環(huán)形相變單元的蓄熱裝置設計及運行特性

侯普民 茅靳豐 劉蓉蓉 陳飛

（陸軍工程大學國防工程學院 南京 210007）

相變蓄熱技術可解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾，在太陽能利用、建筑節(jié)能等領域得到了廣泛的應用［1］，而如何實現(xiàn)相變潛熱在能量供需間的高效轉(zhuǎn)換成為目前研究的熱點。新型蓄熱裝置是提高潛熱蓄放速率的重要途徑之一，國內(nèi)外學者對多種形式的相變蓄熱裝置的傳熱特性進行了大量研究。袁艷平等［2-3］研制了一種具有均流結(jié)構(gòu)的相變蓄熱水箱，當蓄熱單元占比為9.84%時，可比常規(guī)蓄熱水箱多提供20%溫度不低于40℃的熱水。崔海亭等［4］設計了球體蓄熱單元的圓柱形蓄熱器，結(jié)果表明換熱流體溫度升高使蓄熱時間減少、蓄熱效率增加，流速對于蓄熱影響不大。侯普民等［5］建立了防護工程內(nèi)部相變蓄熱水庫的實驗系統(tǒng)，結(jié)論表明相變蓄熱水庫可節(jié)省地下水庫體積，延長工程電力保障時間?？紫槎龋?］設計了一種新型螺旋板式換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱強度高的優(yōu)點。A.A.Al-Abidi等［7-9］通過在金屬殼管中增加翅片以提高整體導熱系數(shù)，并利用數(shù)值模擬研究了軸向翅片的長度、數(shù)目、厚度、排列方式等對蓄熱器性能的影響。F.Agyenim等［10-11］通過大量實驗研究表明長直肋片強化傳熱的效果要好于其他形式。陳超等［12］利用新型定形板狀材料堆積排列直接與換熱流體接觸構(gòu)成潛熱儲熱系統(tǒng)，不需要封裝，提高了換熱效率。張濤等［13］通過在相變蓄熱裝置內(nèi)填充泡沫金屬以增強傳熱性能，結(jié)論表明使用金屬泡沫作為填充材料，整體效果要優(yōu)于翅片。康艷兵等［14-15］提出了相應的傳熱模型，可以對系統(tǒng)的多種熱性能參數(shù)進行分析計算，為蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論指導。

本文設計了一種環(huán)形相變單元的蓄熱裝置，實驗研究了換熱流體溫度、換熱流體流量及不同用水間隔下蓄熱裝置的運行特性。

1 相變蓄熱裝置設計及可行性分析

1.1 相變蓄熱單元設計

相變單元是蓄熱裝置的核心，相變單元的結(jié)構(gòu)形式關系到蓄熱裝置熱釋放速率。根據(jù)文獻［16］對環(huán)形相變單元的傳熱特性分析，發(fā)現(xiàn)相比于圓柱體相變單元，圓環(huán)體單元具有更大的接觸面積，換熱速率更快。因此，本文選擇圓環(huán)體相變單元作為蓄熱裝置的蓄熱單元。作為比較，對相同容積的圓柱體單元也一并進行了制作，相變單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱相變單元的尺寸為高60 cm，直徑6 cm；圓環(huán)相變單元具體尺寸為高60 cm，內(nèi)徑3.5 cm，外徑7 cm。

用于蓄存太陽能熱量的相變材料的相變溫度主要介于50～60℃之間［1］，本文選用三水醋酸鈉/膨脹石墨復合相變材料作為相變單元填充材料，相變溫度為58.1℃，相變焓值為210.7 kJ/kg，導熱系數(shù)為1.37 W/（m·K）［17］。 不銹鋼具有較高的導熱系數(shù)，且與三水醋酸鈉具有較好的相容性［18］，因此本文選取不銹鋼作為封裝材料。相變單元封裝后含相變材料約1.7 L，相變材料重約2.47 kg。

圖1 相變蓄熱單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of phase change heat storage unit

1.2 相變蓄熱裝置設計

相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。具體為直徑50 cm，高80 cm的圓筒狀不銹鋼結(jié)構(gòu)，筒體外側(cè)裹有50 mm厚鋁箔橡塑海綿。蓄熱裝置距離上下面10 cm處設有均流板，可以保證相變蓄熱裝置進出水的均勻性。裝置內(nèi)置21個環(huán)形相變蓄熱單元，固定在底部均流板板上。蓄熱裝置距離上下面5 cm處對開設置4個進出水口，通過DN20的不銹鋼管與外界連接。

