李曉燕,伊智慧,王雪雷,李義奇
(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150028)
直接接觸式儲(chǔ)能器傳熱性能的研究與應(yīng)用
李曉燕,伊智慧,王雪雷,李義奇
(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150028)
從換熱系數(shù)方面對直接接觸式儲(chǔ)能器的傳熱性能進(jìn)行了介紹.討論了傳熱流體進(jìn)口溫度、傳熱流體進(jìn)口流量、蓄能介質(zhì)進(jìn)口溫度、蓄能介質(zhì)進(jìn)口流速、噴口尺寸等因素對直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)換熱系數(shù)的影響,介紹了直接接觸式儲(chǔ)能器在各領(lǐng)域的應(yīng)用.提出了直接接觸式儲(chǔ)能器實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,探討了其今后的研究重點(diǎn).
直接接觸式;傳熱性能;換熱系數(shù)
直接接觸式換熱是指兩種介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱的過程,將直接接觸式換熱技術(shù)應(yīng)用在儲(chǔ)能器中,使傳熱流體與蓄能介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱,與間接接觸式儲(chǔ)能器相比,其傳熱面積大,儲(chǔ)能器存儲(chǔ)密度大,傳熱更快[1-2],不僅可以節(jié)約成本、還可以提高換熱效率,達(dá)到節(jié)能降耗的目的,直接接觸式儲(chǔ)能器在制冷、空調(diào)、廢熱回收等工業(yè)領(lǐng)域具有潛在使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,因此,關(guān)于直接接觸式儲(chǔ)能器傳熱性能方面的研究受到廣泛關(guān)注.
近年來,許多研究者在直接接觸式換熱技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)方面已經(jīng)開展了一系列很有價(jià)值的工作,研究發(fā)現(xiàn),直接接觸式換熱技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要有三個(gè)方面[3-5]:1)由于儲(chǔ)能器內(nèi)兩種介質(zhì)直接接觸,兩種介質(zhì)之間的傳熱過程不會(huì)存在液-固-液之間的傳熱熱阻,可以提高傳熱效率;2)直接接觸式儲(chǔ)能器構(gòu)成比較簡單,既節(jié)省了材料,同時(shí)也降低了制造成本,整套設(shè)備的體積大幅度的減小;3)減少設(shè)備的維護(hù)工作量.與間接接觸式儲(chǔ)能器相比,直接接觸式儲(chǔ)能器蓄能、釋能所需時(shí)間變少,傳熱能力明顯增加,為換熱設(shè)備小型化開辟了新道路.直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)換熱系數(shù)與傳熱流體進(jìn)口溫度、傳熱流體進(jìn)口流量、蓄能介質(zhì)進(jìn)口溫度、蓄能介質(zhì)進(jìn)口流量、噴口尺寸等因素密切相關(guān).例如:在噴口位置、蓄冷劑流速、載冷劑溫度不變的前提下,蓄冷器的質(zhì)量換熱系數(shù)隨著載冷劑流量的增加而增大,但流量越大,質(zhì)量換熱系數(shù)波動(dòng)越大,越不穩(wěn)定[6].所以,還需對直接接觸式儲(chǔ)能器儲(chǔ)能特性進(jìn)行更深入的研究.
結(jié)合國內(nèi)外直接接觸式換熱技術(shù)的研究工作,從換熱系數(shù)方面入手對直接接觸式儲(chǔ)能器的傳熱性能做了闡述,探究了傳熱流體進(jìn)口溫度、傳熱流體進(jìn)口流量、蓄能介質(zhì)進(jìn)口溫度、蓄能介質(zhì)進(jìn)口流速、噴口尺寸等因素對直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)換熱系數(shù)的影響,介紹了直接接觸式儲(chǔ)能器在各領(lǐng)域的應(yīng)用.探討了今后直接接觸式儲(chǔ)能器的研究重點(diǎn),并提出了目前存在的問題.
直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)的相變材料與換熱流體直接接觸進(jìn)行換熱,實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)能目的,它屬于潛熱儲(chǔ)能,儲(chǔ)能密度很大,在節(jié)約能源方面也有著極其重要的地位[7-8].根據(jù)材料相變溫度的高低,直接接觸式儲(chǔ)能器主要可應(yīng)用于蓄冷、蓄熱等領(lǐng)域.
