于海濤,高建民,陳 瑤
(北京林業(yè)大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
太陽(yáng)能是一種清潔可再生能源,資源豐富、能量供應(yīng)充足。然而太陽(yáng)能受地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響,具有顯著的不穩(wěn)定性和間歇性[2]。為了提高太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,儲(chǔ)熱技術(shù)變得不可或缺。充分利用儲(chǔ)熱技術(shù),開發(fā)新型儲(chǔ)熱材料是提高能源利用率和保護(hù)環(huán)境的重要手段,對(duì)于降低干燥行業(yè)的能耗具有廣泛的應(yīng)用前景。
儲(chǔ)熱技術(shù)是提高能源利用率的重要手段之一,它利用物理熱的形式將暫時(shí)不用的余熱或者多余的熱量?jī)?chǔ)存于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中,在需要使用時(shí)再通過(guò)一定的方法將其釋放出來(lái),從而解決了由于時(shí)間或者地點(diǎn)上供熱與用熱的不匹配和不均勻所導(dǎo)致的能源利用率低的問(wèn)題,最大限度的利用加熱過(guò)程中的熱能或余熱,提高整個(gè)加熱系統(tǒng)的熱利用率。目前儲(chǔ)熱技術(shù)主要研究顯熱、潛熱和化學(xué)能三種熱能的儲(chǔ)存,在我國(guó)工業(yè)和民用中用途廣泛,在能源科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位[3]。
每一種物質(zhì)均具有一定的比熱容,在物質(zhì)形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化,它會(huì)吸收或者放出熱量,顯熱儲(chǔ)存技術(shù)就是利用物質(zhì)的這一特性。其儲(chǔ)熱效果和材料的比熱容、密度等因素關(guān)系密切[4]。顯熱儲(chǔ)存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行方便。但是其最重要的缺點(diǎn)是儲(chǔ)能密度較小,即單位體積所能儲(chǔ)存的能量較少,從而導(dǎo)致儲(chǔ)能裝置的體積往往過(guò)于龐大。
在液體儲(chǔ)熱中水蓄熱是最為常見(jiàn)的顯熱儲(chǔ)存方式,通過(guò)改變水的溫度進(jìn)行蓄熱,利用水的顯熱進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存,具有價(jià)格低廉、來(lái)源方便、比熱容大等優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用于建筑采暖、生活用熱水、農(nóng)林作物干燥等領(lǐng)域[5]。導(dǎo)熱油一般應(yīng)用于中高溫儲(chǔ)熱中,近年來(lái)在低溫儲(chǔ)熱中也得到了關(guān)注[6-7]。巖床型儲(chǔ)熱材料通常用于空氣加熱系統(tǒng)中,在干燥領(lǐng)域得到了廣泛的研究[8]。Madhlopa等[9]設(shè)計(jì)建造了帶有輔助熱源的太陽(yáng)能干燥系統(tǒng),采用卵石作為顯熱儲(chǔ)熱材料;Mohanraj等[10]將礫石儲(chǔ)熱耦合平板型太陽(yáng)能空氣集熱器用以干燥辣椒,在無(wú)陽(yáng)光照射的情況下添加儲(chǔ)熱材料的干燥器干燥時(shí)間延長(zhǎng)了4 h。Fudholi 等[11]將沙子作為儲(chǔ)熱材料應(yīng)用到太陽(yáng)能果蔬干燥中,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了相應(yīng)的方程用于計(jì)算熱空氣和被干產(chǎn)品的溫度變化。
潛熱儲(chǔ)存(相變儲(chǔ)能)是利用物態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中,等溫釋放的相變潛熱通過(guò)盛裝相變材料的元件,將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)待需要時(shí)再把熱能通過(guò)一定的方式釋放出來(lái)以供使用。物態(tài)的轉(zhuǎn)變通常存在以下幾種形式:固-氣、固-液、液-氣、固-固[12]。潛熱儲(chǔ)能不僅能量密度高,而且所用裝置簡(jiǎn)單、體積小、設(shè)計(jì)靈活、使用方便且易于管理。在這三類儲(chǔ)能中,潛熱儲(chǔ)能最具有實(shí)際發(fā)展前途,也是目前研究和應(yīng)用最多、最重要的儲(chǔ)能方式。
