新型平板熱管相變蓄熱器蓄放熱性能分析

葉三寶，刁彥華，趙耀華

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京市100124)

0 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為制約人類社會(huì)發(fā)展的2個(gè)重要因素，開發(fā)可再生能源和提高能源的利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國作為能源消耗大國，能源浪費(fèi)和利用率低現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。相變蓄熱技術(shù)具有儲(chǔ)能密度高、相變過程近似等溫等優(yōu)點(diǎn)，這對于解決太陽能和工業(yè)余熱廢熱供需時(shí)間上的不匹配，實(shí)現(xiàn)電力“移峰填谷”，以及工業(yè)建筑和民用建筑空調(diào)節(jié)能［1－3］，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，對于相變蓄熱技術(shù)的研究主要包括相變材料研究和熱物理問題研究［4］。相變材料研究包括不同材料的物性、壽命及穩(wěn)定性等，熱物理問題研究則主要包括固－液相變傳熱機(jī)理、提高相變材料的導(dǎo)熱能力、儲(chǔ)熱裝置的強(qiáng)化傳熱以及不同溫度蓄熱(換熱)器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況等。

通過添加高導(dǎo)熱率的材料可以大幅提高傳熱的速率，這些強(qiáng)化傳熱的材料包括金屬基體、翅片、均勻分散的高導(dǎo)熱粒子和碳纖維等［5－7］。Cabeza［8］進(jìn)行了 3種不同材料的強(qiáng)化產(chǎn)熱實(shí)驗(yàn)，所用材料分別為不銹鋼片、銅片和石墨基質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PCM－石墨復(fù)合材料的傳熱效果明顯優(yōu)于不銹鋼片和銅片。吳志根［9］通過實(shí)驗(yàn)，對金屬泡沫、膨脹石墨在高溫蓄熱系統(tǒng)中強(qiáng)化換熱進(jìn)行了研究，通過頂部和底部加熱相變蓄熱器的不同的加熱方式，進(jìn)一步揭示了多孔介質(zhì)對自然對流的影響。Banaszek［10］對采用螺旋式結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。崔海亭［11］利用數(shù)值軟件模擬了多套管式相變蓄熱的蓄放熱過程，結(jié)果表明，合理增加內(nèi)管數(shù)量可以提高相變過程中的流換熱強(qiáng)度和蓄熱能力。楊小平［12］建立了熔鹽球形填充床相變蓄熱系統(tǒng)的傳熱模型，采用亞硝酸鈉作為相變材料密封在不銹鋼球中，通過建立數(shù)學(xué)模型對相變蓄熱過程中的傳熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，可為蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。徐偉強(qiáng)［13］建立了微重力下相變蓄熱容器的仿真計(jì)算模型，根據(jù)蓄熱容器內(nèi)凝固過程的仿真結(jié)果建立了更加符合實(shí)際的空穴分布模型，對改善蓄熱器的性能具有重要指導(dǎo)意義。朱恂［14］對石蠟為相變材料的螺旋盤管蓄熱器的蓄放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了通過在石蠟中添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶對石蠟螺旋盤管蓄放熱性能的影響。王增義［15］設(shè)計(jì)了一整套熱管式相變蓄熱換熱器，對其蓄放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

本文引入新型平板熱管這種高效傳熱元件，并在平板熱管兩側(cè)添加縱向翅片，設(shè)計(jì)一套新型平板熱管式相變蓄熱器，以石蠟作為相變蓄熱材料，對其蓄、放熱過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 平板熱管式相變蓄熱換熱器實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)原理

1.1 新型平板熱管式相變蓄熱換熱器

新型平板熱管式相變蓄熱換熱器分為上、中、下3部分，其中上部小水箱是取熱流體通道，中間部分為儲(chǔ)能室，用來填裝相變儲(chǔ)能材料，下部小水箱是供熱流體通道。三者采用分段式設(shè)計(jì)，互不相通。

作為傳熱元件的U型熱管底部貼在底部小水箱上表面，將導(dǎo)熱硅脂均勻涂于下部水箱換熱表面，由螺絲壓緊固定。在U型熱管上部，水平熱管扁平表面貼在上部取熱小水箱上進(jìn)行換熱。圖1給出了新型平板熱管式相變蓄熱換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。本文所用平板熱管是通過整理擠壓而成的平板結(jié)構(gòu)，平板內(nèi)部設(shè)置多個(gè)通孔，通孔內(nèi)壁上設(shè)置有微翅片，相鄰微翅片間構(gòu)成毛細(xì)微槽，瞳孔內(nèi)灌裝工質(zhì)為丙酮，平板兩端密封，從而構(gòu)成整體式的平板熱管。由于通孔內(nèi)設(shè)置有大量微翅片，可以形成大量毛細(xì)微槽，熱管比表面積大幅增加，在相同的散熱效率下，可以大幅減小體積。同時(shí)，對于平板換熱面，采用平板熱管具有熱阻小、換熱效率高的特性，是傳統(tǒng)圓形熱管所無法比擬的。