1.1 直接接觸式蓄冷器傳熱性能
將直接接觸式儲(chǔ)能器應(yīng)用在蓄冷系統(tǒng)中,使載冷劑與蓄冷介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱,從而使兩種工質(zhì)之間的傳熱溫差可以適當(dāng)降低,達(dá)到節(jié)能的目的.因此,在很多文獻(xiàn)中[9-10],研究者對直接接觸式蓄冷器傳熱性能做了大量的研究,代乾等[11]對直接接觸式二元冰蓄冷系統(tǒng)制冰罐內(nèi)的傳熱特性進(jìn)行了研究,得出容積換熱系數(shù)的計(jì)算式:
(1)
其中:Qr為載冷劑帶入制冰罐內(nèi)的冷量,kJ;Ql為漏熱量,kJ;Tw為蓄冷罐中乙二醇水溶液溫度,K;Tr為載冷劑溫度,K;V為制冰罐內(nèi)乙二醇的容積,m3.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:載冷劑的噴口流度大于1.8 m/s 時(shí),增加流速可以使容積換熱系數(shù)得到有效的提高,當(dāng)流速大于2.5 m/s時(shí),容積換熱系數(shù)隨流速的增長變慢.章學(xué)來、李瑞陽等[12]以容積換熱系數(shù)為研究對象對直接接觸式蓄冷系統(tǒng)中的蓄冷罐進(jìn)行傳熱試驗(yàn)研究,并首次以形成冰晶的R123與水直接接觸換熱進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,研究中考察了罐內(nèi)水位、蓄冷開始時(shí)水的溫度、噴頭的種類及布置方式等因素對罐內(nèi)容積換熱系數(shù)的影響,試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):蓄冷罐內(nèi)容積換熱系數(shù)隨罐內(nèi)水(蓄冷劑)溫度的下降而減少、罐內(nèi)水位的升高而降低;隨噴孔數(shù)的增多而增大、噴孔直徑的增大而減小.Viktoria Martin等[13]對直接接觸式蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行研究,圖1為液滴尺寸對換熱系數(shù)的影響,研究發(fā)現(xiàn),換熱系數(shù)隨著液滴直徑的增加而減小.
圖1 液滴尺寸對換熱系數(shù)的影響[13]
在冰蓄冷系統(tǒng)中,由于蓄冷階段在換熱器表面冰層的產(chǎn)生使換熱器的蓄冷性能降低,為了解決這個(gè)問題,可用冰漿[14-15]替代純冰,Matsumoto等[16]采取了一種新的制冰方法,水油乳劑通過在容器內(nèi)攪拌被冷卻形成冰油和水的懸浮液.結(jié)果表明,冰油和水的懸浮液(又稱冰漿)有較好的流動(dòng)性,并且不會(huì)黏附在蓄冷器表面,懸浮液中的冰呈顆粒狀分散在容器內(nèi),制取的冰漿可以被長時(shí)間保存.S.Thongwik等[17]利用二氧化碳?xì)怏w和水進(jìn)行直接接觸式換熱制取冰并且研究了其換熱性能,將低溫的二氧化碳?xì)怏w(-15~-60 ℃)通入初始溫度為28 ℃的水中進(jìn)行直接換熱,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者之間的換熱效率接近100%,但是噴嘴處易形成冰堵,為了解決這個(gè)問題,研究者將壓縮機(jī)油和表面活性劑與水混合來制取冰漿,發(fā)現(xiàn)在為水、油、活性劑的體積比例為100∶6∶1 時(shí),最容易形成穩(wěn)定的冰漿.鄭克晴等[18]通過實(shí)驗(yàn)研究了在直接接觸式制取冰漿的冰漿生成器中影響體積傳熱系數(shù)的主要因素,利用乙二醇試劑作為添加劑,發(fā)現(xiàn)水柱高度下降、進(jìn)氣質(zhì)量流量增加、進(jìn)氣溫度下降、噴嘴直徑減小均能導(dǎo)致體積傳熱系數(shù)增加.
在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中,由于水的凝固點(diǎn)低,使得冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度、制冷性能系數(shù) COP 和制冷量較常規(guī)空調(diào)大幅度降低[19],此外,在空調(diào)工況和蓄冰工況時(shí)要配置雙工況制冷主機(jī),增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性.一些學(xué)者提出將相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用在常規(guī)集中空調(diào)中,研制適合常規(guī)空調(diào)工況的相變蓄冷介質(zhì),研究者對常規(guī)空調(diào)用直接接觸式儲(chǔ)能器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,HIDEO INABA等[20]研究了油滴和冷水之間直接接觸換熱潛熱能儲(chǔ)存特性,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2,恒溫槽制取低溫水溶液,十四烷由泵注入溫度調(diào)節(jié)器,經(jīng)過噴嘴注入實(shí)驗(yàn)裝置,油滴在水溶液中上升,與周圍冷水直接接觸進(jìn)行換熱,油滴凝固過程是由其外表面逐漸向其中心進(jìn)行的,凝固的油滴上升到水溶液上表面,研究發(fā)現(xiàn),油滴凝固體積分?jǐn)?shù)隨著噴射油和水溶液溫度的降低而增加.