1.3 可行性分析

普通蓄熱裝置熱量儲存方式主要為顯熱，相變蓄熱裝置內(nèi)部添加了相變蓄熱單元，增加了相變潛熱的蓄存，主要包括水的顯熱、相變材料的顯熱及潛熱3部分。通過比較普通水箱與相變蓄熱水箱蓄熱量的大小，可對相變蓄熱裝置的實用性進行可行性分析。計算公式為［3］：

圖2 相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of phase change heat storage equipment

式中：ΔQ為相變蓄熱水箱比普通蓄熱水箱增加的蓄熱量，kJ；ω為相變材料填充率，為22.3%；ΔT為蓄熱溫差，ΔT＝Tmax-Tmin，K；Tmax為水箱蓄熱最高溫度，K；Tmin為水箱初始時最低溫度，K。

由式（1）可知，相變裝置蓄熱量的增加量主要與相變材料的占比及蓄熱溫差有關。引入臨界溫差的概念［3］，在保持相變材料占比不變的情況下，當相變蓄熱水箱的蓄熱溫差小于臨界溫差（ΔT＜ΔTi）時，ΔQ＞0，此時相變蓄熱水箱的蓄熱量大于普通蓄熱水箱。由式（1）計算可得本文的臨界溫差 ΔTi＝2 552.9℃，通常相變水箱的蓄熱溫差為30～50℃，遠小于臨界溫差值。因此，將三水醋酸鈉作為相變蓄熱水箱的基質(zhì)材料是可行的。

2 蓄放熱實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

為了分析相變蓄熱裝置的運行特性，搭建了相變蓄熱實驗臺如圖3所示，系統(tǒng)示意如圖4所示。實驗設備及主要儀器包括：恒溫水箱、自制相變蓄熱裝置、圓環(huán)相變蓄熱單元、T型熱電偶若干（精度為±0.5℃）、熱電偶模塊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）、計算機、閥門、超聲波流量計、熱水管道泵、自來水系統(tǒng)等。為減少實驗過程中的熱損失，實驗臺熱循環(huán)管路全部采用橡塑海綿作保溫處理。

圖3 相變蓄熱裝置實驗臺Fig.3 Experimental bench of phase change thermal storage device

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Experimental system diagram

2.2 實驗方案

通過實驗循環(huán)系統(tǒng)可以對相變蓄熱裝置的運行特性進行分析，分為蓄熱過程和放熱過程兩個工況。蓄熱時，來自恒溫水箱的高溫熱水由2號進水口進入蓄熱裝置，自上而下流過相變蓄熱單元，釋放熱量給相變蓄熱單元后的低溫熱水從3號出水口流回熱源；放熱時，高溫熱水由4號出水口流到用戶末端，低溫冷水由5號進水口對蓄熱裝置進行補水。

實驗過程中，需要全程對相變蓄熱裝置的溫度進行實時采集，T型熱電偶的測點布置如圖4所示。整個蓄熱裝置高度為80 cm，蓄熱裝置的4個進出口均布有熱電偶，在距水箱底部20、40、60 cm處相變單元的內(nèi)外分別布置熱電偶，可對進出口、相變單元及水箱不同高度處的溫度進行記錄，3 s記錄1次。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 相變單元性能分析

為分析蓄熱單元結(jié)構(gòu)形式對蓄放熱速率的影響，對填充相同質(zhì)量復合相變材料的圓柱與圓環(huán)蓄熱單元進行蓄放熱實驗。實驗過程中設置循環(huán)流量為4 L/min，蓄熱流體溫度為70℃，放熱流體溫度為自來水溫度。通過熱電偶溫度采集系統(tǒng)監(jiān)測蓄熱單元上中下3個位置的溫度變化情況，當3個測點溫度趨于水平時，判定蓄放熱過程完成。

