填充相變材料的新型套管式蓄放熱裝置性能研究

閆全英，馬超，王威

（1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)研究院過(guò)程工程研究所，北京 100190）

0 引言

近年來(lái)，能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的重要性日益突顯，然而工業(yè)領(lǐng)域豐富的中低溫余熱因其不穩(wěn)定性等限制性因素浪費(fèi)嚴(yán)重，余熱回收技術(shù)急待發(fā)展。目前，相變材料研究進(jìn)展迅速[1-2]，相變儲(chǔ)能裝置可提高工業(yè)低溫余熱回收利用率，進(jìn)一步改善我國(guó)能源發(fā)展結(jié)構(gòu)，具有廣闊的發(fā)展前景。

部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：Sun等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了高密度聚乙烯矩形板中相變材料（PCM）在熔化過(guò)程中的傳熱機(jī)理。Abdulrahman等[4]利用ANSYS軟件對(duì)PCM熔化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其對(duì)換熱器性能的影響。Saeed等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了以PCM為儲(chǔ)能介質(zhì)的板式換熱器的熱特性。Wang等[6]通過(guò)CFD模擬了一種新型復(fù)合相變材料的換熱器，研究了入口速度和入口溫度的影響。戴世佳[7]綜述了相變換熱器的技術(shù)原理和研究進(jìn)展，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行了研究。Guan等[8]實(shí)驗(yàn)證明相變蓄能換熱器具有更好的傳熱性能。趙耀華等[9]采用可強(qiáng)化系統(tǒng)換熱性能的混合液體2-Methylpentane與甲醇，研究了微槽群相變散熱器的散熱性能。陳曦等[10]結(jié)合相變工質(zhì)構(gòu)建模型研究了順流、逆流和叉流換熱器換熱量等，優(yōu)化了相變換熱系統(tǒng)的性能。李聰輝[11]搭建了開式的集束相變換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要對(duì)煙氣余熱回收中集束相變換熱器蒸發(fā)段的傳熱性能進(jìn)行了研究。梁棟等[12]介紹了低溫余熱回收領(lǐng)域中相變儲(chǔ)能的作用及應(yīng)用概況。Vahit Saydam等[13]設(shè)計(jì)搭建了螺旋盤管式相變換熱器，并研究了不同工況下?lián)Q熱器的蓄熱性能。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)針對(duì)工業(yè)低溫不連續(xù)余熱回收應(yīng)用裝置的研究還較少。

本文以自行設(shè)計(jì)的套管式相變蓄熱放熱裝置，組成余熱回收并用于散熱器供暖的循環(huán)系統(tǒng)，主要研究入口溫度等因素對(duì)相變裝置換熱性能的影響，為相變換熱技術(shù)及相變換熱裝置在工業(yè)低溫余熱等不連續(xù)能源的回收應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

相變材料：20%62#石蠟+80%硬脂酸的混合物，按m（相變材料）∶m（石墨）=85∶15的比例添加石墨，制成復(fù)合相變材料，相變溫度為62.73℃，相變潛熱為205.53 J/g[14]。

實(shí)驗(yàn)裝置：考慮蓄放熱載體中相變材料與熱水的相對(duì)獨(dú)立性，同時(shí)需滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及成本，選擇套管式相變蓄熱放熱裝置（見(jiàn)圖1），介質(zhì)A、B分別為相變材料和水；外管168 mm×3 mm、內(nèi)管89 mm×2 mm（直徑×壁厚），材質(zhì)均為304不銹鋼；進(jìn)出口法蘭DN80；相變換熱裝置兩端分別以管道連接恒溫水箱及鋼制柱式散熱器，系統(tǒng)以循環(huán)水泵提供循環(huán)動(dòng)力；管道及設(shè)備均采用橡塑保溫棉嚴(yán)格保溫。

圖1 套管式相變蓄熱放熱裝置結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為2019年11月15日~2020年1月20目，在北京建筑大學(xué)2號(hào)實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行。在套管式相變蓄熱放熱裝置進(jìn)出口、柱式散熱器進(jìn)出口均采用熱電偶溫度計(jì)測(cè)試溫度，電磁流量計(jì)測(cè)試相變蓄熱放熱裝置側(cè)及散熱器側(cè)流量。利用式（1）計(jì)算換熱量Q：

