脈動熱管相變蓄熱器蓄熱實(shí)驗(yàn)分析

盧小輝， 羅孝學(xué)， 曹士博， 鄒長貞， 藍(lán)廣林， 盧萍麗

(1.北部灣大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 廣西 欽州 535011； 2.鄭州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 河南 鄭州 451162)

0 引言

能源對于人類社會來說是極為重要的[1]。如今，人類開發(fā)利用較多的能源依然為不可再生能源，如石油、天然氣和煤炭等。這便不可避免地引發(fā)了能源危機(jī)與環(huán)境污染等問題，因此，開發(fā)可再生能源是一種必要的舉措[2-6]。儲能技術(shù)[7-11]可以很好地解決能源供給和需求在時間與空間上的矛盾問題，從而提高能源的利用效率。

隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢熱和余熱存在大量的浪費(fèi)，而相變蓄熱技術(shù)則在這方面提供了一種更為高效、環(huán)保和節(jié)能的解決途徑[12-14]。然而，常見的相變蓄熱裝置在傳熱性能上普遍不太理想，尚待進(jìn)一步改進(jìn)。對蓄熱設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化傳熱已成為國內(nèi)外的研究重點(diǎn)。脈動熱管(pulsating heat pipe，簡稱PHP)最初是日本的Akachi等[15]提出的一種新型高效的傳熱元件，跟普通熱管傳熱相比，PHP具有經(jīng)濟(jì)適用、可隨意彎曲、構(gòu)造簡單和靈活的特點(diǎn),從而可以節(jié)省余熱回收時所需要的時間，降低能量損耗，提升效率[12-14]。Goshayeshi等[16]研究了6種納米粒子對閉環(huán)脈動熱管的影響，通過對6種納米粒子的考察得知，在相似條件下，傳熱性能的氧化鐵納米粒子的最佳尺寸為20 nm。Wang等[17]研究了充填去離子水和表面活性劑溶液的脈動熱管的傳熱性能，研究結(jié)果表明，含有質(zhì)量0.001%的硬脂酸鈉溶液的磷酸氫鈣表現(xiàn)出比含有去離子水的磷酸氫鈣更好的性能。

提高相變技術(shù)中的儲熱能力，一般要解決材料選擇和裝置優(yōu)化兩個問題。

1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

搭建的PHP蓄熱過程實(shí)驗(yàn)平臺主要由PHP相變蓄熱器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、高溫恒溫油浴鍋、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)及閥門組成。PHP相變蓄熱器下方與高溫油浴鍋連接，鍋內(nèi)的加熱介質(zhì)為耐高溫硅油，如圖1所示。

圖1 PHP相變蓄熱器放熱實(shí)驗(yàn)臺

1.1 主要儀器

PHP相變蓄熱器實(shí)驗(yàn)平臺的主要儀器型號及測量精度如表1所示。

表1 主要儀器的型號及測量精度

對相變材料Ba(OH)2·8H2O的相變溫度及相變潛熱值的測試，選用德國耐馳公司的DSC200F3型差示掃描量熱儀，其外觀如圖2所示。該產(chǎn)品應(yīng)用了差示掃描量熱法(differential scanning calorimeter,DSC)，具有極高的靈敏度、較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且具有較寬泛的測量溫度范圍。

圖2 DSC差示掃描量熱儀

1.2 相變材料的選擇

相變材料(phase change materials，PCM)是通過吸收相變潛熱進(jìn)行蓄熱的材料。由于PCM具有蓄熱密度大、價格低、近似恒溫等優(yōu)點(diǎn)，使其成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者開始重視中低溫相變蓄熱材料的研究。目前，常用的中低溫相變材料見表2。

表2 常用的中低溫相變材料

由表2可看出，與其他中低溫材料相比，Ba(OH)2·8H2O的相變溫度低、潛熱值高，且導(dǎo)熱系數(shù)比其它相變材料更高，因此本實(shí)驗(yàn)選用Ba(OH)2·8H2O作為PCM進(jìn)行蓄熱實(shí)驗(yàn)分析的材料。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，對Ba(OH)2·8H2O做DSC測試，獲得Ba(OH)2·8H2O的相變溫度及相變潛熱值的數(shù)據(jù)。其次，為了測量設(shè)備中材料的溫度變化，在箱體適當(dāng)位置設(shè)置了6個測溫點(diǎn)(如圖3所示)，共上下3排、左右2列。其中，最下端位于PCM中心位置的是測試點(diǎn)1和測點(diǎn)2，這兩個測點(diǎn)能夠被PCM完全浸沒，因此最能反映裝置中材料的溫度變化情況；測點(diǎn)3和測點(diǎn)4為剛剛沒過材料的位置，位于材料溫度變化的臨界位置；測點(diǎn)5和測點(diǎn)6測的是蓄熱器中無材料處(即空氣)的溫度變化趨勢。同時，課題組還在冷卻水的進(jìn)出口位置及低溫恒溫槽內(nèi)部安裝了熱電偶。熱電偶測溫線將T型熱電偶不同顏色的兩極焊接在一起，之后插入箱體的測點(diǎn)1位置，并用導(dǎo)熱膠固定，用于研究分析PHP相變蓄熱裝置的蓄熱性能。在蓄熱過程中，通過改變加熱溫度來測試PHP相變蓄熱裝置的蓄熱性能。

圖3 蓄熱箱內(nèi)布置的測溫點(diǎn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ba(OH)2·8H2O的DSC結(jié)果及分析

純Ba(OH)2·8H2O的DSC測試結(jié)果見圖4。

圖4 純Ba(OH)2·8H2O的DSC測試圖

由圖4可知，純Ba(OH)2·8H2O材料的相變溫度是78.366 ℃，相變潛熱值為285 J/g，與表2中Ba(OH)2·8H2O的參數(shù)基本一致，其相變溫度的差異可能是受室溫及材料來源造成的。

