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高温相变蓄热电暖器用硅酸钙蓄放热性能试验研究

蓄热式电暖器,用于家庭供暖,可以降低运行费用及对电网削峰填谷;1995年,张寅平等提出了一种民用相变蓄热电取暖器。

综合国内外研究发现,高温相变蓄热仅局限于SDPS系统;显热蓄热式电暖器难以实现等温放热,放热速率衰减快,热舒适性较差;中温相变蓄热蓄热密度小。

笔者研发的高温相变蓄热电暖器[1011]利用相变材料将夜间廉价低谷电转化为热量蓄积起来,供白天供暖使用。该电暖器的优点有:1)体积小,潜热蓄热密度大。2)结构合理,蓄热时,隔热性能好;放热时,放热速率高措施,(),)100℃组装式设计,,使用灵活。4)电暖器内无风扇,运行无噪声。5)对加热器实行时间控制和温度控制并举的方式,既保证加热用低谷电,又保证蓄热原件温度不过高。

1 试验介绍

1.1 高温相变材料选择

1 1纤维棉保温层 2容器 3格栅 4耐高温硅酸钙板保温层

5电加热器 6电源线 7高效保温层 8可调节风口 9风道 10进风口

使用耐高温硅酸钙板保温层高温相变蓄热电暖器结构图

开发使用凯发耐高温硅酸钙板保温层1。根据笔者设计的相变蓄热电暖器样机的设计参数———设计供暖面积10m2、设
相变蓄热电暖器的关键技术之一是相变材料的合理选择。通过试验研究,选定TH576作为相变蓄热材料,其热物性参数见表计供暖面积热指标60W/m2及蓄热时段为23:00~次日7:00、供暖时段为23:00~次日23:00,选用相变材料30kg。

表1 蓄热材料TH576的热物性参数
固态比热容/

(kJ/(kg K))

1.038

1电暖器 2时间、温度控制器 3铂铑铂热电偶(精度

0.1%) 4数据采集仪 5数据记录仪 6调压器

测试系统示意图

相变温度/℃潜热/576

密度/导热系数/(W/(m ℃))

160

(kJ/kg)(kg/m3)560

2700

1.2 使用凯发耐高温硅酸钙板保温层高温相变蓄热电暖器试验系统

图1为高温相变蓄热电暖器实物照片,图2为

其结构图,测试系统见图3,温度测点布置见图4。1.3 试验过程

分别采用1.1kW,1.4kW及1.7kW电加热功率进行该相变蓄热电暖器蓄放热性能试验。蓄放热过程中风门均关闭,放热过程保持16h(该电暖器实际使用中蓄热8h,放热16h),数据采集仪http://www.lzkaifa.com

数据采集仪

1使用凯发耐高温硅酸钙板保温层 2容器 3风道 4PCM 5电加热器

图4 温度测点布置示意图
每5min采存一次温度数据。
采用1.4kW电加热功率进行风道强化散热试验。蓄热及相变散热过程风门关闭,当相变材料TH576完全凝固时开启风门。利用热球风速仪每隔1h测定风口空气流速一次

2 试验结果及分析2.1 蓄放热性能

该蓄热电暖器各电加热功率下的温度曲线见

图5~7。由温度曲线可以看出:1)完整的蓄热过程包括固体显热蓄热、潜热蓄热及液体显热蓄热;完整的放热过程包括液体显热放热、潜热放热及固体显热放热。2)TH576相变温区较小(570~578)。3)在蓄放热过程中出现了明显的温度平台,℃

