相变蓄冷及其在太阳能空调中的应用研究

【摘要】：在我国能源短缺，电力紧张的情况下，蓄冷空调技术在常规空调系统中的应用可以起到平衡电网负荷的作用。太阳能空调的间歇性及易受天气影响等特点是制约其普及的因素之一。与蓄冷结合，在日照充足时利用太阳能制冷并蓄冷，在夜间或日照不足时释冷并供给用户，有助于提高系统的稳定性和太阳能利用率，并提高太阳能空调系统运行的灵活性。 本文对与太阳能空调匹配的相变蓄冷材料、蓄冷球、蓄冷器以及太阳能空调相变蓄冷系统进行了一系列理论及实验研究。主要工作如下： 1.结合当前国内外学者的研究成果，对空调蓄冷系统常用的相变材料、蓄冷器结构以及几种典型系统形式进行了总结与概括。 2.依据太阳能空调蓄冷系统对相变材料的要求，以癸酸、月桂酸两种脂肪酸作为相变材料的基液，得到二元体系的低共熔点；并选择水杨酸甲酯、苯甲酸乙酯、正己酸、油酸、正十四烷、正十六烷六种有机物作为相变材料的添加剂，以得到相变温度、相变特性以及传热特性适宜的蓄冷材料。 3.采用步冷曲线法、差示扫描量热仪、Hot Disk热分析仪对上述制备的相变蓄冷材料的热物性进行测试，得到各组相变材料中与系统制冷目标相匹配的添加剂摩尔分数，并综合所测得的热物性对材料进行筛选。对比发现，以油酸为添加剂的相变材料C-L/O0.08的相变温度为14.97℃，相变潜热为114.1kJ/kg，过冷度最小，结晶过程最平稳，热导率、比热容均具有明显优势，是待选材料中最理想的太阳能空调蓄冷相变材料。 4.在自制C-L/O0.08相变蓄冷材料的基础上研制相变蓄冷球。单个蓄冷球包含材料质量为126.4g，外径70mm，壁厚2mm，球壳材料为聚乙烯。实验测试了蓄冷、释冷过程中蓄冷球内部的温度分布及温度变化。建立了稳态工况下蓄冷球蓄冷和释冷过程的数学模型，对蓄冷球的结构参数、运行工况等影响因素进行了分析讨论。研究发现，载冷剂温度、蓄冷球球径、壁厚及球壳材料对蓄冷球蓄/释冷量、蓄/释冷速率和蓄/释冷时间都有着较为明显的影响。 5.研制封装球蓄冷器，并搭建太阳能空调相变蓄冷系统实验台。白天，蓄冷器在太阳能吸附式制冷机非稳态的冷冻水供水温度工况下进行蓄冷；夜间，蓄冷器通过室内冷辐射顶板进行释冷，并向用户供冷。通过实验，得到了蓄冷器进出水温度及蓄冷球球心温度的变化过程，分析得到蓄/释冷量和蓄/释冷速率的变化规律。同时，基于太阳能吸收式和吸附式制冷机冷冻水供水温度的实验曲线，对太阳能空调非稳态蓄冷过程进行模拟，分析蓄冷、释冷过程中蓄冷球温度分布及温度变化，得到了对改善太阳能空调蓄冷运行和控制有益的结论。 【关键词】：太阳能空调 相变蓄冷材料 相变蓄冷球 相变蓄冷器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU831.74
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 符号与标记9-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 课题来源及研究目的和意义12-16
• 1.1.1 课题来源12-13
• 1.1.2 课题研究目的及意义13-14
• 1.1.3 太阳能空调相变蓄冷工作原理14-16
• 1.2 相变蓄冷空调系统国内外研究现状16-26
• 1.2.1 相变蓄冷材料基础研究16-20
• 1.2.2 相变蓄冷器理论与实验研究20-22
• 1.2.3 相变蓄冷空调系统22-26
• 1.3 本文的主要研究工作26-28
• 第二章 纳米复合相变蓄冷材料的制备、测试及筛选28-53
• 2.1 复合相变蓄冷材料的配制28-37
• 2.1.1 多元有机相变材料的制备28-32
• 2.1.2 纳米复合材料的制备32-35
• 2.1.3 制备步骤35-37
• 2.2 相变蓄冷材料的测试及筛选37-52
• 2.2.1 空调相变蓄冷材料的筛选原则及方法37-38
• 2.2.2 步冷曲线法测材料的相变温度38-42
• 2.2.3 差示扫描量热法测材料相变潜热42-46
• 2.2.4 热传导分析仪测材料导热系数及比热46-49
• 2.2.5 材料的筛选49-52
• 2.3 本章小结52-53
• 第三章 蓄冷球稳态工况相变传热特性研究53-76
• 3.1 相变蓄冷球传热过程分析53-55
• 3.2 相变蓄冷球凝固及融化问题模型的建立55-57
• 3.2.1 焓法55-56
• 3.2.2 物理模型的建立56-57
• 3.3 离散方程的数值计算57-62
• 3.3.1 空间离散化57-58
• 3.3.2 数学模型及离散方程的建立58-60
• 3.3.3 模拟计算的程序实现60-62
• 3.4 PCM 蓄冷球相变特性的实验验证62-65
• 3.4.1 实验系统62-64
• 3.4.2 实验方法及过程64-65
• 3.5 结果分析与讨论65-74
• 3.5.1 蓄冷、释冷过程蓄冷球温度分布65-67
• 3.5.2 蓄冷、释冷过程一般规律67-68
• 3.5.3 蓄冷、释冷过程蓄冷球能量变化68-70
• 3.5.4 蓄冷、释冷过程影响因素的理论分析70-74
• 3.6 本章小结74-76
• 第四章 太阳能空调非稳态工况下相变蓄冷性能76-92
• 4.1 相变蓄冷非稳态蓄冷传热过程理论分析76-79
• 4.1.1 太阳能吸收式制冷机蓄冷性能分析76-78
• 4.1.2 太阳能吸附式制冷机蓄冷性能分析78-79
• 4.2 太阳能空调系统蓄冷及释冷特性的实验研究79-89
• 4.2.1 实验目的79-80
• 4.2.2 实验系统的构成80-84
• 4.2.3 实验方法及过程84-85
• 4.2.4 实验结果分析85-89
• 4.3 太阳能空调相变蓄冷问题探讨89-91
• 4.4 本章小结91-92
• 第五章 总结及展望92-95
• 5.1 研究工作总结92-93
• 5.2 研究展望93-95
• 参考文献95-104
• 致谢104-105
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文105-106

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