相變儲(chǔ)熱換熱器蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)研究

相變儲(chǔ)熱換熱器蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)研究

0相變傳熱系統(tǒng)的研究能源危機(jī)和污染已經(jīng)成為制約人類社會(huì)發(fā)展的重要因素。發(fā)展可支配能源，提高能源利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)作為能源消耗大國(guó),能源浪費(fèi)和利用率低現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。相變蓄熱技術(shù)具有儲(chǔ)能密度高、相變過(guò)程近似等溫等優(yōu)點(diǎn),這對(duì)于解決太陽(yáng)能和工業(yè)余熱廢熱供需時(shí)間上的不匹配,實(shí)現(xiàn)電力“移峰填谷”,以及工業(yè)建筑和民用建筑空調(diào)節(jié)能,具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,對(duì)于相變蓄熱技術(shù)的研究主要包括相變材料研究和熱物理問(wèn)題研究。相變材料研究包括不同材料的物性、壽命及穩(wěn)定性等,熱物理問(wèn)題研究則主要包括固-液相變傳熱機(jī)理、提高相變材料的導(dǎo)熱能力、儲(chǔ)熱裝置的強(qiáng)化傳熱以及不同溫度蓄熱(換熱)器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況等。通過(guò)添加高導(dǎo)熱率的材料可以大幅提高傳熱的速率,這些強(qiáng)化傳熱的材料包括金屬基體、翅片、均勻分散的高導(dǎo)熱粒子和碳纖維等。Cabeza進(jìn)行了3種不同材料的強(qiáng)化產(chǎn)熱實(shí)驗(yàn),所用材料分別為不銹鋼片、銅片和石墨基質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),PCM-石墨復(fù)合材料的傳熱效果明顯優(yōu)于不銹鋼片和銅片。吳志根通過(guò)實(shí)驗(yàn),對(duì)金屬泡沫、膨脹石墨在高溫蓄熱系統(tǒng)中強(qiáng)化換熱進(jìn)行了研究,通過(guò)頂部和底部加熱相變蓄熱器的不同的加熱方式,進(jìn)一步揭示了多孔介質(zhì)對(duì)自然對(duì)流的影響。Banaszek對(duì)采用螺旋式結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。崔海亭利用數(shù)值軟件模擬了多套管式相變蓄熱的蓄放熱過(guò)程,結(jié)果表明,合理增加內(nèi)管數(shù)量可以提高相變過(guò)程中的流換熱強(qiáng)度和蓄熱能力。楊小平建立了熔鹽球形填充床相變蓄熱系統(tǒng)的傳熱模型,采用亞硝酸鈉作為相變材料密封在不銹鋼球中,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)相變蓄熱過(guò)程中的傳熱特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,可為蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。徐偉強(qiáng)建立了微重力下相變蓄熱容器的仿真計(jì)算模型,根據(jù)蓄熱容器內(nèi)凝固過(guò)程的仿真結(jié)果建立了更加符合實(shí)際的空穴分布模型,對(duì)改善蓄熱器的性能具有重要指導(dǎo)意義。朱恂對(duì)石蠟為相變材料的螺旋盤管蓄熱器的蓄放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了通過(guò)在石蠟中添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶對(duì)石蠟螺旋盤管蓄放熱性能的影響。王增義設(shè)計(jì)了一整套熱管式相變蓄熱換熱器,對(duì)其蓄放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文引入新型平板熱管這種高效傳熱元件,并在平板熱管兩側(cè)添加縱向翅片,設(shè)計(jì)一套新型平板熱管式相變蓄熱器,以石蠟作為相變蓄熱材料,對(duì)其蓄、放熱過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1平板熱管道的實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)原理1.1平板熱換熱器簡(jiǎn)介新型平板熱管式相變蓄熱換熱器分為上、中、下3部分,其中上部小水箱是取熱流體通道,中間部分為儲(chǔ)能室,用來(lái)填裝相變儲(chǔ)能材料,下部小水箱是供熱流體通道。三者采用分段式設(shè)計(jì),互不相通。作為傳熱元件的U型熱管底部貼在底部小水箱上表面,將導(dǎo)熱硅脂均勻涂于下部水箱換熱表面,由螺絲壓緊固定。在U型熱管上部,水平熱管扁平表面貼在上部取熱小水箱上進(jìn)行換熱。圖1給出了新型平板熱管式相變蓄熱換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。