热能存储热交换器中使用热管技术的研究(中文版)

1、. .ContentslistsavailableatScienceDirectEnergy杂志主页:.elsevier./locate/energy热能存储热交换器中使用热管技术的研究AmirAminia,JeremyMillera,HussamJouharab,*a 科技中心 Spirax-Sarco 工程公司.Runnings Road, Cheltenham, Gloucester, GL51 9NQ, UKb 未来能源研究所, 在食物链中使的可持续能源中心办事处 (CSEF), 工程学院设计和物理科学,BrunelUniversity,London,UK文章信息摘要找到一个解决方案来

2、存储工业余热以供未来使用,从而减少能源的使用 ，已经成为近年来的一个趋势。 本文研究了潜热热能存储系统的性能，这种系统是使用一种相变材料在小体积范围内存储或者释放大量的能量，并与显热热能存储系统进展了比照。在这项研究中，通过将嵌入式翅片水热管道装入相变材料当中从而解决了相变材料低导热系数的问题。在这次研究中使用的热管和相变材料槽都是使用316L型不锈钢制成的。这项研究中使用的相变材料是PLUSICE S89，它的熔点为89摄氏度，凝固点为77摄氏度。热管的蒸发段是通过冷凝蒸汽流来进展加热的。在蒸发段中吸收的热量然后通过热管的多足翅片式冷凝器被相变材料吸收。PLUSICE S89的充电 融化实验

3、和放电结晶实验都进展了。在实验时发现，由相变材料造成的热阻在放电过程中高于充电过程。 2021爱思唯尔* 保存所有权利。文章历史：收到2021 12 11收到修改后的版本2021 2 13承受2021 2 15网络上可获取 *x关键词：热能存储TES相变材料PCM充电融化放电结晶导热系数热管1. 介绍 2.热能存储系统一个高效和具有本钱效益的解决方案对于存储工业余热供以后热能可以以显热或潜热的形式进展存储。显热热能存储系统可使用，进而提高工业生产过程的能源效率是必要的。TES(热能以通过提高液体或者固体媒介的温度而不改变它的相态来存储能存储)有储存能量供以后使用的能力,能够提高系统的可靠性和量

4、。这种热能存储系统相对于它们的体积而言不能存储大量的能性能,减少可利用能源供应和需求之间不匹配的问题。TES已经量，也不能提供准确的温度控制。显热热能存储系统能存储能量以热贮水箱的形式在大多数建筑物中广泛地使用。目前有许多的多少取决于温度的差异，比热和储热媒介的数量 1,2。一种热能存储系统和能量存储形式，比方显热，潜热，化学，机些常用的储热材料有砖、混凝土、油(如机油)和有机油脂(如乙械和电气类的热能存储系统。然而,由于潜热热能存储系统的储醇、丙醇、辛烷)，然而水被认为是最好的选择之一，这是因为能密度大、存储体积小和温度变化均匀，它已经开场受到越来它的可视性、低本钱和高比热容的价值。显热热能

5、存储系统的存越多人的欢迎。储容量可以由下面公式得出：* Corresponding author.Tel:+44(0) 1895267805. addresses:Amir.Aminiuk.spiraxsarco. (A.Amini), Jeremy.Milleruk.spiraxsarco.(J.Miller),hussam.jouharabrunel.ac.uk(H.Jouhara).0360-5442/ 2021爱思唯尔* 保存所有权利。/10.1016/j.energy.2021.02.089上式中m是储热介质的质量(kg)，Cp 是介质的比热容(J/kg.K)，相

6、变材料能够转变的相态有固-固、固-液、固-气和液-气。Tf和Ti分别是末温和初温，Cap是这个温度范围内的平均在固-固的相态变化中，唯一改变的是材料内部的晶体构造。比热(J / kg.K)3。它们的设计非常灵活以及它们的容器要求也比其它种类的相潜热热能存储系统是一个可供选择的热能存储系统，它们利用变材料更低10。然而,它们通常被认为只能提供少量的潜了相变材料的存储能力；比照于显热存储，当一种材料发生相变热。另一方面，固-气和液-气相变材料能够存储大量的潜时，它能在小体积范围内释放或者储存大量的能量。这些系统提热，但是，当它们相变时，它们的体积会发生改变，这引起供了存储大量能量的可能性，大约每单

