防护工程相变型水库方案应用及蓄热特性研究

侯普民　茅靳丰　陈 飞　李超峰　邢哲理　周 进

(解放军理工大学国防工程学院　南京　210007)



防护工程相变型水库方案应用及蓄热特性研究

侯普民茅靳丰陈 飞李超峰邢哲理周 进

(解放军理工大学国防工程学院南京210007)

针对防护工程内部柴油电站传统余热处理方式易造成工程口部红外暴露的问题，提出了相变蓄热型水库的三种应用方案。三种方案均可节省地下水库体积，延长工程电力保障时间，同时提高柴油电站废热利用效率。通过搭建相变蓄热系统实验台，分析了蓄热单元尺寸、换热流体流量及进口温度对蓄热水库温度分布和蓄热速率的影响。结果表明，减小单元尺寸、提高换热流体温差可明显提高水库的换热效率，而增大换热流体流量对于提高换热效率的作用不明显。

蓄热；相变材料；电站余热；防护工程

防护工程在战时肩负指挥等重要作战任务，是精确武器打击的重点对象，为防止战时供电中断，通常防护工程内部须设置备用电站[1]。电站机组运行时会产生大量高温烟气及余热，若不及时处理，则会对发电机功率、检修人员造成不良影响[2]。高温烟气主要通过作保温处理的排烟管直接排出，电站余热及机体内部热量通过外部循环排到电站冷却水库或者经冷却塔排到室外。传统处理模式简单易行，但存在以下不足：高温烟气及冷却水的直接排放严重破坏了工程红外热伪装；常规电站水库单位体积蓄热密度小，不能保障电站长时间连续运行；室外冷却塔体积庞大，易被敌人侦查发现。

为解决传统余热处理模式的不足，研究者从增强设备隐蔽效果、余热处理模式转换方面进行了大量的研究。郭鹏[3]研制了一种消烟降温机组，一定程度上满足电站的排烟要求。王晋生等[4]针对工程外部冷却塔易于暴露的特点，提出一种地下蓄冷防护型冷却塔，分析了冷却塔与柴油电站联合运行的三种模式，并进行了工程应用。张华等[5]提出一种基于地源热泵的新型空调机组，实现电站余热的转移，可增强隐蔽性，提高能源保障能力。但上述方案仅局限于余热排放的伪装效果，没有涉及这部分能量的综合利用，造成能源极大浪费。相变蓄热技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，在工业余热利用等民用领域得到了广泛的应用[6]。茅靳丰等[7]对相变材料在电站余热中的回收利用进行了分析，结果表明，在工程与外界无热交换的情况下，可较好地解决电站降温和热能回收再利用的问题。

因此，要提高防护工程战时生存能力，亟需对工程内部柴油电站余热的储存、转化及其综合利用进行系统的研究。柴油发电机组燃烧废热和烟气废热加起来约占燃油燃烧发出热量的60%～70%，这部分热量可通过相变蓄热技术进一步得到利用。

1 相变蓄热型水库应用方案

相变蓄热型水库具有蓄热密度大、体积小，蓄热和释热时材料接近恒温，过程易于控制等优点。该方案直接用于新建工程可节省地下水库体积，或对已建工程进行改造，可延长工程电力保障时间。针对电站机房降温方案，对防护工程进行相变蓄热型水库方案改造，分为电站机房采用风冷冷却、水冷冷却、风冷和水冷相结合三种情况。

1.1 电站机房采用风冷冷却的情况

当电站机房采用风冷冷却时，系统示意如图1(a)所示。由于冷却和换气所需进、排风风量较大，因此，进排风管道、进排风机、口部人防设备和土建工程量也较大，口部管线布置困难，且当工程外空气遭到污染时，因通风换气量大，电站机房很快会被污染，给工作人员操作和事后恢复运行增加困难。为此，本文提出将机头散热器由风-水换热器改为水-水换热器，并配以蓄热型水库，在不降低电力保障标准的情况下，可节省建筑空间，减小进、排风口尺寸和进、排风机装机容量及其相应的人防设备，节省投资。改造后系统示意如图1(b)所示。