李立等[21]人以石蠟作為制冷劑,水作為載冷劑,建立二維蓄冷器模型模擬了直接接觸式儲(chǔ)能器應(yīng)用于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的蓄冷特性,圖3為不同時(shí)刻下蓄冷器內(nèi)部溫度分布圖.研究結(jié)果表明:質(zhì)量換熱系數(shù)隨著蓄冷劑流速的增大而增大,但當(dāng)流速達(dá)到2.8 m/s后,噴口位置對質(zhì)量換熱系數(shù)的影響力逐漸減小,最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值.
1—溢流罐;2—恒溫槽;3—照相機(jī);4—實(shí)驗(yàn)裝置;5—噴口;6—溫度調(diào)節(jié)器;7—壓力脈沖箱;8—泵;9—十四烷油箱;10—容量計(jì);11—蓄水箱;H—加熱器;R—冷卻器;F—流量計(jì)圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖[20]
圖3 不同時(shí)刻下蓄冷器內(nèi)部溫度分布圖[21]
為了研究直接接觸式蓄冷器蓄冷過程的動(dòng)態(tài)特性,李曉燕等[22]通過建立三維蓄冷器模型研究了常規(guī)空調(diào)用直接接觸式蓄冷器蓄冷過程的動(dòng)態(tài)特性,研究結(jié)果表明:當(dāng)HTF入口溫度不變時(shí),液體PCM流量的增加會(huì)使蓄冷過程加快,縮短蓄冷完成時(shí)間,然而液體PCM流量過大將導(dǎo)致PCM不能完全凝固,因此在實(shí)際應(yīng)用中液體PCM流量必須控制在一定范圍內(nèi).同時(shí),降低HTF入口溫度可以縮短蓄冷時(shí)間,但是,HTF的入口溫度對總蓄冷量沒有明顯影響,蓄冷量由潛熱而不是顯熱控制.
1.2 直接接觸式蓄熱器傳熱性能
將直接接觸式儲(chǔ)能器應(yīng)用在蓄熱系統(tǒng),具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢:傳熱流體與蓄熱介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱,進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)的效率得到提高;結(jié)構(gòu)簡單,儲(chǔ)能密度大.在很多文獻(xiàn)中[23-24],研究者對直接接觸式蓄熱器傳熱性能進(jìn)行了研究,進(jìn)而得出影響直接接觸式蓄熱器內(nèi)換熱系數(shù)的主要因素,影響因素包括: 傳熱油進(jìn)口流量、傳熱油進(jìn)口溫度.Weilong Wang等[25]對移動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)中直接/間接接觸式儲(chǔ)能器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明:直接接觸式蓄熱器蓄熱時(shí)間比釋熱時(shí)間快,在釋熱開始階段,蓄熱器噴口處因冰堵而堵塞,進(jìn)而導(dǎo)致釋熱速率變慢,提高傳熱油的流量能夠有效的加快蓄/釋熱過程,而間接接觸式蓄熱器蓄熱、釋熱所用時(shí)間相同,由于固體相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低,傳熱流體流量對其蓄/釋熱過程無明顯影響.Takahiro Nomura 等[26]對直接接觸式蓄熱器釋熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析,圖4為傳熱油流量、PCM高度對釋熱過程體積換熱系數(shù)的影響,研究發(fā)現(xiàn):蓄熱器內(nèi)平均體積換熱系數(shù)隨著傳熱油的流量增加而增加,隨著PCM高度的減少而增加.Weilong Wang等[27]建立二維蓄熱器模型對直接接觸式蓄熱器蓄熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了傳熱油流量、溫度對蓄能效率的影響,研究結(jié)果表明:提高傳熱油的流量能夠縮短蓄熱時(shí)間,當(dāng)傳熱油進(jìn)口流量從0.46 m3/h 增加到 0.92 m3/h 時(shí),30 min內(nèi)固體PCM體積分?jǐn)?shù)由25% 增加到 90%;傳熱油進(jìn)口溫度降低能夠縮短蓄熱時(shí)間,當(dāng)傳熱油進(jìn)口溫度從50 ℃降低到 30 ℃時(shí),30 min內(nèi)固體PCM體積分?jǐn)?shù)由60% 增加到90 %.
