矩形及楔形裝置蓄熱性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

胡志培，李安桂，高 然

(1. 蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2. 西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

能源危機(jī)及環(huán)境污染的雙重作用下，提高能源利用效率、開(kāi)發(fā)清潔無(wú)污染的可再生能源成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必然選擇，而這兩類(lèi)措施都離不開(kāi)蓄熱技術(shù).基于此，高蓄熱密度、蓄/放熱過(guò)程恒溫的相變蓄熱日益成為最具發(fā)展前景的熱能儲(chǔ)存技術(shù)之一，并在太陽(yáng)能利用、工業(yè)余/廢熱回收、建筑熱環(huán)境控制及電子器件熱管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3].

相變材料的熱物性直接影響蓄熱系統(tǒng)的熱性能.各類(lèi)材料中，有機(jī)類(lèi)材料石蠟因性能穩(wěn)定、相變潛熱高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注.但是，該類(lèi)材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，常通過(guò)向其中添加金屬、碳纖維、石墨等高導(dǎo)熱性物質(zhì)制得復(fù)合蓄熱材料實(shí)現(xiàn)其熱性能的增強(qiáng)[4-6].

通過(guò)固-液相變完成蓄/放熱過(guò)程的相變材料常被封于蓄熱裝置內(nèi)，其中以矩形、圓柱及球形裝置的應(yīng)用最為廣泛[7].矩形裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，一直以來(lái)都是學(xué)術(shù)研究及實(shí)際應(yīng)用的關(guān)注熱點(diǎn).文獻(xiàn)[8]對(duì)矩形裝置內(nèi)月桂酸的融化及傳熱過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示了蓄熱過(guò)程傳熱機(jī)制轉(zhuǎn)化及其對(duì)相變材料融化速率的影響.文獻(xiàn)[9]指出蓄熱過(guò)程矩形裝置傾角對(duì)液相材料內(nèi)自然對(duì)流產(chǎn)生及發(fā)展有重要影響，并導(dǎo)致裝置傳熱及材料融化速率的差異.文獻(xiàn)[10]針對(duì)等壁溫條件下矩形裝置上下邊長(zhǎng)之比對(duì)材料傳熱及融化速率的影響進(jìn)行分析，并據(jù)此提出楔形截面蓄熱裝置.文獻(xiàn)[11]對(duì)添加CuO納米顆粒的有機(jī)復(fù)合材料在恒熱流矩形腔的融化過(guò)程進(jìn)行研究，分析了裝置不同高度材料融化狀況及其相界面分布的變化.文獻(xiàn)[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法研究了斯蒂芬數(shù)、瑞利數(shù)及傅里葉數(shù)對(duì)矩形裝置內(nèi)癸酸融化過(guò)程的影響.

綜上所述，自然對(duì)流對(duì)蓄熱過(guò)程材料的融化速率及相界面分布有決定性影響，而裝置的幾何形狀則一定程度上影響蓄熱過(guò)程自然對(duì)流的產(chǎn)生及發(fā)展.基于此，本文在傳統(tǒng)矩形裝置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化得到楔形相變蓄熱裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩裝置的熱性能進(jìn)行對(duì)比研究，所得結(jié)論對(duì)相變蓄熱裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)蓄熱過(guò)程材料融化及傳熱特性的分析，本文設(shè)計(jì)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括封裝相變材料的蓄熱裝置、熱源、熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相界面記錄系統(tǒng).蓄熱裝置包括矩形及楔形兩種，其幾何尺寸見(jiàn)表1.蓄熱裝置采用5 mm的透明有機(jī)玻璃制成，左側(cè)壁面為熱源.有機(jī)類(lèi)材料RT28HC為蓄熱材料，熔點(diǎn)為27～29 ℃，相潛熱為245 kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m K)，熱膨脹系數(shù)為0.005 /K.考慮到固相材料融化后的體積膨脹，特在裝置上部留有2 mm的空隙.熱源與蓄熱裝置間設(shè)薄云母片，與PCM間設(shè)高導(dǎo)熱性銅板，在減少熱源向環(huán)境散熱損失的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其與PCM的均勻傳熱.裝置外側(cè)采用6 mm厚保溫板進(jìn)行覆蓋.