蓄熱換熱器采用分段式設(shè)計(jì)，下部小水箱是供熱流體通道，通過熱水時(shí)，與下部熱水小水箱上表面緊密貼合的U型熱管蒸發(fā)段受熱，內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)上流，整個(gè)熱管翅片受熱，石蠟熔化，蓄熱器開始蓄熱。上部小水箱是取熱流體通道，通過冷水時(shí)，與上部小水箱下表面緊密貼合的U型熱管冷凝段給水箱加熱進(jìn)而加熱冷水，蓄熱器開始放熱。

這種換熱器既可以實(shí)現(xiàn)單純儲(chǔ)能過程，又可以實(shí)現(xiàn)單純放能過程，還可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)、放能過程同時(shí)進(jìn)行，在工程應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況靈活改變。本實(shí)驗(yàn)研究中，采用58℃石蠟作為相變材料，通過改變供、取熱流體的溫度及流量對平板熱管式相變蓄熱換熱器進(jìn)行了研究。

圖1 新型平板熱管式相變蓄熱換熱器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of phase-change thermal storage heat exchanger with new flat heat pipe

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由平板熱管式蓄熱換熱器、恒溫水浴(寧波新芝生物科技股份有限公司DC－1015，額定流量6 L/min)、交流電源構(gòu)成。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的流量，在水浴外環(huán)路加裝水泵(上海甲乙機(jī)電有限公司YRS25/6，最大揚(yáng)程為6m，最大流量為40 L/min)，實(shí)驗(yàn)中，以閥門調(diào)節(jié)控制流量，由流量計(jì)測試實(shí)際流量(流量計(jì)為天津儀表有限公司出品的金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)，量程為25～250 L/h，測量精度為±1.5%)。實(shí)驗(yàn)所用閥門均為普通球閥。本文溫度測量熱電偶均采用k型熱電偶，熱電阻采用pt100熱電阻，測溫范圍為0～100℃。

實(shí)驗(yàn)中熱源加熱熱水到90，95℃，分別對蓄熱換熱器中石蠟融化過程以及底部的小水箱進(jìn)出口溫度進(jìn)行測試。作為冷源端的恒溫水浴的水溫保持在15℃，同時(shí)，分別調(diào)節(jié)水流量在100，150，200 L/h對換熱器凝固過程以及水溫進(jìn)出口溫度進(jìn)行測試。

該蓄熱換熱器中，熱管寬40 mm，厚3 mm，翅片尺寸間距為6.5 mm，翅片高30.5 mm，寬50 mm，厚度為0.7 mm。上、下小水箱進(jìn)出口測溫元件為熱電阻，4個(gè)熱電阻分別為201測點(diǎn)(上進(jìn))、202測點(diǎn)(上出)、203測點(diǎn)(下出)、204測點(diǎn)(下進(jìn))。在蓄熱器內(nèi)部布置3個(gè)熱電偶，底部為210測點(diǎn)，上部靠兩邊緣分別為214測點(diǎn)、217測點(diǎn)。當(dāng)頂部214測點(diǎn)、217測點(diǎn)測點(diǎn)溫度均超過石蠟熔點(diǎn)溫度可認(rèn)為石蠟全部熔化完成。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic of experimental apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 蓄、放熱過程中石蠟溫度隨時(shí)間變化

圖3給出了供熱流體入口溫度在90，95℃時(shí)蓄熱器中不同測點(diǎn)處石蠟的溫度變化。由圖3可知:210測點(diǎn)在蓄熱器底部，離供熱水箱距離較近，214和217測點(diǎn)設(shè)置在蓄熱器儲(chǔ)能室頂部正面和側(cè)面兩側(cè)，處于同一水平面上，均與210測點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，故而在整個(gè)熔化過程中，210測點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)高于214和217測點(diǎn)，而214和217測點(diǎn)的溫度相差不大。在初始時(shí)段，蓄熱器石蠟為固體，由于固體石蠟顯熱比熱容較小，因此測點(diǎn)溫度增長的趨勢為開始時(shí)溫度升高速率較快，當(dāng)固體石蠟溫度達(dá)到熔點(diǎn)后，進(jìn)入潛熱熔化階段，溫度升高速度變慢，曲線斜率減小，當(dāng)石蠟完全熔化后，液體石蠟開始顯熱蓄熱，溫升速度又開始加大。

圖3 入口溫度為90、95℃時(shí)蓄熱容器內(nèi)部測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.3 Measuring point temperature change curves in heat storage container when inlet temperature is 90 and 95℃

值得注意的是，圖3(b)中，在熔化階段過后，蓄熱器溫度有快速趨于一致的趨勢，210、214、217這3個(gè)測點(diǎn)溫差減小很快。214測點(diǎn)為正面測點(diǎn)，其距離翅片基部1 cm處，而217測點(diǎn)為側(cè)面測點(diǎn)，其距離翅片頂部1 cm處，由于翅片基部比翅片頂部溫度高，故214和217測點(diǎn)一開始溫度基本保持一致，到一定熔化時(shí)間后，214測點(diǎn)的溫度超過217測點(diǎn)的溫度。由于210、214、217這3個(gè)測點(diǎn)位于蓄熱器的底部和頂部，會(huì)受到自然對流的一定影響，溫度略有波動(dòng)。

圖4給出了取熱流體溫度15℃蓄熱器中各測點(diǎn)溫度變化趨勢。由圖4可知:一開始由于217測點(diǎn)是在蓄熱器的側(cè)面，與上部流經(jīng)取熱小水箱鏈接水管較近，溫差大、熱阻小故其傳熱較快，其初始溫度就比其他2個(gè)測點(diǎn)溫度低，與冷水換熱較均勻，曲線斜率逐漸減小。但從210測點(diǎn)可以明顯看出凝固趨勢為，初始階段為顯熱換熱階段，故其溫度降低速度較快，進(jìn)入潛熱換熱階段后，熱阻變大，換熱速率減小，曲線斜率變化速度明顯變慢。而214測點(diǎn)的變化曲線，一開始斜率減小明顯，當(dāng)石蠟?zāi)套優(yōu)楣虘B(tài)，開始釋放潛熱后測點(diǎn)曲線變化平緩。

圖4 入口溫度15℃蓄熱器中各測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.4 Measuring point temperature change curves in heat storage container when inlet temperature is 15℃

2.2 蓄、放熱過程進(jìn)出口水溫的變化

圖5 給出了入口溫度分別為90，95℃時(shí)，蓄熱換熱器小水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況。熔化過程中，上部小水箱進(jìn)、出水閥門關(guān)閉，下部小水箱閥門開啟，并流經(jīng)熱水進(jìn)行蓄熱。從圖5可看出，下部供熱小水箱在熱水進(jìn)入后，溫度迅速升高，供熱水浴水溫分別維持在90，95℃時(shí)，下部小水箱溫度進(jìn)水溫度分別維持在88，93℃。在穩(wěn)定狀態(tài)下，小水箱的進(jìn)、出口水溫溫差在1℃左右。

圖5 入口溫度為90，95℃熔化時(shí)蓄熱器下部小水箱進(jìn)、出口溫度變化趨勢Fig.5 Temperature change curves of inlet and outlet of small water tank when inlet temperature is 90 and 95℃

圖6為取熱水浴溫度為15℃時(shí)，蓄熱換熱器小水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況。取熱(凝固)過程中，下部小水箱閥門關(guān)閉，上部小水箱與取熱(冷水)水浴相連，冷水水浴模擬全年平均均自來水溫15℃從蓄熱器取熱。從圖6可看出，取取熱(冷水)水浴溫度設(shè)定在15℃時(shí)，初始階段段，蓄熱換熱器上部小水箱由于在蓄熱階段吸收的熱量而溫度較高，并且開始的換熱功率也較較大，雖然水浴的溫度設(shè)定在15℃，水浴也無法法立刻將回水溫度穩(wěn)定在15℃，在水浴不斷制冷冷的情況下，水溫仍保持在20℃以上能維持1 515 min左右，在15～40 min水溫維維持在16℃以上，在40 min后水溫恢復(fù)供水水溫度在15℃左右，此時(shí)的進(jìn)、出水溫差在1℃以內(nèi)，放熱過程連續(xù)穩(wěn)定，充分體現(xiàn)了相變蓄熱放熱器的優(yōu)勢。

圖6 冷水入口溫度15℃時(shí)蓄熱器取熱流體進(jìn)出口溫度變化Fig.6 Temperature change curves of inlet and outlet of hot fluid when inlet temperature of cool water is 15℃

2.3 放熱過程流量對溫度分布的影響

圖7 為實(shí)驗(yàn)臺(tái)中冷水入口溫度15℃時(shí)不同流量下217測點(diǎn)溫度變化情況，考慮到蓄熱換熱器設(shè)將與太陽能熱水器配用，故測定流量在100，150，200 L/h時(shí)溫度變化情況。從圖7可看出，流量為200 L/h時(shí)，217測點(diǎn)初始溫度最高，但同樣時(shí)間其達(dá)到的最終溫度最低;流量為100 L/h時(shí)，217測點(diǎn)的初始溫度最低，但最終的溫度確最高;流量為150 L/h時(shí)，變化曲線在這2條曲線之間。這說明取熱流量越大，蓄熱換熱器內(nèi)石蠟溫降速度越快。

