侯普民　茅靳豐　陳 飛　李超峰　邢哲理　周 進(jìn)

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院　南京　210007)

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防護(hù)工程相變型水庫方案應(yīng)用及蓄熱特性研究

侯普民茅靳豐陳 飛李超峰邢哲理周 進(jìn)

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院南京210007)

針對(duì)防護(hù)工程內(nèi)部柴油電站傳統(tǒng)余熱處理方式易造成工程口部紅外暴露的問題，提出了相變蓄熱型水庫的三種應(yīng)用方案。三種方案均可節(jié)省地下水庫體積，延長工程電力保障時(shí)間，同時(shí)提高柴油電站廢熱利用效率。通過搭建相變蓄熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析了蓄熱單元尺寸、換熱流體流量及進(jìn)口溫度對(duì)蓄熱水庫溫度分布和蓄熱速率的影響。結(jié)果表明，減小單元尺寸、提高換熱流體溫差可明顯提高水庫的換熱效率，而增大換熱流體流量對(duì)于提高換熱效率的作用不明顯。

蓄熱；相變材料；電站余熱；防護(hù)工程

防護(hù)工程在戰(zhàn)時(shí)肩負(fù)指揮等重要作戰(zhàn)任務(wù)，是精確武器打擊的重點(diǎn)對(duì)象，為防止戰(zhàn)時(shí)供電中斷，通常防護(hù)工程內(nèi)部須設(shè)置備用電站[1]。電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)煔饧坝酂?，若不及時(shí)處理，則會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)功率、檢修人員造成不良影響[2]。高溫?zé)煔庵饕ㄟ^作保溫處理的排煙管直接排出，電站余熱及機(jī)體內(nèi)部熱量通過外部循環(huán)排到電站冷卻水庫或者經(jīng)冷卻塔排到室外。傳統(tǒng)處理模式簡(jiǎn)單易行，但存在以下不足：高溫?zé)煔饧袄鋮s水的直接排放嚴(yán)重破壞了工程紅外熱偽裝；常規(guī)電站水庫單位體積蓄熱密度小，不能保障電站長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行；室外冷卻塔體積龐大，易被敵人偵查發(fā)現(xiàn)。

為解決傳統(tǒng)余熱處理模式的不足，研究者從增強(qiáng)設(shè)備隱蔽效果、余熱處理模式轉(zhuǎn)換方面進(jìn)行了大量的研究。郭鵬[3]研制了一種消煙降溫機(jī)組，一定程度上滿足電站的排煙要求。王晉生等[4]針對(duì)工程外部冷卻塔易于暴露的特點(diǎn)，提出一種地下蓄冷防護(hù)型冷卻塔，分析了冷卻塔與柴油電站聯(lián)合運(yùn)行的三種模式，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。張華等[5]提出一種基于地源熱泵的新型空調(diào)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)電站余熱的轉(zhuǎn)移，可增強(qiáng)隱蔽性，提高能源保障能力。但上述方案僅局限于余熱排放的偽裝效果，沒有涉及這部分能量的綜合利用，造成能源極大浪費(fèi)。相變蓄熱技術(shù)可解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾，在工業(yè)余熱利用等民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。茅靳豐等[7]對(duì)相變材料在電站余熱中的回收利用進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在工程與外界無熱交換的情況下，可較好地解決電站降溫和熱能回收再利用的問題。

因此，要提高防護(hù)工程戰(zhàn)時(shí)生存能力，亟需對(duì)工程內(nèi)部柴油電站余熱的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化及其綜合利用進(jìn)行系統(tǒng)的研究。柴油發(fā)電機(jī)組燃燒廢熱和煙氣廢熱加起來約占燃油燃燒發(fā)出熱量的60%～70%，這部分熱量可通過相變蓄熱技術(shù)進(jìn)一步得到利用。

1 相變蓄熱型水庫應(yīng)用方案

相變蓄熱型水庫具有蓄熱密度大、體積小，蓄熱和釋熱時(shí)材料接近恒溫，過程易于控制等優(yōu)點(diǎn)。該方案直接用于新建工程可節(jié)省地下水庫體積，或?qū)σ呀üこ踢M(jìn)行改造，可延長工程電力保障時(shí)間。針對(duì)電站機(jī)房降溫方案，對(duì)防護(hù)工程進(jìn)行相變蓄熱型水庫方案改造，分為電站機(jī)房采用風(fēng)冷冷卻、水冷冷卻、風(fēng)冷和水冷相結(jié)合三種情況。