1）蓄熱性能分析

不同結(jié)構(gòu)形式的相變單元融化曲線如圖5所示，通過對圓柱和圓環(huán)不同高度溫度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，相變蓄熱單元呈現(xiàn)上中下的融化規(guī)律，一方面由于來自恒溫水箱的熱水自上而下進入相變蓄熱裝置，上部水溫高于下部水溫，另一方面是由于融化過程中的自然對流加快了上部單元的融化。通過融化曲線發(fā)現(xiàn)，圓柱蓄熱單元的潛熱蓄熱完成時間為55 min，顯熱蓄熱完成時間為77 min；圓環(huán)相變蓄熱單元潛熱蓄熱完成時間為21 min，顯熱蓄熱完成時間為32 min，分別降低了61.8%和58.4%。因此，環(huán)形結(jié)構(gòu)單元對于提高蓄熱速率效果顯著。

圖5 不同結(jié)構(gòu)形式蓄熱單元融化曲線Fig.5 Melting curves of different structural forms of heat storage units

2）放熱性能分析

不同結(jié)構(gòu)形式的相變單元凝固曲線如圖6所示。通過凝固曲線發(fā)現(xiàn)，圓柱相變單元的潛熱釋放完成時間約為15 min，顯熱釋放完成時間約為55 min；圓環(huán)相變單元潛熱釋放完成時間約為9 min，顯熱釋放完成時間約為27 min，分別降低了46.7%，50.9%。相比于蓄熱時間，凝固時間減少較多，這是由于蓄熱時熱水溫度為70℃，與復合材料的相變溫度差值約為11℃，而放熱時冷水的溫度為10℃，與復合材料的凝固溫度差值約為47℃，較大的溫差加快了熱量的釋放速率，使放熱時間大大少于蓄熱時間。

圖6 不同結(jié)構(gòu)形式蓄熱單元凝固曲線Fig.6 Freezing curves of different structural forms of heat storage units

3.2 蓄熱裝置蓄熱特性分析

1）流量的影響

（1）常規(guī)蓄熱

當蓄熱裝置內(nèi)不放置相變單元時，蓄熱裝置在不同流量下的升溫曲線如圖7所示。由圖7可知，當熱水循環(huán)流量為3、4、5 L/min時，恒溫水箱基本能保證熱水進水口溫度為70℃，可以很好的滿足使用要求。當蓄熱裝置內(nèi)無相變單元時，蓄熱裝置的上、中、下及熱水回水口測點的溫度迅速上升到恒溫水箱溫度。分析不同流量下的實驗數(shù)據(jù)可知，流量為3 L/min時，常規(guī)蓄熱完成的時間為54 min，當流量為4 L/min和5 L/min時，蓄熱完成時間分別為43 min和37 min，降低了20.4%和31.5%。結(jié)果表明，隨著熱流量的增加蓄熱時間變短，原因是由于增加換熱流體流量可以增加換熱量，提高溫度上升速率。

（2）相變蓄熱

圖7 不同流量下常規(guī)蓄熱升溫曲線Fig.7 Temperature curve of conventional heat storage with different flow

當蓄熱裝置內(nèi)放置相變單元時，蓄熱裝置在不同流量下的升溫曲線如圖8所示。與常規(guī)蓄熱相比，相變蓄熱曲線在初始階段上升較快，達到相變溫度后，開始變得平緩，當相變潛熱蓄存結(jié)束后，蓄熱裝置溫度快速達到恒溫溫度。這是因為蓄熱單元占據(jù)了一定的空間，來自恒溫水箱的熱水可以更快的到達水箱底部。另外，當達到相變溫度后相變材料開始吸熱融化，蓄熱裝置溫度保持在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間。分析不同流量下的實驗數(shù)據(jù)可知，放置相變單元后蓄熱時間明顯增加，分別為 107、93、82 min，分別延長了49.5%、53.7%、54.9%。由此可以看出，添加蓄熱單元對于提高蓄熱裝置的蓄熱量具有明顯作用。

圖8 不同流量下相變蓄熱升溫曲線Fig.8 Temperature curve of latent heat storage with different flow

此外，發(fā)現(xiàn)添加相變單元后，蓄熱裝置的蓄熱完成時間隨著流量的增加而降低，相比于3 L/min，換熱流量為4 L/min和5 L/min時蓄熱時間分別降低了13.1%和23.4%，與常規(guī)蓄熱規(guī)律相同。

不同流量下相變裝置的蓄熱速率及蓄熱量如圖9所示。由圖可知，相變裝置的蓄熱速率隨流量的增加而增大，且在蓄熱初期保持較高水平，隨著時間的增加先迅速降低再逐漸降低。這是由于蓄熱初期進出口溫差較大且為顯熱蓄熱，隨后進入潛熱蓄熱階段，蓄熱速率迅速降低，且此時不同流量對潛熱蓄熱速率影響不大。由上述分析可知，提高流量可以提高顯熱蓄熱及總體蓄熱速率、縮短蓄熱時間。

圖9 不同流量下相變裝置蓄熱速率及蓄熱量Fig.9 Thermal storage rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different flow

2）換熱流體溫度的影響

為分析換熱流體進口溫度對蓄熱裝置運行特性的影響，改變換熱流體的進口溫度，并保持其他參數(shù)不變，熱水流量設置為4 L/min。蓄熱裝置在換熱流體進口溫度分別為65、70、75℃時的相變蓄熱曲線如圖10所示。由圖可知，換熱流體進口溫度越高，所需要的蓄熱完成時間越短，當換熱流體溫度為65℃時，相變裝置潛熱蓄熱完成時間為74 min，在70℃和75℃時為58 min和52 min，分別降低了21.6%和29.7%。相變裝置在65℃時全部蓄熱完成時間為120 min，在70℃和75℃時為93 min和80 min，分別降低了22.5%和33.3%。

圖10 不同換熱流體溫度下相變蓄熱升溫曲線Fig.10 Temperature curve of latent heat storage with different temperature

不同溫度下相變裝置的蓄熱速率及蓄熱量如圖11所示。由圖可知，相變裝置的蓄熱速率及蓄熱量都隨著換熱流體進口溫度的增加而增大。這是由于提高換熱流體進口溫度提高了蓄熱裝置進出口溫差，并增加了裝置的顯熱蓄熱量，使得總體蓄熱量增加。

由此可以得出，提高換熱流體溫度對于提高蓄熱速率、增加蓄熱量及降低顯熱和潛熱蓄熱完成時間都具有明顯作用。

圖11 不同溫度下相變裝置蓄熱速率及蓄熱量Fig.11 Thermal storage rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different temperature

3.3 蓄熱裝置放熱特性分析

1）連續(xù)過程

（1）常規(guī)放熱

當蓄熱裝置內(nèi)不放置相變單元時，保持其他參數(shù)不變，設置冷水補水量分別為3、4、5 L/min，不同流量下常規(guī)放熱降溫曲線如圖12所示。由圖可知，當冷水補水量為3 L/min時，水箱溫度由70℃降到40℃時，用時約45 min，當冷水補水量為4 L/min和5 L/min時，水箱溫度由70℃降到40℃時，用時分別約為37 min和30 min，降低了17.8%和33.3%。對比不同流量下蓄熱裝置內(nèi)溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著冷水補水量的增加，溫降曲線變得更陡，溫降速率變大。因此，增加冷水補水量可以減少放熱時間。

（2）相變放熱

當蓄熱裝置內(nèi)放置相變單元時，保持其他參數(shù)不變，設置冷水補水量分別為3、4、5 L/min，不同流量下相變放熱降溫曲線如圖13所示。由圖13可以看出，冷水補水由下至上進入蓄熱裝置，當裝置內(nèi)溫度低于相變溫度時，相變單元開始釋放潛熱，存在明顯放熱平臺，與常規(guī)放熱相比，蓄熱裝置內(nèi)溫度曲線由于潛熱釋放變得平緩，不同高度之間的溫度也變的更加均勻。

圖12 不同流量下常規(guī)放熱降溫曲線Fig.12 Cooling curve of Conventional heat storage with different flow

圖13 不同流量下相變放熱降溫曲線Fig.13 Cooling curve of latent heat storage with different flow

分析不同流量下的實驗數(shù)據(jù)可知，放置相變單元后熱水供應時間明顯增加，補水流量為 3、4、5 L/min時，相變放熱熱水供應時間分別為75、48、35 min，與常規(guī)放熱相比，分別增加了 30、11、5 min。由圖13（c）可以看出，當冷水補水流量過大時（5 L/min），蓄熱裝置上部溫度很快下降到40℃以下，此時相變單元上部熱量并未完全釋放；相反，由圖13（a）可知，當冷水補水量較小時（3 L/min），相變單元有充足的時間進行潛熱釋放，但熱水供應流量無法滿足淋浴用水要求。冷水補水流量為4 L/min時，可延長熱水供應時間11 min，約合44 L溫度高于40℃的熱水。由此可以看出，添加蓄熱單元對于提高蓄熱裝置的蓄熱量、減少溫度分層具有明顯作用，并可有效延長蓄熱裝置熱水供應時間。

