熱電熱泵相變蓄熱裝置原理及性能實(shí)驗(yàn)

摘 要

摘要：探討了熱電熱泵相變蓄熱裝置的工作原理。對(duì)熱電熱泵相變蓄熱裝置蓄熱、放熱工況下相變材料(石蠟)溫度、狀態(tài)的變化及制熱性能系數(shù)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)條件下，相變材料的相變
摘要：探討了熱電熱泵相變蓄熱裝置的工作原理。對(duì)熱電熱泵相變蓄熱裝置蓄熱、放熱工況下相變材料(石蠟)溫度、狀態(tài)的變化及制熱性能系數(shù)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)條件下，相變材料的相變過(guò)程明顯，蓄放熱效果理想。蓄熱階段，余熱熱源溫度為32℃、工作電壓為8V時(shí)，制熱性能系數(shù)達(dá)到2.2；放熱階段，被加熱冷風(fēng)溫度為25℃、工作電壓為4V時(shí)，制熱性能系數(shù)達(dá)到5.6。
關(guān)鍵詞：相變蓄熱；熱電熱泵；主動(dòng)蓄熱(放熱)；熱電芯片
Principle and Performance Test of Thermoelectric Heat Pump Phase Change Heat Storage Device
ZHANG Ling，XU Min，LIU Zhong-bing，ZHANG Xiao-jie
Abstract：The working principle of thermoelectric heat pump phase change heat storage device is introduced. The temperature，state variation and heating performance coefficient of phase change material(paraffin)under heat storage and release working conditions are analyzed. The phase change process of the material is obvious with ideal heat storage and release effect under the experimental condition. The heating performance coefficient is 2.2 when the temperature of residual heat source is 32℃ and the working voltage is 8V in the heat storage stage. The heating performance coefficient is 5.6 when the temperature of heated cold air is 25℃ and the working voltage is 4V in the heat release stage.
Key words：phase change heat storage；thermoelectric heat pump；active heat storage/release：thermoelectric chip
1 概述
   相變蓄熱是利用蓄熱材料的物態(tài)變化儲(chǔ)存熱能，與顯熱蓄熱相比具有蓄熱密度高、充釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到了普遍關(guān)注[1～3]。為實(shí)際應(yīng)用和研究的需要，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的相變蓄熱裝置。Shamsundar等人[4]設(shè)計(jì)了一種殼-管式蓄熱換熱器，并對(duì)其進(jìn)行蓄放熱實(shí)驗(yàn)研究。Banaszek等人[5]對(duì)采用螺旋式結(jié)構(gòu)的相變蓄熱裝置進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。呂其崗等人[6]及Bogdan等人[7]分別設(shè)計(jì)了蓄熱式的熱管換熱器。王增義等人[8]借鑒了熱管在蓄熱方面的理論與應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套熱管式相變蓄熱換熱器，并進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。
    為改善相變蓄熱裝置的蓄放熱特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了各種結(jié)構(gòu)形式的相變蓄熱裝置，并在提高相變材料傳熱性能方面做了很多工作[9～14]。但不難發(fā)現(xiàn)上述相變蓄熱裝置都是被動(dòng)式的，一方面，只能通過(guò)余熱熱源與相變材料之間的溫差被動(dòng)蓄熱，因此并不適用于低溫余熱回收利用；另一方面，在余熱回收過(guò)程中，被動(dòng)式的相變蓄熱裝置不能根據(jù)余熱排放的時(shí)間和強(qiáng)度適時(shí)調(diào)整蓄熱速率，以充分回收余熱，提高回收效率，在熱能釋放的過(guò)程中，不能按照能源使用端的要求實(shí)現(xiàn)熱能的主動(dòng)釋放。
    考慮到被動(dòng)式相變蓄熱裝置的局限，本文結(jié)合熱電制冷(制熱)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種熱電熱泵相變蓄熱裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)蓄放熱，為余熱回收、電力的移峰填谷、將間斷能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)轉(zhuǎn)化為連續(xù)能源等提供了新途徑。
2 工作原理及裝置結(jié)構(gòu)
    熱電熱泵以消耗一部分電能為代價(jià)，把環(huán)境介質(zhì)如水、空氣等儲(chǔ)存的熱量從溫度低的一端(冷端)移到溫度高的一端(熱端)。根據(jù)熱電制熱原理，在熱電熱泵冷熱端溫差較小時(shí)，特別是當(dāng)冷端溫度高于熱端溫度時(shí)，熱電熱泵的制熱性能系數(shù)相應(yīng)提高。熱電熱泵相變蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)見圖1。
 