2.2 不同溫度時相變材料溫度隨時間變化的分析

圖5～圖7表示的是相變材料Ba(OH)2·8H2O實(shí)驗(yàn)時Ba(OH)2·8H2O的質(zhì)量均為3.5 kg，流體流量均為0.36 m3/h。在加熱溫度分別為100 、120 、130 ℃時各測點(diǎn)的溫度變化情況。

圖5 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為100 ℃蓄熱時各測點(diǎn)溫度隨時間的變化情況

圖6 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為120 ℃蓄熱時各測點(diǎn)溫度隨時間的變化情況

圖7 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為130 ℃蓄熱時各測點(diǎn)溫度隨時間的變化情況

從圖5可以明顯看出，各測點(diǎn)溫度變化趨勢大致相同，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的曲線幾乎相同。由于測點(diǎn)1和測點(diǎn)2完全被PCM所覆蓋，其相變平臺有較為明顯的隨溫度升高而變化的趨勢。相變材料首先進(jìn)行固態(tài)顯熱變化，然后進(jìn)行固態(tài)向液態(tài)進(jìn)行潛熱變化，最后逐步轉(zhuǎn)化為液態(tài)再次進(jìn)行顯熱變化；測點(diǎn)3與測點(diǎn)4的溫度曲線低于測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的原因是：PCM剛剛沒過測點(diǎn)3和測點(diǎn)4，所以升溫速度與測點(diǎn)1和測點(diǎn)2相比較慢；測點(diǎn)5和測點(diǎn)6測的是蓄熱器中空氣溫度的變化，由于未接觸到PCM，因此，溫升速度相對更加緩慢。

對比圖5、圖6和圖7中的Ba(OH)2·8H2O溫度變化曲線可知，隨著溫度的升高，蓄熱時長會逐步減少，而且在整個蓄熱過程中，材料的溫度的變化情況也有所差異，在蓄熱水平方向的測點(diǎn)溫度差也會進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，溫度的改變對裝置蓄熱過程的影響是極為明顯的。原因是熱源的溫度不斷升高，與所用PCM的相變點(diǎn)溫差越來越大，蓄熱熔化階段中液態(tài)的Ba(OH)2·8H2O密度差也會擴(kuò)大，加重了自然對流情況的發(fā)生，從而提高了蓄熱過程中的有效換熱系數(shù)，在有效換熱面積不變的情況下，熱流密度會進(jìn)一步增大，因此可以更快地儲存熱量，縮短蓄熱所需要的時間，以達(dá)到減少熱量損耗的目的。

圖8是在100、120、130 ℃加熱時，相變材料Ba(OH)2·8H2O在測點(diǎn)1處的溫度對比曲線。

圖8 不同加熱溫度蓄熱時測點(diǎn)1的相變材料溫度變化對比情況

由于測點(diǎn)1和測點(diǎn)2都被PCM完全覆蓋，最能反映PCM在蓄熱器中的溫度變化情況，因此，筆者選用測點(diǎn)1來進(jìn)行對比分析。從圖8可以看出：在開始的顯熱階段，當(dāng)溫度為130 ℃時，在測點(diǎn)1處的加熱溫度曲線的斜率是最大的，溫度上升的速度也極快。這是因?yàn)楫?dāng)加熱溫度改變時，單位時間內(nèi)通過熱端傳遞的熱通量q(即單位時間內(nèi)在單位截面積上流過的熱量)也會隨之改變，加熱的溫度越高，q也就越大，若經(jīng)過熱管所傳遞的熱量能夠完全被PCM吸收，那么有公式：

Q=C·m·ΔT

式中，Q為物體吸收和放出的熱量，J；C為比熱容，J/(kg·℃)；m為質(zhì)量，kg；ΔT為升高或降低的溫度，℃。利用上式可以算出，當(dāng)m一定時，Q與ΔT成正比，Q越大則溫度差ΔT越大。由圖8可知，隨著加熱溫度逐步升高，相變所需要的時間也在慢慢縮短，這是由于當(dāng)蓄熱材料的質(zhì)量一定時，在加熱溫度改變的前提下，蓄熱材料完全相變所吸收的熱量Q總相等，但當(dāng)熱通量q不同時，加熱溫度越高則熱通量q越大。由Q總=q·B·t得知，當(dāng)總的傳熱量Q總和換熱器管面積B一定時，熱通量與時間是成反比的。因此，適當(dāng)調(diào)高加熱溫度可以明顯縮短蓄熱時間，進(jìn)而可減小在蓄熱過程中熱量的損耗。

3 結(jié)論

對PHP進(jìn)行不同加熱溫度條件下的蓄熱實(shí)驗(yàn)分析，首先，對相變材料Ba(OH)2·8H2O進(jìn)行DSC測試，測得相變溫度為78.366 ℃，相變潛熱值為285 J/g；其次，設(shè)定Ba(OH)2·8H2O質(zhì)量為3.5 kg、流量為0.36 m3/h，對不同加熱溫度下各個測點(diǎn)的溫度情況進(jìn)行比較，結(jié)果表明，加熱溫度為130 ℃時，相變材料的升溫最快，相變時間也最短，最有利于其相變的進(jìn)行，但是，溫度過高可能產(chǎn)生不安全風(fēng)險。因此，在保證安全的前提下，可適當(dāng)?shù)靥岣呒訜釡囟?，從而縮短蓄熱所需要的時間，減少熱量損耗。根據(jù)研究結(jié)果，建議加熱溫度為120 ℃。