对一种新型热电热泵相变贮能装置的实验研究

基金项目：科技部863计划（2006AA05Z229）；ResearchandApplicationonOptimalControlandFaultDetection&DiagnosisforCentralAir-conditioningSystems(No.JRP0901)；国家留学回国人员基金；湖南省科学技术厅国际合作计划（06wk3023）作者简介：张泠，（1969—），女，博士、教授，主要从事建筑节能与热回收方面的研究。†通讯联系人，徐敏，[e-mail]对一种新型热电热泵相变贮热装置的实验研究湖南大学土木工程学院张泠，徐敏，刘忠兵，张晓洁摘要：本文综合利用热电热泵和相变蓄热技术，研制了一种能进行低品位能回收利用的主动相变蓄热/放热装置，并进行了实验研究。实验结果表明：该装置相变过程明显，有很好的蓄热效果，热电热泵蓄热时制热系数最高达到2.2，热电热泵作局部供热应用时，其供热系数最高达到5.6；克服了传统被动式蓄/放热过程中换热强度和换热时间的不可控性等缺点，有效的回收利用了低温余热。关键词：相变蓄热；热电热泵；主动蓄热/放热1引言潜热贮能是利用贮能材料的物态变化以贮存热能，与显热贮能相比具有贮能密度高、充释热温度稳定等优点而受到了普遍关注。为实际应用和研究的需要，研究者们设计了不同的相变储能装置结构。Shamsundar和Srinivasan[4]设计了一种壳-管式蓄热换热器，并对其进行蓄热、放热实验研究。Banaszek[5]等人对采用螺旋式结构的储能装置进行了理论与实验研究。吕其岗[6]及HorbAniuc[7]分别于1992年和1995年设计了蓄热式的热管换热器。王增义[8]借鉴了以往热管在蓄热方面的理论与应用，设计了一套热管式相变蓄热换热器，并进行了详细的实验研究。从上面可以看出，为改善热能转换装置的蓄热/放热特性，国内外学者设计了各种结构形式的储能装置，并在提高相变材料导热性能和传热性能方面做了很多工作[9-11]，但不难发现上述所列的不同形式的换热装置无一例外的都是被动式的热能转换装置，一方面上述热能装换装置只能通过余热热源与储能材料之间的温差被动蓄热，因此在低温余热回收利用方面并不适用；另一方面在余热回收过程中，被动式热能转换装置不能根据余热排放的时间和强度适时调整蓄热速率，以充分回收余热，提高回收效率；同时在热能释放的过程中，不能按照能源使用端的要求实现热能的主动释放，以满足不同的热能使用要求。考虑到以上被动蓄热装置的种种局限，本文结合热电制冷（制热）技术具有系统简单、无运行工质、工作可靠、维护方便、使用寿命长等优点，研发并制作了一种新的热电热泵相变蓄热换热装置，该装置可以实现主动蓄热/放热过程，为余热回收、电力的“移峰填谷”、将间断能源如太阳能、风能等转化为连续能源方面等领域提供了新方法。2热电热泵相变蓄热/放热原理及装置图1给出了热电热泵相变蓄热换热器的结构简图。可以看出，本装置由蓄热箱体、热电芯片、热管散热器、风机、风道等组成。本实验中选用的相变储能材料为相变储能专用蜡35#，正构烃含量大于90%，熔点温度在30-45℃之间；热电芯片型号为TEC1-12706，外形尺寸为40x40x3.8mm，最大电压、电流分别为15.4V、6A，最大温差为60℃，最大产冷量51.4W。共选用6片热电芯片，每2片一组，每组热电芯片冷、热端各采用一个热管散热器散热。相变蓄热箱体的尺寸为400mm×200mm×200mm，采用1mm的渡锌铁皮制作,底板采用1.2mm厚的紫铜板制作，为了减少散热损失，蓄热箱体四壁采用6cm厚的聚氯乙烯保温材料保温。热电热泵相变储能装置工作过程如下：蓄热工况下，含有低温余热的废气经过风机的强制对流与热电热泵冷端热管散热器4发生热交换，经过热电热泵作用后产生的热量经过热管散热器7将储热材料石蜡熔化，以大量潜热和少部分显热的形式储存在相变材料中。