相變式蓄熱器強化傳熱方法的研究

1、相變式蓄熱（換熱）器強化傳熱方法的研究楊 嵩（150437）（東南大學 能源與環(huán)境學院，江蘇省南京市，210000）摘要：本文主要對近些年以來在相變式蓄熱（換熱）器強化傳熱方面的部分研究成果進行簡要介紹。在參考相關10多篇文獻的基礎下，作者針對性的選取了其中5篇進行綜述，分別從蓄熱（換熱）器強化換熱設計、表面強化結構、相變工質優(yōu)化蓄熱三個方面對相變式蓄熱器的強化傳熱機理和效果進行了介紹。使用的方法主要涉及：建模推導公式、數值分析、實驗對比等。關鍵詞：蓄熱器；強化傳熱；相變液?。环枪簿嘧?；相變材料；換熱工質0 引言：長期以來，我國的經濟增長都是依靠消耗大量的不可再生能源實現(xiàn)的，對于煤炭、天然氣

2、、石油以及其他化石能源的消耗均位于世界前列。據國家統(tǒng)計局公布的數據，2014年我國的能源消耗總量達到了42.6億噸標準煤，其中煤炭占比66.0%，石油占比17.1%，天然氣占比6.2%，其他新型能源只占到10.7%。與此同時，我國又是一個傳統(tǒng)能源人均占有量極低的國家，能源緊缺、環(huán)境污染尤其是大氣污染等問題日益凸顯，嚴重制約著我國施行的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。如何提高能源利用率，有效節(jié)約資源，等，逐漸成為社會各界關注的焦點，大量學者正致力于這一方向的研究。相變式蓄熱（換熱）器作為一種新型的儲能裝置，主要應用于廢熱和余熱的儲存和利用，已越來越廣泛的使用在生產生活中，其運行機理簡單，即利用相變材料( PCM

3、: phase change material) 的固液相變過程來完成能量的存儲和釋放。其優(yōu)點是容積小, 蓄熱密度大, 恒溫放（吸）熱。根據不同的實際應用，相變式蓄熱器的種類眾多，但是強化傳熱的措施大致為：1、針對相變工質的強化傳熱。2、蓄熱（換熱）器強化傳熱結構的設計。3、表面結構和各種肋結構，等。本文將結合計算、模擬及實驗對以上幾點強化方案進行具體分析。1 幾種基于結構設計的強化方案1.1 列管式相變蓄熱器考慮到列管式換熱器具有傳熱面積大、結構緊湊、操作彈性大等優(yōu)點，可以有效彌補相變式蓄熱中相變工質導熱率低、儲能、釋能速率低等弱點。有人將它作為一種強化傳熱的設計方案提出，并做出了相關工作，

4、其中包括：對采用內肋片強化換熱的列管式相變蓄熱器的儲熱過程進行數值模擬，研究了列管的排列方式以及PCM 導熱系數對蓄熱器儲熱速率的影響，為列管式相變蓄熱器的設計及性能優(yōu)化提供依據。11.1.1 物理和數學模型以正三角形叉排排列的列管式相變蓄熱器為物理模型（圖1），熱空氣從左端入口，通 圖 1過均流孔板后流經封裝PCM 各單管管列，與PCM 進行熱量交換，經換熱后從右端流出。設計各單管管徑為46 mm，管壁厚2 mm；一般認為管間距與管徑比值（中心距）在1.25 以上為宜，取管間距為64 mm，比值為1.28。基于叉排列管的對稱性化，取模型中一個單元區(qū)域進行計算和模擬。蓄熱器簡化模擬模 表 1型

5、如圖2 所示，所用PCM及HTF 的物性參數見表1。 圖2PCM 熔化過程采用焓-孔隙率模型，此模型用液相率（）來描述PCM 的物態(tài)。即當=1時，PCM為液態(tài)，=0時，PCM 為固態(tài)，而當0<<1時，PCM處于相變狀態(tài)。焓-孔隙率模型假設液相率等于孔隙率，其計算方式如式(1)所示 連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：其中的能量方程可以將對流項省略，不考慮內熱源，簡化得到：，其中：式中，H 為 PCM 的總焓值，kJ/kg；href 為參考溫度下的焓值，kJ/kg； 為PCM 的密度，kg/m3；Tref 為參考溫度，K；Cp為定壓比熱容，J·/(kg·K)； 為導熱

