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第四章热能储存技术及其应用2010-06-03能源与动力工程学院2本章内容1.1热能储存基本原理1.2热能储存方式及材料1.3工业余热储存1.4蓄冷空调技术1.5蓄热与建筑节能1.6储能与日常生活2010-06-03能源与动力工程学院31.1热能储存基本原理一、热力学原理-复习二、传热学原理-热量传递的方式与规律2010-06-03能源与动力工程学院4一、热力学原理¾热力学第一定律：任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能的变化等于系统吸收的热量和系统对外做功之差。¾热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学领域的体现。2010-06-03能源与动力工程学院5热力学第二定律¾克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。¾开尔文–普朗克说法：不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其他影响。¾热力学第二定律的实质就是能量贬值原理，它深刻地指明了能量转换和传递过程的方向、条件及限度。2010-06-03能源与动力工程学院6二、传热学原理-热量传递的方式与规律¾热量传递的基本方式：导热热对流热辐射2010-06-03能源与动力工程学院7导热¾定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。¾如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。两个温度不同的铁块接触，产生导热；同一个铁块从一头加热，热量向另一头传递。2010-06-03能源与动力工程学院8在铜棒AB上用凡士林粘上几根火柴杆，用酒精灯对铜棒A端加热，可以看到，过一会儿，沿着A到B的方向，火柴杆依次落下。2010-06-03能源与动力工程学院9导热的微观机理¾气体中：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。¾导电固体：自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。2010-06-03能源与动力工程学院10导热的微观机理¾非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。¾液体的导热机理：一种观点认为类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；另种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。2010-06-03能源与动力工程学院11导热现象的基本规律¾傅立叶定律（1822年，法国数学家、物理学家）：其中λ——比例常数，导热率（导热系数）；——热流量，单位wA——换热面积，m2dt/dx——温度梯度2010-06-03能源与动力工程学院12导热¾傅立叶定律又称导热基本定律；¾负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相反。¾单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q，单位w/㎡。2010-06-03能源与动力工程学院13¾导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：w/mk。¾不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。2010-06-03能源与动力工程学院14对流¾对流：是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式。¾a对流仅发生于流体中；¾b对流必然伴随着导热；¾c是传热的一种基本方式。¾Q=cpm(t2-t1)W2010-06-03能源与动力工程学院15对流2010-06-03能源与动力工程学院162010-06-03能源与动力工程学院172010-06-03能源与动力工程学院18对流对流换热流体流过一固体表面时二者之间的热量传递过程。a是对流与导热同时参与的热量传递过程，不是一种基本传热方式；b是一个受流体物性、流态、固体表面性质等多种因素影响的复杂过程；c基本计算式：牛顿冷却公式（后面详述）Q=hA(tw-tf)W2010-06-03能源与动力工程学院19墙tw空气tf对流对流换热2010-06-03能源与动力工程学院20牛顿冷却定律为对流换热热阻令：fwttt−=ΔthqΔ=hAttAhqAQ1Δ=Δ==hAR1=牛顿，1701年：fwttddtw−∝τwtft2010-06-03能源与动力工程学院21牛顿冷却定律(续)其中：tw为固体表面温度，℃；tf为流体温度，℃；△t是温差，表示流体和表面间对流换热热流驱动力的大小，℃；h为对流换热系数，W/(m2℃)；A是固体表面与流体的接触面积，m2；Q是固体表面与流体间的对流传热量，W;q是热流密度，即单位面积的对流传热量，W/m2；R是对流换热热阻，℃/W。2010-06-03能源与动力工程学院22牛顿冷却公式是对流换热系数的定义式；对流换热系数的大小表示流体与固体表面间对流换热的强度；寻求计算各种情况下对流换热系数的计算式，是求解对流换热问题的一个关键问题；常见对流换热系数的粗略范围列于表1.1。2010-06-03能源与动力工程学院23常见对流换热情况h的大致范围2010-06-03能源与动力工程学院24对流换热分类⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧管内凝结管外凝结凝结换热管内沸腾大容器沸腾沸腾换热有相变有限空间自然对流大空间自然对流自然对流射流冲击换热的对流换热外掠其他截面形状柱体热外掠圆管管束的对流换热外掠单根圆管的对流换外掠平板的对流换热外部流动对流换热其他形状截面管道内的圆管内强制对流换热内部流动强制对流混合对流无相变对流换热2010-06-03能源与动力工程学院25¾自然对流：由于流体中的温度差引起的密度不均匀而造成的流动；¾强制对流：由于外力作用(如泵、风机等)引起的流动。¾每一种对流换热形式均可存在两种流态：¾层流：流体微团各层间无相互掺混；¾湍流：在垂直于主流方向上各微团层间存在动量和热量扩散，有湍流脉动。