中低溫潛熱儲(chǔ)存技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)干燥、建筑節(jié)能、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域。其中石蠟、脂肪酸、無(wú)機(jī)水合鹽等相變儲(chǔ)熱材料得到了廣泛的應(yīng)用[13]。Devahastin 等[14]研究了在農(nóng)作物干燥中石蠟的儲(chǔ)/放熱性能,并指出農(nóng)作物適宜的干燥溫度為40~75 ℃。在建筑節(jié)能領(lǐng)域,石蠟、脂肪酸等有機(jī)相變材料摻入到普通的建筑材料構(gòu)件中,從而獲得了諸如相變儲(chǔ)熱墻板、相變儲(chǔ)能采暖地板、相變儲(chǔ)能混凝土等新型建筑材料[15]。在中低溫工業(yè)余熱回收領(lǐng)域中,水合CaCl2、硬脂酸等相變儲(chǔ)能材料得到了廣泛關(guān)注[16]。徐燕等[17]將十水硫酸鈉儲(chǔ)熱材料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚中取得了良好的實(shí)用效果。然而,石蠟、脂肪酸、無(wú)機(jī)水合鹽等相變儲(chǔ)熱材料也普遍存在一些缺點(diǎn),諸如導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、易泄露、易揮發(fā)等。國(guó)內(nèi)外科研工作者做了大量的工作,以提高其導(dǎo)熱系數(shù),改善儲(chǔ)/放熱性能。周艷等[18]對(duì)正十八烷中分別添加納米Cu粒子、納米Al粒子及納米Fe2O3粒子的復(fù)合相變材料的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明納米Al粒子/正十八烷復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高較其它兩者更為明顯。Cui 等[19]研究了納米碳纖維和納米碳管對(duì)大豆蠟、石蠟導(dǎo)熱性能的影響,由于分散性的原因,納米碳纖維對(duì)導(dǎo)熱性能的提升起到了更好的作用。吳淑英等[20]制備了納米石墨烯片/石蠟復(fù)合相變蓄熱材料,納米石墨烯片在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)提高率為34.2%,表現(xiàn)出良好的強(qiáng)化導(dǎo)熱效果。Harikrishnan 等[21]將納米雜化材料(二氧化鈦50%和氧化銅50%)添加到石蠟中,結(jié)果表明加入雜化材料(含量1%)后復(fù)合相變材料的融化和凝固時(shí)間分別縮短了29.8%和27.7%。復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能和黏度均有所提升。Xia等[22]制備了膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,研究了膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0~10%)對(duì)相變材料熱物理性能影響,結(jié)果表明隨著膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加,且膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料儲(chǔ)/放熱周期縮短了66.5%。Li等[23]利用二氧化硅高的導(dǎo)熱系數(shù)、高的比表面積和界面效應(yīng),采用溶膠-凝膠法制備了定型石蠟二氧化硅復(fù)合相變材料,有效地改善了固-液相變材料的泄漏和揮發(fā)問(wèn)題,并能顯著地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。為了提高硬脂酸、己二酸等材料的儲(chǔ)熱性能,張正國(guó)等[24]、周建偉等[25]、朱教群等[26]制備了硬脂酸/二氧化硅、硬脂酸/氧化石墨烯、己二酸/二氧化硅復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,解決了硬脂酸在相變時(shí)的滲出泄漏問(wèn)題,并提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率及穩(wěn)定性。王婷玉[27]采用微膠囊的方法解決了十二水合磷酸氫二鈉的過(guò)冷問(wèn)題,F(xiàn)rusteri等[28]則對(duì)碳纖維強(qiáng)化無(wú)機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究。