放热工况下，改变输入热电热泵电流的方向，原热电热泵冷热端交换，输入少量的电能强化储存在相变材料中热能的释放，这时取热流体在风机的强制对流作用下与热管散热器4发生热交换升温后排出。温度测点具体布置见图1，由上到下，从两个热管散热器中点到翅片依次布置1～9个测点。其中测点3、测点6、测点9紧靠热管散热器翅片，测点1、测点4、测点7位于两热管散热器中点，测点5位于测点4和测点6的中点位置。热电芯片两端分别布置测点10和测点11。253035404550050100150200250300时间（Min)温度（℃）T6T5T41、铜板2、热电芯片3、热管散热器底座4、热管散热器5、风道6、风机7、热管散热器8、相变储能材料图1热电热泵相变储能装置图3热电热泵相变储热实验结果及分析3.1储能过程石蜡温度随时间的变化情况图2为电压8V，余热热源温度为32℃时，蓄热阶段相变蓄热材料石蜡的温度变化情况。从图2中的T6温度曲线可以看出，在蓄热开始时期，测点6附近的石蜡吸收热量后温度有明显的升高，并且逐渐接近相变温度。由于这段时间内没有相变发生，石蜡主要呈现出固态，其内部的换热方式主要为导热，石蜡从热管管壁所吸收的热量主要用于其自身温度的提高，以显热的形式储存起来。随着石蜡温度的进一步升高，测点6附近温度接近相变温度，开始有相变发生（即T6曲线上的第一个拐点）。进入熔化阶段后，石蜡温度的变化相对比较平缓，这是由于石蜡在固态向液态转化的过程中需要吸收大量的潜热，随着融化过程的继续进行,热管翅片与图2电压为8V时蓄热石蜡温度变化固相介质之间出现液体层,从而出现自然对流，其大小决定于热管翅片与固液界面之间的温差与距离。当温度升高达到T6曲线的第二个拐点处，表明测点6处附近的石蜡相变过程完成。由于此时自然对流强度很弱，内部换热仍然以导热为主，测点4.、5附近的石蜡没有达到相比温度，T6温度持续上升与T5、T4处温差进一步增大。当测点6温度升高到T6曲线的第三个拐点处，石蜡融化量的增加的同时热管翅片与固液界面之间的距离加大,使浮升力的影响逐渐增大,自然对流的作用渐渐得到加强[77]，内部传热情况大大改善，T6温度曲线进入了一段比较平缓的阶段，相变过程稳定进行，测点6处温度基本维持不变，期间测点4、5附近的石蜡先后达到相变温度开始融化。最后蓄热箱内石蜡完全相变，进入显热蓄热阶段，T6、T5和T4曲线急剧上升，蓄热过程完成。3.2余热热源温度对冷热端温差的影响根据热电热泵原理，冷热端温差对热电制热性能有重要影响，冷热端温差越小，制热系数越大。通入风道的气体（余热热源）是热电热泵的热源，其温度的改变使得冷端的换热条件发生改变，这也必将改变热电热泵蓄热装置的冷热端温差，进而影响热电热泵蓄热装置的制热性能。图3为电压8V电压时，不同余热热源温度下热电热泵蓄热时冷热端温差比较。从图中可以看出，余热热源温度越高，冷热端温差越小，蓄热时间越短。3.3余热源温度对热电热泵蓄热性能的影响图4为电压8V时，不同进风温度、热电热泵蓄热时制热系数随热电热泵冷热端温差的变化。进风温度为18℃左右时，整个蓄热过程热电热泵冷热端温差在20.2℃~30.95之间，制热系数在1.52~1.14之间变化；进风温度26℃时，整个蓄热过程热电热泵大部分时间对应在冷热端温差12.55℃到23.2℃之间，制热系数在1.86~1.51之间；进6782527293133353739060120180240300360420时间(Min)温度(℃)T6T411.21.41.61.822.22.42.65101520253035温差(℃)制热系数(η)制热系数（进风温度18℃左右）制热系数（进风温度26℃左右）制热系数（进风温度32℃左右）051015202530050100150200250300时间(Min)温差(℃)冷热端温差（进风温度18℃）冷热端温差（进风温度26℃）冷热端温差（进风温度32℃）-6-22610141822263034384204590135180225270315360405时间温度2.53.03.54.04.55.05.56.0制热系数冷热端温差进风温度制热系数风温度32℃时，整个蓄热过程热电热泵大部分时间对应在冷热端温差6.5℃~17.3℃之间，制热系数在2.23~1.71间变化。