一種新型相變蓄熱器的蓄放熱性能測試

一種新型相變蓄熱器的蓄放熱性能測試

在80年代，美國的shamsudan和sriedanr設(shè)計了一個管-殼式蓄熱器，并對其蓄能過程進行了研究。進入90年代,BanaszekJ等人對采用螺旋式結(jié)構(gòu)的蓄能裝置進行了理論和實驗研究。90年代以后,呂其崗等人對熱管式換熱器進行過研究。王增義等人研究了熱管式相變蓄熱換熱器蓄/放熱能過程中供/取熱流體入口溫度、流量對蓄熱器性能的影響。HorbaniucBogdan等人對采用熱管的相變蓄熱換熱器的凝固過程進行了理論計算。SariA和KaygusuzK等人研究了兩個同心環(huán)形管中封裝的相變材料(PhaseChangeMaterial——PCM)為十二酸和硬脂酸的熱特性,實驗得出總蓄/放熱時間與雷諾數(shù)、斯蒂芬數(shù)的關(guān)系。申曉亮等人建立了G-M制冷機蓄冷器的物理模型和數(shù)值計算模型,并進行了數(shù)值仿真計算,得到了蓄冷器的溫度分布規(guī)律。周素娟等人用Fluent軟件對套管型相變蓄熱裝置的蓄熱過程進行了動態(tài)模擬,得到了PCM管內(nèi)不同半徑處溫度、液相率、熱流密度隨時間的變化情況。筆者運用相關(guān)理論提出了一種新型鋁制肋板式相變蓄熱器,并以萘為PCM、水為熱載體(HeatTransferFliud——HTF),通過試驗研究了該相變蓄熱器的蓄/放特性。1測試安裝1.1溫度測量設(shè)備的安裝肋板式相變蓄熱器板間肋片組成蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖1),具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱面積大及傳熱效率高等優(yōu)點。該蓄熱器由鋁合金(3A21)制成,外形尺寸長、寬、高分別為1.5m×0.8m×29mm。筆者在PCM側(cè)安裝3個熱電偶標(biāo)號為1、3、2(分別位于HTF進、出口附近和換熱器的中間位置)用于測量PCM各處的溫度值。蓄熱器由蓋板、肋片、封條以及隔板組成。蓄熱器分為兩層,上層用于灌裝相變材料,下層為熱流體的通道,中間為厚1.1mm的隔板。上、下兩層之間相互獨立,互不相通。1.2試驗方法肋板式相變蓄熱器蓄熱和放熱的試驗流程如圖2所示,主要由相變蓄熱器、水加熱裝置(帶有蓄水箱)、泵、流量計、壓差計以及測溫裝置組成。采用萘作為相變材料,萘的灌裝量為5kg,萘和鋁合金3A21的物性列于表1。試驗中,在相變蓄熱器萘層不同位置插入3支T形熱電偶。分別改變熱媒體的入口溫度和流量,測定PCM完全熔化和凝固的時間,進而研究HTF的入口參數(shù)對蓄熱器的蓄/放熱性能的影響。另外,還研究蓄熱器的放置方位(水平或垂直)對蓄熱器的蓄/放熱特性的影響。2pcm區(qū)域熱電溫度信號為了便于比較分析,使蓄熱器蓄/放熱過程的理論換熱量保持一致。在熔化過程中筆者所選取的熔化(蓄熱)時間為:由PCM區(qū)域熱電偶1(HTF進口附近)溫度指示為75℃時開始,到熱電偶3(HTF出口附近)溫度指示為81℃(認為此時PCM完全熔化)。在凝固過程中筆者所選取的凝固(放熱)時間為:由PCM區(qū)域熱電偶1溫度指示為81℃時開始,到熱電偶3溫度指示為75℃(認為此時PCM完全凝固)。2.1蓄熱器水平/豎直放置時的蓄/放熱特性為了便于比較分析,筆者選取了體積流量分別為0.2m3/h和0.5m3/h,入口溫度相同情況下,對蓄熱器水平/豎直放置時的蓄/放熱特性進行試驗(圖3、4)。由圖3、4可見,在相同工況下,就蓄熱器的性能而言,無論是相同入口參數(shù)下的蓄熱速率,還是放熱速率,豎直放置時的性能要優(yōu)于水平放置。為此,在蓄熱器的蓄/放熱過程中,由于重力作用而引起的對流換熱對蓄熱器蓄/放熱特性的影響不容忽視。2.2載體體積流量對熱載體蓄熱和放熱效果的影響由于蓄/放熱速率是衡量一個蓄熱器性能優(yōu)劣的最重要的參數(shù),本文選擇入口參數(shù)為熱載體的體積流量為0.5m3/h,熱載體與PCM相變點溫差為1、3、6、9、12K時,分別進行蓄熱和放熱試驗(圖5),發(fā)現(xiàn)在相同的傳熱溫差、相同體積流量下,蓄熱器完成蓄熱的時間大于放熱時間,且這種差別在隨著傳熱溫差的增大而減小。2.3在蓄熱器的蓄熱過程中，每個測量點的蓄熱速率都是比較的2.3.1點和3點的時間比2點早一些,2點比3點早豎直放置時,3個測試點的熔化順序大體為:1點最先開始熔化,之后2點和3點再熔化。在中間流量的HTF溫度較低和低流量的情況下,3點熔化的要比2點早一些;而在中間流量的HTF溫度較高和高流量的情況下,2點的熔化時間較3點要早一些;在中間流量的HTF高溫和低溫情況下,2點和3點的時間區(qū)分并不十分明顯。水平放置時,3種流量情況下,2點和3點的熔化次序并不明顯,只是在低溫或者低流量情況下2點的熔化時間比3點晚一些。這可能是由于流量較大和高溫HTF的情況下在出口處的聚流效應(yīng)對蓄熱器的蓄熱影響不大,而在流量較小和低溫HTF的情況下影響比較明顯。2.3.2溫度對主體溫度的影響盡管本身的凝固時間很短,基本上是在1點凝固完成以后,2、3點很快隨之凝固,但依然和放置方式、HTF的流量與主體溫度有一定的關(guān)系。在豎直放置時,基本上是2點先于3點開始凝固,且二者的差距隨著傳熱溫差的增大和流量的增大而增加。在水平放置時,則是3點先于2點開始凝固,且二者的差距隨著傳熱溫差的減小和流量的增加而減小,但總體趨勢不是很明顯。這說明了對于改善蓄熱器換熱效果而言,顯然豎直放置可以使整個蓄熱器的溫度分布更加合理。3蓄熱器的充放電性能實際應(yīng)用2.3.1肋片在相變蓄/放熱試驗中拓寬了傳熱表面積,將萘分割成若干小塊,且能夠?qū)崃靠焖賯鹘o萘,從而強化熱量的存儲和釋放過程。3.2在相同的試驗工況下,該蓄熱器的放熱速率