本文所用平板熱管是通過(guò)整理擠壓而成的平板結(jié)構(gòu),平板內(nèi)部設(shè)置多個(gè)通孔,通孔內(nèi)壁上設(shè)置有微翅片,相鄰微翅片間構(gòu)成毛細(xì)微槽,瞳孔內(nèi)灌裝工質(zhì)為丙酮,平板兩端密封,從而構(gòu)成整體式的平板熱管。由于通孔內(nèi)設(shè)置有大量微翅片,可以形成大量毛細(xì)微槽,熱管比表面積大幅增加,在相同的散熱效率下,可以大幅減小體積。同時(shí),對(duì)于平板換熱面,采用平板熱管具有熱阻小、換熱效率高的特性,是傳統(tǒng)圓形熱管所無(wú)法比擬的。蓄熱換熱器采用分段式設(shè)計(jì),下部小水箱是供熱流體通道,通過(guò)熱水時(shí),與下部熱水小水箱上表面緊密貼合的U型熱管蒸發(fā)段受熱,內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)上流,整個(gè)熱管翅片受熱,石蠟熔化,蓄熱器開始蓄熱。上部小水箱是取熱流體通道,通過(guò)冷水時(shí),與上部小水箱下表面緊密貼合的U型熱管冷凝段給水箱加熱進(jìn)而加熱冷水,蓄熱器開始放熱。這種換熱器既可以實(shí)現(xiàn)單純儲(chǔ)能過(guò)程,又可以實(shí)現(xiàn)單純放能過(guò)程,還可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)、放能過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,在工程應(yīng)用中,可根據(jù)實(shí)際情況靈活改變。本實(shí)驗(yàn)研究中,采用58℃石蠟作為相變材料,通過(guò)改變供、取熱流體的溫度及流量對(duì)平板熱管式相變蓄熱換熱器進(jìn)行了研究。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)裝置主要由平板熱管式蓄熱換熱器、恒溫水浴(寧波新芝生物科技股份有限公司DC-1015,額定流量6L/min)、交流電源構(gòu)成。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的流量,在水浴外環(huán)路加裝水泵(上海甲乙機(jī)電有限公司YRS25/6,最大揚(yáng)程為6m,最大流量為40L/min),實(shí)驗(yàn)中,以閥門調(diào)節(jié)控制流量,由流量計(jì)測(cè)試實(shí)際流量(流量計(jì)為天津儀表有限公司出品的金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì),量程為25~250L/h,測(cè)量精度為±1.5%)。實(shí)驗(yàn)所用閥門均為普通球閥。本文溫度測(cè)量熱電偶均采用k型熱電偶,熱電阻采用pt100熱電阻,測(cè)溫范圍為0~100℃。實(shí)驗(yàn)中熱源加熱熱水到90,95℃,分別對(duì)蓄熱換熱器中石蠟融化過(guò)程以及底部的小水箱進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)試。作為冷源端的恒溫水浴的水溫保持在15℃,同時(shí),分別調(diào)節(jié)水流量在100,150,200L/h對(duì)換熱器凝固過(guò)程以及水溫進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)試。該蓄熱換熱器中,熱管寬40mm,厚3mm,翅片尺寸間距為6.5mm,翅片高30.5mm,寬50mm,厚度為0.7mm。上、下小水箱進(jìn)出口測(cè)溫元件為熱電阻,4個(gè)熱電阻分別為201測(cè)點(diǎn)(上進(jìn))、202測(cè)點(diǎn)(上出)、203測(cè)點(diǎn)(下出)、204測(cè)點(diǎn)(下進(jìn))。在蓄熱器內(nèi)部布置3個(gè)熱電偶,底部為210測(cè)點(diǎn),上部靠?jī)蛇吘壏謩e為214測(cè)點(diǎn)、217測(cè)點(diǎn)。當(dāng)頂部214測(cè)點(diǎn)、217測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)溫度均超過(guò)石蠟熔點(diǎn)溫度可認(rèn)為石蠟全部熔化完成。2結(jié)果與數(shù)據(jù)分析2.1石蠟鋼網(wǎng)溫度分析圖3給出了供熱流體入口溫度在90,95℃時(shí)蓄熱器中不同測(cè)點(diǎn)處石蠟的溫度變化。由圖3可知:210測(cè)點(diǎn)在蓄熱器底部,離供熱水箱距離較近,214和217測(cè)點(diǎn)設(shè)置在蓄熱器儲(chǔ)能室頂部正面和側(cè)面兩側(cè),處于同一水平面上,均與210測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn),故而在整個(gè)熔化過(guò)程中,210測(cè)點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)高于214和217測(cè)點(diǎn),而214和217測(cè)點(diǎn)的溫度相差不大。