板式相變儲能換熱器流動與換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

，，，　，　

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海　201109)

現(xiàn)階段，將相變儲能技術(shù)與換熱技術(shù)結(jié)合，開發(fā)新型相變儲能換熱器成為研究的熱點(diǎn)[]。目前主要采用間壁式換熱器作為相變儲能換熱器形式[2]。按照傳熱壁面的形狀，間壁式換熱器可以分為管式換熱器、板式換熱器、夾套式換熱器以及各種異形傳熱面組成的特殊形式換熱器[3]。板式換熱器是近幾十年來廣泛應(yīng)用的一種新型換熱器。它由一系列相互平行、具有強(qiáng)化換熱表面的薄金屬板相疊而成[4]，具有耐高溫高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在我國得到了很大的發(fā)展，在航天上也有廣泛的應(yīng)用?？灯G兵等[5]建立了板式相變儲能換熱器的無量綱傳熱模型，此模型適用于流體入口流量、入口溫度隨時間變化和需要考慮入口段效應(yīng)及添加肋片等情況。劉倩平[6]等通過數(shù)值模擬技術(shù)研究肋片強(qiáng)化傳熱相變儲能換熱器蓄熱過程，發(fā)現(xiàn)熱媒體的溫度和相變材料相變點(diǎn)之間的溫差越大，肋片的間距越小，熱媒體的流速越大，所需要的融化時間越短，傳熱效果會越好。

本文選擇板式換熱器作為換熱器基本形式，再結(jié)合相變儲能技術(shù)設(shè)計(jì)出一種新型的板式相變儲能換熱器。針對此相變儲能換熱器，在不改變換熱量的基礎(chǔ)上，通過改變換熱器進(jìn)口流速和溫度以及換熱器的位置等方式對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析換熱器性能。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括內(nèi)流體回路系統(tǒng)、外流體回路系統(tǒng)和中間相變儲能換熱器。其中，中間相變儲能換熱器為主要研究對象。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

相變儲能換熱器由芯體、內(nèi)回路進(jìn)出口、外回路進(jìn)出口和相變材料充裝口組成。芯體主要由相變層板、內(nèi)回路板和外回路板組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。相變材料充裝口設(shè)置在換熱板中間，內(nèi)外回路進(jìn)出口斜對角分布。選用正十四烷為充裝相變材料，充裝量為0.3 kg；選用乙二醇水溶液為流體工質(zhì)；選用不銹鋼作為金屬材料。相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

圖2　換熱器板片結(jié)構(gòu)

表1不同物質(zhì)物性參數(shù)

物質(zhì)密度/kg·m-3導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·K-1動力粘度/kg·m-1·s-1潛熱/kJ·kg-1熔點(diǎn)/K正十四烷762.8/814.00.149 90.007 96226278-279不銹鋼7 87481.1———乙二醇水溶液1 0660.370.001——

測試樣件實(shí)物圖如圖3所示。在內(nèi)外回路進(jìn)出口處布置熱電偶，其中，內(nèi)回路出口溫度為主要觀察對象。通過在出口銅管和T型熱電偶間添加導(dǎo)熱硅脂提高測溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3　測試樣件實(shí)物

內(nèi)流體回路由恒溫槽A(DC-4006低溫恒溫槽)、流量計(jì)(LWGY-2轉(zhuǎn)子流量計(jì))、測溫計(jì)(安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀+T型熱電偶+電腦)和水泵組成。

外流體回路系統(tǒng)由恒溫槽(DC-1030低溫恒溫槽)和水泵組成。

2　實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始前，先清理實(shí)驗(yàn)臺。之后，往相變儲能換熱器中充裝相變材料十四烷，充裝系統(tǒng)如圖4所示，充裝過程如下：

