一种用于太阳能热水系统的相变储能换热器热性能研究

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近一个世纪世界工业快速发展,使人们生活水平大幅上升,但同时也消耗了大量能源,致使目前国际常规能源日益紧缺,而人口不断增加则使得人均资源更显稀少,需找新能源来填补用能缺口成为近半个世纪以来的重要课题。太阳能热利用技术以其绿色环保、可用量巨大而受到重视,其中的太阳能热水系统则是本文研究对象,但其却在使用的过程中受到时间空间的限制。本文提出的无机相变储能技术正好可以解决上述问题,使太阳能热水器的应用获得更宽广的前景。  本课题把一种可用于太阳能热水系统的相变储能换热器作为研究对象,通过理论分析和实验研究相结合的研究途径,对热水系统进行全面的研究,分析填充相变材料对水箱储热性能的提升是否有帮助。内容包括筛选相变材料、研究相变材料与水箱材料的相容性、探讨相变材料的封装方式、测定相变储能热水箱提热阶段的出水温度变化规律、分析相变储热水箱对比普通水箱的优越性等。  筛选相变材料阶段,首先介绍相变材料的常规用途,然后讨论了相变材料的分类,并介绍了相变材料的筛选原则,最后对几种无机水合盐进行筛选,并选择三水醋酸钠以及十二水硫酸铝铵进行封装,讨论介绍了相变材料的封装方法,对第一次封装方法进行改进,提高了密封性,但相变材料的过冷问题仍未得到有效解决。  相变材料与金属相容性实验阶段,分别使用三水醋酸钠饱和溶液、十二水硫酸铵铝饱和溶液作为腐蚀体系,把不锈钢、低碳钢、铝合金、铜合金各两种作为腐蚀对象,进行极化实验,观察上述金属在腐蚀体系中的腐蚀特性。结果发现:1、不锈钢耐蚀能力比低碳钢强,三水醋酸钠饱和溶液比十二水硫酸铵铝饱和溶液的腐蚀作用小,所以选择三水醋酸钠作为相变储能材料,选择不锈钢作为水箱内壁的材料;2、铝合金自腐蚀电位过低,极易被腐蚀,而黄铜紫铜对比种发现紫铜耐蚀性更好,所以选择紫铜作为储热水箱管道材料。  储热水箱设计阶段,首先提出填充20L相变材料,同时根据热负荷计算,设计电加热管的功率以及尺寸;然后根据相容性实验的结果选择三水醋酸钠作为实验用相变材料,对其进行封装、填充;最后对系统的各项热负荷进行核算校正,并计算水箱中铜管和箱体的尺寸。  模拟实验阶段,首先介绍了测试系统的组成以及提出实验方案;随后对储能水箱进行了填充相变材料和不填充相变材料两种情况下的一系列热性能实验,分析这两种系统在实验过程中的温度分布规律以及用户用水水温变化规律。通过模拟实验有以下发现:填充了相变材料的储热水箱在取热阶段,可以取出更多符合技术要求(用户用水达40℃以上)的热水提供给用户使用,添加了相变材料的系统可取热水115L,不添加相变材料的系统可取热水90L,添加了相变材料的系统比不添加相变材料的系统多出25L,前者是后者的1.3倍;添加了相变材料的系统可取热量达到16678.53kJ,不添加相交材料的系统可取热量只有11743.92kJ,前者比后者多出4934kJ,前者是后者的1.42倍;添加了相变材料的系统取热效率达到66%,不添加相变材料的系统可取热量只有47%,前者比后者多出19%,前者是后者的1.4倍。
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