相变储热热泵热水器及其关键技术研究

论文摘要

随着经济的发展和人民生活水平的提高，居民能源消费量迅速增长，其中，生活热水占有很大比重。目前，生活热水通常是用消耗燃气、电力等高品位能源的热水器米获得，对产生生活热水的热水器进行节能研究，对于促进居民生活能源的合理利用与开发以及整个社会的节能与环保有着重要的意义。本文以相变储热热泵热水器为研究对象，开展了理论与实验研究。 改进了以石蜡为相变材料的储热式热泵热水装置试验台，并对此试验系统在不同的进风温度、水流量等工作条件下的性能进行了系统的实验及分析，得到了大量的系统运行特性实验数据，为该系统的进一步改进研究提供了基础数据。 由于相变储热热泵热水器的冷凝设备（储热装置和加热换热器）在工作过程中，储、放热过程并存，集多种换热形式于一体，且换热过程非常复杂，迄今还没有看到有针对此类换热器特性进行研究的文献报导。本文在对其换热机理进行分析研究基础上，建立了该类冷凝设备的数学物理模型，并进行了数值求解。与实验结果比较表明，所提出的模型能够较好地反映该类设备的运行特性。 强化相变材料的传热特性是改进储热式热泵热水器的关键技术。为此，本文重点进行了一系列强化相变材料传热特性的研究，提出了用添加剂的方法来实现强化传热的目的。分别用平板稳态法和热线非稳态法对不同组成的石蜡-气相SiO2体系和石蜡-有机膨润士体系的固态和液态导热系数进行了实验研究。实验结果表明，随着添加物百分含量的增加，体系的液、固导热系数都会有较大的提高。在实验成果的基础上，根据悬浮有毫米级或微米级固体离子的液-固体系导热系数的理论公式，通过改进的Lu and Lin数学方程，将添加气相SiO2体系的导热系数实验值进行回归拟合，得到了适用于纳米级固体离子的液-固体系导热系数的数学模型。 本文还尝试在相变储热材料石蜡中加入不同种类的金属圆环来强化石蜡储热和放热性能。研究结果表明，在石蜡体系中加入镀锌铁环对石蜡储、放热时的传热性能改善不大，而加入金属铜环或者同时加入铜环和纳米材料后会对石蜡的传热性能有较大的改善，储、放热时间分别明显减少，相变储热或放热速率明显提高。 在总结现有研究基础上，本文还对将来可以进行的研究内容提出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 热泵技术
• 1.2.1 热泵与节能、环保
• 1.2.2 热泵的发展情况
• 1.2.3 热泵的分类
• 1.3 热水器的现状
• 1.3.1 热水器的分类与特点
• 1.3.2 热泵热水器的发展
• 1.3.3 开发相变储热预热式热泵热水器的意义
• 1.4 相变储热材料的应用研究进展
• 1.4.1 相变材料的分类
• 1.4.2 相变储热材料技术的应用
• 1.4.3 相变储热材料发展新趋势
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 储热型热泵热水器的设计
• 2.1 引言
• 2.2 相变储热预热式热泵热水器的工作原理
• 2.3 相变材料的选择
• 2.3.1 相变材料性能研究方法
• 2.3.2 相变材料的选择
• 2.4 储热型热泵热水器的设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 实验装置及实验结果分析
• 3.1 实验装置简介
• 3.2 实验测试系统与数据采集
• 3.2.1 温度测量
• 3.2.2 压力测量
• 3.2.3 水流量测量
• 3.2.4 功率测量
• 3.2.5 计算机数据采集
• 3.2.6 室外环境的模拟
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 实验准备
• 3.3.2 储热实验
• 3.3.3 放热实验
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 储热过程
• 3.4.2 放热过程
• 3.5 系统 COP分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 储热式热泵热水器冷凝设备换热特性分析
• 4.1 储热式热泵热水器冷凝设备
• 4.2 加热换热器换热机理
• 4.2.1 制冷剂侧微元控制方程
• 4.2.2 制冷剂侧换热系数计算
• 4.2.3 水侧换热系数计算
• 4.2.4 微元的划分及计算方法
• 4.3 储热换热器换热机理
• 4.3.1 微元段内制冷剂与石蜡之间的换热过程
• 4.3.2 制冷剂侧换热系数
• 4.3.3 石蜡侧导热系数计算
• 4.3.4 水侧换热系数
• 4.3.5 计算方法分析
• 4.4 计算结果及分析
• 4.4.1 储、放热阶段加热换热器及储热装置制冷剂出口温度
• 4.4.2 储热装置出口水温比较
• 4.5 储热装置换热性能分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 提高相变储热材料的换热性能研究
• 5.1 提高相变储热材料传热性能的方法
• 5.1.1 相变换热器的强化传热
• 5.1.2 改善相变材料的导热性能
• 5.2 提高相变材料导热系数实验研究
• 5.2.1 实验方法介绍
• 5.2.2 相变材料中加入无机改性颗粒的导热系数研究
• 5.3 相变材料中加入无机纳米材料后液-固体系导热系数模型
• 5.4 添加金属环状物增强储热系统传热性能的实验研究
• 5.4.1 研究目的
• 5.4.2 实验材料、装置与测试仪器介
• 5.4.3 实验步骤与过程
• 5.4.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结和工作展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 本文的主要创新之处
• 6.3 研究心得和下一步的研究工作建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的科研及发表论文
• 致谢