6、系數，W/(m·K)；L 為相變潛熱，kJ/kg；T為任意時刻溫度，K；TS為 PCM 凝固溫度，K；TL為 PCM 熔化溫度，K；SE為能量方式源項；SK 為動量方程源項。該項中的 為一個很小的常數，取值為0.0001，避免分母等于零；Amush 為模糊區(qū)常數，反映相變前沿形態(tài)，常取值為104107；為隨著熔化進行固相脫離模糊區(qū)的牽引速度。該源項為表述由于固相材料的存在而產生的壓降。1.1.2 數值模擬結果分析及結論圖3 所示為特定流體工況條件下（雷諾數Re=4871、史蒂芬數Ste=0.331 ）的流線圖，我們可以看到在低雷諾數的工況條件下，列管式蓄熱器內HTF與PCM的換熱存在

7、以下特點：一是管束前段沖刷充分，換熱系數較高，具有良好的換熱效果。從圖4中可以看出前段前部溫度較高；管束后段由于流動進入負壓力梯度階段，使得分離點后邊界層從管束壁面脫離，盡管此區(qū)域仍存在馬蹄形漩渦系，但是在一般流速下對傳熱的強化影響 圖3 甚微，因此傳熱效果減弱。圖4中可以看到管子后部的溫度較低。 圖4 圖5 Nfn=0 Nfn=1 Nfn=21.1.3 列管的排列方式對儲熱性能的影響通過實驗可以得出正三角形排管PCM熔化時間要比正方形排管少，也就是說在其他條件相同的情況下，前者的儲熱速率更快。這主要是因為與正方形相比正三角形的結構更緊湊，對流體的擾動和被流體沖刷的程圖6度更劇烈。這兩種結構對

8、于儲熱換熱性能則影響不大。1.1.4 內置肋片對儲熱換熱性能的影響如圖5中設計三種不同內置肋片的管子，然后分析運行同一時段后的換熱效果，根據圖6可以清晰的看出具有十字結構的2肋片結構換熱效果最佳，其次是1肋片結構，最差是無肋片光管。實驗得出使用最后一種十字肋片結構可以使得PCM完全熔化時間縮短52.6%，因而強化傳熱效果明顯。1.1.5 PCM導熱系數對傳熱性能的影響根據實驗得出，PCM導熱系數對相變過程的影響很大，體現(xiàn)在導熱系數大，熔化時間越短，特別是當PCM導熱系數小于1.0 W/(mK) 時，該參數對蓄熱器的換熱效果作用最為明顯。1.2相變-液浴式換熱器的設計原理及性能分析21 、常壓相

9、變- 液浴式換熱器的工作原理 圖 7 先介紹“相變換熱”和“液浴換熱”的概念。所謂液浴換熱指的是這樣一種換熱方式：換熱室中充滿液態(tài)熱媒介質,放熱和吸熱流體換熱面都被淹沒在液態(tài)熱媒之中,液態(tài)熱媒吸收放熱流體的熱量后上浮、將熱量傳給吸熱流體后下沉,當熱媒的上浮與下沉同時進行時,熱量即連續(xù)不斷地從放熱流體傳遞至吸熱流體。根據熱媒介質是否飽和又可將這種傳熱方式分成飽和液浴式換熱和過冷液浴式換熱。所謂相變換熱指的是換熱室中熱媒介質的液位處在吸熱流體換熱面和放熱流體換熱面之間,放熱流體換熱面淹沒在液態(tài)熱媒中,吸熱流體換熱面暴露在液面上方的汽態(tài)熱媒中,液態(tài)熱媒通過放熱流體換熱面吸收放熱流體的熱量后蒸發(fā)并上升

10、至汽態(tài)空間,汽態(tài)熱媒通過吸熱流體換熱面將熱量釋放給吸熱流體后凝結并滴回液態(tài)熱媒中,當蒸發(fā)與凝結同時進行,且蒸發(fā)量與凝結量保持相等時,液態(tài)熱媒的液位不變,熱量即連續(xù)不斷地從放熱流體傳遞至吸熱流體。此時,放熱流體換熱表面上的換熱方式為沸騰換熱,吸熱流體換熱表面上的換熱方式為凝結換熱。本節(jié)所研究的“相變-液浴并存換熱器”（如圖7所示）是基于以上兩種換熱方式的組合，是指吸熱流體換熱面的一部分淹沒在液態(tài)熱媒之中處于“飽和液浴換熱”狀態(tài),而其余部分暴露在汽態(tài)熱媒之中處于“相變換熱”狀態(tài)的兩種換熱方式并存的換熱方式。其實驗裝置設計如圖8所示。2、實驗方法和結果分析在進行“過冷液浴換熱”實驗時,先將換熱室內的

