233 对一种新型热电热泵相变贮能装置的实验研究

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1、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

2、。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

3、]，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

4、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4

5、00mm×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

6、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。1、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

7、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