1、第三章 固液相变原理和应用,认识相变,相变：物质从一种状态变到另一种状态。相变形式：固液相变；液气相变；固气相变；固固相变。相变潜热：相变过程中伴有能量的吸收和释放（等温过程）。相变过程：伴有较大能量吸收或释放的等温或近似等温过程。相变蓄能作用：缓解能量供求双方在时间、强度和地点上不匹配的有效方式，是合理利用能源以及减小环境污染的有效途径，是热能系统优化运行的重要手段。,本专业涉及的相变过程：,热壁面上的液体沸腾现象，主要发生在蒸发器和锅炉的受热面上。冷壁面上的蒸汽凝结现象，主要发生在冷凝器和用蒸汽加热的水加热器中。储能装置中的固液相变过程，主要用于建筑系统储能和太阳能利用领域。,本章主要内容
2、,固液相变简介蓄热用固液相变材料的分类和选择一维凝固和融解问题及其分析方法固液相变应用举例,3.1 固液相变简介,固液相变：固态物质在某一温度下吸热熔化的现象。液固相变：当液态物质温度降低到相变温度以下时，放出热量，凝固成固态的现象。目前，暖通空调领域热点：利用固-液相变和液-固相变的交替进行到达储能的目的。,相变保温材料原理,固液相变储能在本专业的应用,相变建筑围护结构：在建筑围护结构中添加相变材料，利用相变材料进行储热，从而减小室内温度波动和空调或采暖系统的能耗。主要研究：相变墙体、相变地板空调冰蓄冷系统：利用夜间电力低谷时制冰储存冷量，供白天使用。由于夏季空调系统对电网负荷影响很大，使得
3、能够削峰填谷的冰蓄冷系统的研究越来越多。,3.2蓄热用固液相变材料的分类和选择,分类:满足条件：热性能要求；化学性能要求； 物理性能要求经济性能要求,无机类,有机类,混合类,复合相变材料,3.3一维凝固和融解问题及其分析方法,常见一维相变传热问题一维半无限大物体的相变传热问题 。考虑在轴对称无限大区域内由一维热汇所引起的凝固过程。有限大平板的凝固问题。 圆柱体内的凝固问题。 圆球内的凝固问题。,求解方法,Neumann方法求解一维半无限大物体相变问题,控制方程,固相,液相,初始和边界条件：,界面条件,结论:,一维半无限大平板相变问题的精确解含有误差函数的形式，以其为核心构造解； 对于定壁温导热
4、型的相变过程，界面位移与t1/2成正比，即相变区按时间的平方根增长。,相变潜热贮能系统的理论模型和热性能分析,板式LHTES装置,工作模式：充热（冷）、释热（冷）和隔离。工作原理：充冷时：温度低于相变材料凝固点的冷流体通过平板流道，使平板中的相变材料不断凝固，将冷量以潜热的形式储存于相变材料中； 放冷时，流道中通过温度高于相变材料融点的热流体，使平板中相变材料不断融化，将蓄积的冷量放出。,假设：,忽略相变材料固液态的密度差，其固液态物注视为常物性；忽略相变材料和传热流体的轴向导热；忽略流动和传热的进口段效应；对融化问题，忽略相变材料的自然对流；相变材料的初始温度为相变温度；相变材料和容器的显热
5、同相变材料的潜热相比可忽略；忽略相变材料的过冷效应；对环境的热损可忽略。,理论模型,边界条件：Tf（x=0，t）=Tin（t）。 初始条件：p,s（x,t=0）=i2,Tf（x，t=0）=Ti=Tm，其中Ti为初始温度（）。,3.4 固液相变应用举例,蓄冷式空调系统：指在电价低、空调负荷低的时间内贮冷，在电价高、空调负荷高时释冷，籍以从时间上全部或局部转移制冷负荷的空调系统。特点：转移制冷设备运行时间优点：一方面可以利用夜间的廉价电；另一方面减少了白天的峰值电负荷，达到电力移峰填谷的目的。,3.4.1 集中空调的相变蓄冷系统的分类,静态制冰方式特点：在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身处于相对静
6、止状态。缺点：冰层的厚度使热阻增大，导致冷冻机的COP值下降；一些系统中冰块的相互粘连，导致水路堵塞。动态制冰方式特点：有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。缺点：易管道堵塞、磨损现象。,静态冰蓄冷系统,利用制冷剂直接蒸发制冰系统冰桶式储冰：,利用制冷剂直接蒸发制冰系统 冰桶式储冰：,使用的制冷设备为一般的压缩式冷水机组；储冰时，-4-5的低温溶液通过盘管循环；低温溶液使清水在管外结冰；供冷时，较高温度的溶液通过盘管循环与盘管外的冰进行热交换，溶液便可降温。小型空调系统可直接通过空气处理设备，较大型的空调系统或高层建筑宜设置热交换器。,利用制冷剂直接蒸发制冰系统 盘管水槽系统,利用制冷剂
