含相变材料的蓄能型热水器储能特性研究

发布时间：2020-08-18 14:03

【摘要】：目前,我国的电力负荷谷峰较为明显,虽然电能的供给相对稳定,但是需求却是变化的。相变材料因其具有储能的特点,可以有效缓解能源供求在时空上失衡的矛盾。将相变材料应用到电热水器中,能够改善电热水器的储热能力,结合地区峰谷电价,让用户可以更加经济合理地使用电能,提高整体的经济效益。本文以家用储水式电热水器为研究对象,建立四种不同结构的模型(立式加热管+普通进水管、卧式加热管+普通进水管、立式加热管+1.5倍管径进水管、卧式加热管+1.5倍管径进水管),研究其内部水的流动及传热特性,对比分析内部温度分布和水温衰减情况,选出最优结构。在对电热水器内部结构研究的基础上,研究不同种类和不同添加量的相变材料对电热水器储能的影响,最后就能耗与经济性展开分析。研究结果表明:(1)在加热过程中,加热管周围的热水流速较大,方案一(立式加热管)和方案二(卧式加热管)中热水的最大流速分别为0.061m/s和0.059m/s,两者差别较小。卧式加热管与立式加热管相比,加热过程中内胆里水的温度分布更均匀,且这种改善作用主要体现在底部的低温区;此外,采用卧式加热管会使加热效率提高约2.2%。在加热时间相同的情况下,采用卧式加热管会使热水输出率有较小幅度的提升,约为5.2%。(2)在电热水器的进、出水过程中,增大进水管管径相比较于普通进水管,进水时冷水的流动较为缓和,对上层区域的热水冲击更小,更有利于热水的排出。进水管管径的改变对热水输出率有较大影响,采用增大1.5倍管径的进水管让热水输出率提升了16.9%;同时使用卧式加热管和增大管径的进水管,能最大化改善电热水器的热水输出情况,热水输出率能够提升24%。(3)在相同加热时间内,含石蜡+10%石墨的保温层比含石蜡的保温层更早进入熔化过程,两者的液相率平均变化率分别为0.001/s和0.0004/s。添加相变材料的内胆水温变化曲线斜率比未添加相变材料的内胆水温变化曲线斜率要小,后者平均水温加热到62℃需要56分钟,而前者平均水温加热到62℃需要82分钟,由此可知,相变材料的加入延缓了内胆中水的温升过程。(4)在凝固放热过程中,相变储能层的液相率平均变化率为1.74×10~(-5)/s,比在加热过程中的液相率平均变化率要小得多。由于保温层的总厚度是一定的,所以在保温12小时之前,添加相变材料的内胆平均水温下降比未添加相变材料的内胆平均水温下降要快,在保温12小时之后,相变材料开始向周围放出热量,添加相变材料的内胆平均水温下降比未添加相变材料的内胆平均水温下降要慢。相变储能层的厚度越大,减缓内胆平均水温下降的幅度也越大。保温到36小时时,与未添加相变材料的内胆平均水温相比,三种不同厚度的相变储能层分别将水温提高了6.9%、8.6%和10.6%。(5)采用立式加热管(方案一、方案三)和卧式加热管(方案二、方案四)的电热水器24h固有能耗分别为0.88 kW·h和0.86 kW·h。方案一和方案二中电热水器的能效等级为2级,方案三和方案四中电热水器的能效等级为1级,可知,增大进水管尺寸,能明显地提高电热水器的能效等级。相比较于传统电热水器,三种相变储能型电热水器的年运行费用分别减少了36%,24.8%和10.73%。就总费用而言,相变储能型电热水器的经济效益更好。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM925.32
【图文】：

在夏季约为 50%；而在中国，各个跨省电力系统的负荷峰谷差大体上是最大负荷的 30%~40%[3]，图1.1 所示为电力负荷峰谷示意图。大的电力负荷峰谷差，就意味着电网在最大负荷时要拉闸限电，在用电低谷时，会减少部分供电机组的数量，这样不断的启停机组，一方面加大了能耗，另一方面也缩短了机组的使用寿命，所以电力调峰问题日益严峻，除了采用峰谷电价这种解决方法，还应该积极寻找各种节能的调峰新技术。如若能把高峰处的电负荷转移到低谷处，就会产生非常可观的经济效益。图 1.1 电力负荷峰谷

封闭储水式电热水器实物

4图 1.3 封闭储水式电热水器的内部结构原理图图 1.2 所示为封闭储水式电热水器的实物图，图 1.3 所示为封闭储水式电热水器的内部结构原理图。由图可知，封闭储水式电热水器的内部构件主要有内胆加热管、进水管、出水管、镁棒、温控器、防电墙和保温层等。1.2.2 储水式电热水器内部水的流动及传热特性费家哲等[8]通过Gambit软件建立了电热水器的三维模型并进行了网格划分基于RNG k-ε湍流模型对电热水器的加热过程进行了模拟研究。设计了两种模拟条件：一种将初始温度设定为15℃，目标温度为75℃；另一种将初始温度设定为5℃，目标温度为45℃。表1.2给出了模拟结果与实际的对比值：

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本文编号：2796310