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高溫相變蓄熱電暖器用硅酸鈣蓄放熱性能試驗研究

蓄熱式電暖器,用于家庭供暖,可以降低運行費用及對電網削峰填谷;1995年,張寅平等提出了一種民用相變蓄熱電取暖器。

綜合國內外研究發現,高溫相變蓄熱僅局限于SDPS系統;顯熱蓄熱式電暖器難以實現等溫放熱,放熱速率衰減快,熱舒適性較差;中溫相變蓄熱蓄熱密度小。

筆者研發的高溫相變蓄熱電暖器[1011]利用相變材料將夜間廉價低谷電轉化為熱量蓄積起來,供白天供暖使用。該電暖器的優點有:1)體積小,潛熱蓄熱密度大。2)結構合理,蓄熱時,隔熱性能好;放熱時,放熱速率高措施,(),)100℃組裝式設計,,使用靈活。4)電暖器內無風扇,運行無噪聲。5)對加熱器實行時間控制和溫度控制并舉的方式,既保證加熱用低谷電,又保證蓄熱原件溫度不過高。

1 試驗介紹

1.1 高溫相變材料選擇

1 1纖維棉保溫層 2容器 3格柵 4耐高溫硅酸鈣板保溫層

5電加熱器 6電源線 7高效保溫層 8可調節風口 9風道 10進風口

使用耐高溫硅酸鈣板保溫層高溫相變蓄熱電暖器結構圖

開發使用凱發耐高溫硅酸鈣板保溫層1。根據筆者設計的相變蓄熱電暖器樣機的設計參數———設計供暖面積10m2、設
相變蓄熱電暖器的關鍵技術之一是相變材料的合理選擇。通過試驗研究,選定TH576作為相變蓄熱材料,其熱物性參數見表計供暖面積熱指標60W/m2及蓄熱時段為23:00~次日7:00、供暖時段為23:00~次日23:00,選用相變材料30kg。

表1 蓄熱材料TH576的熱物性參數
固態比熱容/

(kJ/(kg K))

1.038

1電暖器 2時間、溫度控制器 3鉑銠鉑熱電偶(精度

0.1%) 4數據采集儀 5數據記錄儀 6調壓器

測試系統示意圖

相變溫度/℃潛熱/576

密度/導熱系數/(W/(m ℃))

160

(kJ/kg)(kg/m3)560

2700

1.2 使用凱發耐高溫硅酸鈣板保溫層高溫相變蓄熱電暖器試驗系統

圖1為高溫相變蓄熱電暖器實物照片,圖2為

其結構圖,測試系統見圖3,溫度測點布置見圖4。1.3 試驗過程

分別采用1.1kW,1.4kW及1.7kW電加熱功率進行該相變蓄熱電暖器蓄放熱性能試驗。蓄放熱過程中風門均關閉,放熱過程保持16h(該電暖器實際使用中蓄熱8h,放熱16h),數據采集儀http://www.it-ambassador.com

數據采集儀

1使用凱發耐高溫硅酸鈣板保溫層 2容器 3風道 4PCM 5電加熱器

圖4 溫度測點布置示意圖
每5min采存一次溫度數據。
采用1.4kW電加熱功率進行風道強化散熱試驗。蓄熱及相變散熱過程風門關閉,當相變材料TH576完全凝固時開啟風門。利用熱球風速儀每隔1h測定風口空氣流速一次

2 試驗結果及分析2.1 蓄放熱性能

該蓄熱電暖器各電加熱功率下的溫度曲線見

圖5~7。由溫度曲線可以看出:1)完整的蓄熱過程包括固體顯熱蓄熱、潛熱蓄熱及液體顯熱蓄熱;完整的放熱過程包括液體顯熱放熱、潛熱放熱及固體顯熱放熱。2)TH576相變溫區較小(570~578)。3)在蓄放熱過程中出現了明顯的溫度平臺,℃