2010-06-03能源与动力工程学院26影响对流换热系数的因素一、流动起因：一般同一种流体进行强迫对流的换热系数比自然对流换热系数大。二、流态：平板：Re=2×105到3×106之间，一般取5×105在其余条件相同时，湍流换热系数比层流时要大⎪⎩⎪⎨⎧≥≤≤≤44101022002200ReReRe层流过渡流（旺盛）湍流对于管流2010-06-03能源与动力工程学院27影响对流换热系数的因素三、流体有无相变：由于有相变的换热主要靠潜热(远大于显热)传热，故比无相变对流换热系数大。2010-06-03能源与动力工程学院28影响对流换热系数的因素四、换热表面几何因素：指换热表面的形状、大小、粗糙度及与流动相对位置等，对流体的运动状态、速度分布、温度分布有很大的影响，从而影响换热。在实际中，采用对换热有决定影响的特征尺寸作为计算的依据，称为定型尺寸。外掠平板：板长L管内流动：管径D2010-06-03能源与动力工程学院29影响对流换热系数的因素五、流体物性影响换热的主要物性：比热cp、导热系数λ、密度ρ、粘度υ或μ。cp、λ及ρ↑，则h↑；μ↑，则h↓2010-06-03能源与动力工程学院30影响对流换热系数的因素温度是影响流体这些物性的重要因素，把用来确定物性的特征温度称为定性温度。定性温度的选择：a流体平均温度tf；b壁表面温度tw；c流体与壁面的算术平均温度tm=(tw+tf)/22010-06-03能源与动力工程学院31¾对流换热系数是受多变量作用的复杂函数。以无相变对流换热为例，对流换热系数的函数可以表示为如下形式：¾h=f(u，l，cp、λ、ρ、υ)¾其中：u是流速；l是表面定型尺寸；cp、λ、ρ、υ同前。¾研究方法：¾目前以数值法和实验法为主，解析法仅适于解决少数简单问题，比拟法已较少采用。2010-06-03能源与动力工程学院32热辐射¾辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。¾热辐射：因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。¾辐射换热：辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。2010-06-03能源与动力工程学院332010-06-03能源与动力工程学院34¾自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。¾说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。2010-06-03能源与动力工程学院35辐射换热的特点¾热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。¾在辐射换热过程中，伴随有能量形式的转化。辐射时，辐射体内热能→辐射能；吸收时，辐射能→受射体内热能。2010-06-03能源与动力工程学院36辐射换热的特点¾辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，¾热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。¾物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。2010-06-03能源与动力工程学院37热辐射的基本规律¾所谓绝对黑体：把吸收率等于1的物体称黑体，是一种假想的理想物体。¾黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律。2010-06-03能源与动力工程学院38热辐射的基本规律¾黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩——玻耳兹曼定律，即¾其中T——黑体的热力学温度K；¾δ——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射常数）；¾A——辐射表面积m2。¾实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得：¾其中Φ——物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量.2010-06-03能源与动力工程学院39本章内容1.1热能储存基本原理1.2热能储存方式及材料1.3工业余热储存1.4蓄冷空调技术1.5蓄热与建筑节能1.6储能与日常生活2010-06-03能源与动力工程学院401.2热能储存方式及材料一、显热储存二、潜热储存（相变储存）三、化学反应热储存2010-06-03能源与动力工程学院41一、显热储存¾显热：物质内能随温度升高而增大的部分。¾Q=cpm(t2-t1)W或J¾其中：cp比热(容)，J/kg℃，单位质量物体温度升高1℃所吸收的热量；m，质量，kg;¾可见，物质的显热储热量与其质量、比热、温升成正比。2010-06-03能源与动力工程学院42一、显热储存¾显热储存介质：依据温度范围和应用情况选择。¾液体：水，传热速率高，在各种液体中比热最大，便于输送热能。储热水箱¾固体：岩石，无机氧化物。较高温储热。岩石床。¾液固结合:充水玻璃瓶墙。太阳能空气加热2010-06-03能源与动力工程学院43一、显热储存水、岩石、土壤在20℃的储热性能参数材料密度kg/m3比热kJkg-1℃-1热容量kJm-3℃-1水10004.24200岩石22000.881936土壤1600-18001.682688-3024可见，水的比热是岩石的4.8倍；而岩石的密度仅是水的2.5-3.5倍，故水的储热密度大。2010-06-03能源与动力工程学院44储热水箱2010-06-03能源与动力工程学院45水墙2010-06-03能源与动力工程学院46二、潜热储存定义：利用物质从固态转为液态，由液态转为气态或固态直接转为气态的相变热储能。固-液：熔解热，体积变化小；液-气：汽化热，体积变化大；固-气：升华热，体积变化大；特点：容积储热密度大，冰-水335kJ/kg；水-汽2268kJ/kg；温度波动幅度小。2010-06-03能源与动力工程学院47二、潜热储存相变储能材料的选择原则：a)合适的相变温度；b)较大的熔解潜热；c)密度大；d)固液态比热均比较大；e)固液态比较高的热导率；2010-06-03能源与动力工程学院48f)不分层，热稳定性