    蓄熱階段，通過(guò)輸入少量的電能，經(jīng)過(guò)熱電芯片的熱泵作用把余熱以潛熱和少部分顯熱的形式儲(chǔ)存在相變材料中。在蓄熱過(guò)程中，根據(jù)余熱排放時(shí)間和強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入熱電芯片的電壓，調(diào)節(jié)裝置的蓄熱速率實(shí)現(xiàn)主動(dòng)蓄熱，以充分回收余熱。蓄熱完成以后，通過(guò)改變輸入熱電芯片電流的方向，輸入少量的電能，可把儲(chǔ)存在相變材料中熱能釋放出來(lái)。放熱速率可以通過(guò)改變輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足能源使用端的需求。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)介紹了熱電熱泵的各種性能參數(shù)的計(jì)算式，并指出提高熱電熱泵效率有3種途徑：提高熱電材料優(yōu)值系數(shù)；減小熱電元件的工作溫差；適當(dāng)提高冷熱端工作溫度。其中優(yōu)值系數(shù)綜合了熱電材料的電學(xué)和熱學(xué)兩方面的因素，目前，工程上可應(yīng)用的熱電材料的優(yōu)值系數(shù)范圍為(1.5～3.0)×10-3K-1。在冷熱端溫差小于50℃時(shí)，單級(jí)熱電熱泵制熱性能系數(shù)為1.5～7.0，在級(jí)聯(lián)的情況下，還可以獲得更大的制熱性能系數(shù)[15]。
    實(shí)驗(yàn)中選用的相變材料為相變儲(chǔ)能專用石蠟(35號(hào))，正構(gòu)烴含量大于90%，相變溫度為35℃。熱電芯片型號(hào)為TEC1-12706，最大工作電壓、電流分別為15.4V、6A，最大溫差為60℃。共選用6片熱電芯片，每2片一組，每組熱電芯片冷熱端各采用一個(gè)熱管散熱器。蓄熱箱體采用1mm厚的鍍鋅鋼板制作，銅底板采用1.2mm厚的紫銅板。為了減少散熱損失，蓄熱箱體采取保溫措施。
熱電熱泵相變蓄熱裝置工作過(guò)程為：熱電熱泵相變蓄熱裝置的冷熱端會(huì)隨著工況的不同而相互轉(zhuǎn)換。蓄熱工況下，含有低溫余熱的介質(zhì)經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)與熱管散熱器4(冷端)換熱，經(jīng)熱電熱泵作用后產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)熱管散熱器7(熱端)將石蠟融化，將熱量以大量潛熱和少量顯熱的形式儲(chǔ)存在相變材料中。放熱工況下，電流轉(zhuǎn)向，冷熱端互換，輸入少量的電能強(qiáng)化儲(chǔ)存在相變材料中熱能的釋放，這時(shí)取熱流體在風(fēng)機(jī)的作用下與熱管散熱器4(熱端)換熱升溫后排出。溫度測(cè)點(diǎn)的具體布置見圖1。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 蓄熱過(guò)程
    ① 測(cè)點(diǎn)溫度的變化
    工作電壓為8V，余熱熱源溫度為32℃時(shí)，蓄熱階段測(cè)點(diǎn)T1～T3溫度隨時(shí)間的變化見圖2。由圖2可知，在蓄熱開始時(shí)期，測(cè)點(diǎn)T3處的石蠟吸收熱量后溫度有明顯的升高。在達(dá)到相變溫度(35℃)前，石蠟主要呈固態(tài)，石蠟從熱管壁吸收的熱量主要用于其自身溫度的提高，以顯熱的形式儲(chǔ)熱。

