翅片管簇式相变蓄热器的设计与实验研究

翅片管簇式相变蓄热器的设计与实验研究

1相变蓄热技术蓄热的基本形式包括显热蓄热、潜热蓄热和热化学蓄热。热化学蓄热的蓄热密度高,但系统复杂,还没有得到广泛的工业应用。显热蓄热利用材料的热容进行蓄热,是目前应用最成熟的蓄热方式,但因为其蓄热密度低,蓄热装置体积庞大,成本及空间占用较大。潜热蓄热也称相变蓄热,利用相变材料(PCM)发生相变时会吸收或放出大量的热能来进行蓄热,相变蓄热具有蓄热密度高、放热过程温度波动小等优点。相变蓄热技术的利用有很早的历史,在我国古代人们就将冬天的冰蓄存到夏天,以改善生活环境或冰镇食品。物质的相变方式有固-液相变、固-气相变和液-气相变,其中固-液相变蓄热过程体积变化小,研究和利用最为广泛,本文研究的相变蓄热过程是固-液相变。除了新能源领域,相变蓄热技术在航天、建筑、化工等很多领域都有非常好的应用前景,发达国家在研究高蓄热密度、性能稳定、低成本的相变材料及相变蓄热技术上取得了很大的进展,我国近年来在这一领域也取得了长足的进步,但与国外仍然存在明显的差距。本文设计了一种翅片管簇式相变蓄热器,管内为换热流体,入口温度为恒温,管外为相变材料。搭建了实验台,对相变蓄热器内的温度分布及其蓄、放热特性进行实验研究。2实验过程及流程①翅片管簇式相变蓄热器的结构翅片管簇式相变蓄热器主要由箱体、保温层、翅片管、相变材料等构成,结构见图1。箱体中布置有多组翅片管,成蛇行排列,相变材料放置在翅片管与箱体、翅片管与翅片管之间,翅片管内有换热流体(水)流过,箱体外覆有保温层。其中翅片管结构形式为在光滑管壁上按一定间距焊接翅片。多组翅片管错列布置在箱体内,可以使箱体内相变材料的温度保持均匀,从而保证热量交换的稳定均匀。在箱盖外表面覆有保温层,减少蓄热器的热损失。另外,在箱盖上表面制有便于打开箱盖的提手,更加方便安装及使用。②实验系统搭建实验台,对翅片管簇式相变蓄热器的蓄、放热特性及其内部相变材料的熔化、凝固过程进行研究。恒温水槽保证供应温度恒定的冷、热水,水槽里布置有加热器,外部与空调机组相连接,还布置有热电偶对水温进行监控,并由调温装置保证水槽内水温恒定。恒温水通过水管被水泵送入翅片管簇式相变蓄热器中,与相变材料进行热量交换,水流量通过手动阀门来调节,并通过一个涡轮流量计进行测量。温度的测量通过热电偶、数据采集器和电脑终端完成。③相变材料以石蜡为相变材料,其物理性质为:密度为800kg/m3;比热容为2kJ/(kg·K);液相的热导率为0.20W/(m·K),固相的热导率为0.27W/(m·K);运动黏度为5×10-6m2/s;相变潜热为140kJ/kg;熔化温度为41℃,凝固温度为47℃。④实验流程本实验研究两个过程:蓄热过程和放热过程。进行蓄热时,关闭空调机组,并关断水箱与空调机组间的通路。接通电加热器,对水进行加热,电加热功率由调压器和可控硅调节。当水温达到设定的加热温度时,开启水泵,将热水通过管道输送到相变蓄热器的进水管,然后进入箱体内的翅片管,与管外的相变材料换热。相变材料吸收热量,逐渐熔化,即把热水的显热蓄存到相变材料里。当相变材料全部熔化时,蓄热过程便完成了。放热过程一般在蓄热过程结束后进行,这样可以节省实验的时间和人力成本。当蓄热完成后,关闭电加热器,开启空调机组,将水箱的水温降下来,达到设定的冷却温度后,开启水泵,往蓄热器中通入冷水,吸收相变材料中蓄存的热量。液态的相变材料放出热量,并逐渐凝固,当相变材料全部凝固后,放热过程便完成了。实验中,主要测量蓄热器内的温度分布,水侧进、出口温度以及水流量等。蓄热器内的温度分布由安装在其内部的热电偶测量,蓄热器内沿高度方向等距离布置5支热电偶,从下到上依次编号为1#至5#。另外在蓄热器水侧进口和出口处布置两支热电偶,以测量水侧进、出口温度。测温热电偶均为铜-康铜热电偶,直径为0.2mm,用数据采集器对温度数据进行采集。3石蜡不断上升和退化后放热时石蜡的温度分布进口质量流量为1.0t/h,进口水温为55℃时,蓄热时相变蓄热器内的温度分布见图2。由图2可知,蓄热开始时,各测点温度升高很快,这是因为管壁与石蜡的传热温差很大,且石蜡还未达到熔化温度,为显热换热;当达到熔化温度后,石蜡开始熔化,此时为潜热换热,温度变化比较平缓;之后石蜡温度又比较快速地上升,并接近水管内水温,由于这时石蜡熔化过程基本完成,又变为显热换热。进口质量流量为1.0t/h,进口水温为40℃时,放热时相变蓄热器内的温度分布见图3。由图3可知,放热过程中,石蜡的温度变化为:先较快降低,然后平缓降低,之后又快速降低。这同样是由于石蜡相变的影响作用。一般来说,在相变蓄热技术应用中,由于自然对流的存在,蓄热过程(熔化)进行得更快一些,特别是对于尺寸较大的蓄热装置,放热过程完成的时间会很长。这是相变蓄热技术的瓶颈之一,严重制约了其推广应用。比较图2和图3可知,蓄热过程和放热过程完成的时间差别并不大,这是因为文中设计的相变蓄热器采用翅片管簇,使相变材料的温度变化更均匀,优化了装置的传热性能。将本文设计的翅片管簇式相变蓄热器应用到某蓄热系统示范工程中,对其实际效果进行分析,发现它发挥了明显的作用,使水箱温度波动较大的问题得到了缓解。在实际应用中,相变蓄热器的使用可以大大减小水箱的体积,甚至完全代替水箱,这会