在初始時(shí)段,蓄熱器石蠟為固體,由于固體石蠟顯熱比熱容較小,因此測(cè)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)的趨勢(shì)為開始時(shí)溫度升高速率較快,當(dāng)固體石蠟溫度達(dá)到熔點(diǎn)后,進(jìn)入潛熱熔化階段,溫度升高速度變慢,曲線斜率減小,當(dāng)石蠟完全熔化后,液體石蠟開始顯熱蓄熱,溫升速度又開始加大。值得注意的是,圖3(b)中,在熔化階段過(guò)后,蓄熱器溫度有快速趨于一致的趨勢(shì),210、214、217這3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫差減小很快。214測(cè)點(diǎn)為正面測(cè)點(diǎn),其距離翅片基部1cm處,而217測(cè)點(diǎn)為側(cè)面測(cè)點(diǎn),其距離翅片頂部1cm處,由于翅片基部比翅片頂部溫度高,故214和217測(cè)點(diǎn)一開始溫度基本保持一致,到一定熔化時(shí)間后,214測(cè)點(diǎn)的溫度超過(guò)217測(cè)點(diǎn)的溫度。由于210、214、217這3個(gè)測(cè)點(diǎn)位于蓄熱器的底部和頂部,會(huì)受到自然對(duì)流的一定影響,溫度略有波動(dòng)。圖4給出了取熱流體溫度15℃蓄熱器中各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)。由圖4可知:一開始由于217測(cè)點(diǎn)是在蓄熱器的側(cè)面,與上部流經(jīng)取熱小水箱鏈接水管較近,溫差大、熱阻小故其傳熱較快,其初始溫度就比其他2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度低,與冷水換熱較均勻,曲線斜率逐漸減小。但從210測(cè)點(diǎn)可以明顯看出凝固趨勢(shì)為,初始階段為顯熱換熱階段,故其溫度降低速度較快,進(jìn)入潛熱換熱階段后,熱阻變大,換熱速率減小,曲線斜率變化速度明顯變慢。而214測(cè)點(diǎn)的變化曲線,一開始斜率減小明顯,當(dāng)石蠟?zāi)套優(yōu)楣虘B(tài),開始釋放潛熱后測(cè)點(diǎn)曲線變化平緩。2.2小水壓上水圖5給出了入口溫度分別為90,95℃時(shí),蓄熱換熱器小水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況。熔化過(guò)程中,上部小水箱進(jìn)、出水閥門關(guān)閉,下部小水箱閥門開啟,并流經(jīng)熱水進(jìn)行蓄熱。從圖5可看出,下部供熱小水箱在熱水進(jìn)入后,溫度迅速升高,供熱水浴水溫分別維持在90,95℃時(shí),下部小水箱溫度進(jìn)水溫度分別維持在88,93℃。在穩(wěn)定狀態(tài)下,小水箱的進(jìn)、出口水溫溫差在1℃左右。圖6為取熱水浴溫度為15℃時(shí),蓄熱換熱器小水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況。取熱(凝固)過(guò)程中,下部小水箱閥門關(guān)閉,上部小水箱與取熱(冷水)水浴相連,冷水水浴模擬全年平均均自來(lái)水溫15℃從蓄熱器取熱。從圖6可看出,取取熱(冷水)水浴溫度設(shè)定在15℃時(shí),初始階段段,蓄熱換熱器上部小水箱由于在蓄熱階段吸收的熱量而溫度較高,并且開始的換熱功率也較較大,雖然水浴的溫度設(shè)定在15℃,水浴也無(wú)法法立刻將回水溫度穩(wěn)定在15℃,在水浴不斷制冷冷的情況下,水溫仍保持在20℃以上能維持1515min左右,在15~40min水溫維維持在16℃以上,在40min后水溫恢復(fù)供水水溫度在15℃左右,此時(shí)的進(jìn)、出水溫差在1℃以內(nèi),放熱過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定,充分體現(xiàn)了相變蓄熱放熱器的優(yōu)勢(shì)。2.3流量初始溫度圖7為實(shí)驗(yàn)臺(tái)中冷水入口溫度15℃時(shí)不同流量下217測(cè)點(diǎn)溫度變化情況,考慮到蓄熱換熱器設(shè)將與太陽(yáng)能熱水器配用,故測(cè)定流量在100,150,200L/h時(shí)溫度變化情況。從圖7可看出,流量為200L/h時(shí),217測(cè)點(diǎn)初始溫度最高,但同樣時(shí)間其達(dá)到的最終溫度最低;流量為100L/h時(shí),217測(cè)點(diǎn)的初始溫度最低,但最終的溫度確最高;流量為150L/h時(shí),變化曲線在這2條曲線之間。這說(shuō)明取熱流量越大,蓄熱換熱器內(nèi)石蠟溫降速度越快。2.4新型平板熱管式蓄熱換熱器對(duì)比王增義所做圓形熱管蓄熱換熱器,由于水圓形熱管所占體積遠(yuǎn)比平板熱管大,圓形熱管與翅片在蓄熱裝置中所占體積比較大,降低了蓄熱器的蓄熱量;通過(guò)對(duì)新型平板熱管的分析發(fā)現(xiàn),新型平板熱管體積小,并且熱運(yùn)輸能力明顯優(yōu)于圓形熱管,平板熱管的傳熱面與翅片的基面緊密的貼合,傳熱面積較大,傳熱效率更高,可見新型平板熱管式蓄熱換熱器的蓄放熱效果是比較理想的。該蓄熱換熱器裝置加入翅片體積比約為17%,蓄存石蠟的質(zhì)量約為9kg,蓄存潛熱量為1789.2kJ。在入口溫度為95℃時(shí),蓄存潛熱的過(guò)程(56~60℃)耗時(shí)70min;放熱過(guò)程中,流體入口溫度為15℃時(shí),釋放潛熱過(guò)程(60~56℃)耗