11、熱媒水悶燒至85 左右,然后打開循環(huán)水調節(jié)閥,調節(jié)循環(huán)水流量和電加圖8熱量,使熱媒水的溫度逐漸逼近90 ,并保持在90 左右,在15 min之內若熱媒水溫度的波動小于1 ,即可認為達到穩(wěn)態(tài),并記錄實驗數據。在進行“飽和液浴換熱”實驗時,先將熱媒水加熱至接近100 ,然后調節(jié)循環(huán)水流量和電加熱量,使熱媒水的溫度保持在100 ,循環(huán)水換熱管全部淹沒在熱媒水中,在15 min之內若熱媒水的水位波動很小時,即可認為達到穩(wěn)態(tài),并記錄實驗數據。在進行“相變換熱”實驗時,首先將熱媒水加熱至沸騰,通過排氣閥排除不凝結性氣體,然后關閉排氣閥繼續(xù)加熱,使熱媒水通過連通管排至膨脹箱,循環(huán)水換熱管完全暴露在熱媒水位之

12、上,最后細調循環(huán)水流量和電加熱量,在15 min之內若熱媒水的水位波動很小,即可認為達到穩(wěn)態(tài),并記錄實驗數據。實驗中測得的數據主要有:循環(huán)水流量、循環(huán)水進出口溫度、熱媒水溫度、調壓器電壓等。換熱器模型的主要參數有:循環(huán)水管的規(guī)格尺寸、電加熱器的電阻等。通過對這些數據和參數的處理,可分別得出三種傳熱圖9方式下循環(huán)水換熱面上的熱流密度q、傳熱系數k隨管內循環(huán)水Re 數的變化情況。對于實驗結果我們只截取了管外傳熱系數k進行分析，如圖9所示，在不同的雷諾數下我們通過上述實驗方法分別得出了“過冷液浴傳熱”、“相變-液浴傳熱”以及“相變傳熱”三種情況下管外傳熱系數k與雷諾數之間的關系，將其繪與一張圖中進行

13、比較。我們可以看出：總體來說,傳熱效果較好的換熱方式依次是:“相變換熱”、“飽和液浴換熱”和“過冷液浴換熱”。而且隨著管內雷諾數的增加，三種傳熱方式的傳熱效果朝著差異更明顯的趨勢發(fā)展。分析其原因,在管內Re數很小時,管內熱阻在整個傳熱過程中所占的比重較大而管外熱阻所占的比重較小,此時把管外的換熱方式由“過冷液浴換熱”改善為“飽和液浴換熱”或“相變換熱”,對總體傳熱效果的增強都不甚明顯。但在管內Re 數較大時,管外熱阻所占的比重較大,此時把管外的換熱方式由“過冷液浴換熱”改為“飽和液浴換熱”以及進一步改為“相變換熱”,傳熱效果就依次明顯增強了。經過實驗研究我們可以看出“常壓相變-液浴換熱器”的優(yōu)

14、點體現(xiàn)在將“液浴”和“相變”兩種換熱方式巧妙結合起來，通過控制熱媒介質液面高度來優(yōu)化傳熱效果并保證足夠的污垢附加負荷，使得在高負荷設計工況下利用“相變”強化換熱，在低負荷設計工況下利用“液浴或部分液浴”降低傳熱系數，并在運行一段時間產生污垢后能繼續(xù)維持穩(wěn)定負荷。因而“常壓相變-液浴換熱器”不僅是一種強化換熱設計更是一種優(yōu)化設計。2 強化傳熱表面結構及幾何形狀的研究雖然相變式蓄熱器具有突出的優(yōu)點，但是其缺點也較為明顯，由于相變介質固態(tài)傳熱熱阻一般很大，這就使得壁面處的相變工質一旦凝固，傳熱效果便會惡化，對蓄熱（傳熱）器的運行負荷產生了極大的制約。針對這一難題，主要的緩解方法有兩種：1、強化傳熱表

15、面結構、幾何形狀（如肋片、彎管等），2、選擇合適的相變材料，利用添加物改變相變材料性質，等。下面首先介紹前者。2.1一種利用彎管強化相變儲熱傳熱的方法本節(jié)主要對采用彎管流體通道加強換熱的儲熱換熱器進行模擬研究。研究結果與直管通道的儲熱換熱器進行比較，同時分別對比研究了不同進口溫度和進口速度對換熱行為的影響。3圖 10這里使用熱焓模型，將相變區(qū)域看成多孔介質，根據孔隙率（液相率）來判斷材料所處的相態(tài)，建立方程和邊界、初始條件（詳細公式及建模過程請參見文獻3），選用的PCM和流體材料分別為：氫氧化鈉和三硝酸鹽。對圖10所示（a）、（b）兩種管子進行不同工況下的數值模擬。下面我們來對結果進行分析。2

