于程，吳梁玉，曹鵬，戴俏波

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

儲能產(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(shù)方面的專業(yè)人才，提升我國儲能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，教育部等多部委聯(lián)合發(fā)布了《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）》。但高?，F(xiàn)有儲能技術(shù)人才培養(yǎng)體系尚待完善，相關(guān)學(xué)科專業(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)有的儲能方法主要分為機械儲能、化學(xué)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(shù)，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(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能技術(shù)的應(yīng)用。此外，固液相變儲能過程涉及相變傳熱、熱傳導(dǎo)、相界面演化、相界面?zhèn)鳠岬冗^程非常復(fù)雜并且相互耦合，學(xué)生僅通過傳統(tǒng)的課堂教學(xué)難以充分理解并掌握其相關(guān)的專業(yè)知識。但現(xiàn)有的固液相變儲能相關(guān)實驗教學(xué)、實踐培訓(xùn)的教學(xué)平臺還較為欠缺。因此，亟需開展固液相變儲能的實驗教學(xué)平臺開發(fā)，以滿足儲能技術(shù)專業(yè)的固液相變儲能實驗教學(xué)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(xué)平臺，開展固液相變儲能技術(shù)實驗教學(xué)工作，幫助學(xué)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(guān)優(yōu)化方法，有效提升儲能技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實驗設(shè)計

1．1 冰蓄冷可視化實驗教學(xué)平臺的設(shè)計搭建

開展固液相變儲能技術(shù)實驗教學(xué)工作，本文設(shè)計并搭建了冰蓄冷可視化實驗教學(xué)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(xué)平臺系統(tǒng)圖

1．2 冰蓄冷可視化實驗教學(xué)平臺的教學(xué)案例設(shè)計

冰蓄冷可視化實驗教學(xué)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(xué)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(xué)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(yù)熱：啟動實驗教學(xué)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(fù)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(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(dǎo)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(xué)平臺的教學(xué)應(yīng)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(xué)平臺，可以作為學(xué)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(xué)內(nèi)容。任課老師可以在課堂教學(xué)之間穿插設(shè)置基于可視化實驗教學(xué)平臺的實驗教學(xué)活動，將實驗教學(xué)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(guān)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(guān)系進行深入講解剖析，從而加深學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，強化教學(xué)效果。

此外，該平臺還可作為學(xué)生課外研學(xué)的平臺，讓學(xué)生結(jié)合平臺自主設(shè)計實驗內(nèi)容，對設(shè)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(xué)生的創(chuàng)新意識。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并搭建了冰蓄冷可視化實驗教學(xué)平臺，并開展了肋片與泡沫金屬強化冰蓄冷性能實驗教學(xué)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(xué)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(xué)質(zhì)量的提高以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，推動儲能技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)方法改革。