相变式蓄热器强化传热方法的研究

1、相变式蓄热（换热）器强化传热方法的研究杨 嵩（150437）（东南大学 能源与环境学院，江苏省南京市，210000）摘要：本文主要对近些年以来在相变式蓄热（换热）器强化传热方面的部分研究成果进行简要介绍。在参考相关10多篇文献的基础下，作者针对性的选取了其中5篇进行综述，分别从蓄热（换热）器强化换热设计、表面强化结构、相变工质优化蓄热三个方面对相变式蓄热器的强化传热机理和效果进行了介绍。使用的方法主要涉及：建模推导公式、数值分析、实验对比等。关键词：蓄热器；强化传热；相变液浴；非共晶相变；相变材料；换热工质0 引言：长期以来，我国的经济增长都是依靠消耗大量的不可再生能源实现的，对于煤炭、天然气

2、、石油以及其他化石能源的消耗均位于世界前列。据国家统计局公布的数据，2014年我国的能源消耗总量达到了42.6亿吨标准煤，其中煤炭占比66.0%，石油占比17.1%，天然气占比6.2%，其他新型能源只占到10.7%。与此同时，我国又是一个传统能源人均占有量极低的国家，能源紧缺、环境污染尤其是大气污染等问题日益凸显，严重制约着我国施行的可持续发展战略。如何提高能源利用率，有效节约资源，等，逐渐成为社会各界关注的焦点，大量学者正致力于这一方向的研究。相变式蓄热（换热）器作为一种新型的储能装置，主要应用于废热和余热的储存和利用，已越来越广泛的使用在生产生活中，其运行机理简单，即利用相变材料( PCM

3、: phase change material) 的固液相变过程来完成能量的存储和释放。其优点是容积小, 蓄热密度大, 恒温放（吸）热。根据不同的实际应用，相变式蓄热器的种类众多，但是强化传热的措施大致为：1、针对相变工质的强化传热。2、蓄热（换热）器强化传热结构的设计。3、表面结构和各种肋结构，等。本文将结合计算、模拟及实验对以上几点强化方案进行具体分析。1 几种基于结构设计的强化方案1.1 列管式相变蓄热器考虑到列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点，可以有效弥补相变式蓄热中相变工质导热率低、储能、释能速率低等弱点。有人将它作为一种强化传热的设计方案提出，并做出了相关工作，

4、其中包括：对采用内肋片强化换热的列管式相变蓄热器的储热过程进行数值模拟，研究了列管的排列方式以及PCM 导热系数对蓄热器储热速率的影响，为列管式相变蓄热器的设计及性能优化提供依据。11.1.1 物理和数学模型以正三角形叉排排列的列管式相变蓄热器为物理模型（图1），热空气从左端入口，通 图 1过均流孔板后流经封装PCM 各单管管列，与PCM 进行热量交换，经换热后从右端流出。设计各单管管径为46 mm，管壁厚2 mm；一般认为管间距与管径比值（中心距）在1.25 以上为宜，取管间距为64 mm，比值为1.28。基于叉排列管的对称性化，取模型中一个单元区域进行计算和模拟。蓄热器简化模拟模 表 1型

5、如图2 所示，所用PCM及HTF 的物性参数见表1。 图2PCM 熔化过程采用焓-孔隙率模型，此模型用液相率（）来描述PCM 的物态。即当=1时，PCM为液态，=0时，PCM 为固态，而当0<<1时，PCM处于相变状态。焓-孔隙率模型假设液相率等于孔隙率，其计算方式如式(1)所示 连续性方程：动量方程：能量方程：其中的能量方程可以将对流项省略，不考虑内热源，简化得到：，其中：式中，H 为 PCM 的总焓值，kJ/kg；href 为参考温度下的焓值，kJ/kg； 为PCM 的密度，kg/m3；Tref 为参考温度，K；Cp为定压比热容，J·/(kg·K)； 为导热

