冰蓄冷可視化實驗教學平臺設計

于程，吳梁玉，曹鵬，戴俏波

（1.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096）

儲能產(chǎn)業(yè)與技術作為新能源發(fā)展的核心支撐，在我國國家能源戰(zhàn)略行動計劃中具有重要的地位。為培育儲能技術方面的專業(yè)人才，提升我國儲能產(chǎn)業(yè)的技術水平，教育部等多部委聯(lián)合發(fā)布了《儲能技術專業(yè)學科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）》。但高?，F(xiàn)有儲能技術人才培養(yǎng)體系尚待完善，相關學科專業(yè)尚待健全，相關教學支撐設備和條件較為缺乏。

現(xiàn)有的儲能方法主要分為機械儲能、化學儲能、電儲能、熱儲能等幾種類型，其中熱儲能，特別是固液相變儲能技術，因可以提供較大的儲能密度，而且在相變過程中具有在特定溫度點附近近似等溫的優(yōu)點，在實際應用中備受關注。但固液相變材料的低導熱率制約了固液相變儲能技術的應用。此外，固液相變儲能過程涉及相變傳熱、熱傳導、相界面演化、相界面?zhèn)鳠岬冗^程非常復雜并且相互耦合，學生僅通過傳統(tǒng)的課堂教學難以充分理解并掌握其相關的專業(yè)知識。但現(xiàn)有的固液相變儲能相關實驗教學、實踐培訓的教學平臺還較為欠缺。因此，亟需開展固液相變儲能的實驗教學平臺開發(fā)，以滿足儲能技術專業(yè)的固液相變儲能實驗教學需求。

綜上所述，本項目將采用水作為工質(zhì)，搭建冰蓄冷可視化實驗教學平臺，開展固液相變儲能技術實驗教學工作，幫助學生掌握固液相變儲能過程中的能質(zhì)傳遞規(guī)律，了解固液相變儲能相關優(yōu)化方法，有效提升儲能技術專業(yè)相關課程的教學效果。

1 教學實驗設計

1．1 冰蓄冷可視化實驗教學平臺的設計搭建

開展固液相變儲能技術實驗教學工作，本文設計并搭建了冰蓄冷可視化實驗教學平臺，包括蓄冰模塊、恒溫水浴裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及環(huán)路循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。蓄冰模塊為內(nèi)置金屬橫向肋片管的有機玻璃腔體，數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)采集儀和布置在蓄冰模塊內(nèi)部的熱電偶，以監(jiān)測蓄冰模塊內(nèi)溫度演化。蓄冰過程中采用乙二醇水溶液作為冷媒，通過調(diào)整冷媒的溫度，探究不同邊界溫度對冰蓄冷性能的影響，認識冰蓄冷過程中的固液相變傳熱規(guī)律。通過攝像儀動態(tài)觀測蓄冰過程中冰水界面形貌的演化過程，分析蓄冰過程中自然對流的影響，并通過增加泡沫金屬探索冰蓄冷性能強化方法。

圖1 冰蓄冷可視化實驗教學平臺系統(tǒng)圖

1．2 冰蓄冷可視化實驗教學平臺的教學案例設計

冰蓄冷可視化實驗教學案例的核心內(nèi)容是通過攝像儀實時記錄冰蓄冷過程中固液相界面的動態(tài)演化，并結(jié)合蓄冰區(qū)域內(nèi)的溫度變化，從而闡明冰蓄冷過程中的能質(zhì)傳遞規(guī)律及強化方法。

實驗步驟如下：

（1）熱電偶布置：將一定數(shù)量的熱電偶布置在蓄冷區(qū)域，并測試其工作狀態(tài)。

（2）密封性測試：連接實驗教學平臺的各個組件，開啟工質(zhì)循環(huán)管路，檢查所有通道、閥門、接口是否有液體滲漏，確保整個實驗教學平臺已密封。

（3）保溫措施：首先，將蓄冰模塊包裹在聚乙烯發(fā)泡內(nèi)，再貼上一層錫箔紙。

（4）系統(tǒng)預熱：啟動實驗教學平臺，使得蓄冰模塊進入初始工作狀態(tài)，內(nèi)部溫度達到初始實驗溫度（誤差＜1℃）。

（5）冰蓄冷實驗：打開工作水浴循環(huán)管路，使蓄冰模塊內(nèi)的水降溫并凝固，通過攝像儀記錄固液相界面演化，并采用數(shù)據(jù)采集儀檢測系統(tǒng)內(nèi)部溫度動態(tài)特性，直至蓄冰模塊內(nèi)水全部凝固。