7、位体积能多存储5-14倍的了大家对热能存储系统中容器容量和其潜在可用性的担忧。热量，并且几乎能保持恒定的温度，这些是基于相变材料的相变固-液相变材料的潜热存储能力比液-气相变材料的弱，但是温度。根据不同的应用，一个热能存储热交换器可以使用一种能由于它们的体积变化小，所以被应用于许多的热能存储系统够在特定的操作温度下熔化和凝固的相变材料。对于这样的温度，中11-14。所选的相变材料会有一个比预期稍微偏高的熔点。当热交换器中相变材料的另一种分类方法是根据它们的性质来分类。更熔化的相变材料凝固时，能够将其存储的能量转移回循环流体中，具体地说，相变材料可分为有机的石蜡或者非石蜡，无最终作为终端应用。潜

8、热热能存储系统能够存储能量的多少由以机的盐水合物或金属和共晶体有机-有机，无机-无机，下公式给出：无机-有机。石蜡有一个很广泛的温度变化范围，但是由于其昂贵的成本，只有技术等级的石蜡被用作于潜热热能存储系统中的相变材料。化学性质稳定、体积变化小、本钱低、可视性以及无腐蚀性是这种技术石蜡的优点。然而，它们的导热系数低，易燃与塑料不兼容，这些因素减少了它们的实际应用 15。上式中，m是熔化了的媒介的质量，hm是每单位质量的熔化热(J/kg)，绝大多数相变材料是非石蜡类的如酯类、脂肪酸、醇Tm是相变材料的熔化温度，Csp是初温和熔化温度之间的平均比及甘油醇，因为它们具备各种各样的属性 16。根本上,

9、热容(J/kg.K)，而Clp那么是熔化温度和终温之间的平均比热容(J/kg.K) 他们都是易燃的,具有高熔点,低热导率,轻度腐蚀性和潜在3。的毒性。相比于技术等级石蜡，非石蜡类相变材料特别是脂3. 相变材料肪酸的主要缺点是它们的本钱高。相变材料的选择是基于其热物理性质，动力特性和化学性质，盐水合物被广泛用作相变材料，因为在相变过程中，它以及经济方面的考虑。首先,最重要的因素之一是相变材料的相变们具有高的熔化潜热，高热导率以及微小的体积变化。它温度，它必须符合应用的操作温度的要求。然后,潜热大和密度高的其它特点是无腐蚀性，塑料兼容性和低本钱17。盐水合的相变材料能够减少热容器的实际大小，而高导

10、热系数将加强充物主要的问题是，它们会出现过冷状态以及它们在熔化过程电和放电过程的能量存储。此外，相变材料在相变过程应该保持中不能完全地溶解，随着盐成分在容器底部沉淀，在凝固过物理和化学性质方面的稳定以及体积变化小的特点。消除任何过程中它们不能与水分子相结合，这些导致了相变材料成效的冷的影响是很重要的,因为它可以影响甚至停顿适当的传热。最后，降低。相变材料的本钱和可用性对于材料的选择也起到了很重要的作用金属物质不能视为相变材料的最好选择，这是因为它们的7-9。重量的缘故。然而，它们具有高的热导率和高的单位体积熔表格1 化潜热 3。不同相变材料的熔点和熔化潜热3. 下表提供了一个关于一些最有潜力的

11、相变材料的列表(见相变材料表1)。种类材料熔点熔化潜热4.潜热热能存储系统石蜡非石蜡 盐水合物图1.热管换热器的工作循环34。金属共晶体- 优选. .相变材料只能够存储热能；为了能够将能量从源头传递到相多层式的潜热热能存储系统，这种系统有着垂直放置的平行相变变材料中，再从相变材料传递到负载当中，传热介质与换热器材料板，以减少能源供应和需求之间的不匹配问题20。然后，相结合是必要的。因此，任何潜热热能存储系统的根本组成部 Banaszek等人在一个螺旋热能存储系统中研究了相变材料充电和分是适宜的相变材料-根据具体的应用,一个适宜的换热装置和放电期间的行为21，而一年后，他们开发了这个系统的数值模

