自然对流对蓄热器性能的影响

自然对流对蓄热器性能的影响

可萃取储存是一种将物质用于储存和释放材料、硬化、冷凝、气氛和其他形式的可变过程中的一种技术方法。蓄热器是相变蓄热系统的核心部件,开发紧凑、高效、经济的相变蓄热器,一直是相变蓄热问题的研究重点之一。笔者以德国Rubitherm公司生产的石蜡RT@80作蓄热材料(PhaseChangeMaterial,PCM),水作热载体(HeatTransferFluid,HTF),采用电加热的方式对热载体进行加热,对自然对流状态下一种新型肋板式相变蓄热器中的蓄、放热过程和蓄热器的摆放方向以及倾斜角度改变对蓄热器性能的影响进行了试验研究,并且对试验结果进行了分析讨论。1芯体及肋片层间距试验所用新型肋板式相变蓄热器结构示意图见图1和图2。试验装置包括肋板式相变蓄热器、T型热电偶、压差计、真空表、数据采集仪器、相关的管道和阀门、灌装容器、真空泵、离心泵、水箱及温控柜等。其中肋板式相变蓄热器由上盖板、下盖板、上下盖板之间的隔板、肋片及接管等组成,接管和盖板以角孔连接。蓄热器的内部芯体由若干层依次叠置的隔板、肋片组成。其中隔板包括第1隔板和第2隔板,盖板、第1隔板和第2隔板的四角设有角孔,四边设有角度相同的折边,第1隔板对角线上的第1和第3角孔边缘分别设有与隔板中心平面延伸连接的凸起平面,凸起平面的高度与肋片高度相等,在另一条对角线上的第2和第4角孔边缘设有下翻折边。第2隔板对角线上的第2和第4角孔边缘分别设有与隔板中心平面延伸连接的凸起平面,凸起平面的高度与肋片高度相等,在另一条对角线上的第1和第3角孔边缘设有下翻折边。第1隔板和第2隔板依次连接,形成间隔的蓄热体和热载体介质空间,肋片设在两介质空间内,并与隔板中心平面连接,连接在蓄热体介质空间的2个接管只用来充装蓄热材料,充装完成之后用堵头将其密封。试验用蓄热器尺寸为1500mm×800mm×29mm,内部肋片高度hf=6.5mm,肋片间距Ss=2.5mm,肋片厚度δf=0.3mm,肋片节距Lf=5.0mm,当量直径De=3.25mm。蓄热材料RT@80的物理参数见表1。2石蜡rt@80的蓄热试验蓄热器的性能试验分为蓄热和放热两部分,当蓄热器中通热水时,蓄热器中的相变材料RT@80开始熔解,待其完全熔解后,再通以冷水,RT@80开始凝固。试验装置示意图见图3。试验中,在蓄热器内部相变材料侧的测温孔1、2、3处(分别位于热载体的进口处、蓄热器的中间部位、热载体的出口处)分别插入3支T型热电偶,用以测量热载体水的温度。本文采取的试验条件:①蓄热时,热载体水的入口温度分别取81℃、83℃、85℃、87℃和89℃。②放热时,水的入口温度分别取71℃、73℃、75℃、77℃和78℃。③水的体积流量为0.705m3/h。④将蓄热器分别按侧立和竖立摆放,并从0°、30°、45°、60°、90°共变换9种不同的倾角(θ)放置(图4和图5)分别测试。试验步骤如下(参照图3)。(1)严格按照充装步骤完成石蜡RT@80的灌装,关闭PCM侧的阀门,打开电加热开关对水箱内的水进行加热,待温度控制柜的温度指示80℃左右时,依次打开泵和阀门1,使水箱内的水温均匀并达到蓄热试验要求的温度时,打开阀门2和阀门3,同时关闭阀门1。(2)运行数据采集软件,对5个热电偶的温度值进行监测,待实验元件中3个热电偶的测量值中的最小值大于81.5℃时,蓄热试验完成。(3)蓄热试验完成后对水箱内的水继续加热,当蓄热器出口处的温度大于85℃时停止加热,打开阀门1,同时关闭阀门2、阀门3和离心泵。(4)向水箱内注入冷水,打开离心泵,运行至水箱内的温度分布均匀,观察控制柜面板的温度指示,使水温达到放热试验所要求的温度。(5)打开阀门2和阀门3,同时关闭阀门1,当蓄热器上的最小温度值小于75℃时,关闭阀门,放热试验完成。(6)改变水的入口温度,重复上述步骤得到不同试验条件下的试验结果。