储能技术习题答案（梅生伟）第6章.docx

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1、第6章习题答案6-1根据物理原理的不同，储热技术可以分为哪几类？答：根据物理原理的不同，储热技术可分为显热储热、潜热储热和热化学储热三种。6-2与显热储热技术相比，潜热储热技术最大的优势是什么？答：相较于显热储热，潜热储热的主要优势有两点，一是储热密度高于显热储热，二是 可提供恒温的热能。6-3当液体显热储热材料静置于储罐中时，会出现温度分层现象，试简要说明温度分层产生 的原因及其用于储热系统时的优点。答：以水为例，在实际工程中，当水静置水箱中时，由于散热会使得密度大的冷流体 在重力作用下居于水箱底层，而密度小的高温流体居于水箱上层。从提高系统性能的角度, 水箱内的温度分层有两个优点：一是防止

2、了冷热流体的掺混，当负载工质从水箱上层吸收热 能时提高了热能利用的品位；二是由于集热器进口温度和效率呈负相关，所以集热器进口与 水箱下层低温处相连可提高整个系统效率。6-4晶体生长率低、过冷度大会使得储存于相变材料的潜热难以充分利用，简要说明其原理。答：过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。由于匀相核化结晶活化能的存在，纯液 体的结晶一般会在略低于熔点时开始。晶核形成的同时，新相和液体之间的相界面也会形成, 此过程会消耗能量，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 产生的能量无法形成界面，就不会开始成核。因此必须要温度够低，可以产生稳定的晶核， 相变材料才会开始凝固。因

3、此，晶体生长率低、过冷度大，会导致相变材料无法在理论的凝 固点附近凝固，不仅造成潜热难以充分利用，且导致放热过程难以保持在恒温工况，因此对 于某些过冷度大的相变材料，如、水合盐，可使用成核剂使其过冷点接近于熔点。6-5在相变材料的封装过程中，要求气隙空间产生于远离热源的位置，试分析其原因。答：相变前后显著的密度差异将导致材料在固相时会形成一个气隙空间，如果封装技术 设计不当，这个汽隙空间将会大大阻碍传热速率，由于空气的导热率比任何相变材料都要低 几个数量级，因此当气隙空间产生.于不合适的位置时，将成为相变材料吸热熔化时巨大的热 阻。因此，封装技术的设计应当使气隙空间产生于远离热源的位置。比方在

4、某个重力不可忽 略的封装容器内，应防止热源位于封装容器的顶部。因为一旦如此，容器顶部将形成气隙空 间，在下一次充热时，这一气隙空间将成为相变材料和热源之间的绝热层。6-6加入肋板为何会对相变材料起到强化换热的作用？在熔化过程和凝固过程中，肋板的作 用有何差异？答：肋板之所以成为一种主流的强化换热手段主要原因是可以扩展换热面积。由于自然 对流对熔化过程中的换热效果影响显著，而肋板的加入不可防止地会影响到自然对流过程, 因此相变材料强化换热中一个重要的研究领域是分析如何通过改变肋板间距、数目、厚度、 肋板插入相变材料的深度等关键参数，使得肋板对自然对流的抑制程度最低、换热面积最大, 从而优化强化换

5、热效果。相较于熔化过程，凝固过程主要以热传导为主，自然对流作用微弱， 甚至可以忽略，因此肋板对强化传热的作用更加明显。6-7请分别写出金属氧化物储热体系、金属氢化物体系、氢氧化物储热体系的反响通式。答：金属氧化物储热体系的反响通式为：MxOy+zG) = MxOy(s) + 1o2(g)金属氧化物储热体系的反响通式为：MHn(s) + AHrM(s)+jH2(g) 氢氧化物储热体系的反响通式为：MHn(S)+ AHr = M(s)+5Hz(g)6-8某冷却系统中的工质泵以50%的效率耗电2kW使得工质在管路中流动，假设工质为水, 流入泵时的温度为10C且流量保持在1.5kg/s,管道及泵与外界

6、环境无热交换，试求：泵的 出口温度。解：假设工质质量流量为南，焰为九，泵功为出根据开口系能量守恒，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将例6-3中的岩石材料换为相同质量、相同初始温度的相变储热材料，计算相同太阳辐 照、有效辐照时常和面积条件下，相变材料的终温。其中相变材料的熔化温度为30,相变 潜热为200kJ/kg,比热为2 kJ/(kgK).解：由于相变材料的初始温度式消皿为15,而相变温度Fpc为30C,因此材料首先通 过显热储热升

7、温到30后再开始潜热储热，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 因此在吸热结束时相变材料仍未完全熔化，那么终温保持在相变温度，即30C。6-10如图6-50所示为某种充热装置.，该装置通过底部的电加热设备向顶部的陶凭储热材料 充热，假设充热到达稳态时电加热设备温度为1000 K,而陶瓷上外表温度为500K,试求该 过程中的烟流变化。图6-50习题6-10示意图解

8、：首先以电加热元件为控制体积(。匕)，可依次列出能量守恒方程、场平衡方程、烟 平衡方程：electrical Qout =。-+ Sgen = 0。山+ electrical ogen =。由题中所给条件可得: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即进入电子加热元件的螂流为500肌其中损失了 149W,剩余351W作为热量烟流入储热材料。以

9、储热材料为控制体积(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由题中所给条件可得：“粤-鲁=500岛-正篇）=O-5W/KEx = 70sgen = 298.15 x 0.5 = 149勿服皿的” =（1 -卷）QouL （1 -鬻）500 = 202W即由电子元件传来的391W烟流在陶费材料损失149W,剩余202W继续由上外表流出。6-11如图6-51所示为一块反面绝热、正面吸收太阳辐照的金属平板，该平板正面吸收率为 0.6,太阳辐照为700 W/m2,环境温度为25,平板和空气之间的对流换热系数为50 W/ n?*。试求在仅考虑对流换热的情况下，

10、到达稳态时平板的温度。图6-51习题6-12示意图解：由题意可知，平板的换热过程仅考虑吸热和对流换热，而不考虑辐射热损，令吸收 率为平板有效换热面枳为人，太阳辐照为dnciden,so，ar，环境温度为心，对流换热系数 为九，那么根据能量守恒可知，到达稳态时有：incident,solar =h4 sd 一乙）由此可求出稳态终温为: 6-12请基于例6-10条件及计算结果，假设堆积床空气入口温度为2565范围内以 16 h为周期的正弦函数，堆积床起始温度为25C,忽略堆积床与环境之间的换热，计算16 h内堆枳床出口空气温度的变化趋势。0.6 x 70050=33.4解：根据题中所给条件，计算16 h内堆积床出口空气温度的变化趋势如下列图所示：706050403020 0246810121416Time (h)6-13保持例6T2中其他参数不变，试分析球形胶囊内外壁面温度差从0C变到20时，石 蜡完全融化所需的时间和充热过程中球形胶囊内的烬损的变化趋势。解：完全融化所需的时间和充热过程中球形胶囊内的灼损的变化趋势如下列图所示：10*A温差