12、容器必须与相变材料的相变相协调。型，并与之前的实验结果进展了比照22。Ismail和Henriquez 提由于能源本钱的上升，通过相变材料进展相变蓄热对于建筑出了储蓄槽的设计，配备有工作流体循环系统，充满相变材料的物节能、太阳能利用和工业余热回收也是一项重要的技术11, 球形胶囊被安置在槽中23。在相变材料存储或释放热能的过程14,15,18。结果，大量的研究集中在了潜热热能存储系统的发中自然对流传热现象的存在已经被研究了。Jamal和Baccar数值研展上。究了相变材料-空气热交换器系统中的热传递现象，这个系统中使一个潜热热能存储系统带有一个热交换器和一组作为相变材用了内部和外部都有翅片的管

13、子24。自然对流对相变材料(石蜡料通道的圆柱形管子在1978年第一次被 Shamsundar和Sriniva- C18)凝固时间的影响和翅片数量对热传递速率的影响已经进展了san 提出来 19。在1996年，Brousseau和Lacroix介绍了一种研究。X等人对一种高性能的相变材料在潜热存储应用时的中心图.2.热能存储系统图纸. .word.zl. .过在高温潜热热能存储系统中使用带有翅片的热管，使得能量的提取率提高了86%,热管的效率也提高了24%。5.热管技术使用相变材料进展热能存储是一个很具有吸引力的选择，但是相变材料的低热导率却是个问题。这是因为当充电或者放电的热量通过换热器的墙壁

14、进入或者流出相变材料时，一层熔化或者凝固的相变材料会覆盖在换热外表上，从而抑制了相变材料和传热流体之间的热传递，这些促进了热能的传送或者移动。为了解决上面所讨论的低热导率的问题，各种各样的办法被提出来：将翅片附着在传热壁上，以及将高热导率的金属颗粒或金属环或碳纤维应用于相变材料中，这些方法是最受欢迎的28-32。然而,一个更有效的方案去解决大体积相变材料之间的热传递效率问题就是热管技术的使用。. 基于热交换器的热管在许多工业领域中扮演着更重要图.3.不同相变材料样品温度对应下热流的DSC测量值。的角色，特别是在提高热回收效率、提高商业应用方面的节能以及提高热交换器的热性能。就能源管理和热回收而

15、言，许多科研人员已经进展了环路热管应用的研究。温度进展了研究 25。他们报告说,相变材料(RT100)和EG(膨胀热管被认为是超级热导体，这是由于它在小的温度梯石墨)相结合能显示良好的光热性能、良好的热存储/释放能力，度下具有高的热传递效率。最简单的热管形式称为热虹吸，并且能增强热导率。X和Faghri26通过使用一个内部翅片管，它们的运作依赖于重力，热量只能从热管的底部传递到热研究了潜热热能存储换热器中的强化传热。Khalifa 等人27通管的顶部。一个热管,允许双向传输热量,称为非毛细热管。图.4.实验装置原理图. .word.zl. .热管的主要构造是一个局部充满工作流体的真空管，这些流

16、体以数高,被动,运行可靠,温度分布均匀,本钱负担得起以及不液态和气态的形式存在。以下图表示热管的根本操作步骤。热管的需要传统换热器中所需的外部泵系统。底部是蒸发器，热管的顶部是冷凝器。当高温作用在热管的蒸发能源和本钱节约的潜力可以通过合并环绕式处理的热段，液态形式存在的工作流体蒸发，高速向管道的冷端冷凝器管换热器与常规的除湿装置来实现，Jouhara已经研究了流动。一旦蒸气到达冷凝端，蒸气开场冷凝放热。然后液态的工这一问题35。另一项由Jouhara和Meskimmon 36开展作流体通过重力的影响返回到管道的蒸发局部33。一系列连续的工程进展了环绕式热管换热器热力性能的研究，这种换的热管组成

17、的构造可以看作一种热回收装置。它的优点是导热系热器用在空气处理单元中用以节约能源。研究着研究了热图.5.热能存储换热器试验台图.6.实时相变材料充电和放电数据. .word.zl. .管效益和通过热交换器的气流速度。换热器的实验研究是在一带有翅片的、多足的热管的方法来完成的。相变材料在凝固和个改进的内联配置中使用带有翅片的充满水的非毛细热管，这项覆盖过程中造成的热阻也被研究了。据调查研究，相变材料和研究由Jouhara和merchant主持 37。实验结果说明显著的能源热管换热系统的使用能够提高能源存储和回收系统的效率和可节省能够通过使用空气-空气热管实现,这是基于换热器在两种不持续性39-4