6、系数，W/(m·K)；L 为相变潜热，kJ/kg；T为任意时刻温度，K；TS为 PCM 凝固温度，K；TL为 PCM 熔化温度，K；SE为能量方式源项；SK 为动量方程源项。该项中的 为一个很小的常数，取值为0.0001，避免分母等于零；Amush 为模糊区常数，反映相变前沿形态，常取值为104107；为随着熔化进行固相脱离模糊区的牵引速度。该源项为表述由于固相材料的存在而产生的压降。1.1.2 数值模拟结果分析及结论图3 所示为特定流体工况条件下（雷诺数Re=4871、史蒂芬数Ste=0.331 ）的流线图，我们可以看到在低雷诺数的工况条件下，列管式蓄热器内HTF与PCM的换热存在

7、以下特点：一是管束前段冲刷充分，换热系数较高，具有良好的换热效果。从图4中可以看出前段前部温度较高；管束后段由于流动进入负压力梯度阶段，使得分离点后边界层从管束壁面脱离，尽管此区域仍存在马蹄形漩涡系，但是在一般流速下对传热的强化影响 图3 甚微，因此传热效果减弱。图4中可以看到管子后部的温度较低。 图4 图5 Nfn=0 Nfn=1 Nfn=21.1.3 列管的排列方式对储热性能的影响通过实验可以得出正三角形排管PCM熔化时间要比正方形排管少，也就是说在其他条件相同的情况下，前者的储热速率更快。这主要是因为与正方形相比正三角形的结构更紧凑，对流体的扰动和被流体冲刷的程图6度更剧烈。这两种结构对

8、于储热换热性能则影响不大。1.1.4 内置肋片对储热换热性能的影响如图5中设计三种不同内置肋片的管子，然后分析运行同一时段后的换热效果，根据图6可以清晰的看出具有十字结构的2肋片结构换热效果最佳，其次是1肋片结构，最差是无肋片光管。实验得出使用最后一种十字肋片结构可以使得PCM完全熔化时间缩短52.6%，因而强化传热效果明显。1.1.5 PCM导热系数对传热性能的影响根据实验得出，PCM导热系数对相变过程的影响很大，体现在导热系数大，熔化时间越短，特别是当PCM导热系数小于1.0 W/(mK) 时，该参数对蓄热器的换热效果作用最为明显。1.2相变-液浴式换热器的设计原理及性能分析21 、常压相

9、变- 液浴式换热器的工作原理 图 7 先介绍“相变换热”和“液浴换热”的概念。所谓液浴换热指的是这样一种换热方式：换热室中充满液态热媒介质,放热和吸热流体换热面都被淹没在液态热媒之中,液态热媒吸收放热流体的热量后上浮、将热量传给吸热流体后下沉,当热媒的上浮与下沉同时进行时,热量即连续不断地从放热流体传递至吸热流体。根据热媒介质是否饱和又可将这种传热方式分成饱和液浴式换热和过冷液浴式换热。所谓相变换热指的是换热室中热媒介质的液位处在吸热流体换热面和放热流体换热面之间,放热流体换热面淹没在液态热媒中,吸热流体换热面暴露在液面上方的汽态热媒中,液态热媒通过放热流体换热面吸收放热流体的热量后蒸发并上升

10、至汽态空间,汽态热媒通过吸热流体换热面将热量释放给吸热流体后凝结并滴回液态热媒中,当蒸发与凝结同时进行,且蒸发量与凝结量保持相等时,液态热媒的液位不变,热量即连续不断地从放热流体传递至吸热流体。此时,放热流体换热表面上的换热方式为沸腾换热,吸热流体换热表面上的换热方式为凝结换热。本节所研究的“相变-液浴并存换热器”（如图7所示）是基于以上两种换热方式的组合，是指吸热流体换热面的一部分淹没在液态热媒之中处于“饱和液浴换热”状态,而其余部分暴露在汽态热媒之中处于“相变换热”状态的两种换热方式并存的换热方式。其实验装置设计如图8所示。2、实验方法和结果分析在进行“过冷液浴换热”实验时,先将换热室内的

