相变蓄热供暖装置开发及运行优化研究

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相变蓄热装置能够利用相变材料(PCM)相变时吸收或释放大量潜热的特点,结合当地的峰谷电价政策,应用于电锅炉供热系统中,以实现“削峰填谷”的作用,达到节能和降低成本的目的。本文通过对实际储热供暖工程项目中的相变蓄热装置热性能进行数据分析并梳理问题,探究提升装置蓄放热性能并实现系统经济节能运行的方法。首先针对影响相变蓄热装置热特性的装置构造,本文采用ANSYS建立项目原装置二维模型与测试数据对比进行模型验证,并在此基础上分别从内部结构和外形尺寸两方面进行优化。内部结构方面,在盘管上半部分增加翅片,相邻盘管翅片交错分布,且分别对不同的盘管管径、管间距、排间距和翅片长度进行模拟,比较各方案的PCM完全熔化质量和放热工况下的出水温度。确定的优化方案为盘管管径为16mm,管间距为84mm,排间距为44mm,翅片长度为28mm。该方案完全熔化PCM质量比原装置增加24.5%,放热相同时间内出水温度比原装置高3℃左右。外形尺寸方面,对原装置简化三维模型内部PCM液相比分布进行模拟分析,去掉装置内部PCM不发生相变的死角区,以提高PCM的利用率。其次,根据装置的优化结果,对所开发的装置蓄放热性能进行实验测试,并记录装置的进出水温度、流量、以及装置内部测点的温度,计算实验装置的蓄热量、PCM利用率、放热量和释蓄热比。实验结果表明,与采用同样PCM的原装置相比,优化后装置的蓄热量增加5.7%、PCM利用率提高14.2%,放热量增加47%,释蓄热比提高39.6%,装置的蓄放热性能均得到提升。最后针对影响相变蓄热装置热特性的系统运行情况,采用TRNSYS软件建立工程项目中的相变蓄热供暖系统模型,并对装置连接方式和运行参数进行优化。模拟结果表明,由纯并联代替串并联方式,虽然室内气温升高不明显但可以简化系统;当电锅炉出水温度为89℃、系统干管流量为3245kg/h、板换一次侧流量为系统干管流量的0.7、电锅炉上午加热时间为9点-10点半、下午加热时间为3点半-5点时,在保证末端热负荷的基础上,系统热能转换率可以达到0.925,相比于原系统提升了20%,有利于相变储热技术的推广。
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