化學(xué)能儲(chǔ)存是利用儲(chǔ)能材料相接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而通過(guò)熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換進(jìn)行能量存儲(chǔ)的方法?;瘜W(xué)儲(chǔ)能是一種高能量、高密度的儲(chǔ)存方式,它的儲(chǔ)能密度一般都高于顯熱和潛熱,而且此種儲(chǔ)能體系通過(guò)催化劑或產(chǎn)物分離方法極易用于長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)存。然而這種儲(chǔ)熱方式的缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、且整體效率低[29]。
化學(xué)能儲(chǔ)存主要應(yīng)用于化學(xué)熱泵、化學(xué)熱管、化學(xué)熱機(jī)等方面。澳大利亞大學(xué)設(shè)計(jì)了氨化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng),用于碟式熱發(fā)電系統(tǒng),儲(chǔ)存方便,儲(chǔ)熱效果良好[30]。目前光伏化學(xué)儲(chǔ)熱成為化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。利用材料的光控化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,將光能存儲(chǔ)于亞穩(wěn)態(tài)的化學(xué)鍵中,通過(guò)可控回復(fù)實(shí)現(xiàn)熱能的釋放。偶氮苯/石墨烯、偶氮苯/碳納米管等光伏化學(xué)材料克服了傳統(tǒng)光伏儲(chǔ)熱材料與技術(shù)存在存儲(chǔ)密度低和裝置體積龐大等局限性,為實(shí)現(xiàn)高密度、長(zhǎng)效循環(huán)的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱提供了可能[31]。
如樂(lè)善秦腔《四進(jìn)士》中,宋士杰在公堂上為救楊素貞的大段念白,不僅表現(xiàn)了宋士杰打抱不平、伸張正義的鮮明態(tài)度,而且體現(xiàn)了宋士杰的性格。
太陽(yáng)能干燥是指利用太陽(yáng)輻射能及太陽(yáng)能干燥裝置所進(jìn)行的干燥作業(yè)[32]。國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能干燥領(lǐng)域均有一些研究,目前太陽(yáng)能干燥主要應(yīng)用于谷物、煙草、果蔬等農(nóng)副產(chǎn)品中,其次是木材[33]。近年來(lái),潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能儲(chǔ)熱領(lǐng)域引起了更高的興趣及關(guān)注,科研工作者對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能干燥中的應(yīng)用做出了大量研究。
常見(jiàn)的顯熱儲(chǔ)熱干燥室有黑龍江省林業(yè)科學(xué)院設(shè)計(jì)、建造的集熱器分開布置的不透明墻壁型太陽(yáng)能干燥室。該系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分:干燥室、儲(chǔ)熱床、空氣集熱器。儲(chǔ)熱床為顯熱儲(chǔ)存方式,采用鵝卵石作為儲(chǔ)熱材料,覆蓋涂黑瓦楞鐵皮,以增大吸收太陽(yáng)能效果,有利于存儲(chǔ)熱能。外墻與地面設(shè)有膨脹珍珠巖夾層,以提高保溫性能[34]。
Luna等[35]開發(fā)研究了一種以水作為儲(chǔ)熱材料的潛熱儲(chǔ)存太陽(yáng)能干燥窯,以干燥松木。該系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分:干燥室、空氣太陽(yáng)能收集器、水太陽(yáng)能集熱器以及儲(chǔ)熱單元。儲(chǔ)熱單元由兩部分組成:交換儲(chǔ)存單元和加熱單元。使用水作為儲(chǔ)熱流體,使用空氣作為換熱流體。水太陽(yáng)能集熱器儲(chǔ)存的熱量一部分用于加熱空氣以干燥木材,另一部分用于加熱儲(chǔ)熱單元以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱的目的,蓄水箱中包含多個(gè)豎管,其中部分豎管中含有干燥室中回收的廢熱氣體??諝馓?yáng)能收集器將加熱的新鮮空氣和部分循環(huán)廢氣直接用以干燥木材。極大地提高了太陽(yáng)能的使用效率,對(duì)于木材的節(jié)能干燥具有重要意義。
北京林業(yè)大學(xué)研制了太陽(yáng)能與雙熱源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng),節(jié)能環(huán)保效果明顯,且能夠提高其干燥效益。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)、空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)、水源熱泵干燥子系統(tǒng)組成。當(dāng)天氣晴好時(shí),儲(chǔ)熱水箱中水溫較高,熱水直接通過(guò)窯內(nèi)散熱銅管,加熱空氣干燥木材;在水源熱泵模式下,儲(chǔ)熱水箱中的熱水通過(guò)換熱器給熱泵提供熱量,實(shí)現(xiàn)熱泵干燥的目的;在空氣源熱泵模式下,熱泵直接從空氣中取熱,對(duì)干燥窯加熱。此三種干燥模式根據(jù)相應(yīng)干燥情況,互相切換,滿足不同的干燥要求[36]。