實(shí)驗(yàn)用熱源系統(tǒng)主要由加熱板、感溫探頭、交流接觸器和溫度控制儀表組成，通過(guò)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)熱源溫度的控制，加熱板尺寸為160 mm×60 mm×2 mm.蓄熱過(guò)程的相界面分布由帶存儲(chǔ)功能的高清攝像儀拍攝完成，固定時(shí)刻取下裝置外側(cè)的保溫板記錄相界面分布.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

蓄熱裝置的幾何形狀x方向y方向z方向上邊長(zhǎng)/mm下邊長(zhǎng)/mm高度/mm寬度/mm上下邊長(zhǎng)之比矩形6262161601楔形10222161605

圖2 蓄熱裝置的測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.2 Arrangement of thermocouples inside the thermal storage units

蓄熱過(guò)程采用銅-康銅T型熱電偶對(duì)裝置內(nèi)的多點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由mobrey 35 951C IMP數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行收集，采樣周期為1 min.裝置內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，某點(diǎn)的溫度表示為T(mén)ij，其中i為橫坐標(biāo)(自下向上分別為i=1, 2… 5)，j為縱坐標(biāo)(從左向右分別為j=1, 2… 8).矩形和楔形豎向測(cè)點(diǎn)均為5行，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為20 mm；水平向相鄰測(cè)點(diǎn)間距為10 mm，矩形裝置水平測(cè)點(diǎn)均為5列，楔形裝置自下向上逐漸增加，測(cè)點(diǎn)數(shù)為2到8列不等.另在裝置中心測(cè)點(diǎn)T43的前、后對(duì)稱(chēng)設(shè)置Tr，Tl兩個(gè)測(cè)點(diǎn).

蓄熱過(guò)程開(kāi)始前，充分冷卻裝置使其各點(diǎn)溫度均勻一致并低于RT28HC的融點(diǎn)，達(dá)到設(shè)定值后，蓄熱過(guò)程開(kāi)始，直至裝置內(nèi)的固相材料全部完成融化，蓄熱過(guò)程結(jié)束.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裝置的二維傳熱特性

圖3為兩裝置典型測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，其中測(cè)點(diǎn)T43位于裝置中心位置，Tr，Tl與T43的關(guān)系如圖2(c)所示.可以看出，矩形及楔形裝置內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度分布呈現(xiàn)較高一致性，即本文的矩形及楔形裝置均具有二維傳熱特性.裝置中心斷面系列測(cè)點(diǎn)的溫度分布具有一定代表性，可用于反映蓄熱過(guò)程裝置的熱性能，這也是為后續(xù)闡述裝置的融化及傳熱特性奠定基礎(chǔ).

圖3 蓄熱裝置的二維傳熱特性Fig.3 Two dimensional heat transfer characteristics of

2.2 融化特性

熱源溫度Tw=40 ℃時(shí)，RT28HC融化過(guò)程的典型相界面分布如圖4所示.t=15 min的初始階段，矩形和楔形裝置內(nèi)材料的融化狀況基本相同，熱源附近均出現(xiàn)均勻分布的薄液相層，形成與熱源平行分布的相界面.

圖4 Tw=40 ℃時(shí)蓄熱過(guò)程的相界面分布Fig.4 Instantaneous photographs of the RT28HC melting infor hot wall temperature of 40 ℃

隨融化過(guò)程進(jìn)行，裝置內(nèi)液相材料增多.t=65 min時(shí)出現(xiàn)相界面的顯著彎曲.其中，矩形裝置頂部的相界面到達(dá)裝置右側(cè)，楔形裝置頂部材料的融化速率也較底部更快.這是蓄熱過(guò)程傳熱機(jī)制從最初熱傳導(dǎo)向?qū)?對(duì)流共同作用轉(zhuǎn)變的結(jié)果.即自然對(duì)流一方面加快了固相材料的融化速率，但同時(shí)導(dǎo)致材料融化速率的豎向不均勻，這一點(diǎn)從后面的溫度分布也可得出.

此后兩裝置內(nèi)材料的融化均呈現(xiàn)顯著的豎向不均勻性，且矩形裝置尤為明顯.直至蓄熱后期t=245 min，兩裝置上部的材料均已全部融完，僅少量固相材料分布于裝置中下部.不同點(diǎn)在于矩形裝置的右下角完全被占據(jù)，出現(xiàn)融化死角并大大延長(zhǎng)蓄熱時(shí)間；而楔形裝置內(nèi)僅相對(duì)少量固相材料沿裝置右壁下部均勻分布，一定程度改善了底部材料的融化狀況.