1.1 電站機(jī)房采用風(fēng)冷冷卻的情況

當(dāng)電站機(jī)房采用風(fēng)冷冷卻時(shí)，系統(tǒng)示意如圖1(a)所示。由于冷卻和換氣所需進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)量較大，因此，進(jìn)排風(fēng)管道、進(jìn)排風(fēng)機(jī)、口部人防設(shè)備和土建工程量也較大，口部管線布置困難，且當(dāng)工程外空氣遭到污染時(shí)，因通風(fēng)換氣量大，電站機(jī)房很快會(huì)被污染，給工作人員操作和事后恢復(fù)運(yùn)行增加困難。為此，本文提出將機(jī)頭散熱器由風(fēng)-水換熱器改為水-水換熱器，并配以蓄熱型水庫，在不降低電力保障標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可節(jié)省建筑空間，減小進(jìn)、排風(fēng)口尺寸和進(jìn)、排風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量及其相應(yīng)的人防設(shè)備，節(jié)省投資。改造后系統(tǒng)示意如圖1(b)所示。

圖1 風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)改造前、后原理圖Fig.1 Schematic diagram of air-cooled system before and after improvement

1.2 電站機(jī)房采用水冷冷卻的情況

當(dāng)電站機(jī)房采用水冷閉式循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)示意如圖2(a)所示，其原先配有冷卻水庫，可在原有常規(guī)水庫上直接改造成蓄熱型水庫。若在原有水庫上直接改造不能滿足新的人防等級(jí)要求，則需要將原常規(guī)水庫擴(kuò)建成蓄熱型水庫，改造后系統(tǒng)示意如圖2(b)所示。

另外，當(dāng)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)采用開式循環(huán)時(shí)，與閉式循環(huán)相比，其不具備水-水換熱器，此時(shí)不再分內(nèi)、外循環(huán)，系統(tǒng)示意如圖3(a)所示。開式循環(huán)系統(tǒng)本身配有內(nèi)部水庫，可直接將水庫改造或擴(kuò)建為相變蓄熱型水庫，改造后系統(tǒng)示意如圖3(b)所示。

圖2 水冷閉式循環(huán)系統(tǒng)改造前、后原理圖Fig.2 Schematic diagram of closed water-cooled system before and after improvement

圖3 水冷開式循環(huán)系統(tǒng)改造前、后原理圖Fig.3 Schematic diagram of open water-cooled system before and after improvement

1柴油發(fā)電機(jī) 2油庫 3進(jìn)風(fēng)機(jī) 4排煙管 5排風(fēng)機(jī) 6送風(fēng)管 7排風(fēng)管 8水泵 9常規(guī)水庫(蓄熱型水庫)10冷卻水管網(wǎng) 11消煙降溫機(jī)組圖4 風(fēng)冷+水冷蓄熱型水庫方案平面圖Fig.4 Plan of air-cooled and water-cooled thermal storage reservoir

1.3 電站機(jī)房采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的情況

風(fēng)冷和水冷相結(jié)合是指在風(fēng)冷冷卻的基礎(chǔ)上，再利用少量冷卻水對(duì)空氣降溫冷卻。如果冬季工程內(nèi)、外溫差較大，可全部采用風(fēng)冷冷卻的方案。夏季室外空氣溫度高，風(fēng)冷冷卻方案不能滿足冷卻要求，可同時(shí)開啟水冷冷卻。該方案亦配有常規(guī)水庫，可在原有常規(guī)水庫上直接改造或擴(kuò)建為相變蓄熱型水庫，方案平面圖如圖4所示。