18、2。同温度的空气流之间传递热量的结果。Jouhara 等人38证明了6.实验装置和步骤将基于换热器的热管与空调系统相结合，外部空气能够被冷却和为了进展这项研究，我们构造了一个实验装置，它包括一个储除湿，优于直接将空气供应给房间进展通风。蓄罐，相变材料和一个带有翅片的多足热管。本研究中使用的在本文中，通过实验研究了热管技术的使用对加强相变材料在相变材料是PLUSICE S89，使用的热管是由316L型不锈钢制成储热方面的应用。这是通过测试结合潜热热能存储换热器和一个的，目的是为了防止被盐水合物腐蚀。图.7.相变材料融化与带翅片的热管. .word.zl. .热管是一种具有高效热导率的两相换热设备

19、，通过蒸发和冷凝在一个封闭容器中循环的流体进展传热。在热管中，高温作用在存在工作流体的蒸发局部，将流体从液态转变为气态。然后蒸气向上流动，通过绝热的局部流向冷凝端，在冷凝端冷凝，放出从蒸发端吸收的潜热。图1展示了换热器的CAD绘图。等温过程发生在传热流体和相变材料之间。热管被安装在容器室的底部与传热流体相接触,并延伸至换热器的顶部与相变材料接触，通过分隔板与换热流体室别离。在图2中，热能存储系统的原理图展示出了它的构成成分。图2（1） 展示了布满着工作流体线圈的容器，容器顶板安装的热电偶用以监控温度曲线。图2(2)显示了用于传输热量到相变材料的热管，图2(3)显示了装满相变材料的容器，容器上装

20、有玻璃面板用以监视相变过程。图2(4)分别显示了供应蒸气和冷凝液体的进出口。所研究的热能存储系统单元设计成充满着不同的相变材料。相变材料被热管的冷凝端熔化。热管的蒸发局部通过它的蒸发端带走蒸气流冷凝时产生的热量，然后通过它的冷凝端将热量释放图.8.热能存储热像图显示热交换器中的温度曲线(局部熔解)。到相变材料中去。这些热量然后被释放排出，方法是让水流通过不锈钢线圈与容器室顶部的进出口相连。每个体积单元具有高的传热外表积是必须的，用以确保传热介图7、图8和图9图讲解明了这些现象。在这次熔解过程中，质周围良好的热交换。大约有380kg的相变材料熔化。图6显示了数据记录器记录的图3显示了不同相变材料

21、样品温度对应下热流的DSC(差示扫描量数据的趋势。热计)测量值。可以看出，熔化过程发生在90左右,结晶过程发生在77左右。固体的温度低于液体的温度，这是由于凝固的晶体中微弱的平衡造成的，以至于凝固和熔化过程发生在一个很宽的温度范围内。注释显示进出样品的总热量发生在66至110的温度范围内。最大峰值,起始和终止位置显示了相变发生时的温度。大约在73和66时有一个小顶峰，这是预期之外的现象，可能是因为存在杂质、二次相变或者结晶相变的缘故。图4展示了实验装置原理图。图5展示了所研究的热能存储实验台。供应的蒸气通过蒸汽隔离阀，减压阀，温度控制阀，进而调整进气温度和蒸气流量。将冷凝水收集和全部流入至水槽

22、，去加重水槽，从而测量蒸汽流量。水通过循环泵从水箱提供，流量那么通过涡轮流量计进行测量。组件单元主要由供应的用于致动器的压缩空气推动。所有的测量变量均使用数据记录器进展记录。7. 结果和讨论7.1.充电(熔化)过程热管影响到了多种固体/液体界面的形状、数量和传播。这是因为在热管温暖腿部的前部发生了二次熔化。这些“腿给熔融的相变材料提图.9.热能存储热像图显示热交换器中的温度曲线(完全熔解。供了通路,它的密度低于固体,目的是为了流向储蓄槽的顶部和向下传播熔化过程。他们也提供二次自然对流。图.10.相变材料凝固过程7.2.放电(结晶)过程成液体，这时它的温度大约90。第二个充电阶段(2)与液来自热

