽略PCM和工作流體間的傳熱可使用總導熱概念工作流體中的熱擴散與對流相比可忽略過冷過熱均忽略對環(huán)境的熱損可忽略44數(shù)學建模44方程對PCM（1）基本控制體和通道流體（2）建立控制方程45方程對PCM（1）基本控制體和通道流體（2）建立控制方程45設計PCM貯能裝置所要考慮的主要因素有：裝置的工作溫度范圍及熱負荷；PCM與傳熱介質(zhì)的物性；貯能裝置的構造（configuration）；貯能裝置的隔熱；貯能裝置的壓降和泵功46設計PCM貯能裝置所要考慮的主要因素有：46相變貯能裝置容量設

13、計的一般準則貯能裝置的大小與為提供所要求的熱量所需貯能材料的數(shù)量和類型及為滿足性能所選擇的隔熱情況有關；對于太陽能應用，還要考慮貯能材料的質(zhì)量和集熱器面積之比以及經(jīng)濟因素等；最簡單的方法是采用近似方法和某些經(jīng)驗準則。47相變貯能裝置容量設計的一般準則貯能裝置的大小與為提供所要求的對太陽能住宅采暖和家用熱水系統(tǒng)詳細的計算機模擬表明：單位集熱面積貯存能量的進一步增加對系統(tǒng)年熱性能的改進沒有多大影響，一般在 為好。因而，確定PCM貯能裝置大小的經(jīng)驗準則可通過對選取的顯熱貯能準則加以改進而得到： 其中 為單位質(zhì)量PCM的焓差。48對太陽能住宅采暖和家用熱水系統(tǒng)詳細的計算機模擬表明：單位集熱對于給定的一

14、段時間內(nèi)提供一定量能量的太陽能取暖和家用熱水器，考慮貯熱損失，其貯熱裝置的容積UA為設備的熱負荷因子 ； WiCpi為設備熱容量日常滲漏速率 ；UAs為貯能裝置損失熱負荷因子（ ）；f為貯能裝置提供能量的月數(shù)（1-2天通常寫為1/30-2/30）；是月平均加熱度天數(shù)（ ）；Qw為貯能裝置提供的總熱水負荷（kJ）; 是貯能裝置的空隙率液體系統(tǒng) ，堆積床 PCM裝置49對于給定的一段時間內(nèi)提供一定量能量的太陽能取暖和家用熱水器，采暖度日數(shù)（HDD18） 采暖度日數(shù)（HDD18）是一年中當某天室外日平均溫度低于18C時，將低于18C的度數(shù)乘以1天，所得出的乘積的累加值。其單位為Cd。在國家行業(yè)標準夏

15、熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準（JGJ1342001）中，建筑物節(jié)能綜合指標限值中的耗熱量指標（qh）和采暖年耗電量（Eh）是根據(jù)建筑物所在地的采暖度日數(shù)（HDD18）確定的?？照{(diào)度日數(shù)（CDD26） 其值為一年中當某天是室外日平均溫度高于26C時，將高于26C的度數(shù)乘以1天，再將此乘積累加。其單位為Cd。在節(jié)能設計標準中，建筑物節(jié)能綜合指標限值中的耗冷量指標（qc）和空調(diào)年耗電量（Ec）是根據(jù)建筑物所在地的空調(diào)度日數(shù)（CDD26）確定的。50采暖度日數(shù)（HDD18） 采暖度日數(shù)（HDD18）是一年中相變材料的封裝封裝材料的選擇封裝材料的選擇應考慮以下幾點：與相變材料的相容性、良好的傳熱特性、

16、加工方便、密封性好。具體要求如下：容器的物理性能：強度、柔韌性、熱穩(wěn)定性、密封性、耐久性、安全性、傳熱性能；容器與相變材料的相容性： 無腐蝕、容器材料與相變材料無互溶現(xiàn)象，無化學反應；經(jīng)濟性： 封裝成本低；在實際應用中應考慮主要的要求，采用具體的封裝方式和封裝材料。51相變材料的封裝封裝材料的選擇封裝材料的選擇應考慮以下幾點：（1）相容性與穩(wěn)定性金屬金屬常作為PCM的容器；大多數(shù)水合鹽會加劇金屬的氧化過程，如容器密封性能好，則腐蝕減弱；有機PCM的腐蝕性較??；Lane, Abhat等人對一些容器與PCM的相容性進行了測試，結(jié)果見右表。52（1）相容性與穩(wěn)定性金屬52塑料 塑料沒有金屬的腐蝕問題