(1)稱量相變儲能換熱器外殼的重量，并記錄；

(2)外回路與恒溫水槽連通形成回路，通入溫度恒為343.15 K的熱水；

(3)關(guān)閉閥門-1，打開閥門-2，抽出相變儲能換熱器中的氣體；

(4)關(guān)閉閥門-2，打開閥門-1，讓相變工質(zhì)正十四烷通入儲能換熱器，待正十四烷儲液箱液面不再發(fā)生變化，關(guān)閉閥門-1；

(5)移除真空泵，正十四烷儲液箱及相關(guān)管路，并排出儲能換熱器中熱水。待熱水排盡后，移除恒溫水箱和對應(yīng)管道；

(6)稱量儲能換熱器重量，并與原始重量對比，計(jì)算充裝相變材料質(zhì)量。

圖4　相變儲能換熱器充裝系統(tǒng)

待相變材料充裝結(jié)束后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)包括以下四種工況：(1)Q=0.4 L/min,Tin=288.5 K;(2)Q=0.5 L/min,Tin=286.2 K;(3)Q=0.6 L/min,Tin=284.7 K;(4)Q=0.7 L/min,Tin=283.6 K。當(dāng)環(huán)境溫度T=277 K時，四種工況下理想換熱功率都為277.8 W。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)調(diào)節(jié)恒溫槽B內(nèi)水溫至277.15 K，關(guān)閉泵A，打開泵B，讓恒溫槽內(nèi)工質(zhì)流經(jīng)相變儲能換熱器，整個換熱器達(dá)到初始溫度277.15 K；

(2)調(diào)節(jié)恒溫槽A內(nèi)水溫，在不同工況下分別達(dá)到不同溫度；

(3)關(guān)閉泵B，打開泵A，通過調(diào)節(jié)泵A的電壓調(diào)節(jié)內(nèi)回路流量，讓內(nèi)回路流量與工質(zhì)溫度相對應(yīng)；

(4)通過數(shù)據(jù)采集儀記錄溫度數(shù)據(jù)(間隔2 s記錄一次)；

(5)當(dāng)換熱器出口溫度不隨時間變化時，停止試驗(yàn)。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

3.1　直接測量誤差分析

安捷倫溫度采集儀絕對誤差ΔT=0.1 K，測溫范圍T≈10 K，則溫度測量值的相對誤差ΔT/T=1%。

LWGY-2轉(zhuǎn)子流量計(jì)絕對誤差ΔQ=0.003 L/min，流量Q≥0.3 L/min，流量測量值的相對誤差ΔQ/Q=1%。

采用安捷倫自帶時間記錄儀記錄時間并測溫，故認(rèn)為時間誤差忽略不計(jì)。

3.2　間接測量誤差分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差傳播定律，由于變量含有誤差，致使間接測量量受其影響也含有誤差。按照Moffat[9]關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定性的分析方法，如果間接測量量y是之間測量量x1,x2,…xn的函數(shù)，Δx1,Δx2,…,Δxn是x1,x2…xn的絕對誤差，那么由Δx1, Δx2,…,Δxn引起的y的絕對誤差Δy表示為

(1)

y的相對誤差為

(2)

相變儲能換熱器內(nèi)回路換熱功率q表示為

q=cpρQ(Tout-Tin)

(3)

式中cp=3 399 J/(kg·K)，ρ=1 066 kg/m3，Q=0.4 L/min，0.5 L/min，0.6 L/min，0.7 L/min，ΔT=11.5 K，9.2 K，7.7 K，6.6 K。那么q=3 623 334×QΔT。

根據(jù)式1，換熱功率q的最大絕對誤差為

(4)

根據(jù)式2，換熱功率q相對誤差為

(5)

依次代入Q=0.4 L/min，0.5 L/min，0.6 L/min，0.7 L/min，ΔT=11.5 K，9.2 K，7.7 K，6.6 K，計(jì)算得到相對誤差分別為1.58%，1.83%，2.09%，2.36%。

4　結(jié)果與討論

4.1　換熱器出口溫度分析

圖5為相變儲能換熱器內(nèi)流體回路出口溫度在不同工況下隨時間變化曲線。從圖上可以看出，四種工況下，換熱器出口流體溫度變化具有相似性。將出口溫度變化曲線分為四個階段:(1)相變材料未融化階段；(2)相變材料融化階段；(3)相變材料融化結(jié)束階段；(4)溫度趨于穩(wěn)定階段，分別對應(yīng)圖中A，B，C，D。