    經(jīng)過(guò)約60min石蠟開始發(fā)生相變。進(jìn)入相變階段后，測(cè)點(diǎn)B處的石蠟溫度迅速升高，隨著相變過(guò)程的進(jìn)行，熱管翅片與固態(tài)石蠟之間出現(xiàn)液相層，從而出現(xiàn)自然對(duì)流傳熱。
    在60～100min內(nèi)，測(cè)點(diǎn)T3處的石蠟相變過(guò)程完成。由于這個(gè)時(shí)間段內(nèi)自然對(duì)流傳熱強(qiáng)度很弱，石蠟內(nèi)部傳熱方式仍然以導(dǎo)熱為主，因此測(cè)點(diǎn)T1、T2附近的石蠟未達(dá)到相變溫度，測(cè)點(diǎn)T3處石蠟的溫度持續(xù)上升，與T1、T2處的溫差進(jìn)一步增大。
    在100～260min內(nèi)，隨著測(cè)點(diǎn)T3處石蠟融化量的增加，熱管翅片與固態(tài)界面之間的距離加大，使浮升力的影響逐漸增大，自然對(duì)流傳熱的作用漸漸得到加強(qiáng)[16]，內(nèi)部傳熱情況大大改善，測(cè)點(diǎn)T3的溫度曲線進(jìn)入了一段比較平緩的階段，蓄熱過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行。期間測(cè)點(diǎn)T1、T2處的石蠟先后達(dá)到相變溫度，開始融化。最后蓄熱箱內(nèi)石蠟完全相變，進(jìn)入顯熱蓄熱階段，測(cè)點(diǎn)T1～T3的溫度曲線急劇上升，蓄熱過(guò)程完成。
    ② 余熱熱源溫度對(duì)冷熱端溫差的影響
    根據(jù)熱電熱泵原理，冷熱端溫差對(duì)熱電熱泵制熱性能有重要影響，冷熱端溫差越小，制熱性能系數(shù)越大。余熱熱源溫度的改變使得冷端的換熱條件發(fā)生改變，這也必將改變熱電熱泵相變蓄熱裝置的冷熱端溫差，進(jìn)而影響熱電熱泵的制熱性能。蓄熱階段，不同余熱熱源溫度下冷熱端溫差隨時(shí)間的變化見圖3。由圖3可知，余熱熱源溫度越高，冷熱端溫差越小。
 

   ③ 余熱熱源溫度對(duì)制熱性能系數(shù)的影響
   由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：余熱熱源溫度為18℃時(shí)，冷熱端溫差為20.20～30.95℃，制熱性能系數(shù)為1.52～1.14；余熱熱源溫度為26℃時(shí)，冷熱端溫差為12.55～23.20℃，制熱性能系數(shù)為1.86～1.51；余熱熱源溫度為32℃時(shí)，冷熱端溫差為6.50～17.3℃，制熱性能系數(shù)為2.23～1.71。可以看出，余熱熱源溫度越高，冷熱端溫差越小，制熱性能系數(shù)越大。
3.2 放熱過(guò)程
   ① 測(cè)點(diǎn)溫度的變化
   工作電壓為4V，被加熱冷風(fēng)溫度為25℃時(shí)，放熱階段測(cè)點(diǎn)T1、T3溫度隨時(shí)間的變化見圖4。由圖4可知，放熱過(guò)程開始階段，測(cè)點(diǎn)T1，T3處石蠟溫度迅速下降，這是相變材料的顯熱釋放階段。
    經(jīng)過(guò)約50min，石蠟溫度逐漸接近相變溫度(35℃)，隨后進(jìn)入相變凝固階段，這一階段溫度曲線的變化平緩，為潛熱釋放階段。至80min時(shí)，測(cè)點(diǎn)T3附近的石蠟相變凝固后，溫度開始下降。此后由于測(cè)點(diǎn)T3附近的石蠟已經(jīng)凝固，因此溫度下降速度較快。而測(cè)點(diǎn)T1位于兩熱管中心處位置，因此這一階段仍為潛熱釋放階段，測(cè)點(diǎn)T1的溫度曲線保持在35℃左右。測(cè)點(diǎn)T1處石蠟溫度下降到35℃以下時(shí)，表明相變凝固已經(jīng)基本完成，放熱過(guò)程終止。

    ② 制熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化
放熱階段冷熱端溫差、熱電熱泵制熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化見圖5。
    由圖5可知，放熱開始后，冷熱端溫差迅速增大，這是由于此階段石蠟放出顯熱，使得冷端溫度迅速下降。隨著放熱過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行，進(jìn)入潛熱釋放階段，此時(shí)冷端溫度下降趨勢(shì)比較平緩。制熱性能系數(shù)隨著冷熱端溫差的增大減小，變化范圍為5.6～3.2。
4 結(jié)論
    ① 在蓄熱、放熱階段，石蠟相變過(guò)程明顯且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，充分證明了熱電熱泵相變蓄熱裝置具有一定蓄放熱能力。
    ② 余熱熱源溫度是影響熱電熱泵相變蓄熱裝置性能的重要因素，余熱熱源溫度越高，冷熱端溫差越小，蓄熱時(shí)間越短。因此，在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高余熱熱源溫度可以提高熱電熱泵的制熱性能系數(shù)。
    ③ 放熱階段熱電熱泵的制熱性能系數(shù)隨著冷熱端溫差的減小而增大。控制冷熱端溫差是保證熱電熱泵有較大的制熱性能系數(shù)的前提。
④ 由于實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)蓄放熱，在蓄熱和放熱過(guò)程中，換熱強(qiáng)度和換熱時(shí)間的控制比傳統(tǒng)被動(dòng)式蓄熱裝置有很大的改善。
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(本文作者：張泠 徐敏 劉忠兵 張曉潔 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410082)