11、热媒水闷烧至85 左右,然后打开循环水调节阀,调节循环水流量和电加图8热量,使热媒水的温度逐渐逼近90 ,并保持在90 左右,在15 min之内若热媒水温度的波动小于1 ,即可认为达到稳态,并记录实验数据。在进行“饱和液浴换热”实验时,先将热媒水加热至接近100 ,然后调节循环水流量和电加热量,使热媒水的温度保持在100 ,循环水换热管全部淹没在热媒水中,在15 min之内若热媒水的水位波动很小时,即可认为达到稳态,并记录实验数据。在进行“相变换热”实验时,首先将热媒水加热至沸腾,通过排气阀排除不凝结性气体,然后关闭排气阀继续加热,使热媒水通过连通管排至膨胀箱,循环水换热管完全暴露在热媒水位之

12、上,最后细调循环水流量和电加热量,在15 min之内若热媒水的水位波动很小,即可认为达到稳态,并记录实验数据。实验中测得的数据主要有:循环水流量、循环水进出口温度、热媒水温度、调压器电压等。换热器模型的主要参数有:循环水管的规格尺寸、电加热器的电阻等。通过对这些数据和参数的处理,可分别得出三种传热图9方式下循环水换热面上的热流密度q、传热系数k随管内循环水Re 数的变化情况。对于实验结果我们只截取了管外传热系数k进行分析，如图9所示，在不同的雷诺数下我们通过上述实验方法分别得出了“过冷液浴传热”、“相变-液浴传热”以及“相变传热”三种情况下管外传热系数k与雷诺数之间的关系，将其绘与一张图中进行

13、比较。我们可以看出：总体来说,传热效果较好的换热方式依次是:“相变换热”、“饱和液浴换热”和“过冷液浴换热”。而且随着管内雷诺数的增加，三种传热方式的传热效果朝着差异更明显的趋势发展。分析其原因,在管内Re数很小时,管内热阻在整个传热过程中所占的比重较大而管外热阻所占的比重较小,此时把管外的换热方式由“过冷液浴换热”改善为“饱和液浴换热”或“相变换热”,对总体传热效果的增强都不甚明显。但在管内Re 数较大时,管外热阻所占的比重较大,此时把管外的换热方式由“过冷液浴换热”改为“饱和液浴换热”以及进一步改为“相变换热”,传热效果就依次明显增强了。经过实验研究我们可以看出“常压相变-液浴换热器”的优

14、点体现在将“液浴”和“相变”两种换热方式巧妙结合起来，通过控制热媒介质液面高度来优化传热效果并保证足够的污垢附加负荷，使得在高负荷设计工况下利用“相变”强化换热，在低负荷设计工况下利用“液浴或部分液浴”降低传热系数，并在运行一段时间产生污垢后能继续维持稳定负荷。因而“常压相变-液浴换热器”不仅是一种强化换热设计更是一种优化设计。2 强化传热表面结构及几何形状的研究虽然相变式蓄热器具有突出的优点，但是其缺点也较为明显，由于相变介质固态传热热阻一般很大，这就使得壁面处的相变工质一旦凝固，传热效果便会恶化，对蓄热（传热）器的运行负荷产生了极大的制约。针对这一难题，主要的缓解方法有两种：1、强化传热表

15、面结构、几何形状（如肋片、弯管等），2、选择合适的相变材料，利用添加物改变相变材料性质，等。下面首先介绍前者。2.1一种利用弯管强化相变储热传热的方法本节主要对采用弯管流体通道加强换热的储热换热器进行模拟研究。研究结果与直管通道的储热换热器进行比较，同时分别对比研究了不同进口温度和进口速度对换热行为的影响。3图 10这里使用热焓模型，将相变区域看成多孔介质，根据孔隙率（液相率）来判断材料所处的相态，建立方程和边界、初始条件（详细公式及建模过程请参见文献3），选用的PCM和流体材料分别为：氢氧化钠和三硝酸盐。对图10所示（a）、（b）两种管子进行不同工况下的数值模拟。下面我们来对结果进行分析。2