3蓄热时间和放热时间为了直观地研究蓄热器的蓄、放热特性,选取蓄热器内相变材料的平均温度由79℃升至81.5℃的时间为1次蓄热时间,蓄热器内相变材料的平均温度由81.5℃下降至79℃的时间为1次放热时间。3.1蓄热器倾斜角度对传热过程的影响热载体水的体积流量为0.705m/h时,在不同的入口温度下,蓄热器以不同的倾角侧立和竖立时的蓄热时间变化见图6和图7。θ=0°为蓄热元件平放的情况。由图6和图7可知:(1)在热载体相同的入口参数下,蓄热器平放时比以其他角度倾斜放置时的蓄热时间长。因为水平放置时蓄热器中PCM侧通道的高宽比相对较小,通道的绝对高度也很小,导致形成自然对流的空间较小,使得自然对流引起的强化传热效果有限。逐渐增大蓄热器的倾斜角度时,其内部通道的高宽比逐渐增大,使自然对流获得了较大的空间。肋片对边界层的破坏使得PCM侧的流场更加复杂,增强了自然对流对相变换热的强化效果。因此,随着蓄热器倾斜角度的增加,蓄热时间逐渐减少,蓄热速率逐渐加快。(2)无论将蓄热器如何放置,蓄热器的蓄热时间随入口温度的增加而逐渐减少,与模拟结果基本一致,且蓄热器在不同倾角下的蓄热时间之差随着热载体入口温度的增加逐渐增大。在蓄热的初始阶段以热传导为主要传热方式,随着传热的进行逐渐变为热传导和对流换热并重的传热方式,传热速率加快。当热载体的入口温度降低并接近PCM的相变温度时,热传导的动力不足,随着温度的逐渐增加,隔板和肋片表层的液态RT@80膜厚度增加的速率越来越快,使得出现自然对流换热的时间越来越早,而传热速率随着入口温度的增加越来越快。因此,蓄热时间随着热载体入口温度的增加而逐渐缩短。可见由重力作用引起的自然对流对蓄热速率的影响随着热载体的入口温度的升高而增大。3.2不同蓄热器倾角对放热速率的影响热载体体积流量为0.705m3/h时,在不同的入口温度下,蓄热器侧立和竖立放置时的放热时间变化见图8和图9。由图8和图9可知:(1)随着倾斜角度的增加,蓄热器内部通道的高宽比逐渐增大,在重力作用下使相变材料侧的PCM的流动更加复杂,进而强化了传热效果。因此,在相同的入口参数下,随着蓄热器倾角的增加,蓄热器的放热时间逐渐减少,即放热速率逐渐加快,且蓄热器平放时的放热时间最长。(2)无论以何种方式摆放蓄热器,蓄热器的放热时间均随热载体入口温度的升高而逐渐增加。在热载体的入口温度增加并无限接近于PCM相变点温度时,由重力作用引起的自然对流对放热速率的影响很小,因此,随着热载体入口温度的增加,不同倾斜角度下蓄热器的放热时间之间的差值逐渐减小。说明在一定的工作温度范围内,可以通过改变蓄热器的放置方式提高蓄热器放热速率。3.3蓄热器传热过程分析蓄热器侧立和竖立放置的倾角为30°时蓄热器的蓄、放热时间变化见图10,蓄热器侧立和竖立放置的倾角为60°时蓄热器的蓄、放热时间变化见图11。由图10和图11可知:(1)当蓄热器的摆放方式和倾角相同、热载体的入口速度相同以及热载体的入口温度与PCM主体的温差相同时,蓄热器的蓄热时间要比放热时间长,即蓄热速率比放热速率慢。(2)在蓄热过程中,下面靠近隔板的PCM首先熔化,由于密度差异,使得已经熔化的PCM向上运动,未熔化的PCM向下运动,强化了蓄热器的传热效果。而在放热过程当中,下面靠近隔板的PCM首先凝固,但是由于石蜡在凝固过程中产生较大的体积变化,使其有脱离容器壁的趋势,这种趋势与重力引起的自然对流的作用叠加,使得蓄热器的传热效果更好。因此,由于蓄热器中RT@80的蓄、放热的机理不同,在重力作用下,自然对流对蓄热器的蓄热和放热过程产生的强化效果不同,使得蓄热器的放热速率大于蓄热速率。4自然对流对蓄热器工作特性的影响(1)蓄热器竖立放置时的蓄、放热时间最短,侧立放置时次之,水平放置时的蓄、放热时间最长。随着蓄热器倾斜角度的增大,蓄热器的蓄、放热速率逐渐增加。在一定的温度范围内,随着传热温差的增加,自然对流对蓄热器传热的强化效果明显增强,蓄热器的蓄、放热速率明显加快。(2)改变蓄热器的摆放方式,自然对流对蓄热器蓄、放热特性的强化效