2.2.1 石蠟儲(chǔ)熱系統(tǒng)在木材太陽(yáng)能干燥中的應(yīng)用
石蠟在眾多潛熱儲(chǔ)熱材料中,具有相變潛熱較高、幾乎沒(méi)有過(guò)冷、沒(méi)有相分離和腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)而成為常用的儲(chǔ)熱材料。木材太陽(yáng)能干燥適宜的干燥溫度為40~100 ℃,屬于低溫儲(chǔ)熱的應(yīng)用范疇。在此基礎(chǔ)上科研工作者將石蠟儲(chǔ)熱系統(tǒng)成功應(yīng)用于木材太陽(yáng)能干燥中,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能干燥的目的。并對(duì)該技術(shù)做了大量的科學(xué)研究。
馮小江等[37]為了解決太陽(yáng)能間歇性和不穩(wěn)定性等問(wèn)題,成功研制了移動(dòng)式石蠟相變儲(chǔ)熱木材太陽(yáng)能干燥裝置,如圖1所示。該裝置主要包括熱管真空太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng),石蠟相變儲(chǔ)熱系統(tǒng),干燥系統(tǒng),自動(dòng)控制系統(tǒng)4個(gè)部分。裝置中相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)由裝有石蠟相變儲(chǔ)熱材料的鋁管構(gòu)成。白天使用太陽(yáng)能集熱器將熱量傳給干燥室和相變儲(chǔ)熱系統(tǒng),夜間相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)向干燥室供熱,熱能供應(yīng)不足時(shí)由電加熱進(jìn)行補(bǔ)充,既改善了太陽(yáng)能干燥的間歇性,又大大提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果,解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能顯熱儲(chǔ)熱體積大、熱效率低等缺點(diǎn)。
由于熱管式集熱器工藝要求和成本較高,整體式集熱器省去了連接集熱器和干燥室的管道,并有助于減少熱量傳遞損失。潘學(xué)飚等[38]設(shè)計(jì)并開發(fā)了帶有熱管與儲(chǔ)熱裝置的整體式太陽(yáng)能干燥室,如圖2所示。該干燥室的儲(chǔ)熱裝置由300根石蠟管分成兩組,分別安裝在干燥室的東、西側(cè),縱向陣列式排列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明安裝石蠟管束后干燥室夜間溫度比環(huán)境溫度高10~20 ℃,干燥室溫度趨于平穩(wěn),但儲(chǔ)熱能力有限,難以使干燥室在夜間維持較高溫度。
圖1 新型相變儲(chǔ)熱木材太陽(yáng)能干燥室Fig.1 A new tape solar wood dryer with latent heat storage system
圖2 太陽(yáng)能木材干燥窯Fig.2 Solar drying kiln structure
何正斌等[39]對(duì)石蠟相變儲(chǔ)熱管的放熱時(shí)間進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)與驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在實(shí)際干燥過(guò)程中,儲(chǔ)熱單元中的石蠟管中心和管壁一直存在溫度差,而且換熱介質(zhì)的氣流速度越大,管壁的溫度減小得越快。甘雪菲等[40]在已有節(jié)能裝置的基礎(chǔ)上對(duì)管排數(shù)、風(fēng)速等參數(shù)對(duì)石蠟管的換熱系數(shù)以及放熱效率的影響進(jìn)行研究。研究表明,放熱效率隨著風(fēng)速的增大而下降,隨管排數(shù)的增加而有所提高。另外,延長(zhǎng)放熱時(shí)間,可以提高換熱效率,最高可使放熱效率提高62%。隨后作者又對(duì)石蠟儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱換熱性能做了相應(yīng)的研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在該裝置下空氣溫度越高,風(fēng)速越大,則儲(chǔ)熱換熱效果越好,儲(chǔ)熱所需時(shí)間越短??諝鉁囟茸兓酱螅瑩Q熱系數(shù)的變化也越大[41]。
