石蜡螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的实验研究

石蜡螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的实验研究

0采用管式调温型蓄热器低热蓄热装置的研究是蓄热技术的重要组成部分。因为绝大多数的相变材料其导热性能差,所以相变蓄热器有一个传热强化的问题需要解决,以保证小温差快速充热、放热。实际应用中通常采用的方法是加金属肋片及采取扩大接触面积。如把相变材料分装在小容器内以一定的方式排列于蓄热器中,形成胶囊、圆盘、球、圆柱、周向或纵向翅片管式相变潜热蓄热器。Velraj、Jun、Chow等研究发现通过采用肋片结构,或在相变材料中假如金属颗粒或环、碳纤维等高导热系数材料,可强化相变材料的导热性能。Wata-nabe等、Gong等、Wang等通过实验与分析指出:为了提高传热率,利用熔点不同的多种相变材料有一定的作用。张寅平等对采用固—液相变储热,利用热管工作原理即汽—液相变充、放热的新型汽—液—固储热系统进行了实验研究。石蜡由直烷烃混合而成,分子式为CnH2n+2。随链的增加,融点和融解热随之增加,其熔解热大,但导热系数及密度小。针对石蜡导热系数小的问题,本文拟采用多层螺旋盘管以增加换热面积,提高蓄热器的放热性能;此外,采用在石蜡中添加铜粉、硅粉和不锈钢丝带等方法强化石蜡的导热性能,以提高蓄热器的蓄热和放热能力。1实验装置及测点布置石蜡相变螺旋盘管蓄热器结构图如图1所示。蓄热器主要由电加热筒和三层螺旋盘管组成。电加热筒由1mm厚的镀锌板煨制而成,在每个加热筒外均匀绕上ue001φ0.8mm的电加热丝(外套玻纤管电绝缘)作为加热源。加热筒的直径分别为50、115和190mm。每个加热筒上的加热功率按每个加热筒上加热的热流密度相等进行计算,三个加热筒的电加热丝串联连接,总的电加热功率为1kW。蓄热器外绝热层采用聚氨脂发泡制成的泡沫塑料作绝热材料。蓄热器内胆的尺寸为ue001φ265mm×566mm。在内胆高度方向的中心位置沿内胆的直径方向安装有三根铜—康铜热电偶用于测量蓄热器内温度,分别距内胆轴心距离为38、60和110mm。螺旋盘管由ue001φ10mm×0.5mm的紫铜管绕制而成。三层螺旋盘管串联连接,三层螺旋盘管的螺旋直径分别为80、170、230mm,螺旋盘管的螺旋节距为16mm。螺旋盘管蓄热器的总外形尺寸为ue001φ320mm×624mm。图2为石蜡相变蓄热器实验装置简图。在蓄热过程中,关断水箱至蓄热器的通路,接通电源,由安装在蓄热器内的电加热器进行加热。电加热功率由调压器调节,由电流计和电压表分别测量电回路中的电流和电压,然后计算获得加热器的工作功率。蓄热器内的温度分布分别由安装在其内部的热电偶测量。当蓄热完成后,关断加热器电源,然后开启连通高位稳压水箱的阀门,通入冷水进行放热性能实验。实验中,主要测量蓄热器内温度分布、水侧进、出口温度以及水流量等。测温热电偶均为ue001φ0.2mm的铜—康铜热电偶,用多点HP数据采集系统进行温度测量数据的采集。水的体积流量由转子流量计测量,转子流量计在实验前用称重法进行了标定。蓄热实验过程中,电加热器功率为1kW;放热实验中,冷水的进口温度为22℃,冷水流量为6L/min。蓄热器所采用的石蜡熔点为75℃,相变潜热为250kJ/kg。蓄热器放热量及加热器的加热功率由下式计算:Q=ρfqVcp(θout-θin)(1)P=I·V(2)式中:qV为水的体积流量,ρf为水的密度,cp为水的比定压热容,θout为水的进口温度,θin为水的出口温度。I为电流强度,V为电压。上述公式中流体的物性参数均以流体的算术平均温度为定性温度。2结果与分析2.1石蜡加铜粉的温度分布图3为蓄热过程中纯石蜡相变螺旋盘管蓄热器内温度分布。从图中可看出,当电加热器加热初期(66s),蓄热器内的温度较均匀;随着加热时间的增加,蓄热器内的温度分布不均匀性逐渐增大,表现为一层和二层加热器间的温度升高较快,这主要是由于两个加热器间的发热量较为集中,且向周边的传热较少。