一种新型相变蓄热器的蓄放热性能测试

一种新型相变蓄热器的蓄放热性能测试

在80年代，美国的shamsudan和sriedanr设计了一个管-壳式蓄热器，并对其蓄能过程进行了研究。进入90年代,BanaszekJ等人对采用螺旋式结构的蓄能装置进行了理论和实验研究。90年代以后,吕其岗等人对热管式换热器进行过研究。王增义等人研究了热管式相变蓄热换热器蓄/放热能过程中供/取热流体入口温度、流量对蓄热器性能的影响。HorbaniucBogdan等人对采用热管的相变蓄热换热器的凝固过程进行了理论计算。SariA和KaygusuzK等人研究了两个同心环形管中封装的相变材料(PhaseChangeMaterial——PCM)为十二酸和硬脂酸的热特性,实验得出总蓄/放热时间与雷诺数、斯蒂芬数的关系。申晓亮等人建立了G-M制冷机蓄冷器的物理模型和数值计算模型,并进行了数值仿真计算,得到了蓄冷器的温度分布规律。周素娟等人用Fluent软件对套管型相变蓄热装置的蓄热过程进行了动态模拟,得到了PCM管内不同半径处温度、液相率、热流密度随时间的变化情况。笔者运用相关理论提出了一种新型铝制肋板式相变蓄热器,并以萘为PCM、水为热载体(HeatTransferFliud——HTF),通过试验研究了该相变蓄热器的蓄/放特性。1测试安装1.1温度测量设备的安装肋板式相变蓄热器板间肋片组成蜂窝状结构(图1),具有结构紧凑、换热面积大及传热效率高等优点。该蓄热器由铝合金(3A21)制成,外形尺寸长、宽、高分别为1.5m×0.8m×29mm。笔者在PCM侧安装3个热电偶标号为1、3、2(分别位于HTF进、出口附近和换热器的中间位置)用于测量PCM各处的温度值。蓄热器由盖板、肋片、封条以及隔板组成。蓄热器分为两层,上层用于灌装相变材料,下层为热流体的通道,中间为厚1.1mm的隔板。上、下两层之间相互独立,互不相通。1.2试验方法肋板式相变蓄热器蓄热和放热的试验流程如图2所示,主要由相变蓄热器、水加热装置(带有蓄水箱)、泵、流量计、压差计以及测温装置组成。采用萘作为相变材料,萘的灌装量为5kg,萘和铝合金3A21的物性列于表1。试验中,在相变蓄热器萘层不同位置插入3支T形热电偶。分别改变热媒体的入口温度和流量,测定PCM完全熔化和凝固的时间,进而研究HTF的入口参数对蓄热器的蓄/放热性能的影响。另外,还研究蓄热器的放置方位(水平或垂直)对蓄热器的蓄/放热特性的影响。2pcm区域热电温度信号为了便于比较分析,使蓄热器蓄/放热过程的理论换热量保持一致。在熔化过程中笔者所选取的熔化(蓄热)时间为:由PCM区域热电偶1(HTF进口附近)温度指示为75℃时开始,到热电偶3(HTF出口附近)温度指示为81℃(认为此时PCM完全熔化)。在凝固过程中笔者所选取的凝固(放热)时间为:由PCM区域热电偶1温度指示为81℃时开始,到热电偶3温度指示为75℃(认为此时PCM完全凝固)。2.1蓄热器水平/竖直放置时的蓄/放热特性为了便于比较分析,笔者选取了体积流量分别为0.2m3/h和0.5m3/h,入口温度相同情况下,对蓄热器水平/竖直放置时的蓄/放热特性进行试验(图3、4)。由图3、4可见,在相同工况下,就蓄热器的性能而言,无论是相同入口参数下的蓄热速率,还是放热速率,竖直放置时的性能要优于水平放置。为此,在蓄热器的蓄/放热过程中,由于重力作用而引起的对流换热对蓄热器蓄/放热特性的影响不容忽视。2.2载体体积流量对热载体蓄热和放热效果的影响由于蓄/放热速率是衡量一个蓄热器性能优劣的最重要的参数,本文选择入口参数为热载体的体积流量为0.5m3/h,热载体与PCM相变点温差为1、3、6、9、12K时,分别进行蓄热和放热试验(图5),发现在相同的传热温差、相同体积流量下,蓄热器完成蓄热的时间大于放热时间,且这种差别在随着传热温差的增大而减小。2.3在蓄热器的蓄热过程中，每个测量点的蓄热速率都是比较的2.3.1点和3点的时间比2点早一些,2点比3点早竖直放置时,3个测试点的熔化顺序大体为:1点最先开始熔化,之后2点和3点再熔化。在中间流量的HTF温度较低和低流量的情况下,3点熔化的要比2点早一些;而在中间流量的HTF温度较高和高流量的情况下,2点的熔化时间较3点要早一些;在中间流量的HTF高温和低温情况下,2点和3点的时间区分并不十分明显。水平放置时,3种流量情况下,2点和3点的熔化次序并不明显,只是在低温或者低流量情况下2点的熔化时间比3点晚一些。这可能是由于流量较大和高温HTF的情况下在出口处的聚流效应对蓄热器的蓄热影响不大,而在流量较小和低温HTF的情况下影响比较明显。2.3.2温度对主体温度的影响尽管本身的凝固时间很短,基本上是在1点凝固完成以后,2、3点很快随之凝固,但依然和放置方式、HTF的流量与主体温度有一定的关系。在竖直放置时,基本上是2点先于3点开始凝固,且二者的差距随着传热温差的增大和流量的增大而增加。在水平放置时,则是3点先于2点开始凝固,且二者的差距随着传热温差的减小和流量的增加而减小,但总体趋势不是很明显。这说明了对于改善蓄热器换热效果而言,显然竖直放置可以使整个蓄热器的温度分布更加合理。3蓄热器的充放电性能实际应用2.3.1肋片在相变蓄/放热试验中拓宽了传热表面积,将萘分割成若干小块,且能够将热量快速传给萘,从而强化热量的存储和释放过程。3.2在相同的试验工况下,该蓄热器的放热速率