2.4 蓄、放熱功率分析

對比王增義［15］所做圓形熱管蓄熱換熱器，由于水圓形熱管所占體積遠(yuǎn)比平板熱管大，圓形熱管與翅片在蓄熱裝置中所占體積比較大，降低了蓄熱器的蓄熱量;通過對新型平板熱管的分析發(fā)現(xiàn)，新型平板熱管體積小，并且熱運(yùn)輸能力明顯優(yōu)于圓形熱管，平板熱管的傳熱面與翅片的基面緊密的貼合，傳熱面積較大，傳熱效率更高，可見新型平板熱管式蓄熱換熱器的蓄放熱效果是比較理想的。該蓄熱換熱器裝置加入翅片體積比約為17%，蓄存石蠟的質(zhì)量約為9 kg，蓄存潛熱量為1 789.2 kJ。在入口溫度為95℃時(shí)，蓄存潛熱的過程(56～60℃)耗時(shí)70 min;放熱過程中，流體入口溫度為15℃時(shí)，釋放潛熱過程(60～56℃)耗時(shí) 80 min，計(jì)算得其平均蓄熱功率為420 W，平均放熱功率為370 W。

圖7 冷入口溫度15℃時(shí)不同流量下蓄熱換熱器中217測點(diǎn)溫度變化Fig.7 Temperature change curves of measuring point 217 in thermal storage heat exchanger when inlet temperature of cool water is 15℃

3 結(jié)論

(1)新型平板微熱管陣列在該蓄熱放熱器中很好地發(fā)揮了強(qiáng)化傳熱元件的作用，蓄熱器的蓄熱和放熱性能良好。

(2)供/取熱流體溫度對平板熱管式相變蓄熱換熱器性能影響較大，尤其是在蓄熱過程中，入口溫度越高石蠟溫升速度越快。

(3)放熱過程中取熱流體流量越大，蓄熱器內(nèi)部石蠟溫降速率越快，整個(gè)凝固過程完成越快，平均放熱功率越大。

［1］Kalogirou S A.Artificial neural networks in renewable energy systems applications:A review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2001，5(4):373－401.

［2］李鐘華，張秀媚，楊亭閣.納米技術(shù)與納米材料［J］.化工進(jìn)展，1996(2):20－22，27.

［3］李競，吳喜平.蓄冷蓄熱技術(shù)［J］.上海節(jié)能，2005(4):78－82.

［4］胥義，劉道平.固液相變蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.節(jié)能，2002(12):3－7，2.

［5］Zhou D，Zhao C Y.Experimental investigations on heat transfer in phase change materials(PCMs)embedded in porous materials［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31(5):970－977.

［6］Ismail K A R，Lino F Am.Fins and turbulence promoters for heat transfer enhancement in latent heat storage systems［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35(6):1010－1018.

［7］Ettouney H， AlatiqiI， Al－SahaliM， etal.Heattransfer enhancement in energy storage in spherical capsules filled with paraffin wax and metalbeads［J］.Energy Conversion and Management，2006，47(2):211－228.

［8］Cabeza L F， Mehling H， HieblerS， etal.Heattransfer enhancement in water when used as PCM in thermal energy storage［J］.Applied Thermal Engineering，2002，22(10):1141－1151.

［9］吳志根，趙長穎，顧清之.多孔介質(zhì)在高溫相變蓄熱中的強(qiáng)化換熱［J］.化工學(xué)報(bào)，2012(S1):119－122.

［10］Banaszek J，Doma?ski R，Rebowm，et al.Experimental study of solid－liquid phase change in a spiral thermal energy storage unit［J］.Applied Thermal Engineering，1999，19(12):1253 － －1277.

［11］崔海亭，周慧濤，蔣靜智.用于儲(chǔ)存太陽能的相變蓄熱器蓄熱性能研究［J］.可再生能源，2013，31(12):17－20.

［12］楊小平，楊曉西，丁靜，等.高溫相變蓄熱系統(tǒng)熱性能分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34(3):513－516.

［13］徐偉強(qiáng)，袁修干，邢玉明，等.空穴分布對固液相變蓄熱過程的影響［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2011，32(2):240－245.

［14］朱恂，廖強(qiáng)，李隆鍵，等.添加物對石蠟相變螺旋盤管蓄熱器蓄熱和放熱性能的影響［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2005，4(1):14－19.

［15］王增義，劉中良，馬重芳.熱管式相變蓄熱換熱器儲(chǔ)/放能過程中傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26(6):91－93.