于程，吳梁玉，曹鵬，戴俏波

（1.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096）

儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)作為新能源發(fā)展的核心支撐，在我國(guó)國(guó)家能源戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃中具有重要的地位。為培育儲(chǔ)能技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)人才，提升我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，教育部等多部委聯(lián)合發(fā)布了《儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2020—2024年）》。但高校現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)人才培養(yǎng)體系尚待完善，相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)尚待健全，相關(guān)教學(xué)支撐設(shè)備和條件較為缺乏。

現(xiàn)有的儲(chǔ)能方法主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能等幾種類(lèi)型，其中熱儲(chǔ)能，特別是固液相變儲(chǔ)能技術(shù)，因可以提供較大的儲(chǔ)能密度，而且在相變過(guò)程中具有在特定溫度點(diǎn)附近近似等溫的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中備受關(guān)注。但固液相變材料的低導(dǎo)熱率制約了固液相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。此外，固液相變儲(chǔ)能過(guò)程涉及相變傳熱、熱傳導(dǎo)、相界面演化、相界面?zhèn)鳠岬冗^(guò)程非常復(fù)雜并且相互耦合，學(xué)生僅通過(guò)傳統(tǒng)的課堂教學(xué)難以充分理解并掌握其相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。但現(xiàn)有的固液相變儲(chǔ)能相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)的教學(xué)平臺(tái)還較為欠缺。因此，亟需開(kāi)展固液相變儲(chǔ)能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)的固液相變儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

綜上所述，本項(xiàng)目將采用水作為工質(zhì)，搭建冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)展固液相變儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，幫助學(xué)生掌握固液相變儲(chǔ)能過(guò)程中的能質(zhì)傳遞規(guī)律，了解固液相變儲(chǔ)能相關(guān)優(yōu)化方法，有效提升儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)搭建

開(kāi)展固液相變儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，本文設(shè)計(jì)并搭建了冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，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(jī)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(cè)蓄冰模塊內(nèi)溫度演化。蓄冰過(guò)程中采用乙二醇水溶液作為冷媒，通過(guò)調(diào)整冷媒的溫度，探究不同邊界溫度對(duì)冰蓄冷性能的影響，認(rèn)識(shí)冰蓄冷過(guò)程中的固液相變傳熱規(guī)律。通過(guò)攝像儀動(dòng)態(tài)觀測(cè)蓄冰過(guò)程中冰水界面形貌的演化過(guò)程，分析蓄冰過(guò)程中自然對(duì)流的影響，并通過(guò)增加泡沫金屬探索冰蓄冷性能強(qiáng)化方法。

圖1 冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)圖

1．2 冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的核心內(nèi)容是通過(guò)攝像儀實(shí)時(shí)記錄冰蓄冷過(guò)程中固液相界面的動(dòng)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(guò)程中的能質(zhì)傳遞規(guī)律及強(qiáng)化方法。

實(shí)驗(yàn)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(cè)試其工作狀態(tài)。

（2）密封性測(cè)試：連接實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的各個(gè)組件，開(kāi)啟工質(zhì)循環(huán)管路，檢查所有通道、閥門(mén)、接口是否有液體滲漏，確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(yù)熱：?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使得蓄冰模塊進(jìn)入初始工作狀態(tài)，內(nèi)部溫度達(dá)到初始實(shí)驗(yàn)溫度（誤差＜1℃）。

（5）冰蓄冷實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)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(guò)攝像儀記錄固液相界面演化，并采用數(shù)據(jù)采集儀檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)特性，直至蓄冰模塊內(nèi)水全部凝固。

（6）強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)：將泡沫金屬嵌入肋片式蓄冰模塊的間隙中，接著重復(fù)步驟(2)～(5)，觀察并記錄系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)，通過(guò)攝像儀記錄固液相界面演化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 冰蓄冷過(guò)程中固液相界面演化（肋片結(jié)構(gòu)）

該實(shí)驗(yàn)首先對(duì)采用肋片結(jié)構(gòu)的蓄冷模塊進(jìn)行測(cè)試，由于金屬肋片的高導(dǎo)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(kuò)大，但仍然主要集中金屬肋片和套管附近。由于水的自然對(duì)流特性，在前期冰蓄冷過(guò)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(shí)，冰層的較差的導(dǎo)熱性能影響了蓄冰的速率。到了120min左右，整個(gè)蓄冰區(qū)域的冰/水固液相界面會(huì)越來(lái)越趨向于圓形，蓄冰過(guò)程接近完成。

圖3 冰蓄冷過(guò)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(qiáng)化方法，本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化模塊的結(jié)冰從肋片根部開(kāi)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(kuò)展，并且固液相界面輪廓上下對(duì)稱(chēng)。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(jìn)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?gòu)?qiáng)化蓄冰模塊的徑向溫度演化。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)初期，降溫速度非?？?，隨后進(jìn)入固液相變過(guò)程，由于相變吸熱溫度保持基本不變，隨著水凝固為冰又開(kāi)始快速降溫。對(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中也始終保持溫度最低。

3 蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用

從前述實(shí)驗(yàn)案例可以看出，利用本文所建立的冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以作為學(xué)生提供直觀了解固液相變儲(chǔ)能規(guī)律的平臺(tái)，豐富傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容。任課老師可以在課堂教學(xué)之間穿插設(shè)置基于可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂講述相結(jié)合，從上述直觀可視化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，尤其相界面演化特性及其與流動(dòng)傳熱特性間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入講解剖析，從而加深學(xué)生對(duì)固液相變儲(chǔ)能過(guò)程能質(zhì)傳遞規(guī)律的理解與掌握，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，強(qiáng)化教學(xué)效果。

此外，該平臺(tái)還可作為學(xué)生課外研學(xué)的平臺(tái)，讓學(xué)生結(jié)合平臺(tái)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步探索固液相變儲(chǔ)能的優(yōu)化方案，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并搭建了冰蓄冷可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并開(kāi)展了肋片與泡沫金屬?gòu)?qiáng)化冰蓄冷性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例研究，動(dòng)態(tài)觀測(cè)了固液相變過(guò)程中的相界面演化，分析了冰蓄冷過(guò)程中的固液相變能質(zhì)傳遞規(guī)律與強(qiáng)化方法。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀認(rèn)識(shí)固液相變現(xiàn)象，從而進(jìn)一步加深對(duì)固液相變儲(chǔ)能抽象理論和知識(shí)的理解認(rèn)識(shí)，有助于教學(xué)質(zhì)量的提高以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。