可以看出，余热热源温度越高，冷热端温差越小，制热系数越大。图3电压8V，热电热泵冷热端温差比较图4电压8V蓄热时热电热泵制热系数比较4热电热泵相变放热实验结果及分析4.1放热过程石蜡温度随时间的变化情况图5为进风温度为25℃左右，工作电压为4V条件下，热能释放过程中石蜡温度随时间的变化情况。从图中可以看出，放热过程开始阶段，测点6和测点4处温度迅速下降，这是相变储能材料的显热释放阶段。随着石蜡温度降低至相变温度35℃左右（即T6曲线的第1个拐点），随后进入相变凝固阶段，这时温度曲线的变化缓慢，为潜热释放阶段；经过一段时间后，测点6附近的石蜡相变凝固后，温度开始下降，即T6曲线的第2个拐点。此后由于测点6处附近的石蜡已经凝固，因此温度下降速度较快，而测点4处于两热管中心处位置，仍为潜热释放阶段，因此T4温度曲线保持在35℃左右。测点4处温图5电压4V放热过程石蜡温度变化度下降到35℃以下时，表明相变凝固已经基本完成，故放热实验终止。4.2放热过程中制热性能随时间的变化情况图6为进风温度25℃，工作电压4V时热电热泵相变放热过程中，热电热泵制热性能随时间的变化情况。从图6中可以看出，放热开始后，热电热泵冷热端温差迅速增大，这是由于此阶段石蜡放出显热，使得热电热泵冷端温度迅速下降，从而使热电热泵冷热端温差迅速增大。随着放热过程的进一步进行，进入潜热释放阶段，此时热电热泵冷端温度下降趋势比较平缓。供热系数随着冷热端温差的增大按照线性变化规律减小，热电热泵供热系数在5.6~3.2之间变化。图6电压4V放热时热电热泵制热性能5结论本文详细介绍了热电热泵相变蓄热/放热装置的构成以及实验测试系统，并通过实验对能按需求实现主动蓄热和放热的热电热泵相变蓄热/放热装置进行了研究。结果表明：1.在蓄热、放热阶段，石蜡相变过程明显且持续时间较长，充分证明了该装置的储热、放热两项基本能力。2.余热热源温度是影响热电热泵相变蓄热装置性能的重要因素，余热热源温度越高，冷热端温差越小，蓄热时间越短，因此在允许的范围内适当的提高余热热源温度可以提高热电热泵的制热系数。3.放热时供热系数随着冷热端温差的减小按照线性变化规律增大。控制冷热端温差是保证该装置有较大的供热系数的前提。4.由于实现了主动蓄热/放热，在蓄热和放热过程中，换热强度和换热时间的控制较传统被动式蓄热装置有很大的改善。参考文献[1]KhudhairAM,FaridMM.AreviewonenergyconservationinbuildingapplicationswiththermalstoragebylatentheatusingPhasechangematerials[J].EnergyConvers.Mgmt.2004:45:263-75[2]FaridMM,KhudhaireAM,RazackSAKetal.Areviewonphasechangeenergystorage:materialsapplications[J].EnergyConvers.Mgmt.2004,45:1597-615[3]AtulSharma,V.V.Tyagi,C.R.Chenetal.Reviewonthermalenergystoragewithphasechangematerialsandapplications[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2008,[4]ShamsundarNandSrinivasanR.AnalysisofEnergyStoragebyPhaseChangewithanArrayofCylindricalTubes.Proc[M].ASMEWinterannualmeet,SanFranci