图1 风冷冷却系统改造前、后原理图Fig.1 Schematic diagram of air-cooled system before and after improvement

1.2 电站机房采用水冷冷却的情况

当电站机房采用水冷闭式循环时，系统示意如图2(a)所示，其原先配有冷却水库，可在原有常规水库上直接改造成蓄热型水库。若在原有水库上直接改造不能满足新的人防等级要求，则需要将原常规水库扩建成蓄热型水库，改造后系统示意如图2(b)所示。

另外，当柴油机冷却系统采用开式循环时，与闭式循环相比，其不具备水-水换热器，此时不再分内、外循环，系统示意如图3(a)所示。开式循环系统本身配有内部水库，可直接将水库改造或扩建为相变蓄热型水库，改造后系统示意如图3(b)所示。

图2 水冷闭式循环系统改造前、后原理图Fig.2 Schematic diagram of closed water-cooled system before and after improvement

图3 水冷开式循环系统改造前、后原理图Fig.3 Schematic diagram of open water-cooled system before and after improvement

1柴油发电机 2油库 3进风机 4排烟管 5排风机 6送风管 7排风管 8水泵 9常规水库(蓄热型水库)10冷却水管网 11消烟降温机组图4 风冷+水冷蓄热型水库方案平面图Fig.4 Plan of air-cooled and water-cooled thermal storage reservoir

1.3 电站机房采用风冷和水冷相结合的情况

风冷和水冷相结合是指在风冷冷却的基础上，再利用少量冷却水对空气降温冷却。如果冬季工程内、外温差较大，可全部采用风冷冷却的方案。夏季室外空气温度高，风冷冷却方案不能满足冷却要求，可同时开启水冷冷却。该方案亦配有常规水库，可在原有常规水库上直接改造或扩建为相变蓄热型水库，方案平面图如图4所示。

2 蓄热特性影响因素分析

国内外学者对相变蓄热装置的传热特性进行了大量的研究[8-11]，并有一些学者提出了相应的传热模型，可以对系统的多种热性能参数进行分析计算[12-15]。相变蓄热型水库采用圆柱形相变蓄热单元重复构筑而成，蓄热单元内实验用相变材料为三水醋酸钠基复合相变材料[16-18]，其物性参数如表1所示。为了分析相变水库蓄热特性的影响因素，笔者自行设计了相变蓄热装置，搭建了相变蓄热实验台，系统示意如图5所示。实验设备及仪器主要有：自制相变蓄热装置，蓄热单元，恒温水箱，U形管电加热器，恒温控制器，铜-康铜E型热电偶若干个(测量精度0.5%)，热电偶模块及数据采集系统，可编程控制器(PLC)，计算机，热水管道泵，自来水系统。

实验台热水管路上的设备及水管全部采用橡塑海绵作保温处理，蓄热装置的水流方向采取下进上回的形式，进水口和出水口分别设在容器的左右两边，便于形成的流道与更多的蓄热单元交换热量。实验中通过调节恒温控制器设定值改变储能装置进口水温，调节水管上阀门的开度改变水流流量。整个堆积床的换热区的长度L为80 cm，热电偶的位置x沿流向分别在0，16，40，64和80 cm处，其相对位置X=x/L分别为0，0.2，0.5，0.8和1.0，如图5所示。

表1 相变材料物性参数

图5 实验台系统图Fig.5 Experimental table system diagram

2.1 蓄热单元尺寸的影响

为研究蓄热单元尺寸对相变蓄热型水库传热特性的影响，改变柱型蓄热单元直径大小，并保持其他参数不变，分别计算蓄热装置沿轴向无量纲温度θ，

(1)

式中：Tf为换热流体温度， ℃；Tin为换热流体进口温度， ℃；Tm为相变温度， ℃。

由图6可见，在蓄热过程中，换热流体进口水温为70 ℃，流量为2.31 kg/(m2·s)时，蓄热单元直径分别为50 mm，72 mm和100 mm三种条件下，时间为30 min时无量纲温度随X的分布。由图可知，蓄热单元直径越小，蓄热装置的无量纲温度越低，即流体沿轴向温度变化越明显，蓄热单元的蓄热作用越强。

