土壤蓄熱應(yīng)用

利用土壤蓄熱的太陽能蓄熱系統(tǒng)，具有蓄熱能力大、熱損失較小的優(yōu)點，它可以將太陽能集熱器所獲得的熱量儲存在土壤中，為住宅提供全年的生活用熱水。經(jīng)濟分析表明，這種系統(tǒng)目前可與電加熱的系統(tǒng)相競爭，而在發(fā)展中國家，則可與用常規(guī)燃料供暖的系統(tǒng)相競爭。土壤蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)的年度成本僅為電加熱系統(tǒng)的1/3左右；為常規(guī)太陽能供暖系統(tǒng)的2/3左右。因此，從長遠的觀點來看，地下土壤蓄熱被認為是跨季度長期蓄熱的最有前途的方式之一。 2100433B

用于蓄熱的土壤可以是干土、濕土。

1、干土的特點在于其熱導(dǎo)率很低，因此可以減少蓄熱庫底部和側(cè)面的熱損失，并有助于縮小蓄熱區(qū)域。當(dāng)然，在蓄熱區(qū)域的范圍內(nèi)進行適當(dāng)?shù)谋兀€可以減少蓄熱庫頂部的熱流損失。然而，由于其熱導(dǎo)率很低，使得夏季能夠進入蓄熱介質(zhì)的熱量以及冬季能夠從蓄熱介質(zhì)提取的熱量也都受到了限制。

此外，蓄熱能力還取決于土壤深度，對于長期儲存，厚度以10~15m為宜。傳熱介質(zhì)可以是水或空氣，當(dāng)用空氣做傳熱介質(zhì)時，需要較大直徑的同心套管。

2、濕土層蓄熱與干土層蓄熱類似，不同的是濕土的熱容和熱導(dǎo)率比干土大，有利于蓄熱。但熱導(dǎo)率大易導(dǎo)致漏熱量增大。其漏熱有兩種方式：一種是熱傳導(dǎo)，另一種是水的質(zhì)量擴散，即蒸發(fā)一冷凝相變傳熱。在濕土熱庫周圍增設(shè)不透水的防滲層可以降低這種熱損失。與干土層蓄熱相比，濕土層蓄熱要求有更厚的隔熱層，以防止傳熱漏熱。除了用水作為傳熱介質(zhì)外，還可以用蒸汽作為傳熱介質(zhì)。

以兩根同心圓管道作為輸熱管，外管的端部封閉。在蓄熱階段，載熱介質(zhì)(水)從分配管進入內(nèi)管并從外管流出，形成一個閉合環(huán)路，把熱量傳給土壤并儲存起來。在提熱時，管中的水流方向相反口為了減少熱損失，地面鋪設(shè)一定厚度的聚苯乙烯泡沫隔熱層。為了保證傳熱性能，外管與其周圍的土壤之間應(yīng)有良好的接觸。為了達到土壤內(nèi)溫度分層的效果，應(yīng)使載熱介質(zhì)在管內(nèi)保持低流速(約為幾毫米每秒)。

實踐表明，土壤蓄熱庫熱效率可達75%以上，是目前成本最低的季節(jié)性蓄熱庫。

蓄熱爐可分為單筒、雙筒、三筒三種。但根據(jù)燃燒氣與裂解氣的流向又可分為單向順流、單向逆流、雙向頓流、雙向逆流等幾種。

1、單簡單向順流蓄熱爐

所謂單向順流，就是燃燒氣和裂解氣流向相同。它采用問歇操作，每個操作周期由四個單元組成：即燒焦(或補油)升溫，一次吹掃，裂解制氣，二次吹掃。

2、雙筒順向蓄熱裂解爐

這種爐型是從單筒爐發(fā)展起來的。當(dāng)要求設(shè)計處理曼較大的蓄熱爐時，由于單筒爐的噴油裝置占去很大一部分空間，致使?fàn)t體增大，因此就將單筒分為兩個筒而成雙筒爐，但氣體的流向仍和單筒爐一樣。雙筒順向蓄熱裂解爐的主要優(yōu)點是白控制閥門少，操作方便；主要缺點是反應(yīng)溫度不夠平穩(wěn)，預(yù)熱需要另設(shè)一臺換熱面積較大的空氣預(yù)熱器。