圖4 釋熱過程中傳熱油流量、PCM高度對平均體積換熱系數(shù)的影響[26]
研究人員對直接接觸式蓄熱器的傳熱性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究[28-30], Shiquan He等[31]對直接接觸式蓄熱器釋能過程進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn):在釋能開始階段,由于蓄熱階段PCM的凝固,產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象,傳熱油流量變小;蓄熱器中間部分的固體PCM與周圍的固體PCM相比融化較快,壁面處固體PCM融化較慢;增加傳熱油流量能夠縮短釋能時(shí)間.針對直接接觸式蓄熱器噴嘴處產(chǎn)生冰堵[32]、壁面處PCM融化較慢[33]等問題,研究者做了大量的研究并提出了解決方案,例如:噴口處添加通道[32]、加熱蓄熱器內(nèi)壁面[33]等.Shaopeng Guo等[32]對直接接觸式蓄熱器冰堵問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,利用電加熱器在90s內(nèi)快速形成直徑在10~15 mm之間的通道,解決了冰堵問題,研究表明:添加通道的直接接觸式蓄熱器明顯縮短了釋能時(shí)間.Jun Zhao等[33]建立二維蓄熱器模型研究了直接接觸式蓄熱器融化過程的最佳條件,研究結(jié)果表明:提高傳熱油流量、添加通道、添加熱壁面分別縮短25%、26% 、29%的融化時(shí)間.
直接接觸式儲(chǔ)能器是指兩種相同或不同的介質(zhì)通過直接接觸進(jìn)行換熱,將能量存儲(chǔ)在相變材料(PCM)中的裝置,但是必須保證直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)兩種介質(zhì)的密度或沸點(diǎn)不相同,彼此容易分離,此類儲(chǔ)能器可應(yīng)用于生產(chǎn)、生活方面.
2.1 建筑空調(diào)儲(chǔ)冷
直接接觸式儲(chǔ)能器在建筑空調(diào)儲(chǔ)冷方面應(yīng)用的原理是利用儲(chǔ)能材料在相變過程中的相變潛熱來儲(chǔ)存和放出冷量,目前主要的應(yīng)用方式是相變儲(chǔ)冷式空調(diào)[34].相變儲(chǔ)冷式空調(diào)主要是利用相變溫度較低的相變材料, 在用電低谷時(shí)將相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行降溫,使其凝固、儲(chǔ)存冷量;在用電高峰時(shí),相變材料融化,釋放冷量供用戶使用.這一過程是利用相變材料達(dá)到制冷的作用,能耗相對較低.與間接接觸式蓄冷器相比,直接接觸式蓄冷器蓄能、釋能完成時(shí)間較快[35],直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的單位制冷量的耗電少,并且制取相同冷量所用時(shí)間縮短13%[36].直接接觸式空調(diào)蓄冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)盤管式換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.
圖5 直接接觸式空調(diào)蓄冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)盤管式換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[12]
直接接觸式換熱與傳統(tǒng)的換熱方式的不同之處:1)直接接觸式蓄冷罐在結(jié)構(gòu)上省去了蒸發(fā)盤管,結(jié)構(gòu)得到了簡化;2)傳統(tǒng)盤管式換熱器內(nèi)兩種介質(zhì)是分開的(即互不接觸),制冷劑在盤管內(nèi)蒸發(fā),水在盤管外結(jié)冰,而直接接觸式系統(tǒng)的兩種流體在蓄冷罐內(nèi)會(huì)合,制冷劑直接噴入水中,并在水中汽化.直接接觸式蓄冷系統(tǒng)與其他蓄冷系統(tǒng)相比,有以下一些優(yōu)點(diǎn):1)由于制冷劑與水直接接觸,兩種工質(zhì)間的傳熱過程不存在液-固-液之間的傳熱熱阻,可大大提高傳熱效率;2)省卻了蒸發(fā)盤管,不但使系統(tǒng)構(gòu)成簡單,而且節(jié)省了材料,降低了制造成本;3)整套設(shè)備體積大大減小.
2.2 工業(yè)廢熱回收
當(dāng)今世界,低碳、綠色已成為發(fā)展潮流,面對日益突出的環(huán)境問題,近年來,蓄熱技術(shù)的研究與發(fā)展應(yīng)用一直是各科研院所、企業(yè)單位及有關(guān)專家關(guān)注的領(lǐng)域,蓄熱技術(shù)的應(yīng)用一方面能夠二次利用工業(yè)廢熱、余熱,減少環(huán)境污染;另一方面,再次生成的熱能可避免鍋爐、燃煤、燃油等不可再生資源的消耗,不但能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排,還能夠?qū)崿F(xiàn)不可再生能源的替代使用.