7、直接蒸发制冰系统 盘管水槽系统,将一些特制的盘管置于水槽中，储冰时以-6-8的低温溶液通过盘管使水槽内的水结冰；供冷时，较高温度的溶液通过盘管，与盘管外的冰进行热交换，溶液便可降温。搅拌装置以提高热交换效果，搅拌装置普遍采用压缩空气在槽底部鼓出气泡，利用气泡上浮产生搅拌效果。盘管水槽系统的缺点在于占地面积大、结冰时间长、压缩空气容易产生腐蚀性等等。,直接蒸发式制冰系统示意图,利用盐水等不冻液间接冷却制冰系统 盐水冷却器利用盐水泵进行循环，以满足空调器的负荷要求，制冰率IPF可达4550。 热管式蓄冷系统 将热管放在蓄冰池内，热管的下部（蒸发段）在蓄冰池内吸热制冰，热管的上部（冷凝段）与来自制冷
8、机的制冷剂进行热交换而放热。 冰球冰槽式蓄冷系统 利用一个盛有冰球的蓄冷罐来进行蓄冷。载冷剂在管外流动，蓄冷体在球内。,动态冰蓄冷系统,冰池系统：当池水温度降至接近冰点时，制冷机即进入制冰状态并自动将冰块释出掉入储冰池内。储冰池温度保持0。冰晶系统：冰晶直接循环于盘管之间。,空调蓄冷系统的设计步骤,确定空调系统负荷；确定蓄冰系统的型式和运行策略；确定制冷主机和蓄冰装置的容量；选择其他配套设备；编制蓄冷周期逐时运行图；蓄冷系统的控制；经济分析，通过装置设备费与运行费的计算，求得与常规制冷系统相比的投资回收期。,1、确定空调系统负荷,部分蓄冷：仅仅补足高峰制冷负荷，并需要制冷机协同工作运行。全部蓄
9、冷：必须在夜间制造出全日负荷用冰量，在用电高峰期制冷机不工作。确定建筑物的峰值负荷需要进行空调负荷计算。日间负荷：据每小时的设计日负荷图来选择，设计日负荷图可由最高负荷图或专门制作的轨迹图得出。计算方法：系数法、平均法估算,全部蓄冷负荷,全天所需冷量A均由用电低谷或平峰时间所蓄存的冷量供给；即蓄冷量B+C等于A，在用电高峰时间制冷机不运行。全负荷蓄冷系统需设置较大的制冷机和蓄冷装置。运行费用低，但设备投资高、蓄冷装置占地面积大，除峰值需冷量大且用冷时间短的建筑以外，一般不宜采用。,部分蓄冷负荷,夜间用电低谷期利用制冷机蓄存一定冷量，补充电高峰时间所需部分冷量；即蓄冷量B+C等于A1 ，而全天需
10、冷量为A1 +A2 。部分负荷蓄冷系统可以按典型设计日制冷机基本为24小时工作设计，这样，制冷机容量最小，蓄冷系统比较经济合理。,限量用电部分负荷蓄冷法,要求蓄冷量BC ，而全天需冷量为A1A2A3。如杭州夏季每天上午8:0011:00有三个小时不允许一般企事业单位制冷机组开启运行。因此出现A3部分的负荷必须由蓄冷系统提供。,2、确定制冷主机和蓄冰装置的容量,对于采用盐水不冻液盘管制冰的蓄冰空调系统：制冷机容量制冷机台数蓄冰池蓄冷量蓄冰池容积对于冰球蓄冰系统：全日制冷量、蓄冷量、空调工况制冷量、蓄冰工况制冷量建筑物的冷负荷在低峰期持续不变：辅助制冷机,3、制冰与融冰负荷系统,制冰：任何时间均可
11、；低峰能提供廉价电价的，在低峰制冰；制冰循环的起始一般在黄昏建筑物关闭时，当蓄冰箱满载或电力到达高峰，制冰循环停止。融冰：制冷机优先供给：只有当制冷机不能满足负荷时才用冰补充；蓄冰优先供给：蓄冰箱先承担负荷；限定需求量：由自控系统调节制冷机承担的负荷。,4、制冷机的COP,双工况冷机；蒸发温度对冷机性能的影响： 蒸发温度下降（+5下降到-5），COP下降。,5、制冷装置的控制,存在几种运行工况的必要转换，比一般空调复杂，为达到预期效果需增设必要的自控装置。制冷过程中制冷机由蓄冰箱来控制，蓄冰箱大于制冷机的制冰能力。控制制冷机的停启及安全运行。,蓄冰系统设计应注意的问题,经济性；制冷机的耗电率及
12、其运行工况；蓄冰冷系统的控制；蓄冰槽热交换的稳定性；水路系统其他,空调系统采用蓄冰和低温送风结合,低温送风系统：在常规全空气空调系统中,送风温差一般控制在810,送风温度在1518范围, 而在冰蓄冷系统中,利用低温冷水,可将盘管出口空气温度降到46,送风温差可达20左右。优点：经济、节能。问题：凝结；空气量不足；空气倒灌。,典型蓄冷空调系统的经济效益,美国广播公司办公楼冰蓄冷空调系统台北国贸大楼蓄冰空调系统深圳电大科技大厦一期工程1983美国能源部介绍蓄冰与低温送风相结合2002年首次由国内设计完成的集成冰蓄冷、低温送风、变风量等多项国内国际先进的空调新技术的系统在国家电力公司所属国家电力调度中心圆满竣工。,习题,相变材料的热性能特点？集中空调系统采用冰蓄冷系统的优点？静态冰蓄冷系统有哪几类？空调蓄冷系统的设计步骤？空调蓄冷系统设计应注意的问题？,
