用于太阳能热水系统的无机水合盐相变蓄热装置研究

发布时间：2020-11-18 23:31

　　 太阳能热水器是典型的太阳能热利用系统,它以环保、安全、节能、卫生的等优点迅速赢得了广大消费者的青睐。从最初的闷晒型、平板型到现在的全玻璃真空管、玻璃—金属真空管型,太阳能集热技术上有了飞跃的发展,大大提高了太阳能的利用效率,丰富了太阳能热水器的种类。在蓄热技术方面,目前市面上大多数太阳能热水器的仍然采用水作为储能介质,但水作为储能材料时其储能特征为显热储能,储能密度较小。近年来,研究如何将相变蓄热技术与太阳能热利用技术相结合,开发新型相变蓄热太阳能热水器已成为各国学者研究的热点。为此,本文针对相变蓄热技术在家用太阳能热水器上的应用进行探讨,希望能够设计一种相变蓄热装置,不但能保持拥有较高的蓄热能力,且有较高的传热性能,能够及时将热量存储和释放,从而有利于太阳能热水器在晴朗天气能够最大量储存太阳能,以及在阴晴天气太阳能热水器能更快速启动,更高效率捕捉利用太阳能。这要求相变蓄热装置蓄热过程中保持较高蓄热效率和较短的蓄热时间,放热过程中能够实现快速放热并且对换热流体有较好的加热性能。研究工作主要从相变蓄热装置结构设计和实验分析两方面进行研究,为家用太阳热水系统相变蓄热装置的设计优化提供参考。本文研究内容包括以下几点：(1)对几种相变储能太阳能热水系统运行方式进行对比分析,并结合三水醋酸钠、八水氢氧化钡、十二水硫酸铝铵三种相变材料热物性参数测试结果,提出热管式真空管集热器加相变蓄热水箱的组合应用形式,能够较好地满足家用相变储能式太阳能热水器的要求,并以此设计思路作为出发点,对蓄热装置开展结构设计和研究工作。(2)根据生活热水对水箱蓄热量、用水温度、水箱体积的要求,给出几种适用于家用太阳能热水系统的被动式相变蓄热装置结构设计思路。根据传热学理论,对一种间接式相变蓄热水箱、一种圆柱体堆积床相变蓄热水箱、一种球体堆积床相变蓄热水箱的结构进行设计,设定参数并进行传热核算。(3)搭建带有螺旋换热盘管的间接式相变蓄热装置测试实验平台,根据生活用水使用标准,对带螺旋换热盘管间接式相变蓄热装置进行多工况测试实验。实验结果表明：采用水作为换热流体的间接式相变蓄热水箱,能够较好的满足蓄热水箱对蓄热速度的要求,但添加的相变单元取代部分水作为蓄热材料时,相变单元占用了水箱空间,削弱了水箱内换热流体的对流传热,填充相变单元蓄热水箱与不填充相变单元的水箱相比,取热效率下降了。(4)建立堆积床相变蓄热装置测试平台,并根据生活用水使用标准,对两种类型的堆积床相变蓄热水箱蓄放热性能进行测试,并与未加入相变单元的蓄热水箱进行对比,分析其结构的实用性。实验测试结果表明：采用较高熔点的十二水硫酸铝铵作为相变储能材料的圆柱体堆积床蓄热水箱,虽然拥有较大的换热面积,利于换热,但其水箱的换热效率与未加入相变单元的蓄热水箱进行对比,蓄热水箱的取热效率仅仅提升0.6%。过高熔点的相变材料使得蓄热水箱必须在较高的蓄热温度才能运行,此时水箱显热蓄热量也可以很大,与普通水箱相比,相变蓄热水箱蓄热优势并不明显。而对于采用八水氢氧化钡的球体堆积床相变蓄热水箱,当相变材料质量填充率分别为13%,26%,42%时候,水箱取热效率分别达79.41%,78.29%,84.99%,均比普通水箱的取热效率77%要高。球体堆积床相变蓄热装置设计合理,可基本满足使用要求。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK513.5
【部分图文】：

图１＿１集热器安装在屋上［４８１?图１－２集热器安装在墙面上［４９］??Ｆｉｇ?１－１?Ｔｈｅ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｉｓ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｒｏｏｆ?Ｆｉｇ?１－２?Ｔｈｅ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｉｓ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｗａｌｌ??１．３．３集中太阳能采暖和供热水系统??早在２０世纪８０年代欧洲国家就己经开始在工程中应用集中太阳能采暖和供热??水技术。在一些住宅小区中，将大型太阳能加热系统与社区热力网相连接，通过增大??系统的规格，实现系统性能的提高及成本的降低。到目前为止，根据系统的蓄热能力??已开发出当天蓄热、一周蓄热、季节蓄热三种主要系统，均采用强制循环、二次换热??的运行方式。??

图１＿１集热器安装在屋上［４８１?图１－２集热器安装在墙面上［４９］??Ｆｉｇ?１－１?Ｔｈｅ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｉｓ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｒｏｏｆ?Ｆｉｇ?１－２?Ｔｈｅ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?ｉｓ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｗａｌｌ??１．３．３集中太阳能采暖和供热水系统??早在２０世纪８０年代欧洲国家就己经开始在工程中应用集中太阳能采暖和供热??水技术。在一些住宅小区中，将大型太阳能加热系统与社区热力网相连接，通过增大??系统的规格，实现系统性能的提高及成本的降低。到目前为止，根据系统的蓄热能力??已开发出当天蓄热、一周蓄热、季节蓄热三种主要系统，均采用强制循环、二次换热??的运行方式。??

。??２．?１几种相变储能式太阳能热水系统的运行方式??２．１．１直接式自然循环相变储能式太阳能热水系统??自然循环系统是指利用太阳能是系统内传热工质在集热器与ＰＣ水箱之间或集热??器与换热器之间自然循环加热的系统。由于间接式系统一般需要较菜提供动力才能运??行，所以自然循环太阳能系统一般采用直接式换热。如绪论１．３．１所述，目前，普通??显热储能式的自然循环、直接式太阳能热水系统技术己经成熟。??采用相变蓄热装置时，用相变蓄热装置代替蓄热水箱。集热过程中，集热器流出??的换热流体直接与蓄热水箱内相变单元接触，加热相变单元，取热时，冷水通入相变??装置，与相变单元接触并被加热，从装置较高位置的出口流出至用户。直接式自然循??环系统相变蓄热装置一般为堆积床型。集热器可采用全玻璃真空管集热器，平板式集??热器，热管式真空管集热器，玻璃－金属真空管集热器。图为一种球体堆积床相变蓄??热太阳能热水系统示意图。??相变蓄热水箱??
【参考文献】

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本文编号：2889365