應用于相變蓄熱的脈動熱管換熱器在不同傾角下放熱性能的試驗研究

羅孝學 ，章學來 ，華維三 ，韓興超

（1.上海海事大學，上海 201306；2.欽州學院，廣西欽州 53500）

1 前言

潛熱蓄熱技術于20世紀70年代在石油危機之后應運而生，在提高能源利用效率和保護環(huán)境方面起到了重要作用［1～4］。WANG等對移動蓄熱器的經(jīng)濟性和可行性做了分析［5～7］。

目前，相變潛熱蓄熱的研究主要在以下2個方面：（1）研究相變蓄熱材料（PCM）本身，包含材料的壽命、物理性能、穩(wěn)定性、蓄熱容器與材料的相容性等；（2）研究熱物理問題，包括相變蓄熱過程的傳熱機理、相變蓄熱裝置強化傳熱、相變蓄熱器設計等。大多數(shù)相變材料普遍存在導熱系數(shù)低、換熱性能差的缺點，從而使得相變蓄熱裝置中的熱量儲存和釋放無法快速進行，使得其相變蓄熱效率偏低。

脈動熱管是日本學者Akachi在20世界90年代初期提出的一種可用于微小空間、新型高效、具有高熱流密度的新型傳熱元件［8］。文獻［9～14］對脈動熱管很多性能做了詳細的分析，脈動熱管具有以下優(yōu)點：（1）構造簡單、節(jié)約成本；（2）管徑小、體積也??；（3）結構多樣、適應性能好；（4）加熱方式多樣；（5）傳熱效果更好。

Chanroensawan等做的試驗可以看出脈動熱管在豎直放置底加熱頂部冷卻的模式下運行最好［15］。馬永錫等得出了相似的結論［16］。楊蔚原等認為，脈動熱管在豎直放置底加熱、頂部冷卻的模式下運行最好，而在豎直放置頂加熱模式、底部冷卻時不能很好地運行，這主要是因為豎直放置底加熱時，重力可使液體沿壁面向下回流，避免了燒干現(xiàn)象的發(fā)生，此外重力對壓力波動也有很大幫助［17］。由此可見裝置內脈動熱管的傾角和加熱、冷卻方式對脈動熱管的運行有顯著影響。

本文從以上學者研究的基礎上，選用適當?shù)南嘧儾牧?，采用強化傳熱的方法來改善其傳熱性能，設計了脈動熱管相變蓄熱器，使得相變蓄熱器的傳熱得到強化，并試驗研究脈動熱管相變換熱器在不同傾斜角度下的放熱特性。

2 試驗裝置

2.1 放熱試驗臺

脈動熱管相變蓄熱器放熱試驗臺如圖1所示。

圖1 脈動熱管相變蓄熱器放熱試驗臺

脈動熱管放熱試驗臺主要由以下幾部分構成：脈動熱管相變蓄熱器、高溫硅油加熱系統(tǒng)、安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、超聲波流量計、電腦以及相關控制閥門。脈動熱管相變蓄熱器的下端連接高溫恒溫油浴鍋，高溫恒溫油浴鍋內的加熱介質為高溫硅油。

脈動熱管相變蓄熱器的脈動熱管管殼材料選擇紫銅，脈動熱管內工作介質為水，脈動熱管壁厚為1 mm，管徑為4 mm。脈動熱管相變蓄熱器容器材料選擇不銹鋼。脈動熱管相變蓄熱器容器中相變材料的溫度被加熱到相變溫度以上徹底由固態(tài)熔化為液態(tài)時，關閉高溫恒溫油浴鍋，打開低溫恒溫槽，此時低溫恒溫槽相當于一個帶有設置初始水溫、一定水量、保溫性能良好的水箱，并通過其自帶的水泵使冷卻水在低溫恒溫槽和蓄熱器放熱端之間來回循環(huán)，使蓄熱器中的蓄熱材料冷卻、相變、凝固時放出的熱量加熱水箱中的冷卻水，觀察并分析多少時間可以將水箱中的冷卻水加熱到多少度，分析總放熱時間和相變潛熱放熱時間，以評價脈動熱管相變換熱裝置的放熱性能。