3、雙筒逆向蓄熱裂解爐

所謂逆向就是燃燒氣與裂解氣流向相反，而且每裂解一次，氣體流向改變一次。

4、三筒逆向蓄熱裂解爐

這種爐型被廣泛采用于生產(chǎn)高熱值煤氣，主要由反應(yīng)部分、水蒸汽蓄熱部分、空氣蓄熱部分及燃燒部分所組成。裂解的原料為渣油，制氣過程分為鼓風(fēng)加熱期和制氣期，兩者交替進行。每個循環(huán)為4分鐘，根據(jù)工藝要求，分為八個階段，按順序操作。

蓄熱室分割式蓄熱室

橫火焰池窯每側(cè)各小爐單獨擁有的煤氣蓄熱室和空氣蓄熱室。與連通式蓄熱室相比，優(yōu)點是：調(diào)節(jié)閘板位于低溫處，較易調(diào)節(jié)各小爐的氣流量和易于實現(xiàn)窯內(nèi)縱向溫度制度和氣氛性質(zhì)的調(diào)節(jié)；可減少氣流死角，提高容積利用率；便于熱修。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，煙道長，氣流阻力大。用于對窯內(nèi)溫度制度和產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的窯爐。

蓄熱室連通式蓄熱室

橫火焰池窯每側(cè)的各小爐所共有的連通的煤氣蓄熱室和空氣蓄熱室。結(jié)構(gòu)簡單，煙道阻力小，換向時煤氣損失少。但調(diào)節(jié)閘板位于高溫處，難于正確調(diào)節(jié)各小爐的氣體分配量和窯縱向溫度分布，橫斷面上氣流分布不易均勻，容積利用率低，熱修不便。用于規(guī)模較小，占地面積受到限制，對縱向溫度分布和產(chǎn)品質(zhì)量要求不甚嚴格的窯爐。

蓄熱室箱式蓄熱室

無垂直上升道，窯內(nèi)廢氣沿小爐水平通道直接導(dǎo)入的蓄熱室。與有垂直上升道的蓄熱室相比，特點是：廢氣進入格子體前的溫降較??；氣流在格子體橫截面上的分布較均勻；氣流阻力較?。豢稍O(shè)置較高的格子體，使受熱面積加大；熱效率較高，氣體預(yù)熱溫度較高。多用于以高熱值燃料為熱源的窯爐，結(jié)構(gòu)布置較方便。

蓄熱室焦?fàn)t蓄熱室

用耐火磚砌筑的用高溫廢氣預(yù)熱空氣或貧煤氣的空間。位于焦?fàn)t爐體下部。蓄熱室長軸與焦?fàn)t長軸平行為縱向布置；兩軸垂直為橫向布置。它由小煙道、箅子磚和上部空間組成。小煙道一端與對應(yīng)的廢氣盤相接，引進空氣或貧煤氣，引出廢氣。上部空間擺滿型磚，燃燒廢氣將型磚加熱；熱型磚可把空氣或貧煤氣預(yù)熱到1000℃左右，通過頂部兩排斜道送入對應(yīng)的立火道。

蓄熱材料相變蓄熱材料

相變蓄熱材料具有蓄放熱過程近似等溫、過程容易控制等優(yōu)點是當(dāng)今蓄熱材料的研究熱點。1992年，法國首次研制出用于儲存能量的小球，把球態(tài)可變鹽襯裝在聚合物小球中，然后把小球盛裝在可變體積的容器里，蓄熱量為同樣體積水的10倍。

1998年，美國對銨礬和硝酸銨二元相變材料體系進行了研究，并將其應(yīng)用于太陽能熱水器。我國在19世紀80年代初開始開展相變蓄熱材料的研究，早期集中于相變蓄熱材料中的無機水合鹽類。由于絕大多數(shù)無機水合鹽都具有腐蝕性,相變過程存在過冷和相分離等缺點，而有機物相變材料則熱導(dǎo)率低，相變過程的傳熱性能差。為了克服單一無機物或有機物相變蓄熱材料存在的缺點，許多研究者開始開發(fā)復(fù)合相變蓄熱材料，如Udidn等以石蠟為相變材料、阿拉伯樹脂和明膠為膠囊體材料制備出膠囊型復(fù)合無機相變材料，實驗表明，膠囊化石蠟經(jīng)過1000次熱循環(huán)，仍能維持其結(jié)構(gòu)形狀和儲熱密度不變,膠囊化技術(shù)有效地解決了無機相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性問題。

