相变材料蓄热性能实验研究

相变材料蓄热性能实验研究

许多动能装置中都存在着能量供应和使用之间的不平衡问题。能量储存可以平衡这种能量供应之间的矛盾。潜热式能量储存由于温度近似恒定,能实现稳定的储能和释能,是一种高效的储能方式,具有广阔的应用前景。但是常用的相变材料导热系数很小,严重影响了其传热速率。在强化相变储能方面,国内外学者做了大量理论和实验方面的研究,通过在相变材料中添加各种形态的金属、石墨、肋片等措施,强化相变材料的导热系数,从而达到提高相变蓄热效率的目的。纳米材料和纳米技术的迅速发展给相变储能领域带来了新的机遇。所谓纳米复合相变材料,是纳米颗粒和相变储能材料的复合物,是指把金属或非金属纳米粉体分散到有机、无机等传统储热介质中,制备成均匀、稳定、高导热的新型储热介质。将纳米技术用于相变储热领域可以增加相变材料种类、改善相变材料性能、拓展其应用范围。笔者以纳米复合材料作为相变蓄热材料,加工制作了相变储能装置,并搭建了蓄热器热性能实验台,对传热元件为光管和波纹管的蓄热容器分别进行了相变蓄热实验。1co-keys1.1材料的充热选择实验选用同济大学提供的纳米颗粒型相变储能复合材料作为相变材料,相变温度为58～60℃。1.2反复改变轴向压力梯度当流体在波纹管内流动时,波峰处流体速度降低、静压增加,波谷处流体速度增加、静压减小,这样,流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行,产生的剧烈漩涡冲刷了流体的边界层,使边界层减薄。因此,从理论上讲,波纹管的传热效果优于光管。本实验选用的波纹管的尺寸为波峰外径30mm,波谷外径25mm,壁厚5mm。1.3调查结构的设计实验装置如图1所示,主要装置和仪器有蓄热器、电加热器、水泵、水箱、风机盘管、涡轮流量计、T型热电偶、数据采集仪、控制柜以及计算机。蓄热器是实验的主要装置,设计为一环形圆筒体,环形腔体、换热管和端盖均采用不锈钢制成,腔体高315mm,外径为126mm,换热管内径为25mm,壁厚为3mm,上下端面直径为130mm。实验时,热水在换热管里流动,相变材料在换热管和外筒形成的环形腔体中。在筒体的上端盖上钻有12个小孔,用来放置热电偶以测量相变材料的温度。在筒体的4个方向上均匀布置热电偶,每个方向上布置3个,这3个热电偶距离换热管外壁的长度分别为15,30,45mm。选取3个轴向界面,每个轴向界面上有4个热电偶,分别距上端面100,200,300mm。热电偶布置情况如图2和图3所示。筒体四周和上端面设置了聚氨酯保温材料,尽可能减少实验过程中的热损失。1.4温度测定方法设定电加热器温度,启动水泵,调整好流量使热水在换热管中循环流动,将热量传递给环形腔体中的相变材料,相变材料吸收热量后温度不断升高,打开标定好的数据采集仪,记录PCM的温度,蓄热过程一直进行到PCM温度达到其相变温度且温度出现上升阶段时结束。实验中,分别进行了传热元件为光管和波纹管的实验,并且将实验数据进行分析比较。2以点10为例的分析问题根据实验数据,得到了各点PCM温度随时间的变化情况,由于测点较多,为分析问题简便起见,笔者以点108为例,绘制出该点温度随时间的变化曲线,以研究各曲线的变化规律,得出影响蓄热、放热性能的各个因素。2.1在蓄热过程中的热性能分析1光管温度对pcm温度的影响图4表示流量为0.167kg/s,进口温度为85℃时,传热元件分别为波纹管和光管,PCM温度随时间的变化曲线。由图4可知:采用光管换热时,相变蓄热时间约为750min,潜热蓄热阶段明显变化,但温升较慢,蓄热时间很长。采用波纹管换热时,相变材料蓄热时间约为500min,比光管作为传热元件蓄热时间缩短了33%。2适当降低进口温度下的蓄热时间图5表示流量为0.167kg/s,传热元件为波纹管时,进口温度分别为85℃和90℃时,PCM温度随时间的变化曲线。由图5可知:流量一定时,热媒体进口温度为85℃时,蓄热时间约为500min;热媒体进口温度为90℃时,蓄热时间约为410min。蓄热时间减少了18%。因此,采用较高的进口温度换热时,相变材料相变蓄热所用时间较短,经历了相变潜热蓄热阶段后加热而进入显热阶段;采用较低温度换热时,相变蓄热时间长,潜热蓄热阶段明显。2.2热效应分析1间的变化曲线图6为放热过程中光管和波纹管在相同进口温度时PCM的温度随时间的变化曲线。由图6可知:波纹管放热时间约为225min,光管放热时间约为300min,波纹管比光管放热时间短,缩短约25%的时间,热媒体在波纹管中的流动提高了放热效率。2pcm潜热放热持续时间图7为波纹管在不同温度下进行的放热试验,由图7可见:当进口温度为85℃时,PCM潜热放热持续时间短,放热快,放热时间约为175min;当进口温度为90℃时,PCM潜热放热持续时间长,放热慢,放热时间约为230min,比85℃时延长了24%。所以进口温度越高,蓄热量越大,放热时间越长。3热媒体进口温度对蓄热器工作特性的影响对蓄热器的蓄、放热性能进行了实验研究并对实验数据进行了分析,分析了波纹管对相变蓄热的