16、.1.1直管和弯管对比图 11图11所示的是直管M1和弯管L1在加热流体进口温度为613K、流速为0.54m/s工况下，PCM熔化速率函数。可以很容易的看出，L1要比M1更快地熔化，其完全熔化时间缩短20%，显著提高了蓄热器的传热性能。其原因是：首先，在L1与M1体积相同的情况下，弯管的外表面积要大于直管的外表面积，所以弯管增加了换热面积；其次，由于弯管内部流体的流动产生二次流，提高了换热系数，加快了换热进程。2.1.2 进口流速、进口温度对储热的影响通过模拟研究，还得出了加热流体在不同进口流速和温度条件下的PCM熔化速率，如下图所示。图12显示的是在相同入口温度（613K）条件下，改变入口流

17、速对熔化速率的影响。不难发现，当入口速度大于0.54m/s后，PCM熔化时间随速度的增加略微缩短。尤其是熔化率低于90%的阶段，不同入口速度下的熔化速率几乎相同。可见当进口速度大于0.54m/s时，加热流体速度不是影响蓄热性能的主要因素。图13显示的则是相同入口速度条件下（0.54m/s），不同入口温度对熔化速率的影响。从模拟结果可以看出，进口温度提高对PCM的熔化有显著影响。在温度从600K提高到613K的情况下，熔化时间缩短45.8%。进口温度的升高使换热温差增大，加快了熔化速度，并且效果要明显好于增加进口速度的方法。图 12 图 132.1.3 弯管形状对换热的影响图14 表示了不同进口

18、截面对熔化速率的影响。进口形状为椭圆，径比为长轴与短轴长度之比。从图14和图15（纵坐标为熔化时间）的模拟结果可以看出，进口形状为椭圆的熔化效果不一定比圆形的好。图14 图 15当径比分别为1.31、1.52 和2.56 时，熔化速率比圆形进口慢，熔化时间长。而当径比为1.78 时，其熔化速率比圆形进口快，同时熔化时间明显缩短。可见，熔化时间与径比之间不是线性关系。这主要是因为弯管越扁平，越有利于提高换热管外扁平侧的熔化，但却不利于迪恩涡的形成，削弱了弯管外侧的换热，二者的相互作用使径比约为1.78 时为最佳径比关系，此时熔化所需要的时间最短。因此，从上述的模拟结果和对结果的分析中我们可以得出

19、最佳弯管尺寸及运行工况，为相关实验研究提供了参考。2.2 管外肋片的结构对相变传热器制冰速率的影响相变式换热器在制冰技术上的应用非常广泛，如何有效的强化相变端（冰-水界面）传热、加快凝固速率，是这一技术需要解决的核心问题。圆形肋管因其结构简单、成本低、强化换热明显等特点，普遍应用于此类换热器的设计之中。N. Kayansayan对这类问题进行了深入分析，通过数值模拟和实验测量得出了肋管肋片结构、尺寸等因素对相变速率的影响。本文将对部分内容进行介绍，详细内容请参见4。2.2.1 建模方法概述N. Kayansayan认为利用肋管进行换热的过程可以分成三部分进行考虑：i）HTF管内流动传热问题，i

20、i）包括肋片在内的管壁导热问题，iii）管外PCM凝固过程中有移动边界层的传热问题。分别对这三部分数学建模、设置边界和初始条件然后进行数值计算。图 16图 17对于建模数值公式的推导和边界条件的介绍可以参见文献，这里忽略不表，需要强调的是在公式的推导过程中作者进行了一些近似的假设，这些假设会对最后的结果产生影响，使得和实验结果存在一定偏差，假设主要包括有：i）管内传热忽略轴向导热，ii）管内为完全发展段，iii）HTF、PCM、管壁及肋片材料均为各项同性介质且具有常物性，iv）忽略相变界面附加液体密度差产生的运动影响，v）相变产生的径向流用时间平均数来考虑。2.2.2 结果与讨论 图 18图1

21、8左描述了在相同Ste数和相同相对肋长条件下，不同肋片密度和不同Pe数对冻结体积数FVF的影响。可以看出相同Pe条件下，肋片密度为31时对应的FVF要大于肋片密度为14时。右图中我们可以看出在相同Ste数条件下，改变肋片相对长度、肋片密度和Pe数对无量纲存储热（冷）量Q的影响，可以得出相同Ste数条件下，较大值的肋片密度（23）和相对长度（3.2）要比较小值（14/2.7）获得更高的冷存储（制冰）速度。而对于运行工况来讲，制冰速度随着Ste数的增加而增加。 再通过图19分析相对肋片长度与Q之间的关系，在相同工况条件和相同肋片密度下，相对肋片长度越长，Q增长的速度就越快，冷存储性能就越高。除此之