23、能存储换热器实验台的水泵已经被利用，以确保一个稳定体相变材料稳态的传热速率有关。第一个放电阶段(1)是和准确的供应流量。所有的放电测试都在24的温度下和5.5 L/min 相变材料温度从98到89(相变材料的熔点)急剧降低的的流量下进展了。测试进展过程中,每个放电阶段持续大约6小时。照阶段，这一阶段释放显热。第二个放电阶段2持续150min，片图10：第一次50分是在实验过程中拍的。相变材料在换热器线与相变发生时潜热的释放有关；第三个阶段3与两相圈外表周围和沿着管道开场凝固。液体/固体释放存储在相变材料的显热有关。盐水合物通过一个先进的和不可逆的过程改变了溶液的热能存储图13显示了17小时内，

24、在充电和放电过程中,容器内不性能。他们是盐和水的化合物。在充电和放电过程中，重的盐沉积在同位置处的温度变化。这是相变材料低热导率和相变材溶液底部，影响了偏析的形成。进展了相变材料中存储能量通过料在熔化和凝固过程中热传递的结果。在充电过程中，使用蒸气作为传热流体的热管在放电和充电的总期间提供的能量的稳定状态下的冷凝温度更加接近入口蒸气温度，也就是比例的计算，发现它大概是27%。通过优化换热器，可以使这个比例进说，没有明显的过冷现象。一步提高到50%左右。在放电的情况下，复杂的冻结现象曾被观察到。这些现象和测量值可以作为指导开发一个模型，用来模拟在实验室和大型系统中的放电和充电过程。实验结果说明,

25、由相变材料造成的热阻在放电阶段比在充电阶段的大。这可以用这一事实解释：放电阶段冷的传热外表上的凝固物在装有水的线圈和固体/液体界面之间形成了一层隔热屏障。与此相反，在相变材料熔化过程中熔化的相变材料经历了自然对流，与热的传热外表很接近，从而促进了热管外表和固体/液体界面之间的热传递。因此，在放电过程表现良好的设计，预期在充电过程也能够运行得令人满意。图12显示了两个充电阶段和三个放电阶段。第一个充电阶段1，在开场的180min中，能量在相变材料中快速地积累，直到相变材料变图.11.充电和放电过程相变材料中能源的存储与释放。. .word.zl. .的热能存储系统与不同的相变材料可能会与此不同。

26、这项观察和实验数据可以作为大型系统的开展的指导。后记这项工作由Spirax Sarco工程公司资助。引用1 Lane GA. 太阳能蓄热:潜热材料,卷1.佛罗里达州博卡拉顿:CRC,1983年。图.12.在加热和冷却过程中相变材料的温度变化使用蒸气作为导热流体 2Dincer.在建筑中的热能存储系统和应用.能源建立 2002;34:377-88./10.1016/s0378-7788(01)00126 - 8. . 3 Sharma A, Tyagi VV, Chen CR, Buddhi D.回忆相变材料的热能存储和应用.可持续能源增长.2021;13:318-45. d

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29、变材料作为热能存储介质 9 Liu M, Saman W, Bruno F. 回忆存储材料和加强高的可行性。基于热管的热能存储换热器能够成功地用于回收和重新利温相变热能存储系统热力性能的技术.可持续能源用余热。通过优化换热器的性能和选用高热导率的相变材料，能够实 Rev 2021;16:2118-32.现高的效率。低本钱的相变材料能够提高回报。 10 Pillai KK, Brinkworth BJ. 使用相变材料进展低实验工作和结果的分析不符合优化条件。需要进一步的实验研究用品味热能的存储.应用能源1976;2:205-16. 以确定，在热能存储换热器中如何能把热管整合得更好，从而提高相变

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31、热能存适当的存储系统的设计必须考虑适当的材料特性,资源的可获取性,所储.Sustain Cities Soc 2021;10:87-100.需的存储率和所需的能量存储能力；系统可能只是实时地设计成最正确使 13 Oro E, de Gracia A, Castell A, Farid MM, Cabeza 用。应该指出的是，图11所示的特点是适用于此原型的，其它不同设计 LF.回忆相变材料对冷热能存储的应用.Appl . .word.zl. .Energy2021;99:513-33./10.1016/j.apenergy.2021.03.058.14 Zhou D, Zh

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