翅片盤管式相變儲熱器傳熱性能研究

李南爍，湯梓聰，伍健宜，張錦梁，謝安治，陳觀生

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

全社會能源需求不斷增加，能源短缺已成為人類面臨的嚴(yán)峻問題，節(jié)能技術(shù)的研究和利用成為支撐社會發(fā)展的必要手段[1-3].

在各種節(jié)能技術(shù)中，相變儲能技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用. 電廠排煙廢熱、工業(yè)鍋爐廢熱以及各種內(nèi)燃機排氣的廢熱等都可以采用相變儲熱技術(shù)使之得到有效的利用，從而節(jié)省大量的能源[4]. 太陽能熱利用、熱泵制熱等是當(dāng)前較為成熟的節(jié)能技術(shù)，結(jié)合相變溫度為40～60 ℃的低溫相變儲熱技術(shù)則可以使太陽能熱水系統(tǒng)、熱泵熱水系統(tǒng)在生活熱水領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景[5-7].

適用于生活熱水領(lǐng)域的相變儲熱材料主要有石蠟、醋酸鈉等. 這些材料最大的缺點是導(dǎo)熱系數(shù)低，這也成為它們大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙[8]. 為克服這一障礙，很多研究人員進行了大量的工作，包括相變傳熱強化機理的分析[9-11]、相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提升等[12-13]，其中利用各種翅片來強化儲熱體中相變材料側(cè)的換熱是一種比較簡單而且有效的做法[14-18].

本研究以石蠟為相變材料，對翅片盤管式相變儲熱器進行換熱實驗，得出該相變儲熱器內(nèi)的溫度分布及其儲、放熱特性.

1 實驗裝置

實驗用的翅片盤管式相變儲熱器主要由箱體、保溫層、翅片盤管、相變材料(Phase Change Material，PCM)等構(gòu)成，其剖視圖如圖1所示.

1.1 翅片盤管式相變儲熱器

盤管為銅管，翅片為鋁片，盤管與翅片相互垂直，相變材料填充在翅片管與箱體之間，翅片間距可調(diào). 實驗用的翅片盤管式相變儲熱器詳細(xì)參數(shù)見表1.石蠟質(zhì)量為5 070.5 g.

表1 翅片盤管式相變儲熱器參數(shù)Tab.1 Finned-coil Phase Change Heat Storage Parameter

1.2 實驗測試系統(tǒng)

通過管內(nèi)冷、熱流體(本次實驗以水作為工質(zhì))與箱體內(nèi)石蠟進行熱量交換，對翅片盤管式相變換熱器的儲熱、放熱特性進行實驗研究. 恒溫水箱保證供應(yīng)的水溫度恒定. 實驗系統(tǒng)圖如圖2所示.

圖2 實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

在箱體管槽內(nèi)布置T型熱電偶溫度測點，如上圖所示. 其中T1、T5分別為進出水管處測點，T2～T4為內(nèi)部管路測點，T6～T10為內(nèi)部石蠟測點. 水流量通過控制閥門控制并由渦輪流量計測量(0.667～6.667 L/min，±0.5% R). 用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對溫度進行數(shù)據(jù)采集.

相變材料為石蠟RT54，液相密度：780 kg/m3，固相密度：900 kg/m3；液相比熱容：2.4 kJ/(kg·K)，固相比熱容：7.8 kJ/(kg·K)；液相熱導(dǎo)率：0.20 W/(m·K)，固相熱導(dǎo)率：0.27 W/(m·K)；相變潛熱：170 kJ/kg；凝固溫度：54 ℃；熔化溫度：52 ℃. 忽略工質(zhì)溫度變化對熱物性的影響.

1.3 實驗過程

儲熱階段：接通電源，在恒溫水箱中把水加熱到65 ℃，然后開啟數(shù)據(jù)采集儀，同時開啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)流量控制閥到一定的流量值，進行儲熱階段的實驗. 當(dāng)石蠟完全熔化，并且在數(shù)據(jù)采集儀上觀察溫度不再升高時停止實驗，儲熱階段實驗結(jié)束.

放熱階段：考慮到儲熱器的最大儲熱量，儲熱階段實驗結(jié)束后，馬上進行放熱階段實驗. 將另一臺設(shè)定溫度30 ℃的恒溫水箱替換儲熱階段的恒溫水箱，如圖2所示接入實驗線路. 調(diào)節(jié)相同大小的流量值，進行放熱階段的實驗. 待石蠟完全凝固，并且溫度分布基本均勻時停止數(shù)據(jù)采集，完成放熱階段的實驗.

2 實驗結(jié)果及分析

對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm和6.5 mm的翅片盤管相變儲熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min的情況下進行儲、放熱實驗. 安捷倫每5 s采集一次數(shù)據(jù)，記錄每次實驗流量情況. 忽略彎管效應(yīng)和工質(zhì)溫度變化對熱物性的影響，根據(jù)水和石蠟的溫度、水的流量以及傳熱面積等，翅片儲熱器的傳熱效率Q和傳熱系數(shù)k可以通過式(1)～(4)計算：

其中c表示儲熱，d表示放熱；ρ為水的密度(g/L)；v為水的流量(L/min)；Cp為水的比熱容(J·g—1·K—1)；A為儲熱器中管路的傳熱面積(m2)； ?tm為儲熱器的對數(shù)平均溫差(℃)，由式(5)～(6)計算：

2.1 溫度分布情況

設(shè)定恒溫水箱65 ℃的情況進行儲熱實驗，進水管溫度基本保持恒定. 圖3(a)及圖3(b)分別表示當(dāng)進水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時儲熱過程中石蠟T8測點溫度及出水管T5測點溫度隨時間的變化曲線.

圖3 水流量為1.6 L/min的儲熱過程Fig.3 Heat storage process with water flow rate of 1.6 L/min

由圖3(a)可知石蠟在50～55 ℃的范圍內(nèi)溫度較為平穩(wěn)，局部溫度呈上升趨勢，可知這個溫度區(qū)間為石蠟開始相變的溫度區(qū)間. 由圖3(b)看出，在進水管溫度恒定情況下，出水溫度的變化過程與石蠟溫度的變化過程基本一致，間距為2.5 mm的儲熱器出水溫度率先接近進水溫度，說明翅片間距小儲熱過程進行得比較快，傳熱能力強.

設(shè)定恒溫水箱30 ℃的情況進行放熱實驗，進水管溫度基本保持恒定. 圖4(a)及圖4(b)是水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時放熱過程石蠟T8測點溫度及出水管溫度T5隨時間的變化曲線.

從圖4(a)中可以看出，石蠟的放熱過程進行得比較快. 在50～55 ℃區(qū)間的范圍內(nèi)溫度較為平穩(wěn)，儲熱體處于相變階段；在相變完成后，石蠟迅速被冷卻，溫度接近管內(nèi)流體溫度. 由圖4(b)看出，與儲熱類似，出水溫度的變化與石蠟溫度的變化保持一致，間距為2.5 mm的儲熱器率先完成放熱過程.

圖4 水流量為1.6 L/min的放熱過程Fig.4 Exothermic process with water flow rate of 1.6 L/min

2.2 傳熱系數(shù)變化情況

圖5、圖6及圖7分別表示流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時翅片盤管相變儲熱器儲熱過程中傳熱系數(shù)隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

由圖5～7可看出，在石蠟溫度為50 ℃以下區(qū)域，不同翅片間距的相變儲熱器傳熱系數(shù)基本維持在5～18 W/(m2·K)之間；隨溫度及流量的增加，傳熱系數(shù)也相應(yīng)增大，在進入相變階段時迅速增大，這是因為早期的儲熱過程，PCM還未融化，傳熱過程由熱傳導(dǎo)起決定作用，進入相變階段時PCM的融化，在管壁上附著一個薄的熔融層，由于浮力作用加劇對流運動，傳熱系數(shù)迅速增加，此后隨著熔融層的加厚對流受阻，k值減少，超過60 ℃后相變完成，逐漸趨于穩(wěn)定；在其他參數(shù)相同時，翅片間距較小的儲熱器傳熱系數(shù)更大，翅片間距為2.5 mm時，相變過程進行得最快，石蠟熔化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余翅片間距下的情況.

圖5 流量1.0 L/min時儲熱過程傳熱系數(shù)Fig.5 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.0 L/min

圖6 流量1.3 L/min時儲熱過程傳熱系數(shù)分布Fig.6 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.3 L/min

圖7 流量1.6 L/min時儲熱過程傳熱系數(shù)分布Fig.7 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.6 L/min

圖8、圖9及圖10分別是水流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時翅片盤管相變儲熱器放熱過程中傳熱系數(shù)隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

圖8 流量1.0 L/min時放熱過程傳熱系數(shù)Fig.8 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.0 L/min

圖9 流量1.3 L/min時放熱過程傳熱系數(shù)Fig.9 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.3 L/min

圖10 流量1.6 L/min時放熱過程傳熱系數(shù)Fig.10 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.6 L/min

通過圖8～10可以看出，k值從最初的20 W/(m2·K)左右緩慢增加，進入相變階段，由于PCM的固化，對流導(dǎo)熱的綜合作用下，迅速增大到峰值，在52 ℃后，隨著PCM的進一步固化，對流作用減弱，k值逐漸減小，在相變結(jié)束時減小到20 W/(m2·K)左右. 在溫度50℃以下區(qū)域，各組不同翅片間距的相變儲熱器傳熱系數(shù)變化比較平穩(wěn)，并且隨溫度逐漸降低，傳熱系數(shù)也相應(yīng)地變小，在流量為1.3 L/min和1.6 L/min時，傳熱系數(shù)基本在10～30 W/(m2·K)之間，而流量為1.0 L/min時，傳熱系數(shù)基本在5～18 W/(m2·K)范圍內(nèi)，可以看出流量的大小對傳熱系數(shù)存在一定影響.

在石蠟溫度為50 ℃～60 ℃區(qū)間內(nèi)，各組翅片盤管相變儲熱器的傳熱系數(shù)出現(xiàn)峰值，如表2所示.

表2 傳熱系數(shù)峰值Tab. 2 Peak heat transfer coefficient W·m-2·K-1

從表2中可以看出：在同一個流量下，翅片間距越小傳熱系數(shù)峰值越大；同一翅片間距時，流量越大傳熱系數(shù)峰值越大；儲熱器傳熱系數(shù)最大峰值出現(xiàn)在翅片間距為2.5 mm、流量為1.6 L/min的情況下.

3 結(jié)語

通過對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm的翅片盤管相變儲熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min情況下的儲、放熱實驗，簡單得出以下結(jié)論：

(1) 在同一翅片間距下，水流量越大，儲熱器的傳熱系數(shù)越大，石蠟相變過程進行得越快. 為加大換熱效率、減小儲熱時間可以適當(dāng)增加流量.

(2) 在同一水流量下，翅片間距越小，傳熱器的傳熱系數(shù)越大，石蠟相變過程進行得越快. 在實際限定流量的應(yīng)用中，應(yīng)選擇較小翅片間距的儲熱器.

(3) 忽略輻射的影響，在50 ℃以下范圍內(nèi)，石蠟還沒發(fā)生相變或相變完成，傳熱過程主要為導(dǎo)熱，傳熱系數(shù)較??；在50～60 ℃范圍內(nèi)，石蠟融化，對流傳熱起作用，傳熱系數(shù)變化較大；在60 ℃后，石蠟完成相變，導(dǎo)熱再次起主導(dǎo)效果，傳熱系數(shù)變小. 實際應(yīng)用中選擇相變區(qū)間跨度大的相變材料有助于增大儲熱器的傳熱特性.