板状定形相变材料蓄热槽蓄放热特性实验研究

板状定形相变材料蓄热槽蓄放热特性实验研究

0膜分离剂与热压监测由于能源和环境问题日益严重，大型能源系统的发展日益紧迫，而大型能源系统的研究仍有很大的前景。在蓄能系统中,相变材料的潜热蓄热具有独特的优点。因其发生相变时温度几乎恒定,且具有很高的相变潜热,因此,近几年人们对相变蓄热进行了大量的研究。相变材料主要包括无机类、有机类和复合材料三类。无机类主要是水合盐类,虽然成本较低、贮热密度大,但有过冷、析晶及对容器腐蚀等缺点。有机类主要为石蜡和脂肪酸等,成本虽然较水合盐高,但无过冷现象。近几年,出现了一种新型定形相变材料,这类相变材料与传统的相变材料不同,发生相变时形状保持不变,不需要封装容器,可以与热媒直接接触换热,传热热阻减小,传热效率提高,制造成本降低,而且可以选取不同相变温度的相变主体,应用范围很广。国外学者OsamuMiyatake和YasushiKoito等人对填充了定形相变聚合体(相变温度95℃,84℃)的蓄热装置的热特性进行了研究。国内学者肖敏等人将石蜡与热塑弹性体SBS复合制备了在石蜡熔融状态下仍能保持形状稳定的复合相变蓄热材料;秦鹏华、叶宏等对定形相变材料的热性能及理化特性进行了研究,他们还研究了定形相变材料应用于蓄热地板电供暖系统的热性能。本文对采用了以石蜡为相变主体、相变温度在42℃左右的板状定形相变材料的蓄热槽的蓄/放热特性进行了实验研究,以期为蓄热槽应用于空调系统的蓄热、余热回收、太阳能利用等领域提供设计依据。为了对填充了这种相变材料的蓄热槽的蓄/放热特性及其影响规律进行分析和把握,建立了实验台,以水作为热媒,在改变热媒的流速、流动方向、蓄热槽的热媒进口温度等实验条件下,分别考察了蓄热过程和放热过程中蓄热槽的蓄/放热特性及其影响规律,现将实验研究及体结果分述如下。1试验平台的组成和原理1.1相变板及温度测量实验台原理如图1所示。蓄热槽的构造原理图和平面布置图分别如图2,3所示。蓄热槽为矩形箱体,相变材料为板状定形相变材料(简称定形相变板),竖直立放在蓄热槽内,板间距分别为38,10mm。热媒——水与定形相变板直接接触进行换热。图3中的“1”,“2”,“5”分别为对应处定形相变板的编号。本实验采用的定形相变板,长、宽都为140mm,厚为5mm。根据示差扫描热量计(differentialscanningcalori-metry,DSC)测得材料的相变温度为42~44℃,相变潜热量为156kJ/kg;材料的导热系数为0.28W/(m·℃)。为了观察蓄热槽进、出口流体温度以及相变材料各测点处温度随时间的变化,流体温度的检测采用Pt100的铂电阻,蓄热槽内相变材料的温度检测采用T型热电偶,热电偶的布置如图4所示。检测的温度通过HP34970A数据记录仪自动储存在计算机中,测量精度为±0.1℃。蓄热槽及管道系统均采用橡塑材料保温。1.2实验台的热源实验过程中,蓄热工况设定为:初始温度37℃、进口水温47℃,高温流体在蓄热槽内流过相变材料,直至蓄热槽内的相变材料完全熔解,槽内温度达到设定值t1(高于相变材料的相变温度),蓄热模式结束;放热工况设定为:初始温度47℃、进口水温37℃,低温流体流过初始温度为47℃的蓄热槽。实验台的热源为电锅炉;流量由流量计测量。所有仪器在使用之前都进行了校核。2实验分析2.1加热过程2.1.1第一阶段:显热蓄热阶段,变质蓄热阶段在进口水温47℃、流速u=0.002m/s、空隙率90%、热水自上而下流过蓄热槽的实验条件下,蓄热槽内相变材料各测点温度(t6,t12)对时间的响应如图5所示。整个蓄热过程可分为三个阶段:第一阶段——显热蓄热阶段,这个阶段的特点是温升快、蓄热量小,时间也不太长;显热蓄热阶段结束后,进入第二阶段——相变蓄热阶段,这个阶段的特点是温升很小,维持在相变温度42~44℃范围,蓄热量大,蓄热时间约为第一阶段的3倍;相变蓄热阶段结束后,进入第三阶段——过热蓄热阶段,这个阶段的特点是相变材料温升较大,但蓄热量小、蓄热时间较第一阶段长。另外,由图5可见,蓄热时热媒上进下出,测点t12处比测点t6处需要更多的时间完成相变蓄热过程,这主要是因为测点t12靠近蓄热槽的边壁,蓄热槽内流场分布不均匀导致蓄热槽中心区域热媒与蓄热体的换热更好。2.1.2结果2.1.2.不同流速条件下蓄热时间的变化以t4测点为例,在进口水温47℃、空隙率90%、热媒流速u=0.001,0.002,0.003m/s条件下,由图6可知,随着流速的降低,相变蓄热阶段开始的时间明显推迟,第一阶段的时间明显延长了。第二阶段随着流速的增大,蓄热时间缩短,但缩短的幅度不大。关于流速对蓄热时间的影响需进一步研究。2.1.2.