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，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。答：以水為例，在實際工程中，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：一是防止

2、了冷熱流體的摻混，當(dāng)負載工質(zhì)從水箱上層吸收熱 能時提高了熱能利用的品位；二是由于集熱器進口溫度和效率呈負相關(guān)，所以集熱器進口與 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接近于熔點。6-5在相變材料的封裝過程中，要求氣隙空間產(chǎn)生于遠離熱源的位置，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)計應(yīng)當(dāng)使氣隙空間產(chǎn)生于遠離熱源的位置。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。因為一旦如此，容器頂部將形成氣隙空 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化換熱手段主要原因是可以擴展換熱面積。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，計算16 h內(nèi)堆積床出口空氣溫度的變化趨