翅片螺旋式相变蓄热器蓄放热性能的实验研究

翅片螺旋式相变蓄热器蓄放热性能的实验研究

0应用广泛的领域利用蓄热技术，可以提高能源利用率，解决能源供需分配的矛盾。特别是在太阳能使用、能源“转移”和工业剩余回收、工业和民用建筑设备等节能领域，具有广阔的应用前景。相变蓄热器是利用材料的相变过程来完成热能的吸收或释放,具有单位体积蓄热量大的特点,其蓄热过程基本在恒定温度下完成本文针对光管蓄热器蓄热速度慢,蓄热时间长,蓄热性能差的问题,在实验研究的基础上设计了矩形翅片螺旋管式换热结构和以Na2SO4·10H2ONa2HPO4·12H2O复合体系为相变蓄热材料的新型相变蓄热器储能系统,并进行了其蓄热性能的实验研究,为该蓄热系统的大型化设计及开发提供理论依据和技术数据。1管外蓄热材料大量研究表明:椭圆管的换热性能较好。但对于相变蓄热器,由于在蓄热或者放热过程中,管外蓄热材料的流动速度很小,近似为零,而且椭圆管和圆管的阻力差值很小,换热系数的差值也不大;从制造成本和工艺过程考虑,圆管的性价比高,加工工艺简单。因此,本实验的蓄热器采用紫铜圆形盘管加矩形翅片。1.2性能因子的影响矩形翅片参数如表1所示。由正交实验得:翅片厚度、翅片长度、翅片宽度等3个因素中,翅片宽度的影响最大,翅片厚度的影响次之,翅片长度的影响最小,这主要是由于相对于翅片宽度方向来说,翅片长度方向与管壁的相对距离较大,而翅片材料均匀,具有各向导热均匀性,所以在所研究的范围内,翅片宽度的影响起着决定作用。对于翅片厚度来说,厚度越大,换热性能因子越小,因此在强度允许的情况下,翅片的厚度不宜太大。图1为翅片参数对性能因子的影响趋势图。性能因子(h/ΔP)为描述液体流经翅片管产生单位压降的换热性能参数。h为换热系数,W/(m2·K);ΔP为流体在入口处的压力Pin与出口处的压力Pout之差,Pa。性能因子与翅片厚度成反比,与翅片宽度成正比,翅片长度对性能因子的影响较小。工业生产实际中常用的矩形翅片结构尺寸为长度55mm,宽度26mm,厚度0.3mm。表2列出了常用翅片55×26-0.3与最优方案55×32-0.3的参数比较。综合考虑换热器的压降和换热效果,最终选用55×32-0.3翅片,翅片长度为55mm,翅片宽度为32mm,翅片厚度为0.3mm。1.3翅片间距对传热过程的影响翅片间距对换热的影响与Re有关,当Re<2×103,随翅片间距的增加,换热性能下降,且随着Re的增加,翅片间距对换热的影响逐渐减弱;当Re>3×103,随翅片间距的增加,换热性能提高,且随着Re的增加,翅片间距对换热的影响逐渐增强;一般翅片间距取为4~5mm。在本实验中,管道周围的蓄热材料在相变中的流动速度很小,即Re很小,则随翅片间距的减小换热增强。综上所述,取翅片间距值为4mm。图2为本实验确定的相变蓄热器储能系统,蓄热器为高度400mm、直径400mm的圆柱体,内外桶为有机玻璃,中间采用聚氨酯发泡保温,保温层厚度为50mm。1.4实验结果与分析本文采用的相变蓄热材料为Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O,它们特别适合低温情况下的蓄热。由于Na2SO4·10H2O有严重的分层现象,而Na2HPO4·12H2O有严重的过冷现象,其过冷度为8℃左右(表3)。由于Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O的复合体系可以解决两种蓄热材料的分层和过冷问题,因此,本文通过对两种蓄热材料的6种不同配比,进行其稳定性、可行性、有无分层现象以及对应的相变温度及蓄热时间的实验检验。每个方案的蓄热材料的总质量为400g,置于烧杯中,放入50℃的恒温水浴中加热,其实验结果如下。(1)蓄热材料全部是Na2HPO4·12H2O,其溶液颜色发黄,可以进行蓄热放热,但是相变温度高达36℃,蓄热时间长;实验系统如图3所示。循环水泵将恒温水箱的水送入蓄热器,使蓄热材料蓄热,恒温水箱通过电加热器加热,保持蓄热器进口水温为50℃。人工环境室通过空气温度控制系统和空气加热器保持恒定的实验温度。2.2蓄热材料意识不强实验发现,靠近桶壁处(即远离螺旋盘管)的蓄热材料,尤其是桶底部的蓄热材料不易溶解,但是只要蓄热时间足够长,均能融化。