工業(yè)廢熱、余熱不能保持穩(wěn)定的能量供應(yīng),因此高效的能量儲(chǔ)存技術(shù)成為工業(yè)廢熱利用的關(guān)鍵[37],研究人員設(shè)計(jì)了移動(dòng)式熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)[38-40],將直接接觸式儲(chǔ)能器應(yīng)用在熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中進(jìn)行余熱回收,其工作原理:將熱電廠、鋼鐵廠、石油化工、焦化廠等高耗能單位的余熱、廢熱的熱量傳遞給傳熱流體,傳熱流體在直接接觸式儲(chǔ)能器內(nèi)與相變材料(PCM)直接接觸進(jìn)行熱量交換,相變材料凝固將熱量存儲(chǔ)在移動(dòng)式熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中,再將熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)移動(dòng)配送至賓館、洗浴中心、學(xué)校、居民小區(qū)、工業(yè)廠房等用戶處,利用相變材料的融化過程釋放熱量,供生活、工業(yè)熱水或供暖使用,同時(shí)在管網(wǎng)維修、突發(fā)災(zāi)害時(shí),能起到應(yīng)急供熱保障作用.熱量釋放完畢后,直接接觸式蓄熱器被運(yùn)輸?shù)綗嵩刺庍M(jìn)行下一個(gè)供熱循環(huán),圖6為移動(dòng)式熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)原理示意圖.
圖6 M-TES原理示意圖[32]
在移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用直接接觸式儲(chǔ)能器既可以縮短蓄/釋熱時(shí)間,提高能量的轉(zhuǎn)換率,還可以降低整體的運(yùn)行成本.但是PCM凝固、沉降會(huì)導(dǎo)致蓄熱器噴口處堵塞,從而影響了蓄熱器釋熱過程的時(shí)間,針對堵塞問題,一些學(xué)者提出解決方案,對直接接觸式儲(chǔ)能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,進(jìn)而提高其換熱性能,隨著研究的不斷深入,直接接觸式儲(chǔ)能器在廢熱回收領(lǐng)域會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用.
到目前為止,國內(nèi)外研究者對直接接觸式儲(chǔ)能器傳熱性能研究,盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但其研究結(jié)果還未系統(tǒng)化,無論是直接接觸式儲(chǔ)能器性能研究還是結(jié)構(gòu)改造研究方面仍存在一些問題,需要研究學(xué)者進(jìn)一步深入研究.
1)相變材料方面:鑒于在實(shí)驗(yàn)過程中將相變材料分散在水中,隨著濃度的增加流體黏度增加,導(dǎo)致泵耗增加,相變材料附著在管道內(nèi)壁面等問題,這些問題亟需解決,因此制備適宜的相變材料,如何回收附著在管道壁面的相變材料是我們接下來要研究的方向之一;
2)系統(tǒng)裝置方面:鑒于實(shí)驗(yàn)過程中兩種不相溶介質(zhì)的直接接觸,無論是傳熱流體與相變材料及潤滑油都存在相混合、難分離的問題.因此,必須在實(shí)驗(yàn)裝置中添加分離裝置,減少相變材料的浪費(fèi);
3)設(shè)備維護(hù)方面:由于兩種不溶性液體相混合,會(huì)引起噴嘴、儲(chǔ)能器和管道的堵塞問題,如何解決這一問題制約著直接接觸式儲(chǔ)能器的應(yīng)用、發(fā)展.
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Research on heat transfer performance of direct-contact accumulators and application
LI Xiao-yan, YI Zhi-hui, WANG Xue-lei, LI Yi-qi
(Energy and architectural engineering institute, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)
The heat transfer coefficient was introduced. This paper discussed the effect factors of the heat transfer coefficient in direct-contact accumulators, such as the flow rate of heat transfer fluid, inlet temperature of heat transfer fluid, liquid PCM flow rates, liquid PCM temperature and nozzle sizing and other factors. The direct contact accumulators in various fields of applications were introduced for storage process. Point out the problems of practical applications and predict the emphasis of the research.
direct-contact; heat transfer performance; coefficient of heat transfer
2016-10-22.
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476049)
李曉燕(1962-),女,博士,教授,研究方向:相變蓄冷材料.
TH137.8
A
1672-0946(2017)02-0196-06