到加热7200s后,蓄热器内测点的温度均达相变温度以上,而一层和二层加热器间的温度高达近90℃,表明该蓄热器内温度分布极不均匀,使得局部温度过热,一方面降低了蓄热器蓄热效率,另一方面使得局部温度可能超过蓄热器的工艺温度要求,影响蓄热器的推广应用。图4为蓄热过程中石蜡加铜粉(添加量为石蜡体积的2%)的螺旋盘管蓄热器内温度分布。可以看出,在添加铜粉后,蓄热过程中蓄热器内的温度分布比纯石蜡的温度分布均匀。这主要是因为添加了铜粉后,石蜡的导热系数提高,使得热量在蓄热器内的扩散能力增强,温度分布均匀性提高。图5为蓄热过程中石蜡加硅粉(添加量为石蜡体积的2%)的螺旋盘管蓄热器内温度分布。从图中可看出,在相同加热时刻,添加硅粉后的蓄热器内温度分布比添加了铜粉的蓄热器温度分布更为均匀。这是由于铜粉的密度(8930kg/m3)远高于石蜡的密度(920kg/m3),在石蜡内的分层现象严重,提高石蜡导热系数有限。而硅粉的密度为2330kg/m3,且呈粉末状,更易散布在石蜡内。因此,即使硅粉的导热系数低于铜粉,其强化石蜡导热的能力依然要高于铜粉。图6为蓄热过程中石蜡加不锈钢丝带(带宽约0.6mm、厚约0.1mm、填充量约为石蜡体积的2%)螺旋盘管蓄热器内温度分布。从图中可看出,在相同的加热时间,石蜡加不锈钢丝带的螺旋盘管蓄热器内温度分布与前三种情况相比,最为均匀。这主要是因为不锈钢丝带呈团状,在蓄热器内更定形,分布更均匀;同时,不锈钢丝带彼此相连,从丝带传走的热量更多;因此,对石蜡导热能力的强化更大,蓄热器内温度分布更均匀。图7为蓄热过程中不同石蜡螺旋盘管蓄热器内温度分布比较。从中可清楚看出,石蜡加不锈钢丝带的蓄热器具有最均匀的相变蓄热介质温度分布。2.2不同蓄热器内温度分布图8为放热过程中纯石蜡相变螺旋盘管蓄热器内温度分布。从图中可看出,当放热初期(240s),蓄热器内温度分布极不均匀,随着放热的进行,蓄热器内石蜡的温度降低,温度分布逐渐趋于均匀。这是因为,在放热初期,蓄热器内石蜡处于过热阶段,由于是显热改变引起的放热,蓄热器内因换热的非均匀性造成的温度分布不均匀性更明显。当石蜡开始凝固时,蓄热器内相变温度趋于定值,且潜热放热量远大于显热放热量;因此蓄热器内的温度分布逐渐均匀。图9～11分别为石蜡添加铜粉、硅粉和不锈钢丝带的螺旋盘管蓄热器内温度分布图。从这些图中可看出,石蜡加不锈钢丝带的螺旋盘管蓄热器内温度最为均匀;主要原因是不锈钢丝带对石蜡导热性能的强化最大,其次是石蜡加硅粉和石蜡加铜粉,其规律与蓄热时蓄热器的温度分布变化规律相类似。2.3不同放热时间对石蜡与水出口温度的影响图12为石蜡相变螺旋盘管蓄热器在进口水温为25℃、水流量为6L/min的条件下的出口水温随时间的变化规律。从图中可看出,随着放热时间的增加,蓄热器的出口水温降低。在放热初期,由于石蜡与水的传热温差大,石蜡放热量大,温度下降快;随着放热时间增加,石蜡的温度降低,石蜡与水的温差减小,放热速率降低,水的出口温度下降减缓,至300s后,水出口温度变化非常缓慢。从图中还可看出,纯石蜡蓄热器的出口水温下降最快,石蜡添加铜粉的蓄热器次之,石蜡添加硅粉的蓄热器出口温度略高于石蜡添加铜粉的蓄热器;而石蜡加不锈钢丝带的蓄热器出口水温最高。这是因为石蜡加不锈钢丝带对石蜡的导热性能强化最大,传热系数随之增大;使得蓄热器内温度分布更均匀,蓄热器内石蜡的热量释放更均匀,在同样石蜡与水的温差下释放的热量更多;因此出口水温最高。同理,石蜡加硅粉、石蜡加铜粉以及纯石蜡的蓄热器的出口水温依次降低。经测量和计算,蓄热器释放的热量大约为加入热量的80%,其主要原因是散热损失和蓄热器温度分布不均以及部分显热未能释放。3不锈钢丝带+硅粉体系在蓄热过程中,随着加热时间的增加,蓄热器内的温度分布不均匀性逐渐增大。纯石蜡蓄热器内温度分布不均匀性最为严重。当添加铜粉后,石蜡导热性能得到强化,温度分布趋于均匀。而添加硅粉后,由于其密度较铜粉更接近石蜡,分层问题得到缓解,温度分布更为均匀。不锈钢丝带具有连续结构和形状定形等