图7所示为上述三种条件下的蓄热速率q随无量纲时间Fo的变化曲线。

(2)

式中：ap为相变材料导温系数，m2/s；τ为时间，s；R为蓄热单元半径，m。

对比三种直径下的蓄热速率曲线可以看出，当单元尺寸减小时，蓄热速率增加。这是由于直径较小的蓄热单元热阻较小，融化速率较快。

图6 单元尺寸对温度分布的影响Fig.6 Effect of unit dimension on temperature distribution

2.2 换热流体流量的影响

为了研究换热流体流量对蓄热型水库传热特性的影响，改变换热流体的流量，并保持其他参数不变，分别计算换热流体沿轴向的温度分布。由图8可以看出，在蓄热过程中，进口水温为70 ℃，流量分别为2.31，3.43和6.93 kg/(m2·s)三种工况下，时间为30 min时无量纲温度随X的分布。可以看出，当换热流体流量增大时，蓄热装置进、出口温差减小，这表示融化时出口温度升高。

图9所示为上述三种工况下的蓄热速率q随无量纲时间Fo的变化曲线。从图中可以看出，当换热流体流量增加时，蓄热速率变化较小。这是由于流量的增大虽然可以提高流速，但同时会降低进出口温差。并且，在融化的初期和中期，速率下降并不快，这是由于随着融化过程的进行，自然对流作用加快潜热释放的结果。

图7 单元尺寸对蓄热速率的影响Fig.7 Effect of unit dimension on thermal storage rate

图8 流量对温度分布的影响Fig.8 Effect of flux on temperature distribution

图9 流量对蓄热速率的影响Fig.9 Effect of flux on thermal storage rate

2.3 换热流体进口温度的影响

为了研究换热流体的进口温度对相变蓄热型水库传热特性的影响，改变换热流体的进口温度，即改变无因次量Ste*数，并保持其他参数不变，记录换热流体出口温度随时间的变化。由图10可以看出，在蓄热过程中，换热流体流量为2.31 kg/(m2·s)，进口温度分别为65 ℃，70 ℃和80 ℃三种工况下的出口水温，此时温度对应的Ste*数分别为0.0853，0.146和0.268。另外，从图10还可以看出，进口水温越高，其出口水温也越高，并且随着融化过程的进行逐渐升高。

图10 进口温度对出口水温的影响Fig.10 Effect of inlet temperature on outlet temperature

图11 进口温度对蓄热速率的影响Fig.11 Effect of inlet temperature on thermal storage rate

图11所示为上述三种工况下的蓄热速率曲线。从图中可以看出，进口温度对堆积床的蓄热速率影响较大，进口温度与储热材料的相变温度的温差越大，即Ste*数越大，换热速率越大，且换热速率的差别在融化的前期表现得尤为明显，在后期换热速率的温差逐渐减小。

3 结论

通过相变蓄热型水库的应用，可将电站余热进行吸收、储存、利用，解决了电站余热排放易造成口部暴露的问题，能够有效增强防护工程的红外隐身效果，提高电站废热利用效率。相变蓄热型水库用于新建工程，可缩减水库体积，节省地下建筑空间，减少建筑费用；用于已建的工程，可延长电力保障时间，满足工程防护等级提高的要求。通过实验研究蓄热单元尺寸、换热流体流量、换热流体进口温度对蓄热水库传热的影响，发现减小蓄热单元尺寸、提高换热流体进出口温差是优化水库传热的有效方式。笔者认为，通过对蓄热装置传热特性的研究，为蓄热型水库的性能分析、结构优化打下了基础，提高了相变蓄热型水库的适用性。

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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

简介

茅靳丰，男，教授，博士生导师，解放军理工大学国防工程学院，136051589236，E-mail: maojinfeng628@sina.com。研究方向：地下工程热湿传递及除湿技术，国防工程内部设备防护及空气质量控制。