热媒流动方向的变化对蓄热时间的影响在进口水温47℃、空隙率90%的实验条件下,观察t12测点,随着热媒流速的不断减小,改变热媒的流动方向对蓄热过程的影响越来越显著。当u=0.003m/s时,热媒流动方向的变化对蓄热时间的影响很小(见图7a);当u=0.002m/s时,热媒上进下出,所需蓄热时间比下进上出方式要少(见图7b);而当u=0.001m/s时,热媒上进下出,所需蓄热时间比下进上出方式几乎少一半(见图7c)。由以上实验结果可知,在蓄热过程中,热媒以上进下出方式流过蓄热槽更符合热量传递的规律。2.1.2.实验1蓄热时间实验由图8可知,在流速u=0.005m/s、空隙率70%、热水自上而下流过蓄热槽的实验条件下,随着流入蓄热槽的进口水温的不断提高,所需蓄热时间不断缩短。以实验A为例,相变温度区间为42~44℃,当进口水温为47℃时,与进口水温为45℃时相比所需蓄热时间缩短了近50%;当进口水温为49℃时,与进口水温为45℃时相比所需蓄热时间缩短了近65%;实验B也反映了同样的规律。2.2加热过程2.2.1不同温度对放热放热量的影响在进口水温37℃、流速u=0.003m/s、空隙率90%、热水自下而上流过蓄热槽的实验条件下,蓄热槽内相变材料各测点(t6,t12)温度随时间的变化如图9所示。由图可见,与蓄热过程类似,整个放热过程也可分为三个阶段,即第一阶段——过热放热阶段,第二阶段——相变放热阶段和第三阶段——显热放热阶段,但放热结束的时间明显比蓄热要快。笔者认为,出现这种现象的一个重要原因是蓄热工况和放热工况设定的初始温度与进口水温的温差虽然一样,但它们所对应的热媒与蓄热体之间的传热温差却不一样。以沿流动方向的第一层相变材料作为分析对象。蓄热工况下,与第一层相变材料进行换热的流体温度即进口水温为47℃,由于相变材料的相变温度为42~44℃,相变阶段的传热温差为3~5℃;而放热工况下,与第一层相变材料进行换热的流体温度进口水温为37℃,相变材料的相变温度不变,但这时相变阶段的传热温差为5~7℃,是蓄热工况的2倍左右。因此,即使所设定的条件相同,由于传热温差的不同也将导致放热时间明显小于蓄热时间。2.2.2结果2.2.2.流速对显热过程的影响在进口水温37℃、空隙率90%、热水自下而上流过蓄热槽的实验条件下,观察变化热媒流过蓄热槽的流速对放热时间的影响。由图10可见,随着流速的减小,第一阶段的显热放热过程稍有减缓,第二相变放热阶段开始的时间稍有推迟,但相变阶段时间几乎没有变化。关于流速对放热时间的影响需要在后期的实验中进行更详细的研究。2.2.2.热媒流动方向对放热时间的影响在进口水温37℃、空隙率90%的实验条件下,观察t12测点温度随时间的变化。与蓄热过程类似,随着热媒流速的不断减小,改变热媒的流动方向对放热过程的影响越来越显著。当u=0.003m/s时,热媒流动方向的变化对放热时间的影响很小(见图11a);当u=0.002m/s时,热媒下进上出所需放热时间比上进下出方式要少(见图11b);而当u=0.001m/s时,热媒下进上出所需放热时间比上进下出方式几乎少一半(见图11c)。由此也说明了在放热过程中,热媒以下进上出的方式流过蓄热槽更符合热量传递的规律。2.2.2.不同水温对放热时间的影响由图12可知,在流速u=0.005m/s、空隙率70%、热水自下而上流过蓄热槽的实验条件下,降低流入蓄热槽的进口水温,所需放热时间明显缩短。以实验A为例,当进口水温为36℃时,与进口水温为37℃时相比所需放热时间缩短了37%;当进口水温为35℃时,与进口水温为37℃时相比所需放热时间缩短了47.5%;实验B也反映了相同的规律。3蓄热性能的应用3.1过程显热过程与热媒流速的关系3.1.1与蓄热过程类似,放热过程也有三个阶段:过热放热阶段、相变放热阶段、显热放热阶段,但相变材料随时间变化的温度曲线(图9)与蓄热过程(图5)有所不同,放热过程结束的时间明显少于蓄热过程。3.1.2无论是蓄热过程还是放热过程,随着流过蓄热槽的热媒流速的减小,最初的显热阶段时间延长了,而且蓄热过程较放热过程更为明显,但第二相变阶段的时间变化不太明显。3.1.3关于热媒在蓄热槽内的流动方向,蓄热过程宜上进下出,放热过程则宜下进上出。3.1.4热媒进口水温和速度对蓄热槽的蓄/放热时间都有影响,但比较而言,进口水温对蓄/放热的影响更为显著。3.2实验结果分析对于冬季气温较低、湿度较大的地区,空气源热泵机组在冬季制热运行中空气侧换热器容易结霜,需要除霜。当机组在除霜工况运行时,热泵机组非但不能向室内提供热量,反而会从室内吸收热量,将严重影响室内环境的热舒适性。图13为某空气源热泵机组在低温、高湿室外环境下,机组供回水温度以及风机盘管机组出风温度随时间的变化曲线。由图可见,在正常供热工况下,热泵机组的供水温度基本稳定在45℃左右,但一旦热泵机组进入除霜工况,热泵机组的