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热能贮存和应用中若干热物理问题研究

张海峰  
【摘要】:用于建筑物空气调节、热水供应、物料干燥的低温热能需求总量巨大。由于时间和强度上的不匹配性,来自太阳能收集、地热能、工业余热等低温热能难以直接满足实际需求。从提高能源利用效率和节能的角度,基于热能贮存的热泵技术是缓解这一矛盾的可行途径。 本文研究低温热能贮存和热泵应用中几个相关的方面,内容涉及热能贮存的方式和贮能系统效率分析、水源热泵的性能和应用研究、贮能材料的热物性测量和预示。 潜热贮能中的传热问题研究 针对相变材料(PCM)物性数据缺乏的现状,研究热针法测量导热系数。通过测量原理的分析对热针法进行优化;改进测试电路提高温度测量的精度。改进后的热针法可以快速简便地测量PCM在固液两态下的导热系数。实验结果表明测试时间不超过20秒,对导热系数为0.1~0.6Wm~(-1)K~(-1)的样品测量不确定度为3%。 相变胶囊是微尺度封装的新型PCM。本文运用显热容法求解相变问题,分析相变胶囊在对流边界条件下的蓄放热特性。结果表明微尺度封装具有显著的传热强化效果、相变胶囊在蓄放热过程中热流稳定,小温差条件下仍能保持高效换热。这些优异性能主要源于相变胶囊的尺度特性。 目前潜热贮能的理论研究主要集中在过程分析,很少有关于系统效率的报道。本文通过对管内流体换热式相变贮能系统的研究,综合系统的换热有效度和PCM潜热的利用率,探讨与系统效率相关的因素。尽管系统的尺度特性、流体流动状态和换热温差等条件是系统设计的重要依据,但PCM内部的传热强化才是提高系统效率的关键因素。 水源热泵的性能研究和应用 根据建筑节能这一社会需求,建立太阳能辅助水箱蓄热式热泵供暖的实验系统。实验研究了自行设计的水源热泵(WSHP)机组的性能及其与供热温度的关系。综合实验结果,分析研究了设计中的不足之处和提高性能的措施。作为WSHP的一个应用,实验研究了在夏季机组作为室内空调制冷和热水供应的工作特性。 结合热力学第一和第二定律,分析了WSHP兼作室内空气调节和热水供应的节能效果。通过对比一台空气源热泵热水器和制冷空调机联合运行的功耗,论证了一机两用的热泵系统具有高性价比和显著的节能效果。这一分析也证明了空气源热泵空调系统余热回收的节能意义。


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