（6）強化傳熱實驗：將泡沫金屬嵌入肋片式蓄冰模塊的間隙中，接著重復步驟(2)～(5)，觀察并記錄系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度動態(tài)特性，同時，通過攝像儀記錄固液相界面演化。

2 實驗結(jié)果與分析

圖2 冰蓄冷過程中固液相界面演化（肋片結(jié)構(gòu)）

該實驗首先對采用肋片結(jié)構(gòu)的蓄冷模塊進行測試，由于金屬肋片的高導熱率，金屬肋片和套管附近最早發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，如圖2。隨后冰/水固液相界面沿徑向逐漸擴大，但仍然主要集中金屬肋片和套管附近。由于水的自然對流特性，在前期冰蓄冷過程中，上半部的結(jié)冰量略多于下半部。在50min以后，冰層有一定厚度時，冰層的較差的導熱性能影響了蓄冰的速率。到了120min左右，整個蓄冰區(qū)域的冰/水固液相界面會越來越趨向于圓形，蓄冰過程接近完成。

圖3 冰蓄冷過程中固液相界面演化（肋片+泡沫金屬結(jié)構(gòu)）

為了探究冰蓄冷模塊的強化方法，本實驗還將泡沫金屬加入到蓄冰模塊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，不同于之前的肋片結(jié)構(gòu)蓄冰模塊，強化模塊的結(jié)冰從肋片根部開始后，固液相界面不僅僅是沿著肋片遷移，而是借助泡沫金屬沿徑向360度均勻擴展，并且固液相界面輪廓上下對稱。到了蓄冰后期階段，蓄冰模塊的凍結(jié)速率有所降低，但仍然相較于單一肋片結(jié)構(gòu)蓄冰模塊的速率更高。

圖4 冰蓄冷裝置徑向溫度演化（肋片+泡沫金屬結(jié)構(gòu)）

為了進一步分析冰蓄冷模塊的固液相變傳熱規(guī)律，圖4給出了泡沫金屬強化蓄冰模塊的徑向溫度演化。如圖4所示，實驗初期，降溫速度非?？欤S后進入固液相變過程，由于相變吸熱溫度保持基本不變，隨著水凝固為冰又開始快速降溫。對比沿徑向的溫度分布可知，冰蓄冷裝置內(nèi)部的溫度下降最快，在實驗過程中也始終保持溫度最低。

3 蓄冷可視化實驗教學平臺的教學應用

從前述實驗案例可以看出，利用本文所建立的冰蓄冷可視化實驗教學平臺，可以作為學生提供直觀了解固液相變儲能規(guī)律的平臺，豐富傳統(tǒng)的課堂教學內(nèi)容。任課老師可以在課堂教學之間穿插設置基于可視化實驗教學平臺的實驗教學活動，將實驗教學與課堂講述相結(jié)合，從上述直觀可視化實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，對相關知識點，尤其相界面演化特性及其與流動傳熱特性間的內(nèi)在關系進行深入講解剖析，從而加深學生對固液相變儲能過程能質(zhì)傳遞規(guī)律的理解與掌握，提高學生學習的積極性，強化教學效果。

此外，該平臺還可作為學生課外研學的平臺，讓學生結(jié)合平臺自主設計實驗內(nèi)容，對設定的實驗案例進行改進，進一步探索固液相變儲能的優(yōu)化方案，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

4 結(jié)語

本文設計并搭建了冰蓄冷可視化實驗教學平臺，并開展了肋片與泡沫金屬強化冰蓄冷性能實驗教學案例研究，動態(tài)觀測了固液相變過程中的相界面演化，分析了冰蓄冷過程中的固液相變能質(zhì)傳遞規(guī)律與強化方法。通過可視化實驗，學生能夠直觀認識固液相變現(xiàn)象，從而進一步加深對固液相變儲能抽象理論和知識的理解認識，有助于教學質(zhì)量的提高以及學生學習興趣與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，推動儲能技術專業(yè)實驗教學方法改革。