自然对流对低温肋板式蓄热器性能的影响

自然对流对低温肋板式蓄热器性能的影响

可变传热问题包括两种物理过程：液相区的自然对称、两种药物密度差引起的体积变化、容器壁和两种材料之间的热阻，以及由单一热传导过程引起的热阻。本文采用石蜡(RT@80)作相变材料(PhaseChangeMaterial—PCM),以水作热载体(HeatTransferFluid—HTF)。对蓄热器的相变传热特性即相变材料的熔化和凝固过程进行了试验研究。本文详细介绍了试验装置、试验流程,并对试验结果进行了分析讨论。1蓄热器试验材料本文所研究的肋板式相变蓄热器的结构见图1。蓄热器板间肋片组成蜂窝状结构,具有结构紧凑、换热面积大及传热效率高等优点。蓄热器由上下盖板、设在上下盖板之间的隔板、肋片和接管组成,接管和盖板角孔连接。蓄热器分两层,上层用于灌装相变材料,下层为热载体的通道,中间为1.1mm厚的隔板,上、下两层之间相互独立、互不相通。蓄热器由铝合金(3A21)制成,试验元件的外形尺寸为1500mm×800mm×29mm,内部肋片的特征参数见表1,相变材料的物理参数见表2。另外,试验装置还包括相关的测量装置,如:压差计、真空表、数据采集仪器等,相关的管道和阀门,灌装容器、真空泵、离心泵、水箱、T型热电偶温控柜等。其中蓄热器上相变材料侧的热电偶分别布置在热载体的进、出口处和中间部位。2温度对蓄热器的过滤作用试验分为蓄热、放热两部分,本文采用电加热的方式对HTF进行加热,首先对蓄热器通热水,蓄热器中的相变材料RT@80开始熔解,进行蓄热试验;待完全熔解后,再对蓄热器通冷水,RT@80开始凝固,进行放热试验,流程见图2。试验条件:(1)蓄热时,水的入口温度分别取:81、83、85、87、89℃;(2)放热时,水的入口温度分别取:71、73、75、77、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(见图3和图4),分别以0°、30°、45°、60°、90°共9种不同的倾角(θ)放置。试验步骤如下:(1)首先将石蜡RT@80灌装到蓄热器PCM侧,关闭系统中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、3,同时关闭阀门1。待蓄热器热电偶数值均大于81.5℃时,蓄热试验完成。(2)蓄热试验完成后对水箱内的水继续加热,当通过蓄热器出口处的温度值大于85℃时停止加热,打开阀门1,同时关闭阀门2、3和离心泵。(3)向水箱内注入冷水,打开离心泵,稍微运行一段时间使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。(4)打开阀门2、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。(5)改变试验条件,重复上述步骤得到不同实验条件下的试验结果。3试验结果及分析3.1htc入口温度的影响图5～8分别表示不同入口温度下,蓄热器侧立和竖立时的蓄热时间。其中0°、30°、45°、60°、90°为图3和4中的倾角的数值。(1)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;当HTF的入口温度接近PCM的相变温度时,热传导的“动力”不足,传热速率相对较慢。随着温度的增高,隔板和肋片表层的液态RT@80膜厚度增高的速率越来越快,使得自然对流出现的时间越来越早,传热速率加快;蓄热时间随着HTF入口温度的增加而逐渐缩短。因此,自然对流对蓄热速率的影响随着HTF的入口温度的升高而增大。同样,在放热工程中,在HTF的入口温度接近于PCM相变点温度时,同样由于热传导的“动力”不足,传热速率比较慢,使得隔板和肋片表层的固态RT@80层厚度增加缓慢。自然对流对放热速率的影响很小,逐渐降低HTF的入口温度蓄热器的放热时间也逐渐变短。(2)在HTF相同的入口参数下,蓄热器平放时的蓄/放热时间最长,且随着倾斜角度的增加蓄/放热时间逐渐减少。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,导致自然对流的空间较小,使自然对流的强化传热效果有限。逐渐增大倾斜角度时,内部通道的高宽比逐渐增大,在重力作用下,加之肋片对边界层的破坏使得PCM侧的流场更加复杂,使得自然对流对相变换热的强化效果也逐渐增强。3.2蓄热器和放热时间的关系图9和图10分别表示将蓄热器侧立和竖立放置的倾角为30°和60°时的蓄、放热时间。图中ML30°和SL30°分别表示蓄热器侧立30°时的蓄、放热时间,ML60°和SL60°分别表示侧立60°时的蓄、放热时间;MH30°和SH30°分别表示竖立30°时的蓄、放热时间,MH60°和SH60°分别表示竖立60°时的蓄、放热时间。结果表明:(1)当蓄热器的摆放方式和倾角相同,且HTF的入口速度相同、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,可以达到强化传热的效果。而在放热过程中,下面靠近隔板的PCM首先凝固,在没有流动的前提下,固-液间的温度差异并不能起到很好的强化传热效果。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,正是由于在肋片和隔板附近的PCM的“脱离”使得传热过程变得更加复杂,因此在相变过程中,由于RT@80的熔化、凝固的机理不同,使得自然对流对蓄热和放热过程中产生的强化效果不同,进而使得蓄热器的放热速率大于蓄热速率。4石蜡结合温度场对蓄热器传热性能的影响(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;在一定的操作温度范围内,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,相变传热速率明显加快。(2)在该新型肋板式相变蓄热器的特定结构下,由于石蜡在熔化和凝固过程中的传热机理不同,使自然对流对蓄热器的蓄/放热过程的强化效果不同,在相