2.2 主要試驗儀器

試驗中采用的主要儀器有高溫恒溫油浴鍋、低溫恒溫槽、超聲波流量計、轉子流量計、數(shù)據(jù)采集儀、T型熱電偶。

2.3 熱電偶（二等）的布置

如圖2所示，為了測量蓄熱器中不同位置相變材料的溫度變化情況，在蓄熱箱上布置了6個測溫點，共3排2列。上中下3排測點用來比較垂直位置上相變材料的溫度；左右兩列用來比較水平位置上相變材料的溫度，左邊一列用來測量靠近蓄熱箱殼體一側相變材料的溫度，右邊一列用來測量基本位于蓄熱器中間位置相變材料的溫度。

圖2 蓄熱箱上的主要溫度測點

3 試驗結果與討論

3.1 不同傾角對放熱過程的影響

試驗中，冷卻水初始溫度為25 ℃，冷卻水流量為0.16 m3/h，相變材料質量為4.5 kg，脈動熱管工質充注率為0.3。在冷卻水側面冷卻到頂部冷卻的變化過程中，裝置的傾角分別為0°、30°、60°、90°，相變材料Ba（OH）2·8H2O在相變蓄熱裝置中放熱過程各測點的溫度以及冷卻水水溫隨時間的變化關系，如圖3所示。

圖3 0°、30°、60°、90°各測點溫度及冷卻水水溫隨時間的變化

從圖3可以看出，相變材料的放熱過程明顯分為3個階段：液態(tài)顯熱放熱階段、相變潛熱放熱階段、固態(tài)顯熱放熱階段。在液態(tài)顯熱放熱階段，液態(tài)的相變材料一開始將液態(tài)顯熱釋放出來，溫度下降較快，溫降曲線斜率較大，這是因為蓄熱器上部通入冷卻水，冷卻水冷卻脈動熱管在放熱箱里的上部彎頭，脈動熱管與相變材料之間的溫差很大，這時的換熱主要以液態(tài)Ba（OH）2·8H2O的自然對流為主，換熱的熱流密度較大，液態(tài)Ba（OH）2·8H2O釋放液態(tài)顯熱，釋放的熱量通過與相變材料相接觸的脈動熱管傳到至上部彎頭，再由彎頭將熱量導入到冷卻水中。在相變潛熱放熱階段，蓄熱器內部的換熱從有自然對流換熱為主轉為導熱為主，有效換熱系數(shù)變小，傳熱的熱流密度也變小，放熱速率變緩，這一階段相變材料的溫度幾乎不變或略有變小。在相變放熱完成后，進入固態(tài)顯熱放熱階段，相變材料的溫度大幅度下降，隨著放熱過程的進行，相變材料與水槽中冷卻水的溫差減小，降溫速率由快逐漸變慢直到熱平衡。

從圖3（a）～（c）的相變材料溫度隨時間變化的放熱曲線可以清晰觀察到Ba（OH）2·8H2O測點1～4處的溫度同步降低至Ba（OH）2·8H2O的相變點78℃左右，然后開始穩(wěn)定的相變放熱，由于相變材料已經(jīng)反復多次相變，并且相變容器內密集布置的脈動熱管也有利于相變材料的成核凝結，因此冷卻過程中基本沒有過冷現(xiàn)象出現(xiàn)。測點3～6的位置相對于測點1，2要高，離冷卻水腔室較近，因此相變材料最上面的測點5，6降溫最快，接著測點3，4進入固態(tài)顯熱放熱階段，放熱斜率變大。測點3，4經(jīng)過一定時間的穩(wěn)定放熱后也開始凝固，跟著進入固態(tài)顯熱放熱階段，放熱斜率也慢慢變大，測點1，2因為位置較低，開始一直處于液態(tài)，長時間地進行穩(wěn)定的相變放熱。

