翅片管簇式相變蓄熱器的實驗研究

摘 要

摘要：設計了一種翅片管簇式相變蓄熱器，對其進行實驗研究。翅片管簇式相變蓄熱器能有效地解決相變蓄熱裝置放熱過程時間長、換熱效率低的問題，具有很好的工程應用潛力。關鍵詞：翅
摘要：設計了一種翅片管簇式相變蓄熱器，對其進行實驗研究。翅片管簇式相變蓄熱器能有效地解決相變蓄熱裝置放熱過程時間長、換熱效率低的問題，具有很好的工程應用潛力。
關鍵詞：翅片管簇式相變蓄熱器；相變蓄熱；相變材料；蓄熱；放熱
Experimental Study of Finned-tube Bundle Phase-change Heat Storage Device
LI Wei，LI Xinguo
Abstract：A finned-tube bundle phase-change heat storage device is designed and studied experimentally.The finned-tube bundle phase-change heat storage device can effectively solve the problems of long-time heat release and low heat exchange efficiency，and so it has a good potential for engineering applications.
Key words：finned-tube bundle phase-change heat storage device；phase-change heat storage；phase-change material；heat storage；heat release
1 概述
   蓄熱的基本形式有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱以及熱化學蓄熱。熱化學蓄熱的蓄熱密度高，但系統(tǒng)復雜，還沒有得到廣泛的工業(yè)應用。顯熱蓄熱利用材料的熱容進行蓄熱，是目前應用最成熟的蓄熱方式，但因為其蓄熱密度低，蓄熱裝置體積龐大，成本及空間占用較大。潛熱蓄熱也稱相變蓄熱，利用相變材料(PCM)發(fā)生相變時會吸收或放出大量的熱能來進行蓄熱，相變蓄熱具有蓄熱密度高、放熱過程溫度波動小等優(yōu)點。
    相變蓄熱技術的利用有很早的歷史，在我國古代人們就將冬天的冰蓄存到夏天，以改善生活環(huán)境或冰鎮(zhèn)食品。物質的相變方式有固-液相變、固-氣相變和液-氣相變，其中固-液相變蓄熱過程體積變化小，研究和利用最為廣泛，本文研究的相變蓄熱過程是固-液相變。除了新能源領域，相變蓄熱技術在航天、建筑、化工等很多領域都有非常好的應用前景，發(fā)達國家在研究高蓄熱密度、性能穩(wěn)定、低成本的相變材料及相變蓄熱技術上取得了很大的進展[1～5]，我國近年來在這一領域也取得了長足的進步[6～8]，但與國外仍然存在明顯的差距。
    本文設計了一種翅片管簇式相變蓄熱器，管內為換熱流體，入口溫度為恒溫，管外為相變材料。搭建了實驗臺，對相變蓄熱器內的溫度分布及其蓄、放熱特性進行實驗研究。
2 實驗裝置與系統(tǒng)
    ① 翅片管簇式相變蓄熱器的結構
    翅片管簇式相變蓄熱器主要由箱體、保溫層、翅片管、相變材料等構成，結構見圖1。箱體中布置有多組翅片管，成蛇行排列，相變材料放置在翅片管與箱體、翅片管與翅片管之間，翅片管內有換熱流體(水)流過，箱體外覆有保溫層。其中翅片管結構形式為在光滑管壁上按一定間距焊接翅片。多組翅片管錯列布置在箱體內，可以使箱體內相變材料的溫度保持均勻，從而保證熱量交換的穩(wěn)定均勻。在箱蓋外表面覆有保溫層，減少蓄熱器的熱損失。另外，在箱蓋上表面制有便于打開箱蓋的提手，更加方便安裝及使用。