16、.1.1直管和彎管對比圖 11圖11所示的是直管M1和彎管L1在加熱流體進口溫度為613K、流速為0.54m/s工況下，PCM熔化速率函數?？梢院苋菀椎目闯?，L1要比M1更快地熔化，其完全熔化時間縮短20%，顯著提高了蓄熱器的傳熱性能。其原因是：首先，在L1與M1體積相同的情況下，彎管的外表面積要大于直管的外表面積，所以彎管增加了換熱面積；其次，由于彎管內部流體的流動產生二次流，提高了換熱系數，加快了換熱進程。2.1.2 進口流速、進口溫度對儲熱的影響通過模擬研究，還得出了加熱流體在不同進口流速和溫度條件下的PCM熔化速率，如下圖所示。圖12顯示的是在相同入口溫度（613K）條件下，改變入口流

17、速對熔化速率的影響。不難發(fā)現(xiàn)，當入口速度大于0.54m/s后，PCM熔化時間隨速度的增加略微縮短。尤其是熔化率低于90%的階段，不同入口速度下的熔化速率幾乎相同?？梢姰斶M口速度大于0.54m/s時，加熱流體速度不是影響蓄熱性能的主要因素。圖13顯示的則是相同入口速度條件下（0.54m/s），不同入口溫度對熔化速率的影響。從模擬結果可以看出，進口溫度提高對PCM的熔化有顯著影響。在溫度從600K提高到613K的情況下，熔化時間縮短45.8%。進口溫度的升高使換熱溫差增大，加快了熔化速度，并且效果要明顯好于增加進口速度的方法。圖 12 圖 132.1.3 彎管形狀對換熱的影響圖14 表示了不同進口

18、截面對熔化速率的影響。進口形狀為橢圓，徑比為長軸與短軸長度之比。從圖14和圖15（縱坐標為熔化時間）的模擬結果可以看出，進口形狀為橢圓的熔化效果不一定比圓形的好。圖14 圖 15當徑比分別為1.31、1.52 和2.56 時，熔化速率比圓形進口慢，熔化時間長。而當徑比為1.78 時，其熔化速率比圓形進口快，同時熔化時間明顯縮短?？梢?，熔化時間與徑比之間不是線性關系。這主要是因為彎管越扁平，越有利于提高換熱管外扁平側的熔化，但卻不利于迪恩渦的形成，削弱了彎管外側的換熱，二者的相互作用使徑比約為1.78 時為最佳徑比關系，此時熔化所需要的時間最短。因此，從上述的模擬結果和對結果的分析中我們可以得出

19、最佳彎管尺寸及運行工況，為相關實驗研究提供了參考。2.2 管外肋片的結構對相變傳熱器制冰速率的影響相變式換熱器在制冰技術上的應用非常廣泛，如何有效的強化相變端（冰-水界面）傳熱、加快凝固速率，是這一技術需要解決的核心問題。圓形肋管因其結構簡單、成本低、強化換熱明顯等特點，普遍應用于此類換熱器的設計之中。N. Kayansayan對這類問題進行了深入分析，通過數值模擬和實驗測量得出了肋管肋片結構、尺寸等因素對相變速率的影響。本文將對部分內容進行介紹，詳細內容請參見4。2.2.1 建模方法概述N. Kayansayan認為利用肋管進行換熱的過程可以分成三部分進行考慮：i）HTF管內流動傳熱問題，i

20、i）包括肋片在內的管壁導熱問題，iii）管外PCM凝固過程中有移動邊界層的傳熱問題。分別對這三部分數學建模、設置邊界和初始條件然后進行數值計算。圖 16圖 17對于建模數值公式的推導和邊界條件的介紹可以參見文獻，這里忽略不表，需要強調的是在公式的推導過程中作者進行了一些近似的假設，這些假設會對最后的結果產生影響，使得和實驗結果存在一定偏差，假設主要包括有：i）管內傳熱忽略軸向導熱，ii）管內為完全發(fā)展段，iii）HTF、PCM、管壁及肋片材料均為各項同性介質且具有常物性，iv）忽略相變界面附加液體密度差產生的運動影響，v）相變產生的徑向流用時間平均數來考慮。2.2.2 結果與討論 圖 18圖1