圖5 裝置中心溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Temperature variations in the center of

圖5所示為不同熱源溫度下矩形及楔形裝置中心測(cè)點(diǎn)T43溫度隨時(shí)間的變化情況.隨熱源溫度上升，兩裝置的蓄熱時(shí)間均顯著縮短；同一溫度下，楔形裝置的蓄熱時(shí)間明顯小于矩形裝置.由前述的相界面分析可知，由于蓄熱后期相變材料融化速率的差異，導(dǎo)致兩裝置蓄熱時(shí)間的不同.如T43的溫度變化所示，當(dāng)該點(diǎn)材料完成融化處于過(guò)熱狀態(tài)時(shí)，楔形的幾何形狀更有利于其熱量向低溫固相材料的傳遞，表現(xiàn)為后期階段T43溫度的迅速下降.相比之下，矩形裝置后期階段T43的溫度下降更為平緩.熱源溫度越高時(shí)，楔形裝置的這一傳熱特性也越顯著.

2.3 傳熱特性

為進(jìn)一步分析蓄熱過(guò)程相變材料的傳熱特性，本文以T2j、T4j、T6j測(cè)點(diǎn)為例分析不同高度測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況.如圖6所示，圖中最上方曲線為熱源溫度，整個(gè)蓄熱過(guò)程維持恒定.同一高度距熱源距離不等的各點(diǎn)，其溫差先增大后減小，最終各點(diǎn)趨于一致.現(xiàn)引入“溫差比”表示前期溫差階段占整個(gè)蓄熱過(guò)程的百分比，經(jīng)計(jì)算，矩形裝置沿高度方向自下向上其值逐漸從底部T1j的87.4 %減小到頂部T7j的25.8 %；楔形裝置的“溫差比”較矩形裝置有所增加.而且，兩裝置中T1j到T7j的溫度逐漸升高.即蓄熱過(guò)程裝置內(nèi)存在豎向溫度梯度，裝置上部的液相材料處于過(guò)熱狀態(tài)而下部的固相材料仍為過(guò)冷狀態(tài)，由此形成如圖4所示蓄熱后期的相界面分布.

圖6 Tw=40 ℃時(shí)不同高度測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Temperature variations of a series of different heights of for hot wall temperature of 40 ℃

針對(duì)矩形和楔形裝置下部傳熱特性的差異，本文又選擇底部T2j測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析.如圖7所示，初始階段熱傳導(dǎo)作用下，靠近熱源的T21首先開(kāi)始升溫，距離較遠(yuǎn)的其余各點(diǎn)仍處于過(guò)冷狀態(tài).隨蓄熱過(guò)程進(jìn)行，熱量逐漸向更遠(yuǎn)處滲透，形成裝置內(nèi)x方向的溫度梯度.到蓄熱后期同一高度的材料完成融化進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)時(shí)，楔形裝置底部的溫度較矩形裝置的要高，即楔形幾何形狀一定程度緩解了裝置內(nèi)的豎向溫度分層，使熱源釋放的熱量更多用于裝置下部固相材料的融化而非上部液相材料的過(guò)熱，這也是導(dǎo)致蓄熱后期兩裝置融化速率差異的主要原因.

圖7 Tw=40 ℃時(shí)裝置底部T2j測(cè)點(diǎn)的溫度分布Fig.7 Temperature distributions of T2j series at the bottom of for hot wall temperature of 40 ℃

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)矩形及楔形裝置蓄熱性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)所述矩形及楔形裝置均具有二維傳熱特性，與熱源垂直的任意斷面可反映蓄熱過(guò)程材料的融化及傳熱特性.

(2)沿裝置高度方向，自然對(duì)流作用下裝置內(nèi)的相界面及溫度分布存在極大不均勻性，矩形裝置內(nèi)存在傳熱及融化死角.

(3)與傳統(tǒng)矩形裝置相比，所述楔形幾何形狀可有效改善裝置內(nèi)的豎向溫度分布，加快后期階段裝置底部材料的融化速率，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱.