相變儲(chǔ)熱技術(shù)及其在內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)中的應(yīng)用

夏 旭 劉伍權(quán) 朱 巖 蔣齊秦 伏廣功

（1-陸軍軍事交通學(xué)院五大隊(duì)研究生隊(duì) 天津 300161 2-陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛系）

引言

近年來，為了改善內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能，國內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)冷起動(dòng)過程中的著火過程、燃燒過程及排放問題進(jìn)行了深入研究，針對(duì)導(dǎo)致冷起動(dòng)困難的主要因素，包括可燃混合氣形成、可燃混合氣燃燒溫度等方面提出了一系列輔助措施。常用的輔助措施包括進(jìn)氣預(yù)熱、安裝電熱塞、安裝燃油加熱器、噴射起動(dòng)液等。其它輔助措施包括采用低溫燃油、低溫潤滑油、低溫蓄電池等。由于技術(shù)水平等多方面原因，這些輔助措施雖然能在一定程度上改善內(nèi)燃機(jī)的冷起動(dòng)性能，但或多或少存在一些缺點(diǎn)：需要額外消耗燃油或電能；冷起動(dòng)效果不佳，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)；起動(dòng)效果好，但燃燒劇烈易發(fā)生爆震，不易控制；輔助設(shè)施結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高。

相比于常用的冷起動(dòng)輔助措施存在一些弊端，相變儲(chǔ)熱技術(shù)通過回收內(nèi)燃機(jī)的余熱，代替外熱源預(yù)熱內(nèi)燃機(jī)，改善冷起動(dòng)性能，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

研究表明，內(nèi)燃機(jī)燃料中，2/3 左右的能量通過廢氣和冷卻液以廢熱的形式釋放到大氣中[1]。目前，學(xué)術(shù)界針對(duì)這部分熱量的回收主要是采用動(dòng)力渦輪、朗肯循環(huán)、余熱鍋爐、熱電發(fā)電機(jī)等方式轉(zhuǎn)化為電能。在應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)方面，余熱是通過相變儲(chǔ)熱技術(shù)，以相變儲(chǔ)熱材料潛熱的形式直接儲(chǔ)存來，利用保溫材料減少熱量的輻射流失。在較低的環(huán)境溫度下，內(nèi)燃機(jī)需要暖機(jī)和冷起動(dòng)時(shí)，回收余熱后的相變儲(chǔ)熱材料直接釋放熱量，加熱冷卻液，預(yù)熱內(nèi)燃機(jī)，改善冷起動(dòng)性能。相比于其它冷起動(dòng)措施，相變儲(chǔ)熱技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)燃機(jī)在較低的環(huán)境溫度下需要頻繁冷起動(dòng)時(shí)，通過儲(chǔ)存的內(nèi)燃機(jī)余熱直接快速加熱冷卻液，預(yù)熱機(jī)體，不消耗額外的燃料，并且不產(chǎn)生任何額外的排放，在一定程度上起到了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的雙重作用。

1 相變儲(chǔ)熱技術(shù)

早在20 世紀(jì)40 年代，Telkes 等人[2]對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行了研究。但直到20 世紀(jì)70、80 年代的能源危機(jī)中，相變儲(chǔ)熱技術(shù)才被重視起來，并被廣泛應(yīng)用于太陽能儲(chǔ)能。自此之后，眾多專家和學(xué)者進(jìn)行了一系列研究來評(píng)估相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體熱性能，主要包括設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)和過程優(yōu)化、瞬態(tài)特性和使用性能等。研究范圍集中于特定相變儲(chǔ)熱材料問題的解決以及不同相變儲(chǔ)熱材料特性的研究，成果豐碩。

1.1 相變儲(chǔ)熱材料的分類和選取

儲(chǔ)熱材料按儲(chǔ)熱方式的不同可分為3 大類：顯熱儲(chǔ)熱材料、潛熱儲(chǔ)熱材料（相變儲(chǔ)熱材料）和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料。顯熱儲(chǔ)熱材料利用材料自身溫度的變化來回收以及釋放熱量，儲(chǔ)熱密度比較小，雖然材料廉價(jià)易得，但在生活和工業(yè)中并不常用?；瘜W(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料是利用材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來回收以及釋放熱量，反應(yīng)劇烈不易控制，使用條件要求較高。相變儲(chǔ)熱材料通過固、液、氣三態(tài)相變來回收以及釋放熱量，儲(chǔ)熱密度大，溫度區(qū)間廣，安全可靠，應(yīng)用范圍廣。基于上述優(yōu)點(diǎn)，相變儲(chǔ)熱材料成為儲(chǔ)熱領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，并在生活和工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。相變儲(chǔ)熱材料按照不同的劃分方式可以分為不同類型的相變材料。具體劃分如圖1 所示[3]。

圖1 相變儲(chǔ)熱材料的分類

相變儲(chǔ)熱材料種類繁多，性能各異，在選擇時(shí)需遵循如下標(biāo)準(zhǔn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、廉價(jià)易得、循環(huán)使用期間材料不嚴(yán)重劣化、熔化（或凝固）的溫度在適合的范圍內(nèi)、不腐蝕封裝材料、無毒、不易燃、非爆炸，以確保其使用的安全性[4]。此外，相變儲(chǔ)熱材料在相變過程中應(yīng)避免發(fā)生較大的體積變化，防止加重封裝材料的疲勞，降低使用壽命；結(jié)晶速度應(yīng)盡可能高，以產(chǎn)生足夠的熱回收率；潛熱值和密度應(yīng)盡可能高，以減少質(zhì)量和減小體積；導(dǎo)熱性良好，以便熱傳遞更加高效。

在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)余熱溫度的范圍和實(shí)際應(yīng)用情況，儲(chǔ)熱裝置中的材料應(yīng)選擇固-液相變的中溫相變儲(chǔ)熱材料。滿足這些條件的相變儲(chǔ)熱材料可分為無機(jī)、有機(jī)、復(fù)合等3 大類。其中，無機(jī)相變儲(chǔ)熱材料主要是一些結(jié)晶水合鹽，這類材料儲(chǔ)熱密度大，導(dǎo)熱性良好，價(jià)格廉宜，應(yīng)用比較廣泛。缺陷是在脫水和結(jié)晶過程中存在過冷和相分離現(xiàn)象，降低了儲(chǔ)熱的效果，并且大多數(shù)水合鹽具有腐蝕性。其他還有一些熔融鹽，但是因?yàn)閮r(jià)格、導(dǎo)熱性、毒性等原因應(yīng)用并不廣泛。有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料主要是石蠟和一些脂肪酸類，這類材料化學(xué)性能穩(wěn)定，無毒性和腐蝕性，不存在無機(jī)材料的過冷和相分離現(xiàn)象。特別是脂肪酸類材料還具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，能長(zhǎng)期應(yīng)用于熱循環(huán)[5]。盡管這類有機(jī)材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但因?qū)嵝圆?、密度小等原因限制了它們的?yīng)用范圍。復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料包括無機(jī)物與無機(jī)物復(fù)合、無機(jī)物與有機(jī)物復(fù)合、有機(jī)物與有機(jī)物復(fù)合等3個(gè)類別，這類復(fù)合材料能克服單一無機(jī)物或單一有機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料的缺陷，具有良好的儲(chǔ)熱密度、導(dǎo)熱性、循環(huán)穩(wěn)定性。復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料雖然匯聚了無機(jī)和有機(jī)材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，但制備程序復(fù)雜，對(duì)技術(shù)手段要求高，而且熱物性參數(shù)測(cè)量不夠完整，各成分配比規(guī)律不夠清楚[6]。鑒于復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的這些特點(diǎn)，需要加大研究力度，以促進(jìn)其在儲(chǔ)熱方面的廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者在研究?jī)?chǔ)熱裝置的性能時(shí)，為了便于分析，通常選用一些熱物性參數(shù)相對(duì)詳細(xì)、相變溫度合適的無機(jī)和有機(jī)材料。這些相變儲(chǔ)熱材料的熱物性參數(shù)如表1 所示[7-10]。

1.2 相變儲(chǔ)熱裝置的結(jié)構(gòu)

由于相變儲(chǔ)熱材料在換熱過程中處于兩相摻雜狀態(tài)，熱阻較大，導(dǎo)熱性低，提高相變儲(chǔ)熱裝置的換熱性能，對(duì)換熱過程的效率起著至關(guān)重要的作用。在確定了材料和體積的儲(chǔ)熱裝置內(nèi)，增大接觸面積是提高儲(chǔ)熱裝置換熱性能最常用的有效途徑。但儲(chǔ)熱裝置單位體積內(nèi)接觸面積過大，往往易堵塞，清洗不便，并且對(duì)工藝手段要求較高，價(jià)格昂貴。因此，在設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱裝置的結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮以下各方面的因素：

表1 相變儲(chǔ)熱材料的熱物性參數(shù)

1）安全可靠；

2）換熱面積大，傳熱性能好；

3）制造、維修、更換方便；

4）價(jià)格合理。

表2 為幾種常見的儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

其它的儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)有翅片式、蛇形式、U 形管式等，大都是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改良加工，通過增加換熱面積來提高傳熱效率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均有效提高了換熱效果。

表2 常見儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

2 相變儲(chǔ)熱技術(shù)在冷起動(dòng)中的應(yīng)用

1991 年，德國的Oskar Schatz[11]最早提出利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)把內(nèi)燃機(jī)的余熱應(yīng)用于解決冷起動(dòng)問題。后來，俄羅斯、芬蘭等一些高緯度寒冷國家的專家和學(xué)者相繼對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)上的應(yīng)用進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。國內(nèi)對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，目前主要應(yīng)用于太陽能儲(chǔ)能、電力調(diào)峰、工業(yè)熱能回收利用、空調(diào)采暖制冷以及新能源等領(lǐng)域。研究相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用在解決內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)問題方面的國內(nèi)專家和學(xué)者并不多見，成果相對(duì)缺乏。

2.1 換熱過程及影響因素

國內(nèi)外專家和學(xué)者通過對(duì)儲(chǔ)熱裝置換熱過程的深入研究，探究了影響儲(chǔ)熱和放熱效率的因素。得出如下結(jié)論：

1）在換熱過程中，流體和儲(chǔ)熱裝置之間的溫差與換熱效率成正比關(guān)系；

2）流體的流速在一定范圍內(nèi)與換熱效率成正比關(guān)系，超過一定限額，作用并不大，反而會(huì)增加水泵的負(fù)擔(dān)；

3）相變儲(chǔ)熱材料的熱物性能和儲(chǔ)熱裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效果起著至關(guān)重要的作用。

沈衛(wèi)東等人[12]通過在球囊狀車用儲(chǔ)熱裝置中封裝一根熱電偶，研究了相變過程中材料的流動(dòng)、儲(chǔ)熱和放熱特性，為修正及優(yōu)化儲(chǔ)熱裝置提供了可靠數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，流體在和相變材料換熱過程中，流體流量越大，達(dá)到相變溫度的速度越快，相變總時(shí)間越短，并且流體流量大小對(duì)儲(chǔ)熱過程的影響幅度大于對(duì)放熱過程的影響。但是結(jié)論沒有表明流體的流量與換熱速率是否存在最優(yōu)匹配以及最優(yōu)匹配值為多少。

高青等人[13]在一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的板式儲(chǔ)熱裝置上利用CFD 模擬的方法，將儲(chǔ)熱裝置與相變儲(chǔ)熱材料耦合，進(jìn)行儲(chǔ)熱過程三維模擬計(jì)算分析，得出了固態(tài)顯熱升溫、相變儲(chǔ)熱、液態(tài)顯熱升溫和儲(chǔ)熱結(jié)束穩(wěn)定等4 個(gè)明顯的儲(chǔ)熱階段。此外，加熱流體的流速增大到一定值時(shí)，會(huì)與換熱速率趨于平衡，繼續(xù)增加流速對(duì)儲(chǔ)熱效率基本沒有影響，反而會(huì)加大水泵負(fù)擔(dān)，影響內(nèi)燃機(jī)的正常冷卻降溫。

高淳等人[14]通過比較分析兩種相變儲(chǔ)熱材料石蠟和八水氫氧化鋇在換熱過程中的儲(chǔ)熱和放熱效果，得出結(jié)論：相變儲(chǔ)熱材料性能對(duì)儲(chǔ)熱裝置的換熱效率和速率起著至關(guān)重要的作用。通過對(duì)放熱特性的研究，得出放熱強(qiáng)度在前3 min 內(nèi)處于較高水平，之后便逐漸降低。并且換熱物質(zhì)之間溫差越大，放熱強(qiáng)度越大。

Francis Agyenim 等人[15]等總結(jié)了各種相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行了一系列數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，評(píng)估了不同參數(shù)對(duì)儲(chǔ)熱性能的影響。最后通過數(shù)值模擬得出了適合換熱的幾何結(jié)構(gòu)為圓柱狀的管殼體。

Dheeraj Kishor Johar 等人[16]等設(shè)計(jì)了一種用來回收儲(chǔ)存內(nèi)燃機(jī)尾氣熱量的圓柱形儲(chǔ)熱裝置。該裝置的外殼用玻璃棉層和石膏層絕熱，內(nèi)含38 個(gè)封裝相變儲(chǔ)熱材料赤藻糖醇的小圓柱體，小圓柱體四周皆有4 個(gè)翅片，用來增強(qiáng)導(dǎo)熱性能。通過對(duì)幾組不同功率條件下熱回收效率的對(duì)比，得出該裝置熱回收效率在內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷為4.4kW 時(shí)可達(dá)到69.53%。在放熱階段，通過鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)的方式，得出放熱效率僅為38%，這可能與熱回收的方式有很大關(guān)系。此外，在儲(chǔ)熱的同時(shí)，該裝置對(duì)內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率和有效燃油消耗率幾乎沒有影響。

2.2 預(yù)熱效果

通過大量的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在一定程度上，相變儲(chǔ)熱裝置能快速加熱冷卻液，有效改善內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能。具體的預(yù)熱效果因相變儲(chǔ)熱材料、儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)型號(hào)、環(huán)境溫度等因素的不同各不相同。

Oskar Schatz 所提出的相變儲(chǔ)熱技術(shù)，用水合鹽Ba（OH）2·8H2O 回收儲(chǔ)存冷卻液的熱量，通過絕熱保溫手段，在一天之后，熱量以50～100kW 的初始功率預(yù)熱內(nèi)燃機(jī)，并用于冬季玻璃除冰霜，有效提高了車輛的舒適性和安全性。由于加熱功率較高，內(nèi)燃機(jī)可以在30 s 內(nèi)有效預(yù)熱，使車輛在冷起動(dòng)時(shí)CO 排放減少了50%，HC 排放減少了30%[11]。

王永川等人[17]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置37 根同心套管的圓柱狀儲(chǔ)熱裝置，封裝硝酸鋰相變儲(chǔ)熱材料，回收儲(chǔ)存汽油機(jī)的高溫排氣余熱，改善內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能。該儲(chǔ)熱裝置在-11℃的環(huán)境下保溫8 h 后，采用流量為5 L/min 的循環(huán)水介質(zhì)加熱8 min，內(nèi)燃機(jī)溫度可以上升到60℃左右。在內(nèi)燃機(jī)預(yù)熱后啟動(dòng)的20 s 之內(nèi)，平均燃油消耗率比不預(yù)熱狀態(tài)降低了約8.6%。

L.L.Vasiliev 等人[18]在添加鉻鎳的不銹鋼圓柱狀儲(chǔ)熱裝置中，采用多個(gè)聚乙烯管膠囊封裝一水合氫氧化鈉相變儲(chǔ)熱材料，儲(chǔ)存冷卻液熱量。該裝置質(zhì)量為65 kg，儲(chǔ)存熱量14 MJ，在－10℃的環(huán)境溫度下，可以使質(zhì)量為650 kg 的內(nèi)燃機(jī)溫度升高約30℃。通過在寒冷環(huán)境下安裝在客車上進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，證明了該裝置可以有效加熱內(nèi)燃機(jī)水套中的冷卻液，提高了內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能。但缺少熱量流失和保溫方面的考慮。

M.Gumus 等人[19]在外套為銅的儲(chǔ)熱裝置中，用幾十個(gè)銅制膠囊封裝廉價(jià)的十水硫酸鈉相變儲(chǔ)熱材料，回收儲(chǔ)存冷卻液熱量。該裝置質(zhì)量為32.5 kg，儲(chǔ)存熱量2 000 kJ。在保溫12 h 后，加熱內(nèi)燃機(jī)過程中，最大熱效率為57.5%，儲(chǔ)熱和放熱時(shí)間分別約為500 s 和600 s。在環(huán)境溫度為2℃的條件下，可使內(nèi)燃機(jī)溫度上升17.4℃。在冷起動(dòng)的200 s 之內(nèi)，CO 排放減少了64%，HC 排放減少了15%。

Pertti Kauranen 等人[20]采取廢氣余熱回收系統(tǒng)和潛熱儲(chǔ)熱裝置相結(jié)合的方式，利用十二水合磷酸三鈉相變儲(chǔ)熱材料回收儲(chǔ)存熱量，用不銹鋼真空杯保溫。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在室外溫度為-10℃的環(huán)境下，冷卻液溫度上升到20℃。車輛附加的加熱器需要200 s，而使用剛充滿的儲(chǔ)熱裝置只需要20 s。相比于附加的加熱器，儲(chǔ)熱裝置在冷起動(dòng)的20min 內(nèi)，CO 和HC排放均減少了84%，NOx排放減少了53%。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種相變儲(chǔ)熱技術(shù)，概述了該技術(shù)在改善內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)性能方面的研究現(xiàn)狀。研究表明，這種相變儲(chǔ)熱技術(shù)通過回收內(nèi)燃機(jī)的余熱，能有效改善冷起動(dòng)性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了優(yōu)化該儲(chǔ)熱裝置的預(yù)熱效果，加快在寒冷地區(qū)的應(yīng)用和普及，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1）相變儲(chǔ)熱材料循環(huán)壽命問題。相變儲(chǔ)熱材料在長(zhǎng)期循環(huán)使用過程中，儲(chǔ)熱性能會(huì)呈下降趨勢(shì)。針對(duì)這一現(xiàn)象，要抓緊研究?jī)?chǔ)熱能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的新型相變儲(chǔ)熱材料。

2）封裝材料與相變儲(chǔ)熱材料相容性問題。抓緊研究導(dǎo)熱性良好、密封性強(qiáng)的封裝材料。

3）儲(chǔ)熱裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)時(shí)，要權(quán)衡利弊，全面考慮不同的結(jié)構(gòu)類型對(duì)儲(chǔ)熱裝置換熱效率的影響，設(shè)計(jì)出與相變儲(chǔ)熱材料最優(yōu)匹配的儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)。

4）儲(chǔ)熱期間的保溫問題。儲(chǔ)熱裝置在長(zhǎng)時(shí)間保存熱量過程中，熱量會(huì)大量損失在周邊低溫環(huán)境中。要采用新型保溫材料或真空絕熱技術(shù)，加強(qiáng)保溫效果，減少能量損失。

5）在相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)的相關(guān)文獻(xiàn)中，所研究的環(huán)境溫度最低僅為-20℃，這與國家軍用標(biāo)準(zhǔn)所要求的-41℃仍有一定的差距，儲(chǔ)熱裝置在-41℃下的預(yù)熱效果有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。