圖5　內(nèi)回路出口溫度變化

在A階段，相變材料未開始融化，這一階段主要傳熱形式為導(dǎo)熱，相變材料吸收內(nèi)回路換熱流體熱量并以顯熱形式儲存起來，由于導(dǎo)熱所傳遞的熱量相差不大，故四種工況下溫度變化曲線大致相同。B階段時，相變材料開始融化。此階段溫度曲線變化平緩，這是因?yàn)榇藭r相變材料利用融化時的潛熱吸收。在達(dá)到相變點(diǎn)時，相變材料溫度不因加熱而持續(xù)上升，取而代之的是向換熱器出口移動的相變界面。此過程中，相變材料吸收大量熱量，并以相變潛熱形式儲存起來。C階段時，相變材料完全融化，此階段與A階段相似，不同的是此階段傳熱方式包括熱對流與熱傳導(dǎo)(忽略熱輻射)兩種形式，此時對流換熱是主要的換熱方式。由于四種工況下進(jìn)口溫度不同，導(dǎo)致出口溫度變化存在較大差異。在D階段，相變材料溫度與進(jìn)口流體溫度差異不大，故內(nèi)流體回路出口溫度變化不再明顯。

從圖5可以看出，在A和B階段，四種工況下，流速高溫度低(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)時，出口溫度最高，流速低溫度高(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)時，出口溫度最低。這是因?yàn)橄嗤瑩Q熱量下，進(jìn)口溫度低時，相變材料吸收的顯熱較少，出口溫度較高；進(jìn)口溫度高時，相變材料吸收的顯熱較多，出口溫度較低。在C和D階段，其結(jié)果與A和B階段相反，流速低溫度高(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)時，出口溫度最高，流速高溫度低(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)時，出口溫度最低。究其原因，融化結(jié)束后，依靠相變材料顯熱吸收熱量，進(jìn)口溫度高時，出口溫度也高，進(jìn)口速度低時，出口溫度也低。

4.2　換熱器換熱功率分析

根據(jù)式(3)，計(jì)算相變儲能換熱器內(nèi)回路換熱功率變化曲線，其結(jié)果如圖6所示。從圖上可以看出，換熱功率隨時間推移而下降，與溫度變化趨勢相似，在A，C階段，換熱功率下降明顯，而在B，D階段，由于溫度變化緩慢，此階段換熱功率下降不明顯。

在A，C和D階段，四種工況下?lián)Q熱器換熱功率大致相等，這三個階段不會造成換熱器出口溫度較大差異。在B階段，不同工況下?lián)Q熱器換熱功率存在較大差異。由于相變材料融化時，相變點(diǎn)不變，在進(jìn)口溫度較高的工況下(ΔT=11.5 K)，相變材料未融化部分溫升不大，相變材料已融化部分吸收的熱量偏多，溫升較大，導(dǎo)致此工況下相變儲能換熱器換熱功率較大。反之，在進(jìn)口溫度較低的工況下(ΔT=6.6 K)，相變材料已融化部分吸收的熱量不多，溫升較小，導(dǎo)致此工況下相變儲能換熱器換熱功率較小。

圖6　換熱功率變化曲線

如圖6所示，換熱器在B階段換熱功率不同，其中，當(dāng)Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K時，換熱器換熱功率最大，那么相變材料吸收的熱量最多，相變材料的溫升最大，導(dǎo)致?lián)Q熱器出口流體溫度最高，此結(jié)果與圖5一致。

4.3　換熱器不同擺放位置對出口流體溫度影響

在日常應(yīng)用中，通常會改變換熱器的擺放方式以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。本文對換熱器三種擺放位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別是正放、橫放和平放，分別對應(yīng)圖7(a)，(b)和(c)。對不同擺放位置的換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而得到不同擺放位置對換熱器性能的影響。