不同流量下相變裝置放熱速率及放熱量如圖14所示。由圖可知，相變裝置的放熱速率隨補水流量的增加而增大，且補水流量為5 L/min的蓄熱量小于3、4 L/min的蓄熱量。這是由于補水流量過大導致相變潛熱無法及時釋放。

圖14 不同流量下相變裝置放熱速率及放熱量Fig.14 Thermal release rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different flow

2）間隔過程

為分析間隔用水過程中相變裝置放熱特性，設定用水工況分別為間隔5 min和間隔10 min，用水間隔為5 min時適用于一般洗漱條件，用水間隔為10 min時適用于淋浴用水條件。一般民用建筑生活熱水用水定額為50～200 L/h［19］，實驗過程中設置熱水供應流量為4 L/min可滿足大部分用水需求。

圖15所示為間隔用水過程中相變放熱降溫曲線。由圖15可以看出，相對于連續(xù)用水過程，間隔用水過程中蓄熱裝置存在明顯溫度波動，且越靠近底部的位置波動越大，間隔時間越長波動越大，整體呈現(xiàn)梯級下降的趨勢。這是由于冷水補水首先由下至上進入蓄熱裝置，下部溫度迅速下降，當停止熱水供應后，水箱中上部溫度較高的熱水與底部冷水混合，加上相變材料開始釋放潛熱，使蓄熱裝置下部溫度升高。隨著間隔用水過程的不斷進行，蓄熱裝置上部溫度開始時先逐漸降低，最后迅速下降，這是由于初始階段相變材料開始釋放潛熱，使蓄熱裝置溫度保持在一定水平，待潛熱釋放完畢，溫度開始迅速下降。當用水間隔為5 min時，蓄熱裝置熱水出水口在40℃以上時間為90 min；當用水間隔為10 min時，蓄熱裝置熱水出水口在40℃以上時間為87 min。除去間隔停止供水時間，可提供40℃以上的熱水時間分別為45 min和47 min，可比常規(guī)蓄熱裝置熱水供應時間分別延長8 min和10 min。

圖15 間隔過程相變放熱降溫曲線Fig.15 Cooling curve of latent heat storage with interval time

間隔補水過程相變裝置放熱速率及放熱量如圖16所示。與連續(xù)補水過程相比，總放熱量差別不大，但間隔過程放熱速率更大，因此可以提供溫度更高的熱水。

4 結(jié)論

本文首先對圓柱和圓環(huán)形相變單元的蓄熱性能進行了實驗分析，并基于圓環(huán)形相變單元設計了相變蓄熱裝置，分析了可行性。通過搭建相變系統(tǒng)實驗臺，對蓄熱裝置的蓄放熱性能進行了分析，得到如下結(jié)論：

圖16 間隔過程相變裝置放熱速率及放熱量Fig.16 Thermal release rate and capacity curve of latent heat storage equipment with interval time

1）放熱工況：當換熱流體流量為4 L/min、溫度為70℃時，環(huán)形相變單元比圓柱形相變單元的潛熱蓄熱和顯熱蓄熱完成時間分別減少了61.8%和58.4%；蓄熱工況：補水量為4 L/min，溫度為自來水溫度時，潛熱釋放和顯熱釋放完成時間分別減少了46.7%和50.9%。環(huán)形結(jié)構(gòu)可有效減少蓄放熱時間，提高相變材料的蓄放熱速率。

2）本文通過分別設置換熱流體流量為3、4、5 L/min，換熱流體溫度為65、70、75℃，研究了不同流量、不同溫度下裝置的蓄熱特性，結(jié)論表明：增加換熱流體流量和提高換熱流體進口溫度均可提高蓄熱速率、降低蓄熱時間。

3）通過設置冷水補水流量分別為3、4、5 L/min，研究了裝置的放熱特性，結(jié)論表明：增加換熱流體流量可提高放熱速率，但流量過大使相變潛熱無法及時釋放，流量過小無法滿足實際生活用水需求，最終確定適宜的流量為4 L/min，可多提供約44 L溫度高于40℃的熱水。根據(jù)實際生活用水，對間隔用水分別為5 min和10 min兩種工況進行了放熱實驗，同樣可以滿足用水需求。

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