2 蓄熱特性影響因素分析

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變蓄熱裝置的傳熱特性進(jìn)行了大量的研究[8-11]，并有一些學(xué)者提出了相應(yīng)的傳熱模型，可以對(duì)系統(tǒng)的多種熱性能參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算[12-15]。相變蓄熱型水庫采用圓柱形相變蓄熱單元重復(fù)構(gòu)筑而成，蓄熱單元內(nèi)實(shí)驗(yàn)用相變材料為三水醋酸鈉基復(fù)合相變材料[16-18]，其物性參數(shù)如表1所示。為了分析相變水庫蓄熱特性的影響因素，筆者自行設(shè)計(jì)了相變蓄熱裝置，搭建了相變蓄熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)示意如圖5所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器主要有：自制相變蓄熱裝置，蓄熱單元，恒溫水箱，U形管電加熱器，恒溫控制器，銅-康銅E型熱電偶若干個(gè)(測(cè)量精度0.5%)，熱電偶模塊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可編程控制器(PLC)，計(jì)算機(jī)，熱水管道泵，自來水系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)熱水管路上的設(shè)備及水管全部采用橡塑海綿作保溫處理，蓄熱裝置的水流方向采取下進(jìn)上回的形式，進(jìn)水口和出水口分別設(shè)在容器的左右兩邊，便于形成的流道與更多的蓄熱單元交換熱量。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)恒溫控制器設(shè)定值改變儲(chǔ)能裝置進(jìn)口水溫，調(diào)節(jié)水管上閥門的開度改變水流流量。整個(gè)堆積床的換熱區(qū)的長度L為80 cm，熱電偶的位置x沿流向分別在0，16，40，64和80 cm處，其相對(duì)位置X=x/L分別為0，0.2，0.5，0.8和1.0，如圖5所示。

表1 相變材料物性參數(shù)

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.5 Experimental table system diagram

2.1 蓄熱單元尺寸的影響

為研究蓄熱單元尺寸對(duì)相變蓄熱型水庫傳熱特性的影響，改變柱型蓄熱單元直徑大小，并保持其他參數(shù)不變，分別計(jì)算蓄熱裝置沿軸向無量綱溫度θ，

(1)

式中：Tf為換熱流體溫度， ℃；Tin為換熱流體進(jìn)口溫度， ℃；Tm為相變溫度， ℃。

由圖6可見，在蓄熱過程中，換熱流體進(jìn)口水溫為70 ℃，流量為2.31 kg/(m2·s)時(shí)，蓄熱單元直徑分別為50 mm，72 mm和100 mm三種條件下，時(shí)間為30 min時(shí)無量綱溫度隨X的分布。由圖可知，蓄熱單元直徑越小，蓄熱裝置的無量綱溫度越低，即流體沿軸向溫度變化越明顯，蓄熱單元的蓄熱作用越強(qiáng)。

圖7所示為上述三種條件下的蓄熱速率q隨無量綱時(shí)間Fo的變化曲線。

(2)

式中：ap為相變材料導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；τ為時(shí)間，s；R為蓄熱單元半徑，m。

對(duì)比三種直徑下的蓄熱速率曲線可以看出，當(dāng)單元尺寸減小時(shí)，蓄熱速率增加。這是由于直徑較小的蓄熱單元熱阻較小，融化速率較快。

圖6 單元尺寸對(duì)溫度分布的影響Fig.6 Effect of unit dimension on temperature distribution

2.2 換熱流體流量的影響

為了研究換熱流體流量對(duì)蓄熱型水庫傳熱特性的影響，改變換熱流體的流量，并保持其他參數(shù)不變，分別計(jì)算換熱流體沿軸向的溫度分布。由圖8可以看出，在蓄熱過程中，進(jìn)口水溫為70 ℃，流量分別為2.31，3.43和6.93 kg/(m2·s)三種工況下，時(shí)間為30 min時(shí)無量綱溫度隨X的分布?？梢钥闯觯?dāng)換熱流體流量增大時(shí)，蓄熱裝置進(jìn)、出口溫差減小，這表示融化時(shí)出口溫度升高。

圖9所示為上述三種工況下的蓄熱速率q隨無量綱時(shí)間Fo的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)換熱流體流量增加時(shí)，蓄熱速率變化較小。這是由于流量的增大雖然可以提高流速，但同時(shí)會(huì)降低進(jìn)出口溫差。并且，在融化的初期和中期，速率下降并不快，這是由于隨著融化過程的進(jìn)行，自然對(duì)流作用加快潛熱釋放的結(jié)果。

圖7 單元尺寸對(duì)蓄熱速率的影響Fig.7 Effect of unit dimension on thermal storage rate

圖8 流量對(duì)溫度分布的影響Fig.8 Effect of flux on temperature distribution

圖9 流量對(duì)蓄熱速率的影響Fig.9 Effect of flux on thermal storage rate

2.3 換熱流體進(jìn)口溫度的影響

為了研究換熱流體的進(jìn)口溫度對(duì)相變蓄熱型水庫傳熱特性的影響，改變換熱流體的進(jìn)口溫度，即改變無因次量Ste*數(shù)，并保持其他參數(shù)不變，記錄換熱流體出口溫度隨時(shí)間的變化。由圖10可以看出，在蓄熱過程中，換熱流體流量為2.31 kg/(m2·s)，進(jìn)口溫度分別為65 ℃，70 ℃和80 ℃三種工況下的出口水溫，此時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的Ste*數(shù)分別為0.0853，0.146和0.268。另外，從圖10還可以看出，進(jìn)口水溫越高，其出口水溫也越高，并且隨著融化過程的進(jìn)行逐漸升高。

圖10 進(jìn)口溫度對(duì)出口水溫的影響Fig.10 Effect of inlet temperature on outlet temperature

圖11 進(jìn)口溫度對(duì)蓄熱速率的影響Fig.11 Effect of inlet temperature on thermal storage rate

圖11所示為上述三種工況下的蓄熱速率曲線。從圖中可以看出，進(jìn)口溫度對(duì)堆積床的蓄熱速率影響較大，進(jìn)口溫度與儲(chǔ)熱材料的相變溫度的溫差越大，即Ste*數(shù)越大，換熱速率越大，且換熱速率的差別在融化的前期表現(xiàn)得尤為明顯，在后期換熱速率的溫差逐漸減小。

3 結(jié)論

通過相變蓄熱型水庫的應(yīng)用，可將電站余熱進(jìn)行吸收、儲(chǔ)存、利用，解決了電站余熱排放易造成口部暴露的問題，能夠有效增強(qiáng)防護(hù)工程的紅外隱身效果，提高電站廢熱利用效率。相變蓄熱型水庫用于新建工程，可縮減水庫體積，節(jié)省地下建筑空間，減少建筑費(fèi)用；用于已建的工程，可延長電力保障時(shí)間，滿足工程防護(hù)等級(jí)提高的要求。通過實(shí)驗(yàn)研究蓄熱單元尺寸、換熱流體流量、換熱流體進(jìn)口溫度對(duì)蓄熱水庫傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)減小蓄熱單元尺寸、提高換熱流體進(jìn)出口溫差是優(yōu)化水庫傳熱的有效方式。筆者認(rèn)為，通過對(duì)蓄熱裝置傳熱特性的研究，為蓄熱型水庫的性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)，提高了相變蓄熱型水庫的適用性。

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About the corresponding author

Mao Jinfeng, male, professor, doctoral supervisor, College of Defense Engineering, PLA University of Science & Technology,+86 13605158923，E-mail: maojinfeng628@sina.com. Research fields: heat and moisture transfer and dehumidification technology in underground engineering, inside facilities defence and air quality control in national defense project.

Research on Application Schemes and Thermal Storage Characteristics of Phase Change Reservoir of Protective Engineering

Hou PuminMao JinfengChen FeiLi ChaofengXing ZheliZhou Jin

(College of Defense Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing, 210007, China)

Aimed at the problem of infrared exposure of the gateway resulted from the traditional dealing way of surplus heat of diesel power station in protective engineering, three application schemes of the phase-change thermal storage reservoir are put forward, which can reduce underground reservoir volume, extend the time of electricity power supply and improve energy efficiency. After building an experimental table of the latent heat storage system, the effects of the unit dimension, the flux and temperature of the fluid on the temperature distribution and the heat storage rate of thermal storage reservoir are analyzed. The results show that the rate of heat transfer is significantly improved when the unit dimension decreases or temperature difference of the heat transfer fluid increases, whereas the effect of the increasing volume of the heat transfer fluid is comparatively weak.

thermal storage; phase change material; surplus heat of power station; protective engineering

0253- 4339(2016) 04- 0095- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.095

2015年10月22日

TK124；TU96

A

簡(jiǎn)介

茅靳豐，男，教授，博士生導(dǎo)師，解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，136051589236，E-mail: maojinfeng628@sina.com。研究方向：地下工程熱濕傳遞及除濕技術(shù)，國防工程內(nèi)部設(shè)備防護(hù)及空氣質(zhì)量控制。