圖7　不同擺放位置的換熱器實(shí)驗(yàn)裝置

通過測溫儀測量不同擺放位置換熱器出口流體的溫度，其結(jié)果如圖8所示。從圖上可以看出，出口溫度變化曲線幾乎重合，這說明不同的擺放位置對換熱器出口流體溫度影響很小。不過從圖上還可以看出，這幾條溫度曲線還有一些細(xì)微區(qū)別。以圖上紅色虛線為界，在虛線左側(cè)，橫放的換熱器(黑色曲線)出口溫度偏低，換熱功率偏大；平放的換熱器(藍(lán)色曲線)出口溫度偏高，換熱功率偏小。在虛線右側(cè)，橫放的換熱器(黑色曲線)出口溫度偏高，換熱功率偏??；平放的換熱器(藍(lán)色曲線)出口溫度偏低，換熱功率偏大。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到結(jié)束時，不同擺放位置的換熱器出口溫度相同。

圖8　不同擺放位置換熱器出口流體溫度變化曲線

把熱力系由任意狀態(tài)下可逆變化到與給定的環(huán)境相平衡的狀態(tài)時所能做的功稱為最大可用功或，用Ex表示。對于實(shí)際過程，由于系統(tǒng)的不可逆性，并不守恒，而是減少。熱力學(xué)第二定律引入效率η以合理評估能量可利用的價值，即反映因儲能體系內(nèi)在的不可逆性導(dǎo)致的能量惡化。效率方程表達(dá)式如下式(6)

(6)

式中Ex(storage)——儲存于相變材料中的;

Ex(input)——在儲能過程中內(nèi)回路流體提供的。

根據(jù)Demirel等[10]提供的儲能過程中表達(dá)式，儲存于相變材料中的和儲能過程中內(nèi)回路流體提供的表達(dá)如式(7)和式(8)

(7)

(8)

式中cp——內(nèi)回路換熱流體比熱;

Q——換熱流體流量;

Tin——換熱器進(jìn)口流體溫度;

Tout——換熱器出口流體溫度;

T0——環(huán)境溫度;

TPCM——相變材料相變點(diǎn)。

(9)

根據(jù)式(9)，選取初始溫度T0=274 K，相變材料相變點(diǎn)TPCM=278.5 K，得到內(nèi)回路儲能過程效率如圖9所示。從圖上可知，四種工況下儲能過程的效率變化趨勢一致，都隨著時間的推移而減小。其中，在A階段和C階段減少的速率偏大；在B階段和D階段減少的速率偏小。在流速偏快，溫差較小時(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)，效率最高，根據(jù)與熵的關(guān)系，此時系統(tǒng)熵產(chǎn)最少，不可逆性最低；在流速偏快，溫差較小時(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)，效率最低，根據(jù)與熵的關(guān)系，根據(jù)與熵的關(guān)系，此時系統(tǒng)熵產(chǎn)最多，不可逆性最高。

5　結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)探究板式相變儲能換熱器在不同工作狀態(tài)下的流動與換熱性能，以及不同工況下的損失，分析換熱流體的流速、溫度以及板式相變儲能的擺放位置對相變儲能換熱器出口溫度、換熱功率以及效率的影響，得到以下結(jié)論：

圖9　內(nèi)回路儲能過程效率

(1)不同工況下?lián)Q熱器出口溫度存在較大差別。在相變材料融化結(jié)束前，流速高溫度低時，出口溫度最高，流速低溫度高時，出口溫度最低。當(dāng)相變材料融化結(jié)束后，流速低溫度高時，出口溫度最高，流速高溫度低時，出口溫度最低。

(2)對換熱器換熱功率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)換熱器中相變材料在相變階段，換熱器換熱功率不同，其中，當(dāng)流量低溫差大時，換熱器換熱功率最大，相變材料吸收的熱量最多，相變材料的溫升最大，導(dǎo)致?lián)Q熱器出口流體溫度最高。

(3)對不同擺放位置的換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同擺放位置對換熱器性能的影響很小。