    ② 實驗系統(tǒng)
    搭建實驗臺，對翅片管簇式相變蓄熱器的蓄、放熱特性及其內部相變材料的熔化、凝固過程進行研究。恒溫水槽保證供應溫度恒定的冷、熱水，水槽里布置有加熱器，外部與空調機組相連接，還布置有熱電偶對水溫進行監(jiān)控，并由調溫裝置保證水槽內水溫恒定。恒溫水通過水管被水泵送入翅片管簇式相變蓄熱器中，與相變材料進行熱量交換，水流量通過手動閥門來調節(jié)，并通過一個渦輪流量計進行測量。溫度的測量通過熱電偶、數(shù)據(jù)采集器和電腦終端完成。
   ③ 相變材料
   以石蠟為相變材料，其物理性質為：密度為800kg/m3；比熱容為2kJ/(kg·K)；液相的熱導率為0.20W/(m·K)，固相的熱導率為0.27W/(m·K)；運動黏度為5×10-6m2/s；相變潛熱為140kJ/kg；熔化溫度為41℃，凝固溫度為47℃。
   ④ 實驗流程
   本實驗研究兩個過程：蓄熱過程和放熱過程。進行蓄熱時，關閉空調機組，并關斷水箱與空調機組間的通路。接通電加熱器，對水進行加熱，電加熱功率由調壓器和可控硅調節(jié)。當水溫達到設定的加熱溫度時，開啟水泵，將熱水通過管道輸送到相變蓄熱器的進水管，然后進入箱體內的翅片管，與管外的相變材料換熱。相變材料吸收熱量，逐漸熔化，即把熱水的顯熱蓄存到相變材料里。當相變材料全部熔化時，蓄熱過程便完成了。
    放熱過程一般在蓄熱過程結束后進行，這樣可以節(jié)省實驗的時間和人力成本。當蓄熱完成后，關閉電加熱器，開啟空調機組，將水箱的水溫降下來，達到設定的冷卻溫度后，開啟水泵，往蓄熱器中通入冷水，吸收相變材料中蓄存的熱量。液態(tài)的相變材料放出熱量，并逐漸凝固，當相變材料全部凝固后，放熱過程便完成了。
    實驗中，主要測量蓄熱器內的溫度分布，水側進、出口溫度以及水流量等。蓄熱器內的溫度分布由安裝在其內部的熱電偶測量，蓄熱器內沿高度方向等距離布置5支熱電偶，從下到上依次編號為1#至5#。另外在蓄熱器水側進口和出口處布置兩支熱電偶，以測量水側進、出口溫度。測溫熱電偶均為銅-康銅熱電偶，直徑為0.2mm，用數(shù)據(jù)采集器對溫度數(shù)據(jù)進行采集。
3 結果與討論
    進口質量流量為1.0t/h，進口水溫為55℃時，蓄熱時相變蓄熱器內的溫度分布見圖2。由圖2可知，蓄熱開始時，各測點溫度升高很快，這是因為管壁與石蠟的傳熱溫差很大，且石蠟還未達到熔化溫度，為顯熱換熱；當達到熔化溫度后，石蠟開始熔化，此時為潛熱換熱，溫度變化比較平緩；之后石蠟溫度又比較快速地上升，并接近水管內水溫，由于這時石蠟熔化過程基本完成，又變?yōu)轱@熱換熱。
    進口質量流量為1.0t/h，進口水溫為40℃時，放熱時相變蓄熱器內的溫度分布見圖3。由圖3可知，放熱過程中，石蠟的溫度變化為：先較快降低，然后平緩降低，之后又快速降低。這同樣是由于石蠟相變的影響作用。
    一般來說，在相變蓄熱技術應用中，由于自然對流的存在，蓄熱過程(熔化)進行得更快一些，特別是對于尺寸較大的蓄熱裝置，放熱過程完成的時間會很長。這是相變蓄熱技術的瓶頸之一，嚴重制約了其推廣應用。比較圖2和圖3可知，蓄熱過程和放熱過程完成的時間差別并不大，這是因為文中設計的相變蓄熱器采用翅片管簇，使相變材料的溫度變化更均勻，優(yōu)化了裝置的傳熱性能。

   將本文設計的翅片管簇式相變蓄熱器應用到某蓄熱系統(tǒng)示范工程中，對其實際效果進行分析，發(fā)現(xiàn)它發(fā)揮了明顯的作用，使水箱溫度波動較大的問題得到了緩解。在實際應用中，相變蓄熱器的使用可以大大減小水箱的體積，甚至完全代替水箱，這會降低工程成本和減小占用的空間。
4 結論
   由于具有蓄熱密度高、溫度較恒定等優(yōu)點，相變蓄熱技術的應用日趨廣泛。本文的研究結果表明：翅片管簇式相變蓄熱器能有效地解決相變蓄熱裝置放熱過程時間長、換熱效率低的問題，具有很好的工程應用潛力。
參考文獻：
[1] FRANCIS A，NEIL H，EAMESS P，et al.A review of materials，heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems(LHTESS)[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(2)：615-628.
[2] ZALBA B，MARLN J M，CABEZA L F.et al.Review on thermal energy storage with phase change materials，heat transfer analysis and applications[J].Applied Therreal Engineering，2003，23(13)：251-283.
[3] VERMA P.Review of mathematical modeling on latent heat thermal energy storage systems using phase-change material[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(4)：999-1031.
[4] ZUKOWSKI M.Mathematical modeling and numerical simulation of a short term thermal energy storage system using phase change material for heating applications[J].Energy Conversion and Management，2007，48(1)：155-165.
[5] SINGH H，SAINI R P，SAINI J S.A review on packed bed solar energy storage systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(3)：1059-1069.
[6] 孫學峰，周志華，李勇剛.相變材料在暖通空調的應用[J].煤氣與熱力，2006，26(4)：67-69.
[7] 郭春梅，張志剛，呂建，等.相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)的應用[J].煤氣與熱力，2011，31(2)：A08-A10.
[8] 王元，劉曉光，楊俊杰，等.相變儲能技術的研究進展與應用[J].煤氣與熱力，2010，30(9)：A10-A12.
 
(本文作者：李偉1 李新國2 1.天津城市建設學院 能源與機械工程系 天津 300384；2.天津大學機械工程學院 天津 300072)