22、外，实验和数值模拟都得出了相似的结论，当流动处于层流阶段，改变肋片密度和相对长度对于冷存储性能的影响甚微。当流动进入湍流以后，冷存储性能会随着肋片密度和相对长度的增加而显著提升，但是肋片密度和相对长度读不可以无限大，这不要是受到相邻肋片干扰和综合经济技术指标的影响，N.Kayansayan通过多种比较实验得出最佳尺寸和使用范围：Nfn =31， Dfn = 3.2，Re>2300。存储性能提升45%。图 193 利用相变工质的热性质强化传热技术PCM作为相变式蓄热（传热）器最重要的组成部分，它的热性对于储热性能起着至关重要的作用。如何选择PCM材料不在本文的研究范围之内，这里只对一种应用

23、于太阳能吸热蓄热器中的非共晶相变材料强化传热的原理进行简要介绍。在实际应用过程中，单一PCM相变蓄热器往往存在局限性，例如文献5所提到的NASA在空间太阳能热动力发电系统中使用的一款圆柱型吸热蓄热器，其在运行中就出现了入口部分未实现蓄热效果、出口温度不稳定等问题。主要原因可以归结为，换热器较长时管内不同位置的温度存在较大差别，由于单一PCM的相变温度较高，就使得入口段部分单元PCM无法发生相变。侯欣宾等人针对这一问题开展了研究，提出了非共晶相变混合材料应用于此类问题的解决方法。3.1二元共晶系统相变图分析 图 20 图 21图20所示的是二元共晶系统在不同配比下的相变温度变化。其中对应组元A，

24、对应组元B，A的熔点在C。在A中加入组元B后(B熔点在D)，熔点沿线CE随成份逐渐下降，直到E点，两相同时结晶，称为共晶点。E点左右两端的任一点上A、B两种组元的比例都不能同时发生相变，就称为非共晶点，如I点。选用I点的配比方式，可以看到这种混合PCM的相变存在一定的温度范围，这一特性会有效提高蓄热器的换热性能。3.2相关计算结论图21为热器换热管模型，通过实验我们可以知道使用单一PCM存在蓄热装置入口段集热效果不佳，PCM熔化率较小的问题。针对这一问题，分别使用单一PCM及非共景点类混合PCM按照上述装置在相同辐射强度和工况下进行计算，得出以下结论。图22图22.对应换热管轴向24个蓄热单元

25、的最小和最大PcM熔化率的比较，其中(a)为单PCM方案，(b)为本文计算方案。从图中可以看出，单PCM换热管在给定工作条件下前6个单元在整个轨道期都不会熔化，意味着这6个单元的潜热蓄热能力没有任何利用，造成相变材料蓄热能力的较大损失。这里提出的方案也主要是为了提高换热管人口段的相变材料的利用率。根据目前的工作状况，最好的办法就是降低入口段PCM单元肋相变点。需要强调的是，以上结果都是基于数值计算得出的，相关热物性都是假设的一种情况，如实际操作，还需要在实际材料当中选取配料，并通过热性能实验进行分析，包括熔点、热稳定性、导热性能、密度、比热容等在内的参数。从而探索出一种最佳的混合材料。参考文献1韩广顺，王培伦，金翼， “列管式相变蓄热器性能强化的模拟”储能科学与技术Vol.4 No.2 Mar. 20152张莉,齐进,姚秀平,“常压相变液浴式换热器传热特性的初步研究”节能技术Vol . 23 ,Sum.No. 134 Nov. 2005 ,No. 63王培伦，彭志坚，王述浩，“弯管强化相变储热传热特性的模拟”储能科学与技术Vol.1 No.2 Nov.20124 N. Kayansayan , M. Ali Acar,”Ice formation around a finned-tube heat exchanger for cold