21、8左描述了在相同Ste數和相同相對肋長條件下，不同肋片密度和不同Pe數對凍結體積數FVF的影響。可以看出相同Pe條件下，肋片密度為31時對應的FVF要大于肋片密度為14時。右圖中我們可以看出在相同Ste數條件下，改變肋片相對長度、肋片密度和Pe數對無量綱存儲熱（冷）量Q的影響，可以得出相同Ste數條件下，較大值的肋片密度（23）和相對長度（3.2）要比較小值（14/2.7）獲得更高的冷存儲（制冰）速度。而對于運行工況來講，制冰速度隨著Ste數的增加而增加。 再通過圖19分析相對肋片長度與Q之間的關系，在相同工況條件和相同肋片密度下，相對肋片長度越長，Q增長的速度就越快，冷存儲性能就越高。除此之

22、外，實驗和數值模擬都得出了相似的結論，當流動處于層流階段，改變肋片密度和相對長度對于冷存儲性能的影響甚微。當流動進入湍流以后，冷存儲性能會隨著肋片密度和相對長度的增加而顯著提升，但是肋片密度和相對長度讀不可以無限大，這不要是受到相鄰肋片干擾和綜合經濟技術指標的影響，N.Kayansayan通過多種比較實驗得出最佳尺寸和使用范圍：Nfn =31， Dfn = 3.2，Re>2300。存儲性能提升45%。圖 193 利用相變工質的熱性質強化傳熱技術PCM作為相變式蓄熱（傳熱）器最重要的組成部分，它的熱性對于儲熱性能起著至關重要的作用。如何選擇PCM材料不在本文的研究范圍之內，這里只對一種應用

23、于太陽能吸熱蓄熱器中的非共晶相變材料強化傳熱的原理進行簡要介紹。在實際應用過程中，單一PCM相變蓄熱器往往存在局限性，例如文獻5所提到的NASA在空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中使用的一款圓柱型吸熱蓄熱器，其在運行中就出現(xiàn)了入口部分未實現(xiàn)蓄熱效果、出口溫度不穩(wěn)定等問題。主要原因可以歸結為，換熱器較長時管內不同位置的溫度存在較大差別，由于單一PCM的相變溫度較高，就使得入口段部分單元PCM無法發(fā)生相變。侯欣賓等人針對這一問題開展了研究，提出了非共晶相變混合材料應用于此類問題的解決方法。3.1二元共晶系統(tǒng)相變圖分析 圖 20 圖 21圖20所示的是二元共晶系統(tǒng)在不同配比下的相變溫度變化。其中對應組元A，

24、對應組元B，A的熔點在C。在A中加入組元B后(B熔點在D)，熔點沿線CE隨成份逐漸下降，直到E點，兩相同時結晶，稱為共晶點。E點左右兩端的任一點上A、B兩種組元的比例都不能同時發(fā)生相變，就稱為非共晶點，如I點。選用I點的配比方式，可以看到這種混合PCM的相變存在一定的溫度范圍，這一特性會有效提高蓄熱器的換熱性能。3.2相關計算結論圖21為熱器換熱管模型，通過實驗我們可以知道使用單一PCM存在蓄熱裝置入口段集熱效果不佳，PCM熔化率較小的問題。針對這一問題，分別使用單一PCM及非共景點類混合PCM按照上述裝置在相同輻射強度和工況下進行計算，得出以下結論。圖22圖22.對應換熱管軸向24個蓄熱單元

25、的最小和最大PcM熔化率的比較，其中(a)為單PCM方案，(b)為本文計算方案。從圖中可以看出，單PCM換熱管在給定工作條件下前6個單元在整個軌道期都不會熔化，意味著這6個單元的潛熱蓄熱能力沒有任何利用，造成相變材料蓄熱能力的較大損失。這里提出的方案也主要是為了提高換熱管人口段的相變材料的利用率。根據目前的工作狀況，最好的辦法就是降低入口段PCM單元肋相變點。需要強調的是，以上結果都是基于數值計算得出的，相關熱物性都是假設的一種情況，如實際操作，還需要在實際材料當中選取配料，并通過熱性能實驗進行分析，包括熔點、熱穩(wěn)定性、導熱性能、密度、比熱容等在內的參數。從而探索出一種最佳的混合材料。參考文獻1韓廣順，王培倫，金翼， “列管式相變蓄熱器性能強化的模擬”儲能科學與技術Vol.4 No.2 Mar. 20152張莉,齊進,姚秀平,“常壓相變液浴式換熱器傳熱特性的初步研究”節(jié)能技術Vol . 23 ,Sum.No. 134 Nov. 2005 ,No. 63王培倫，彭志堅，王述浩，“彎管強化相變儲熱傳熱特性的模擬”儲能科學與技術Vol.1 No.2 Nov.20124 N. Kayansayan , M. Ali Acar,”Ice formation around a finned-tube heat exchanger for cold