張曉燕等[42]為了提高石蠟的導(dǎo)熱性和相變潛熱,制備了硫酸鋁銨/石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,石蠟中加入40%的硫酸鋁銨,使復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的潛熱增加、熱導(dǎo)率顯著提高,儲(chǔ)放熱時(shí)間明顯縮短。為了著重改善石蠟相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)換熱性能,作者將納米石墨與石蠟相結(jié)合,制備了石蠟/納米石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,通過(guò)變換鋁管管徑、循環(huán)風(fēng)速以及空氣溫度,計(jì)算出復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的換熱系數(shù)及放熱效率,為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供了理論依據(jù)[43]。
2.2.2 水合鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)在木材太陽(yáng)能干燥中的應(yīng)用
相變材料的研究日益廣泛,水合鹽類相變材料具有較高的潛熱密度,且可供選擇的熔點(diǎn)范圍也很廣,然而在木材太陽(yáng)能干燥中應(yīng)用較少。孫軍等[44]采用MgCl2·6H2O和Mg(NO3)2·6H2O作為相變材料,并根據(jù)不同干燥工藝需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以白松為試材,節(jié)能效果較好,干燥成本及系統(tǒng)穩(wěn)定性均能滿足干燥要求。
太陽(yáng)能干燥是太陽(yáng)能熱利用的重要部分。儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能干燥領(lǐng)域的研究仍處于初級(jí)階段,顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了一定的實(shí)用效果,但其儲(chǔ)能密度低、體積龐大等問(wèn)題仍需亟待解決;潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)在儲(chǔ)熱機(jī)理、材料以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)方面都有比較深入的研究,但我國(guó)潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)及材料的理論和應(yīng)用研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還較薄弱。從應(yīng)用范圍來(lái)看,國(guó)內(nèi)在太陽(yáng)能干燥的應(yīng)用研究還有待提高;而化學(xué)能儲(chǔ)存技術(shù)目前多應(yīng)用于光伏領(lǐng)域,在太陽(yáng)能干燥等中低溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域中鮮有研究。從目前的儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能干燥的研究和利用情況來(lái)看,作者認(rèn)為木材太陽(yáng)能干燥的發(fā)展趨勢(shì)主要有下列4個(gè)方面。
(1)加強(qiáng)對(duì)中低溫儲(chǔ)熱材料的研究,提高儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱效率,以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)傳熱、保蓄熱的目的,更好地滿足太陽(yáng)能干燥的工業(yè)需求。
(2)強(qiáng)化相變儲(chǔ)熱單元的性能,研發(fā)適宜木材干燥用的儲(chǔ)熱單元,以提高儲(chǔ)熱速率,縮短相變蓄熱時(shí)間。
(3)梯級(jí)相變技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能干燥中,以提高系統(tǒng)的傳熱和熱力學(xué)性能及提高能源的利用率。
(4)顯熱儲(chǔ)熱與潛熱儲(chǔ)熱相結(jié)合,克服單一材料本身存在的一些缺陷,提高其儲(chǔ)能密度并為儲(chǔ)熱系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量。
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