儲能技術(shù)習(xí)題答案（梅生偉）第6章

1、第6章習(xí)題答案6-1根據(jù)物理原理的不同，儲熱技術(shù)可以分為哪幾類？答：根據(jù)物理原理的不同，儲熱技術(shù)可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學(xué)儲熱三種。6-2與顯熱儲熱技術(shù)相比，潛熱儲熱技術(shù)最大的優(yōu)勢是什么？答：相較于顯熱儲熱，潛熱儲熱的主要優(yōu)勢有兩點(diǎn)，一是儲熱密度高于顯熱儲熱，二是 可提供恒溫的熱能。6-3當(dāng)液體顯熱儲熱材料靜置于儲罐中時，會出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，試簡要說明溫度分層產(chǎn)生 的原因及其用于儲熱系統(tǒng)時的優(yōu)點(diǎn)。答：以水為例，在實(shí)際工程中，當(dāng)水靜置水箱中時，由于散熱會使得密度大的冷流體 在重力作用下居于水箱底層，而密度小的高溫流體居于水箱上層。從提高系統(tǒng)性能的角度, 水箱內(nèi)的溫度分層有兩個優(yōu)點(diǎn)：一是防止

2、了冷熱流體的摻混，當(dāng)負(fù)載工質(zhì)從水箱上層吸收熱 能時提高了熱能利用的品位；二是由于集熱器進(jìn)口溫度和效率呈負(fù)相關(guān)，所以集熱器進(jìn)口與 水箱下層低溫處相連可提高整個系統(tǒng)效率。6-4晶體生長率低、過冷度大會使得儲存于相變材料的潛熱難以充分利用，簡要說明其原理。答：過冷是指液體低于熔點(diǎn)而沒有凝固的現(xiàn)象。由于勻相核化結(jié)晶活化能的存在，純液 體的結(jié)晶一般會在略低于熔點(diǎn)時開始。晶核形成的同時，新相和液體之間的相界面也會形成, 此過程會消耗能量，所消耗能量的大小依其外表能而定。假如要形成的晶核太小，形成晶核 產(chǎn)生的能量無法形成界面，就不會開始成核。因此必須要溫度夠低，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的晶核， 相變材料才會開始凝固。因

3、此，晶體生長率低、過冷度大，會導(dǎo)致相變材料無法在理論的凝 固點(diǎn)附近凝固，不僅造成潛熱難以充分利用，且導(dǎo)致放熱過程難以保持在恒溫工況，因此對 于某些過冷度大的相變材料，如、水合鹽，可使用成核劑使其過冷點(diǎn)接近于熔點(diǎn)。6-5在相變材料的封裝過程中，要求氣隙空間產(chǎn)生于遠(yuǎn)離熱源的位置，試分析其原因。答：相變前后顯著的密度差異將導(dǎo)致材料在固相時會形成一個氣隙空間，如果封裝技術(shù) 設(shè)計(jì)不當(dāng)，這個汽隙空間將會大大阻礙傳熱速率，由于空氣的導(dǎo)熱率比任何相變材料都要低 幾個數(shù)量級，因此當(dāng)氣隙空間產(chǎn)生.于不合適的位置時，將成為相變材料吸熱熔化時巨大的熱 阻。因此，封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使氣隙空間產(chǎn)生于遠(yuǎn)離熱源的位置。比方在

4、某個重力不可忽 略的封裝容器內(nèi)，應(yīng)防止熱源位于封裝容器的頂部。因?yàn)橐坏┤绱?，容器頂部將形成氣隙?間，在下一次充熱時，這一氣隙空間將成為相變材料和熱源之間的絕熱層。6-6加入肋板為何會對相變材料起到強(qiáng)化換熱的作用？在熔化過程和凝固過程中，肋板的作 用有何差異？答：肋板之所以成為一種主流的強(qiáng)化換熱手段主要原因是可以擴(kuò)展換熱面積。由于自然 對流對熔化過程中的換熱效果影響顯著，而肋板的加入不可防止地會影響到自然對流過程, 因此相變材料強(qiáng)化換熱中一個重要的研究領(lǐng)域是分析如何通過改變肋板間距、數(shù)目、厚度、 肋板插入相變材料的深度等關(guān)鍵參數(shù)，使得肋板對自然對流的抑制程度最低、換熱面積最大, 從而優(yōu)化強(qiáng)化換