Xavier制備出有機復(fù)合相變材料，將有機物相變蓄熱材料石蠟吸附在具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨內(nèi)，明顯提高了蓄熱材料的熱導(dǎo)率，如純石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.24W/m，而復(fù)合石墨后的熱導(dǎo)率提高到4一7W/m。

近年來，有機/無機納米復(fù)合材料在聚合物改性以及研制新型蓄熱材料方面得到了廣泛應(yīng)用。張正國等將有機/無機納米復(fù)合材料擴展到蓄熱材料領(lǐng)域,提出將有機相變材料與無機物進行納米復(fù)合的方案，制備出硬脂酸/膨潤土納米復(fù)合相變蓄熱材料，復(fù)合材料的相變潛熱值基本不變而儲放熱速率明顯提高，且經(jīng)1500次循環(huán)試驗后復(fù)合相變材料仍具有很好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。有機/無機復(fù)合相變蓄熱材料的制備，不僅可利用無機物的高熱導(dǎo)率來提高有機物相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性能，而且納米復(fù)合技術(shù)將有機相變儲熱材料和無機載體充分結(jié)合起來，提高復(fù)合相變蓄熱材料的蓄熱密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

蓄熱材料吸附蓄熱材料

在沸石、硅膠等多孔材料對水發(fā)生物理吸附的過程中，伴隨著大量的物理吸附熱，可以用于熱量的儲存和利用。Close等首先利用開式吸附床的吸附/解吸循環(huán)，以沸石為吸附材料、濕蒸汽(水)為載體實現(xiàn)了低溫?zé)醿Υ?。吸附蓄熱材料克服了傳統(tǒng)蓄熱方法的缺陷，在蓄熱過程中無熱量損失，為蓄熱技術(shù)開辟了新天地。

由于分子篩作為吸附蓄熱材料時對水的吸附屬于物理吸附，吸附平衡量和吸附循環(huán)量不高，因此有研究者利用沸石分子篩規(guī)整而穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，把對水吸附容量比較高的氯化鈣填充進去，從而制備出既具有高吸附蓄熱容量又具有穩(wěn)定吸附蓄熱性能的復(fù)合吸附蓄熱材料。朱冬生等以分子篩為基體，使氯化鈣填充進人分子篩制備出吸附蓄熱復(fù)合材料，實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)一合吸附劑的最大吸附量可達0. 55 kg/kg，，用于蓄熱時其蓄熱密度達到1000 kJ/kg以上，與顯熱蓄熱和相變潛熱蓄熱材料相比在蓄熱能力上具有明顯的優(yōu)勢。

除分子篩吸附蓄熱材料的應(yīng)用外，硅膠等其他多孔材料也被用于吸附蓄熱技術(shù)。如Aristov將CaCl₂植人中孔硅膠內(nèi)部，崔群等發(fā)現(xiàn)在復(fù)合吸附劑的制備過程中還需加入擴孔劑以增加孔容和孔徑，才可改善復(fù)合吸附材料的吸附性能，以使其吸附量顯著提高。

在進一步提高復(fù)合吸附蓄熱材料的蓄熱能力和循環(huán)方面，MrowierBialon用四乙氧基硅烷制成復(fù)合多孔材料，1kg該吸附劑的水蒸氣吸附量超過1kg，而且經(jīng)過50次循環(huán)實驗，該復(fù)合吸附材料的吸附性能無明顯改變。 這種由分子篩等多孔材料和吸濕性無機鹽復(fù)合而制得的吸附蓄熱材料，一方面使無機鹽的化學(xué)吸附蓄熱循環(huán)過程發(fā)生在多孔材料的孔道內(nèi)，改善了吸附蓄熱過程的傳熱和傳質(zhì)性能;另一方面，多孔材料對吸附質(zhì)也具有吸附作用，不僅提高了復(fù)合吸附材料的總吸附量和蓄熱密度，而且物理吸附作為化學(xué)吸附的前驅(qū)態(tài)還促進了無機鹽的化學(xué)吸附。