机壳前外壁面温度不高于70℃,侧外壁面温度低于80℃,满足电暖器使用时的热舒适性及安全要求。

图8~10

为各电加热功率下该电暖器蓄放热

时的散热功率曲线
图9 加热功率1.4kW

时的散热功率曲线

图5 加热功率1.1kW

时的温度曲线

图10 加热功率1.7kW时的散热功率曲线

过程的散热功率曲线。由散热功率曲线可以看出,

该电暖器潜热散热功率基本恒定,固体显热散热功率下降较快,末端功率偏小,此时应采取措施强化散热。

表2为各电加热功率下该电暖器的试验结果。

表2 各电加热功率下的试验结果

电加热功率/kW

图例同图5

图6 加热功率1.4kW

时的温度曲线

PCM固体加热时间/hPCM固体熔化时间/hPCM液体凝固时间/hPCM固体放热时间/h

1.15.95.74.711.356871

1.44.63.44.311.757173

1.73.82.94.911.157972

放热过程平均散热功率/W

蓄热效率/%

图7 加热功率1.7kW

时的温度曲线

从中可以看出,各散热过程平均散热功率分别为568W,571W及579W,能够满足设计要求。蓄热电暖器蓄热性能的评价可以用其蓄热效率(定义为蓄热过程电暖器实际蓄热量占总耗电量的百分数),理想的蓄热效率因各地分时电价政策不同而有所不同。例如,北京分时电价优惠政策为:23:00~次日7:00低谷电价为0.20元/(kWh),其余时间为0.44元/(kWh)。为了充分利用夜间廉价电,则在北京地区使用蓄热电暖器蓄热效率应高于66.7%。

试验表明,该电暖器蓄热效率分别为71%,73%及72%,均高于66.7%,说明在北京地区使用该电暖器可以实现降低供暖费用,对电网削峰填谷之目的。目前,我国实行分时电价政策的地区分时时段大多与北京相同,因此该电暖器也可以用于其他地区。

蓄热电暖器应在8h内完成蓄热(23:00~次日7:00),该电暖器加热功率为1.4kW时加热时间接近8h,说明该加热功率合适。2.2 风道强化散热

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使用凯发耐高温硅酸钙板保温层外表面与通道内空气温差大,导致散热迅速;而在后期,随着内保温层外表面温度降低,通道

内空气温度降低,热压减小、流动变缓,表面传热系数变小,传热温差变小,导致散热变缓。图13为风门开启时的出风口风速,从中可以看出风门开启9h以后的空气流速变化很小

风门开启时蓄热电暖器蓄放热过程各测点温度曲线见图11。从图中可以看出,道内壁面、,了强化
试验表明:1)打开风门可以在一定程度上强化散热,在风门开启阶段其平均散热功率从关闭时

的508W强化为546W,散热强化达7.8%;2)只靠风道内的空气自然流动不能完全满足装置整个放热阶段的强化散热。3 结论3.1 该蓄热电暖器蓄放热过程平均散热功率能够

满足供暖要求,相变阶段散热功率基本恒定,显热阶段散热功率变化较大。3.2 开启风门后在一定放热时段内(9h)可以强化散热,平均散热功率由508W强化为546W,散

图11 风门开启时蓄热电暖器各测点温度曲线

图12为风门开启与关闭时对应的散热功率曲

线。从图中可以看出,风门开启初期散热功率明显增大,在后期与风门关闭时散热功率接近直至相等。这是因为打开风门初期通道内空气温度高,通道内空气热压大、流动快,表面传热系数大,

装置内

热强化达7.8%;9h后散热强化不明显。

3.3 高温相变蓄热器可以实现电网的削峰填谷,有利于国家电力的有效利用。
图12 风门开启与关闭时的散热功率曲线
其传热损失和冷风渗透可达40%左右,因此窗的保温尤为关键。目前阳台装修的普遍做法是采用

铝合金单层玻璃窗封闭,由于太阳的短波辐射可直接透过平板玻璃,而且铝合金材料传热系数(K=

))又较大,因此可通过以下措施来6.4W/(m2 ℃减少窗户的热损失。

1)如有条件可选用双层玻璃构造或中空玻璃,使用中空玻璃(12mm)代替3mm普通玻璃可减少供暖能耗22%~28%[6]。

2)选用传热系数较小的塑钢玻璃窗或塑料窗。

),PVC塑料窗 的传热系数仅为0.14W/(m2 ℃是目前热损失较小的一种窗。

3)采用性能好的窗框密封条,以提高窗户的气密性。

4)涂膜。

2.2.3 因此可以用一些蓄热系数大的装饰材料进行装修,比如墙砖、地砖和石材等[711]。

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