一種新型相變材料及其熱管式換熱器的研究

1、一種新型相變材料及其熱管式換熱器的研究l4制冷技術(shù)2010年第4期一種新型相變材料及其熱管式換熱器的研究章學(xué)來米,于關(guān),于樹軒,林原培,施敏敏(上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所,上海200135)【摘要】首先研究了一種新型的相變儲能材料,通過對氫氧化鋇晶體機(jī)理的研究,實(shí)驗(yàn)選擇了其有效添加劑,最后通過DSC測試對新型材料的熔點(diǎn)和潛熱值進(jìn)行了測定,驗(yàn)證了其高效穩(wěn)定的蓄熱性能.然后設(shè)計(jì)一套節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器,將實(shí)驗(yàn)所得的相變材料運(yùn)用其中.經(jīng)實(shí)驗(yàn),氫氧化鋇加6%氯化鋇蓄熱體系,相變溫度為76一78,過冷度在1oC左右,相變持續(xù)時(shí)問大約在26分鐘,該劑量能夠較好的抑制分層,減小過冷度,保證放熱速率,利

2、用鍋爐排放的煙氣作為熱源,采用熱管作為加熱元件,并在煙氣段添加環(huán)形翹片,加熱冷水,成為集加熱,蓄熱,換熱,保溫等功能為一體的節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器.【關(guān)鍵詞】相變材料氫氧化鋇煙氣余熱熱管式換熱器ResearchonanewphasechangematerialandrelatedheatpipeexchangerZhangXuelai,YuMei,YuShuxuan,LinYuanpei,ShiMinmin(ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,China)【Abstract】Anewphasechangematerialanditscryst

3、almechanismwereintroduced.Properadditivewasselectedthroughexperiment,andthelatentheatandmeltingpointweremeasuredbyDSCmethod.ResultshaveshownBa(OH)2?8H2Ohavinghighlyefficientandstableheatstorageproperties.AsetofenergysavingthermalstorageheatpipeexchangerusingBa(OH)2?8H2Oasthephasechangematerialwasdes

4、igned.Theexchangerutilizesexhaustgasesfromboilersasheatsourceandheatpipeasheatingelement,addingringfinatthegassection.Thereforeitbecomemultifunctionalheatpipeexchangerintegratedwithheating,thermalstorage,heatexchangeandheatinsulation.【Keywords】phasechangematerial;Ba(OH)2?8H2O;exhaustwaste;heatpipehe

5、atexchanger0前言蓄熱材料作為節(jié)能技術(shù)的重要課題,受到各國科學(xué)家的高度重視,成為一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域.研究和尋找蓄熱密度高,相變溫度合適,重復(fù)性良好的相變材料是相變蓄熱技術(shù)的關(guān)鍵.在研究物質(zhì)相變過程的能量傳遞的同時(shí),還應(yīng)注重物質(zhì)本身的物理化學(xué)變化.需要按照工程和產(chǎn)品的要求對相變蓄熱材料進(jìn)行篩選,選擇合適添加劑配方,反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證其物理化學(xué)性能是否滿足多次使用后仍保持重復(fù)性良好.作為具有廣泛應(yīng)用的水合鹽類相變蓄熱材料,目前存在的主要問題就是放熱過程存在較嚴(yán)重的過冷現(xiàn)象和相分離,影響了相變蓄熱材料的放熱穩(wěn)定性和使用壽命.相對放熱過程,蓄熱過程則比較穩(wěn)定.因此相變蓄熱材料的實(shí)驗(yàn)及理論研究主要集

6、中在放熱過程.而解決過冷和相分離問題行之有效的方法即加入成核劑和增稠劑.熱管是一種具有很高傳熱性能的元件,它可將大量熱量通過其很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸而無需外加動力,其工作溫區(qū)從一273一直到1000c【=.熱管具有其他傳熱技術(shù)所不具備的許多優(yōu)點(diǎn):卓越的傳熱效率及可靠性,隔離性,低阻力,體積小,可控制等.因此,熱管及熱管換熱器已經(jīng)在越來越廣闊的領(lǐng)域取得米章學(xué)來(1985一),男,博士,上海海事大學(xué)教授.通訊地址:海浦東新區(qū)浦東大道1550號,郵編:200135.電子郵箱:cn.基金資助:上海海事大學(xué)科技基金(項(xiàng)目編號:2008469)2010年第4期制冷技術(shù)15

7、卓有成效的應(yīng)用J.隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,能耗增大與能源緊張的矛盾越來越嚴(yán)重.熱管以其優(yōu)良的性能,在節(jié)約能源和新能源開發(fā)方面的研究得到了充分的重視,用熱管組成換熱器來回收廢熱,并將其用于工業(yè)以節(jié)約能源.目前世界上熱管換熱器的應(yīng)用研究己經(jīng)在回收工業(yè)排氣中的余熱,電子元件和儀器的散熱,以及在自然能源方面和化學(xué)工程方面的利用等方面取得了結(jié)果,進(jìn)入了定型生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化階段.在制冷空調(diào)行業(yè)由于冷熱流體間的溫差小,熱管及熱管換熱器技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性,使之成為實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗,高效率,冷熱源多樣性,走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)之一,在實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處和可持續(xù)發(fā)展方面,具有廣闊的發(fā)展前景.在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,針

8、對蓄熱溫度比較空缺的低溫范圍內(nèi)的較高溫度7085,對結(jié)晶水合鹽類相變材料一氫氧化鋇(Ba(OH):?8HO)的蓄熱,放熱性能進(jìn)行研究.同時(shí),設(shè)計(jì)一種利用實(shí)驗(yàn)所得的相變材料,采用熱管作為加熱元件的多功能節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器.1相變材料的實(shí)驗(yàn)與性能測試1.1機(jī)理分析氫氧化鋇是無色單斜結(jié)晶或白色結(jié)晶,密度為2.18g./em,熔點(diǎn)72,具有較高的相變潛熱244kJ/kg,溶于水,微溶于醇,不溶于丙酮,其水溶液呈強(qiáng)堿性,在空氣中極易吸收二氧化碳而成碳酸鋇J.但是氫氧化鋇有毒,和較強(qiáng)的腐蝕性,對皮膚也有一定的刺激性.使其在使用過程中有一定的局限性.但如果將其和陶瓷基合理的結(jié)合運(yùn)用,將其放人陶瓷機(jī)體

9、內(nèi),就可以有效地解決它這種缺陷.由重晶石高溫還原焙燒,浸取,靜置澄清液與鹽酸反應(yīng),生成氯化鋇溶液與過量燒堿于100oC110進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng).1.2添加劑篩選實(shí)驗(yàn)添加劑篩選實(shí)驗(yàn)中,選取了硫酸鋇BaSO,氯化鋇BaC1,作為添加劑.分別將它們加入氫氧化鋇中,組成兩種實(shí)驗(yàn)用氫氧化鋇蓄熱體系.通過對蓄熱體系相變溫度和相變持續(xù)時(shí)間的測定,找出具有較好成核效果的添加劑.選用如下幾種組合.(1)純物質(zhì)氫氧化鋇;(2)氫氧化鋇中加入硫酸鋇,其所占蓄熱體系的質(zhì)量百分比為6%;(3)氫氧化鋇中加入氯化鋇,其所占蓄熱體系的質(zhì)量百分比為6%.第一組純八水氫氧化鋇融化凝固狀態(tài)均很穩(wěn)定,過冷度小于3oC,相變過程大概持續(xù)

10、26分鐘左右,過程平穩(wěn),但是在熔融狀態(tài)出現(xiàn)分層現(xiàn)象,經(jīng)觀察分為3層.第一層呈白色泡沫狀,第二層呈透明狀液體,第三層呈白色沉淀狀.凝固狀態(tài)出現(xiàn)的狀況與熔融狀態(tài)相同.可見,分層現(xiàn)象是氫氧化鋇須解決的最大問題.圖1為根據(jù)組態(tài)王監(jiān)控軟件所測的數(shù)據(jù)整理的純氫氧化鋇的時(shí)間溫度變化曲線圖.時(shí)I1日J(rèn)/rain圖1純氫氧化鋇的時(shí)間一溫度變化曲線圖第二組蓄熱體系仍存在明顯分層現(xiàn)象,較純物質(zhì)氫氧化鋇來說,該蓄熱體系分為兩層,之前的白色泡沫體消失,而白色沉淀增加.因此,加入硫酸鋇并沒有有效地解決氫氧化鋇得分層問題.第三組蓄熱體系在熔融和凝固狀態(tài)均表現(xiàn)出良好的相變儲能材料性能,過冷度小于1oC,相變過程持續(xù)大約26分

11、鐘,過程相當(dāng)平穩(wěn),無明顯分層現(xiàn)象,可見加入6%氯化鋇之后,不僅過冷度減小了,分層現(xiàn)象也消失了.所以這種組合是一種較為理想的蓄熱體系,圖2根據(jù)組態(tài)王監(jiān)控軟件所測數(shù)據(jù)整理的時(shí)間一溫度變化曲線圖.908070605O40廷3020l0O時(shí)問/rain圖2氫氧化鋇加6%氯化鋇時(shí)間一溫度變化曲線圖1.3DSG測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析純氫氧化鋇相變潛熱DSC測試曲線見圖3.l6制冷技術(shù)2010年第4期寤震/C圖3純氫氧化鋇DSC曲線由測試曲線可知,實(shí)驗(yàn)中所用的氫氧化鋇相變潛熱為244.448J/g,熔點(diǎn)為71.37,但文獻(xiàn)中所記錄的相變潛熱為267J/g,熔點(diǎn)為78有少許差別.造成這種結(jié)果的原因可能有以下幾種.

12、(1)無法對相變材料在實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到100%密封,結(jié)晶水熔融后可能在高溫下蒸發(fā),相變材料反復(fù)熔融一凝固會出現(xiàn)結(jié)晶水的部分損失.再結(jié)晶時(shí)的失水會使材料的晶體結(jié)構(gòu)變化,最終導(dǎo)致材料的蓄熱作用失效.(2)在35g左右的蓄熱材料中取質(zhì)量為幾毫克的樣品,實(shí)際上難免存在取樣的不均勻性,相變潛熱的實(shí)驗(yàn)值也會相應(yīng)有所偏差.同時(shí),DSC測試的樣本并非同一樣本的反復(fù)循環(huán)實(shí)驗(yàn),而是在試管中反復(fù)加熱融化一冷卻后分別取的不同樣本,這也造成部分偏差的存在氫氧化鋇加6%氯化鋇的DSC循環(huán)測試曲線見圖4溫度/C圖4氫氧化鋇加6%氯化鋇DSC曲線由測試曲線可知,實(shí)驗(yàn)中所用的氫氧化鋇和氯化鋇蓄熱體的相變潛熱217.164J/g,

13、熔點(diǎn)為71.78,相比較于純物質(zhì)氫氧化鋇的潛熱值有所下降,熔點(diǎn)有所上升,造成此種狀況可能的原因是由于氯化鋇的相變潛熱值都比氫氧化鋇小,而它的熔點(diǎn)很高,所以造成混合了氯化鋇之后的氫氧化鋇蓄熱體的潛熱值下降,熔點(diǎn)上升的現(xiàn)象.另外,氫氧化鋇容易吸收空氣中的二氧化碳,反應(yīng)生成碳酸鋇,也可能是導(dǎo)致熔點(diǎn)上升和潛熱值下降的原因之一.2熱管式換熱器2.1運(yùn)用相變材料的熱管式換熱器簡述熱管式換熱器在為解決工業(yè)余熱回收中供,需雙方在時(shí)間,地點(diǎn),強(qiáng)度等方面的不匹配現(xiàn)象,將熱管應(yīng)用于相變蓄熱領(lǐng)域中,設(shè)計(jì)了熱管式相變蓄熱換熱裝置.將實(shí)驗(yàn)所得的相變材料運(yùn)用其中,利用鍋爐排放的煙氣作為熱源,采用熱管作為加熱元件,并在煙氣段

14、添加環(huán)形翹片,加熱冷水,使其成為多功能的節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器.裝置不僅有儲熱,釋熱的一般功能,而且還具備取放熱同時(shí)進(jìn)行的功能,在此功能下,熱源的熱量可以瞬時(shí),有效的傳遞給進(jìn)行取熱的流體.而被相變材料所吸收的熱量僅占很少的部分.通過一定工況下的計(jì)算表明,約70%的熱量可被傳遞給取熱流體.2.2工作原理換熱器大致分3層,第一層冷流體通道,中間為蓄熱體空間,第三層為熱流體通道,三層互相獨(dú)立,互不相通.在熱流體通道內(nèi)有帶翹片換熱元件的熱管,上面兩層均為光管,自上而下貫穿3個(gè)空間,傳遞熱量.通過時(shí)間溫度控制器控制煙氣熱量通過加熱翅片管加熱相變材料Ba(OH)?8H0,加熱至80,停止煙氣輸送.相變

15、材料發(fā)生相變,儲存顯熱與潛熱,通過均布的熱管傳遞到水中,將水加熱至50cC,相變材料Ba(OH)?8H0也逐漸發(fā)生晶格變化一凝固,釋放所存潛熱后其溫度開始下降,溫度下降到55時(shí),由于設(shè)計(jì)換熱溫差為5,出水溫度低于45,視為放熱完畢,此時(shí)可恢復(fù)煙氣輸送加熱,可以達(dá)到邊蓄邊供的效果.2.3換熱器示意圖2.3.1換熱器結(jié)構(gòu)圖換熱器結(jié)構(gòu)圖見圖5.2010年第4期制冷技術(shù)17a)熱管換熱器主視圖b)熱管換熱器側(cè)視圖c)換熱器煙氣側(cè)剖視圖1一保溫層,2一熱管,3一隔板,4一導(dǎo)熱金屬翹片,5一底部金屬支撐,6一溫度時(shí)間控制器,7一出水L_1,8一煙氣溫度調(diào)節(jié)閥,9一煙氣進(jìn)El,10一溫度時(shí)問控制器,11一進(jìn)

16、水口,12一溫度時(shí)間控制器,l3一煙氣出15,14一相變材料,15一吹灰通道圖5換熱器結(jié)構(gòu)圖2.3.2管子排列示意圖換熱器管子排列示意圖見圖6.fl圖6管子排列示意圖(單位ram)3結(jié)論相變材料換熱技術(shù)與熱管技術(shù)有效的結(jié)合起來無疑是一種非常高效的新型節(jié)能技術(shù),一般的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低,將熱管作為換熱元件應(yīng)用于相變蓄熱領(lǐng)域中是改進(jìn)相變蓄熱系統(tǒng),提高其換熱效率的一個(gè)重要手段,還合理利用了排氣余熱,不僅在最大程度上節(jié)省了燃料,而且降低了污染物排放量,滿足我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求.蓄熱體系的過冷度可以達(dá)到令人滿意的程度.該蓄熱體系的相變溫度為7678,過冷度在1左右,相變持續(xù)時(shí)間大約在26分鐘.經(jīng)過

17、十次循環(huán)后的結(jié)果表明,該添加劑量能夠較好的抑制分層,減小過冷度,保證放熱速率,并且重復(fù)性良好.(3)設(shè)計(jì)了一套節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器,將實(shí)驗(yàn)所得的相變材料運(yùn)用其中,利用鍋爐排放的煙氣作為熱源,采用熱管作為加熱元件,并在煙氣段添加環(huán)形翹片,加熱冷水,使其成為集加熱,蓄熱,換熱,保溫等功能為一體的節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器.參考文獻(xiàn)1宋婧,曾令可,任雪潭等.蓄熱材料的研究現(xiàn)狀及展望J.陶瓷,2007,(1):59.2王志強(qiáng),曹明禮,龔安華等.相變儲熱材料的種類,應(yīng)用及展望J.安徽化工,2005,134(2):9一lO.3莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2000.4李華昌,符斌.實(shí)用化學(xué)手冊M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2【x】6通過實(shí)驗(yàn)研究與測試,可以得到以下結(jié)論:霉:,7暑相變儲能的研究進(jìn)展與應(yīng)用材(1)氫氧化鋇是一種很有開發(fā)潛質(zhì)的無機(jī)水合6A.AdvaneinHeatPipeTe.hn0l.gy.1981,(3):479鹽類相變蓄熱材料.但它有明顯的分層現(xiàn)象,所以可一58