5、熱效果。相較于熔化過程，凝固過程主要以熱傳導(dǎo)為主，自然對流作用微弱， 甚至可以忽略，因此肋板對強(qiáng)化傳熱的作用更加明顯。6-7請分別寫出金屬氧化物儲熱體系、金屬氫化物體系、氫氧化物儲熱體系的反響通式。答：金屬氧化物儲熱體系的反響通式為：MxOy+zG) = MxOy(s) + 1o2(g)金屬氧化物儲熱體系的反響通式為：MHn(s) + AHrM(s)+jH2(g) 氫氧化物儲熱體系的反響通式為：MHn(S)+ AHr = M(s)+5Hz(g)6-8某冷卻系統(tǒng)中的工質(zhì)泵以50%的效率耗電2kW使得工質(zhì)在管路中流動，假設(shè)工質(zhì)為水, 流入泵時的溫度為10C且流量保持在1.5kg/s,管道及泵與外界

6、環(huán)境無熱交換，試求：泵的 出口溫度。解：假設(shè)工質(zhì)質(zhì)量流量為南，焰為九，泵功為出根據(jù)開口系能量守恒，可列出：0 = 0.5% + mhin - mhout即:0.5” =mc(Tout - 7;)可得出0.5 x 2000Tout = + 10 = 10.16out 1.5 x 41806-9將例6-3中的巖石材料換為相同質(zhì)量、相同初始溫度的相變儲熱材料，計(jì)算相同太陽輻 照、有效輻照時常和面積條件下，相變材料的終溫。其中相變材料的熔化溫度為30,相變 潛熱為200kJ/kg,比熱為2 kJ/(kgK).解：由于相變材料的初始溫度式消皿為15,而相變溫度Fpc為30C,因此材料首先通 過顯熱儲熱升

7、溫到30后再開始潛熱儲熱，又由于mc(Tpc - Tinuiai) + mh=200 x 2(30 - 15) + 200 x 200 = 46000口而0.4(lsolarA) x (24 x 3600) = 0.4(0.15 x 5) x (24 x 3600) = 259200 460000 因此在吸熱結(jié)束時相變材料仍未完全熔化，那么終溫保持在相變溫度，即30C。6-10如圖6-50所示為某種充熱裝置.，該裝置通過底部的電加熱設(shè)備向頂部的陶憑儲熱材料 充熱，假設(shè)充熱到達(dá)穩(wěn)態(tài)時電加熱設(shè)備溫度為1000 K,而陶瓷上外表溫度為500K,試求該 過程中的煙流變化。圖6-50習(xí)題6-10示意圖解

8、：首先以電加熱元件為控制體積(。匕)，可依次列出能量守恒方程、場平衡方程、煙 平衡方程：electrical Qout =。-+ Sgen = 0。山+ electrical ogen =。由題中所給條件可得:Qout = electrical = 500 W. Qout 500Sqen =乎里=tzzt = 0.5W/K次 Tsurf 1000/Ex = T0Sgen = 298.15 x 0.5 = 1491V（ To .（298.15即r = （1 一京）Q。 = （1 一 /）5。= 351W即進(jìn)入電子加熱元件的螂流為500肌其中損失了 149W,剩余351W作為熱量煙流入儲熱材料。以

9、儲熱材料為控制體積(C%),可依次列出能量守恒方程、脩平衡方程、加平衡方程:Qout - Qin = 0由題中所給條件可得：“粵-魯=500島-正篇）=O-5W/KEx = 70sgen = 298.15 x 0.5 = 149勿服皿的” =（1 -卷）QouL （1 -鬻）500 = 202W即由電子元件傳來的391W煙流在陶費(fèi)材料損失149W,剩余202W繼續(xù)由上外表流出。6-11如圖6-51所示為一塊反面絕熱、正面吸收太陽輻照的金屬平板，該平板正面吸收率為 0.6,太陽輻照為700 W/m2,環(huán)境溫度為25,平板和空氣之間的對流換熱系數(shù)為50 W/ n?*。試求在僅考慮對流換熱的情況下，

10、到達(dá)穩(wěn)態(tài)時平板的溫度。圖6-51習(xí)題6-12示意圖解：由題意可知，平板的換熱過程僅考慮吸熱和對流換熱，而不考慮輻射熱損，令吸收 率為平板有效換熱面枳為人，太陽輻照為dnciden,so，ar，環(huán)境溫度為心，對流換熱系數(shù) 為九，那么根據(jù)能量守恒可知，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時有：incident,solar =h4 sd 一乙）由此可求出穩(wěn)態(tài)終溫為: 6-12請基于例6-10條件及計(jì)算結(jié)果，假設(shè)堆積床空氣入口溫度為2565范圍內(nèi)以 16 h為周期的正弦函數(shù)，堆積床起始溫度為25C,忽略堆積床與環(huán)境之間的換熱，計(jì)算16 h內(nèi)堆枳床出口空氣溫度的變化趨勢。0.6 x 70050=33.4解：根據(jù)題中所給條件，計(jì)算16 h內(nèi)堆積床出口空氣溫度的變化趨