圖3（d）由于是頂部冷卻，90°角放熱，相當于冷卻水腔在正上方，是頂部放熱，測點5，6由于位置最高，在相變裝置內沒有被相變材料覆蓋住，圖3（d）中實際測量的是相變裝置內的空氣溫度，因此圖3（d）中測點5，6的溫度在冷卻開始的時候就迅速的降低到50℃左右，然后由于下面的相變材料又不斷地散發(fā)熱量上來，上面的冷卻水溫度也漸漸上升，測點5，6的溫度又有一個小幅度的回升，然后基本處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。測點1，2基本重疊，測點3，4也基本重疊，測點5，6也一樣，因為測點1～6都是處于相比換熱裝置的相同水平位置，所以說明相變裝置內水平方向的各個位置的吸熱放熱基本一致，沒有太大差異。在圖3中，測點1，2的相變放熱時間基本一致，測點3，4的相變放熱時間卻漸漸減少是因為相變換熱裝置在不同的放熱角度時，測點3，4在相變換熱裝置中被相變材料所覆蓋的深度不一樣所致。

因為測點1在本裝置中具備典型性，所以選擇測點1比較不同傾角下的放熱時間，結果如圖4所示。

圖4 各角度冷卻時測點1的溫度隨時間的變化

從圖4可以發(fā)現(xiàn)在0°角的時候總放熱時間和相變潛熱放熱時間都是最少的，在90°角的情況下總的放熱時間和潛熱放熱時間都是最長的，因為0°角的時候液態(tài)相變材料在相變裝置中是直接和側面的冷卻水腔接觸，除了通過脈動熱管換熱之外，本身通過與冷卻水腔的直接接觸也會交換熱量，所以時間是最少的。而在90°角的時候由于是頂部冷卻，液態(tài)相變材料與冷卻水腔沒有直接接觸，所以本裝置在90°角的情況下總換熱時間和相變潛熱換熱時間都是最長。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 傾斜角度不同時測點1放熱過程的主要數(shù)據(jù)

本試驗裝置中的低溫恒溫槽充當保溫水箱的功能，其只提供有一定初始溫度的冷卻水，在整個放熱試驗過程中，低溫恒溫槽對水箱中的冷卻水不再冷卻，冷卻水流經(jīng)蓄熱器的冷卻水通道后在水泵作用下又流回恒溫槽，冷卻水在蓄熱器和水槽中來回循環(huán)不斷帶走蓄熱器中相變材料的熱量，使相變材料溫度降低的同時也使水槽中的水溫升高。從圖3的水溫曲線可以看出，相變蓄熱裝置的測點8進水溫度稍微低于測點7處出水溫度，但差別不大，因為相變蓄熱裝置比較小，冷卻水在相變蓄熱裝置內部的停留時間較短，所以溫升不高。水槽內的測點9處的實際水溫比測點7、8又要稍高一點是因為測點9是直接在冷卻水水槽內，測量的溫度是水的實際溫度，而測點7，8是通過盲孔測量的進出水溫度，由于盲孔的傳熱溫差導致測點7，8的溫度要略低于冷卻水的實際溫度。冷卻水的溫度開始隨時間的變化升溫較快，隨溫度升高逐漸變緩，最后溫度一直升高到最高點與相變材料的溫度基本相同。水溫變化曲線同樣可以用溫差理論來解釋，在初始階段冷卻水和相變材料溫差較大，熱流密度較大，相變材料溫度降低很快，冷卻水溫度升高也很快，隨著放熱的繼續(xù)，溫差逐漸變小，從而冷卻水溫度升高的速率也變小。后期冷卻水溫度不再上升，因為傳熱溫差減小，傳熱量減小，冷卻水得到的熱量和冷卻水在裝置中散發(fā)的熱量相當，所以冷卻水溫度不再上升，隨著溫差繼續(xù)減小，冷卻水得到的熱量慢慢小于冷卻水在裝置中散發(fā)的熱量，這時候冷卻水的溫度反而會下降。所以裝置后期有些熱量的釋放無法去提高冷卻水的溫度，對于裝置來說是屬于無效的熱量。

3.2 冷卻水初始溫度對90°放熱過程的影響

相變材料 Ba（OH）2·8H2O質量為 4.5 kg，冷卻水流量為0.16 m3/h，脈動熱管工質充注率為0.3，冷卻水頂部冷卻，冷卻角度90°，水槽內冷卻水初始溫度分別為15℃（測點1）、20℃（測點2）、25℃（測點3）時放熱過程中測點1的溫度變化如圖5所示。

圖5 不同冷卻水初始溫度下測點1的溫度隨時間的變化

從圖5可以看出，在不同冷卻水初始水溫下，放熱過程中相變材料的溫度隨時間變化的趨勢基本相同。經(jīng)過一定的時間，相變材料的溫度與冷卻水的溫度達到熱平衡時，即二者溫度相同的時候，放熱過程結束。當冷卻水初始水溫為15℃時，相變材料完成放熱所需要的總時間約為10500 s，其中相變潛熱放熱時間約為6000 s，冷卻水最高可升溫至約38℃；當冷卻水初始水溫為20℃時，相變材料完成放熱所需總時間約為12000 s，其中相變潛熱放熱時間約為9000 s，冷卻水最高可升溫至約40℃；當冷卻水初始水溫為25℃時，相變材料完成放熱所需要的總時間約為14500 s，其中相變潛熱放熱的時間約為9000 s，冷卻水最高可升溫至約42℃。由以上對比可知，隨著冷卻水初始水溫的升高，總放熱時間、相變放熱時間都隨之增加，并且比冷卻水溫度的上升幅度要大，冷卻水最高溫度也越高。由對流換熱牛頓冷卻公式q＝hΔT可知，影響換熱量q的兩個因素分別為換熱系數(shù)h和溫度差ΔT，本試驗中不同溫度條件下，影響換熱系數(shù)h的五個主要因素均相同，所以h近似相同。q與ΔT成正比，ΔT越大q越大，則相變材料溫度下降越快，具體數(shù)據(jù)變化見表2。

表2 冷卻水初始溫度不同時放熱過程的主要數(shù)據(jù)

3.3 冷卻水流量對90°放熱過程的影響

相變材料 Ba（OH）2·8H2O質量為 4.5 kg，脈動熱管工質充注率為0.3，冷卻水頂部冷卻，冷卻角度90°，水槽內冷卻水初始溫度分別為25℃，冷卻水流量分別為0.1 m3/h（測點1）、0.13 m3/h（測點2）、0.16 m3/h（測點3）時放熱過程中各測點的溫度變化情況如圖6所示。

圖6 冷卻水流量改變時各測點溫度隨時間變化曲線

從圖6可以看出，不同冷卻水流量下放熱過程中相變材料的溫度以及水溫隨時間變化的趨勢基本相同。隨著冷卻水流量的增加，總放熱時間、相變潛熱放熱時間均減小，例如當冷卻水流量由0.1 m3/h增大到0.16 m3/h時，總放熱時間由16500 s減小到15700 s，相變潛熱放熱時間由11300 s減小到10600 s，總放熱時間和相變潛熱放熱時間分別減小了800 s和700 s。原因是冷卻水湍流程度的變化，引起對流傳熱系數(shù)的變化，冷卻水流量增加時，對流傳熱系數(shù)增大，傳熱速率不斷增大，相變材料的溫降速率也會增大，放熱時間減少。當冷卻水流量增大時，總放熱時間、相變潛熱放熱時間只會有微小變化，原因是傳熱速率已達到最大值后，冷卻水的湍流強度對相變材料的放熱效果幾乎不再產(chǎn)生影響，即增大冷卻水流量，總的放熱時間也幾乎不再發(fā)生變化，由此可見流量的增加對放熱的影響是逐漸減小的。而且這種趨勢非常明顯，在試驗采用的流量工況下，流速較小，屬于層流范圍，Re=1×103～2×105，外掠順排管束對流換熱的準則關聯(lián)式為［18］：

由式（1）可知，換熱系數(shù)與流速的0.63次方成正比，而當管徑等條件不變時，流量越大流速也越大，即隨著流量的增加，換熱系數(shù)也增加，但是換熱系數(shù)增大的幅度隨著流量的增加而減小。因此，綜合考慮經(jīng)濟、安全、管理等各種因素，冷卻流體的流量大小對于裝置有最佳值，不是流量越大越好，建議不要隨便增大流量，因為增大流量強化傳熱的效果隨著流量增大慢慢降低，但是增大流量會讓裝置消耗泵功的趨勢增快。此外3種流量工況下，冷卻水的水溫在放熱結束時均升高到42℃左右，具體數(shù)據(jù)變化見表3。

表3 不同冷卻水流量時主要數(shù)據(jù)

4 結論

（1）試驗測定脈動熱管相變蓄熱裝置在0°、30°、60°、90°傾角下，0°傾角冷卻的放熱總時間和相變潛熱換熱時間均最少，90°傾角下放熱總時間和相變潛熱換熱時間均最多，可見小傾角對本裝置的放熱運行有利。

（2）試驗測定脈動熱管相變蓄熱裝置在90°傾角下，冷卻水初始溫度分別為15，20，25℃時相變放熱時，冷卻水初始溫度越低，相變換熱時間和總換熱時間均有較大幅度的減小，因此盡量降低冷卻水初始溫度對本裝置的運行有利。

（3）試驗測定脈動熱管相變蓄熱裝置在90°傾角下冷卻水流量分別為0.1，0.13，0.16 m3/h時放熱過程中相變材料的溫度變化以及水槽的水溫變化情況。發(fā)現(xiàn)增大冷卻水流量，放熱時間會有減少，但當冷卻水流量達到一定值時，進一步增大冷卻水流量，總的放熱時間幾乎不再發(fā)生變化。因此選擇合適的冷卻水流量，有利于節(jié)約本裝置的泵功，從而提高本裝置的經(jīng)濟性。

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

［2］ 李競，吳喜平.蓄熱蓄冷技術［J］.上海節(jié)能，2005（23）：11-15.

［3］ 王曉靜，馬東云，李文艷，等.多晶硅CVD反應器中新型熱管的開發(fā)與仿真［J］.壓力容器，2016，33（8）：13-19.

［4］ 胡張保，張志偉，李改蓮，等.采用微通道蒸發(fā)器的分離式熱管空調傳熱性能的試驗研究［J］.流體機械，2015，43（11）：68-71.

［5］ WANG Weilong，HU Yukun，YAN Jinyue，et al.Combined heat and power plant integrated with mobilized thermal energy storage（M-TES）system［J］.Frontiers of Energy and Power Engineering in China，2010，4（4）：469-474.

［6］ WANG Weilong，YAN Jinyue，DAHLQUISTE，et a1.Thermal havior and performance of lab-scale mobilized thermal energy storage system［C］.International Conference on Applied Energy.Perugia，Italy，2011：2969-2980.

［7］ AHMET K HAKAN F O，TANSEL K.Energy and exergy analysis of a latent heat storage system with phase change material for a solar collector［J］.Renewable Energy，2008，33：567-574.

［8］ Akachi H.Looped Capillary Heat Pipe［P］.Japanese Patent：No.Hei6-97147，1994.

［9］ Khandekar S，Dollomger N，Groll M.Understanding operational regimes of closed loop pulsating heat pipes：an exper［J］.Applied Thermal Engineering，2003（23）：707 － 719.

［10］ Zhang Y，F(xiàn)aghri A.Heat transfer in a pulsating heat pipe with open end［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002（4）：755 － 764.

［11］ Maydanik Y F，Dmitrin V I，Pastukhov V G.Compact cooler for electronics on thebasis of a pulsating heat pipe［J］.Applied Thermal Engineering，2009（29）：3511－3517.

［12］ 郭良安.脈動熱管的試驗研究［D］.大連：大連海事大學，2011.

［13］ 周躍國.脈動熱管啟動和運行特性的可視化試驗研究［D］.重慶：重慶大學，2010.

［14］ 冼海珍，劉登瀛，楊勇平，等.一種用振蕩流熱管做吸熱內管的太陽能真空玻璃集熱管：中國，200710064359.5.［P］.

［15］ Charoensawan P，Khandekar S，Gmll M，et al.Closed looppulsatiyheatpipes；fartA.1’arametricexperimenta linvestigation［J］.Appliedthermal Engineering，2003，23（16）：2009-2020.

［16］ 馬永錫，張紅.低于臨界通道彎數(shù)振蕩熱管的傳熱特性［J］.北京化工大學學報，2005，32（4）：87-90.

［17］ 楊蔚原，張正芳，馬同澤.脈動熱管運行的可視化試驗研究［J］.工程熱物理學報，2001，22（6）：117-120.

［18］ 楊世明，陶文泉.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，1998.