这是由于蓄热材料的热阻较大,热传递较慢,且实验环境温度均低于26℃,而蓄热相变温度为28~29℃,因此在蓄热过程中,远离螺旋盘管的桶壁处的蓄热材料较难融化。多次实验发现,在同一高度的蓄热材料先在靠近管壁处发生相变。在同一垂直面上,自下而上融解,而且在融化过程中,上面管道与蓄热材料间会出现间隙。造成蓄热材料自下而上融化的原因:在蓄热材料的显热蓄热阶段,蓄热器下部的蓄热材料受到重力作用与紫铜管接触紧密,换热充分,最先达到相变温度;在相变蓄热阶段,盘管周围的蓄热材料最先融解,在重力作用向下部流动,蓄热器下部盘管周围的液体最多。另外,盘管中水流动的方向是自下而上,下部水的温度比上部略高,传热系数最大;与此同时,蓄热器上部紫铜管与蓄热材料分离,出现了空隙,传热受到阻碍。整体上看,蓄热材料的融解过程呈现出自下而上的规律。经过多次实验发现,过冷现象以及分层现象基本消除,重复性好,相变温度为28~29℃。另外,在蓄热过程中还会出现少量的沉淀物,经过分析及对比发现,少量的沉淀物为颜色发黄的过量Na2HPO4·12H2O。这是因为Na2SO4·10H2O在空气中失水变为Na2SO4粉末,会造成Na2HPO4·12H2O的过量,过多的Na2HPO4·12H2O无法融化而形成沉淀。实验显示,铜管加装翅片后蓄热时间明显缩短。在融化的过程中,翅片周围的蓄热材料最先融化。2.3复合蓄热材料的蓄热量本实验蓄热器中的Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O的质量分别为10.3kg和2.575kg,蓄热材料蓄热的终止温度T2为50℃。单位相变材料蓄热量:式中:q为相变材料蓄热量,kJ/kg;Tm为相变温度,℃;T1为蓄热材料的初始温度,℃;T2为蓄热材料的终止温度,℃;Cs为相变材料的固相比热,kJ/(kg·K);Cl为相变材料的液相比热,kJ/(kg·K);Hm为相变潜热,kJ/kg。通过计算得,Na2SO4·10H2O的蓄热量q1为301.34kJ/kg;Na2HPO4·12H2O的蓄热量q2为323.91kJ/kg。复合蓄热材料的蓄热量Q:式中:Q为复合蓄热材料总蓄热量,kJ;m1为Na2SO4·10H2O的质量,kg;m2为Na2HPO4·12H2O的质量,kg;q1为Na2SO4·10H2O的蓄热量,kJ/kg;q2为Na2HPO4·12H2O的蓄热量,kJ/kg。经计算,复合蓄热材料的总蓄热量为3937.87kJ。未加装翅片的实验数据和加装翅片的实验数据分别列于表4、表5。图4为光管、翅片管的蓄热时间随环境温度的变化图。本实验中,蓄热材料的蓄热量为3937.87kJ。由图4可见,光管蓄热器的平均蓄热时间为152min,翅片管蓄热器的平均蓄热时间为99min,在相同环境温度和进口水温的情况下,加翅片后蓄热器的蓄热时间比无翅片的蓄热时间缩短了35%。3蓄热器内、外压力影响(1)优选的复合相变蓄热材料(80%Na2SO4·10H2O+20%Na2HPO4·12H2O)在多次试验中,没有发生分层现象,基本消除了过冷度,相变温度稳定,重复性好。(2)相变蓄热器内各处传热不均匀,在同一高度蓄热材料先在靠近管壁处开始相变,在远离螺旋盘管的筒壁处融解最慢,在同一垂直面上,相变蓄热材料自下而上融化。(3)矩形翅片盘管蓄热器的蓄热速度比光管式蓄热器的蓄热速度快1/3,蓄热时间少1/3,蓄热性能良好。1.1u2004e-20hpo412h2o的性质(2)20%Na2SO4·10H2O+80%Na2HPO4·12H2O的复合材料,颜色发黄,出现了明显分层现象,相变温度不太稳定,其蓄热时间和Na2HPO4·12H2O溶液的相差不大,由于Na2HPO4·12H2O过多,复合材料所表现出来的主要是Na2HPO4·12H2O的性质;(3)40%Na2SO4·10H2O+60%Na2HPO4·12H2O的复合材料的溶液颜色微黄,出现分层现象,过冷度达5℃,主要因为Na2HPO4·12H2O的量较多。(4)50%Na2SO4·10H2O+50%Na2HPO4·12H2O的复合材料出现了轻微分层现象,过冷度达3℃,蓄热时间比较长。(5)70%Na2SO4·10H2O+30%Na2HPO4·12H2O的复合材料出现了轻微分层现象,相变温度为33℃。(