機殼前外壁面溫度不高于70℃,側外壁面溫度低于80℃,滿足電暖器使用時的熱舒適性及安全要求。

圖8~10

為各電加熱功率下該電暖器蓄放熱

時的散熱功率曲線
圖9 加熱功率1.4kW

時的散熱功率曲線

圖5 加熱功率1.1kW

時的溫度曲線

圖10 加熱功率1.7kW時的散熱功率曲線

過程的散熱功率曲線。由散熱功率曲線可以看出,

該電暖器潛熱散熱功率基本恒定,固體顯熱散熱功率下降較快,末端功率偏小,此時應采取措施強化散熱。

表2為各電加熱功率下該電暖器的試驗結果。

表2 各電加熱功率下的試驗結果

電加熱功率/kW

圖例同圖5

圖6 加熱功率1.4kW

時的溫度曲線

PCM固體加熱時間/hPCM固體熔化時間/hPCM液體凝固時間/hPCM固體放熱時間/h

1.15.95.74.711.356871

1.44.63.44.311.757173

1.73.82.94.911.157972

放熱過程平均散熱功率/W

蓄熱效率/%

圖7 加熱功率1.7kW

時的溫度曲線

從中可以看出,各散熱過程平均散熱功率分別為568W,571W及579W,能夠滿足設計要求。蓄熱電暖器蓄熱性能的評價可以用其蓄熱效率(定義為蓄熱過程電暖器實際蓄熱量占總耗電量的百分數),理想的蓄熱效率因各地分時電價政策不同而有所不同。例如,北京分時電價優惠政策為:23:00~次日7:00低谷電價為0.20元/(kWh),其余時間為0.44元/(kWh)。為了充分利用夜間廉價電,則在北京地區使用蓄熱電暖器蓄熱效率應高于66.7%。

試驗表明,該電暖器蓄熱效率分別為71%,73%及72%,均高于66.7%,說明在北京地區使用該電暖器可以實現降低供暖費用,對電網削峰填谷之目的。目前,我國實行分時電價政策的地區分時時段大多與北京相同,因此該電暖器也可以用于其他地區。

蓄熱電暖器應在8h內完成蓄熱(23:00~次日7:00),該電暖器加熱功率為1.4kW時加熱時間接近8h,說明該加熱功率合適。2.2 風道強化散熱

65

使用凱發耐高溫硅酸鈣板保溫層外表面與通道內空氣溫差大,導致散熱迅速;而在后期,隨著內保溫層外表面溫度降低,通道

內空氣溫度降低,熱壓減小、流動變緩,表面傳熱系數變小,傳熱溫差變小,導致散熱變緩。圖13為風門開啟時的出風口風速,從中可以看出風門開啟9h以后的空氣流速變化很小

風門開啟時蓄熱電暖器蓄放熱過程各測點溫度曲線見圖11。從圖中可以看出,道內壁面、,了強化
試驗表明:1)打開風門可以在一定程度上強化散熱,在風門開啟階段其平均散熱功率從關閉時

的508W強化為546W,散熱強化達7.8%;2)只靠風道內的空氣自然流動不能完全滿足裝置整個放熱階段的強化散熱。3 結論3.1 該蓄熱電暖器蓄放熱過程平均散熱功率能夠

滿足供暖要求,相變階段散熱功率基本恒定,顯熱階段散熱功率變化較大。3.2 開啟風門后在一定放熱時段內(9h)可以強化散熱,平均散熱功率由508W強化為546W,散

圖11 風門開啟時蓄熱電暖器各測點溫度曲線

圖12為風門開啟與關閉時對應的散熱功率曲

線。從圖中可以看出,風門開啟初期散熱功率明顯增大,在后期與風門關閉時散熱功率接近直至相等。這是因為打開風門初期通道內空氣溫度高,通道內空氣熱壓大、流動快,表面傳熱系數大,

裝置內

熱強化達7.8%;9h后散熱強化不明顯。

3.3 高溫相變蓄熱器可以實現電網的削峰填谷,有利于國家電力的有效利用。
圖12 風門開啟與關閉時的散熱功率曲線
其傳熱損失和冷風滲透可達40%左右,因此窗的保溫尤為關鍵。目前陽臺裝修的普遍做法是采用

鋁合金單層玻璃窗封閉,由于太陽的短波輻射可直接透過平板玻璃,而且鋁合金材料傳熱系數(K=

))又較大,因此可通過以下措施來6.4W/(m2 ℃減少窗戶的熱損失。

1)如有條件可選用雙層玻璃構造或中空玻璃,使用中空玻璃(12mm)代替3mm普通玻璃可減少供暖能耗22%~28%[6]。

2)選用傳熱系數較小的塑鋼玻璃窗或塑料窗。

),PVC塑料窗 的傳熱系數僅為0.14W/(m2 ℃是目前熱損失較小的一種窗。

3)采用性能好的窗框密封條,以提高窗戶的氣密性。

4)涂膜。

2.2.3 因此可以用一些蓄熱系數大的裝飾材料進行裝修,比如墻磚、地磚和石材等[711]。

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