17、，但有降解問題，如軟化和脆化。軟化 在分子尺度上，塑料結(jié)構疏松，一些小分子可以擴散方式滲透，使其軟化；Lane 及Schroeder等人的實驗均表明：塑料與絕大部分水合鹽相容，但其性能（如強度等）受有機相變材料影響較大。脆化 塑料中加入防氧化劑可減輕塑料的脆化，但需避免陽光的照射。53塑料 塑料沒有金屬的腐蝕問題，但有降解問題，如軟化和脆化。5（2）容器的物理性能 強度及耐溫性能為使封裝相變材料的容器保持密封性及一定形狀（不影響傳熱），保證一定的使用壽命，容器應具備一定的強度；考慮到相變材料的相變過程一般伴隨有明顯的體積變化，在選擇相變材料的容器材料和結(jié)構時應特別注意；還需注意容器的耐溫性能。

18、54（2）容器的物理性能 強度及耐溫性能54柔韌性Lane等人對一些容器和結(jié)構的柔韌性進行了研究，包括薄膜袋、罐、PE、聚丙烯瓶等。實驗結(jié)果不理想；LDPE柔韌性比HDPE的好，但防水性差；聚丙烯的性能與LDPE類似；55柔韌性55容器材料的傳質(zhì)阻抗容器材料應能很好地阻止容器由于擴散引起的傳質(zhì)，以保持容器內(nèi)相變材料的穩(wěn)定。56容器材料的傳質(zhì)阻抗565757相變材料的封裝相變材料的封裝形式相變材料的封裝形式有內(nèi)部換熱器的集總封裝；宏封裝（macro encapsulation）微封裝 （micro encapsulation）58相變材料的封裝相變材料的封裝形式相變材料的封裝形式58 具有內(nèi)部換

19、熱器的集總封裝（bulk storage or tank heat exchange）具有內(nèi)部換熱器的集總封裝指相變材料封裝在一個大容器中，容器內(nèi)通過傳熱介質(zhì)對相變材料進行充、放熱；對于非直接接觸式系統(tǒng)，主要的問題是如何改善PCM與傳熱流體之間的換熱，一般采用加大換熱面積、在換熱器外表面加延伸表面，在相變材料內(nèi)加金屬片、網(wǎng)格等。59 具有內(nèi)部換熱器的集總封裝（bulk storage or為改善PCM與傳熱流體之間的換熱，研究者們提出了直接接觸換熱式貯熱系統(tǒng)；該類系統(tǒng)中的相變材料須與傳熱介質(zhì)不相溶，如石蠟-水工作對；這類系統(tǒng)不太穩(wěn)定。60為改善PCM與傳熱流體之間的換熱，研究者們提出了直接接觸

20、換熱系統(tǒng)中底部換熱器為充熱換熱器，頂部換熱器為取熱換熱器，容器中充有占其容積90%的PCM-結(jié)晶醋酸鈉和傳熱介質(zhì)R113；當?shù)撞砍錈釗Q熱器通熱流體充熱時，R113受熱蒸發(fā)。由于醋酸鈉的結(jié)構疏松，故R113蒸汽可沿其內(nèi)部毛細通道加熱PCM，又R113密度大于醋酸鈉，故冷凝后的R113又回到底部；取熱過程類似。熱管系統(tǒng)與相變貯能系統(tǒng)的結(jié)合：GALISOL系統(tǒng)61系統(tǒng)中底部換熱器為充熱換熱器，頂部換熱器為取熱換熱器，容器中 (2) 分封裝主要應用于相變堆積床貯熱系統(tǒng)微膠囊利用膠質(zhì)化學將PCM封裝在直徑為20 到 200 um的膠囊內(nèi). 這種顆粒不適于堆積床，但可以制成泥漿裝的輸送介質(zhì)，其加熱效率是水的兩倍宏膠囊，這種膠囊完全被傳熱介質(zhì)沖刷，需要不同的換熱器。62 (2) 分封裝主要應用于相變堆積床貯熱系統(tǒng)微膠囊62分布式相變貯能床設計PCM床設計的關鍵參數(shù)是床內(nèi)的粒子類型、平均尺寸、形狀、空隙率以及PCM與流體的熱和輸運性質(zhì)、床的總體尺寸（橫截面積和長度）、流動速率和流體的進口溫度。PCM床設計的一般使