G——熱媒介質(zhì)流量，kg/h；

Δt——相變換熱裝置進(jìn)出口溫差，K。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定

通過(guò)改變相變蓄熱放熱裝置入口溫度、入口流量和蓄熱時(shí)間，研究不同因素對(duì)套管式相變蓄熱放熱裝置及其系統(tǒng)的換熱影響。4種實(shí)驗(yàn)工況分別為：（1）保持相變蓄熱放熱裝置中熱水循環(huán)流量為100 kg/h不變，熱水入口溫度（以下簡(jiǎn)稱入口溫度）分別設(shè)定為70、75、80℃；（2）保持入口溫度80℃不變，相變換熱裝置熱水循環(huán)流量分別設(shè)定為65、80、100 kg/h；（3）相變換熱器入口溫度為70℃，流量為100 kg/h，改變蓄熱時(shí)間分別為220、320 min；（4）相變換熱器入口溫度為80℃、流量為100 kg/h，改變蓄熱時(shí)間分別為110、190 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蓄熱過(guò)程的性能分析

實(shí)驗(yàn)工況（1）條件下，不同入口溫度時(shí)相變換熱裝置出口水溫與換熱量隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 不同入口溫度時(shí)換熱器出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化

由圖2可見(jiàn)，換熱器入口溫度分別為70、75、80℃時(shí)，相變蓄熱放熱裝置蓄熱過(guò)程所需時(shí)間分別約為320、250、190 min，相變換熱器平均換熱量分別為601、772、830 W。隨著相變換熱器進(jìn)口水溫升高，相變材料發(fā)生相變的速度加快，相變蓄熱放熱裝置完成蓄熱過(guò)程所需時(shí)間縮短，且相變換熱器的平均換熱量增加。

相變換熱裝置出口水溫隨時(shí)間延長(zhǎng)呈升高趨勢(shì)，且前中期曲線斜率高、升幅較大，后期升幅逐漸減緩；相變換熱器的換熱量曲線隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，下降幅度變化規(guī)律與水溫升幅類似。原因是在實(shí)驗(yàn)測(cè)試前中期階段，相變換熱器填充的復(fù)合相變材料不斷吸收熱水的熱量，復(fù)合相變材料體積大，潛熱變化較大，換熱量較高，引起換熱器出口水溫降低幅度較大。隨水的熱量不斷傳遞，相變材料可熔化體積減少，換熱器出口溫度逐漸升高，換熱器換熱量減少；直至相變材料完全熔化后傳熱效果明顯降低，較小的傳熱系數(shù)導(dǎo)致?lián)Q熱量較少，最終換熱器的出口溫度趨于其進(jìn)口溫度，換熱量趨于0。

實(shí)驗(yàn)工況（2）條件下，不同入口流量時(shí)相變蓄熱放熱裝置出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

（1）東南部平原養(yǎng)殖區(qū)。河溶、兩河、半月、草埠湖等鎮(zhèn)地處江漢平原過(guò)渡地帶，主要養(yǎng)殖區(qū)域形成漳河?xùn)|、沮河西兩大全市主要漁業(yè)基地板塊，主要養(yǎng)殖青、草、鰱、鳙、鯉、鯽、黃顙魚、團(tuán)頭魴、小龍蝦、黃鱔、泥鰍、鱖、鱸、鲌、鱉等品種。該區(qū)池塘養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⑸鷳B(tài)化等健康養(yǎng)殖模式初步形成。

圖3 不同入口流量時(shí)換熱器出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化

由圖3可見(jiàn)，換熱器入口溫度恒定，入口流量為100 kg/h相比80 kg/h時(shí)換熱器出口溫度升高約0.7℃，平均換熱量增加235 W；相比流量為65 kg/h時(shí)出口溫度升高約1℃、平均換熱量增加355 W。恒定換熱器入口溫度為80℃，系統(tǒng)入口流量分別為65、80、100 kg/h，蓄熱時(shí)間分別約為220、200、190 min。隨著換熱器入口流量的增加，系統(tǒng)蓄熱過(guò)程中填充相變材料完全熔化所需時(shí)間越來(lái)越短。因系統(tǒng)的入口流量增加，系統(tǒng)內(nèi)流速變大，換熱過(guò)程隨即增強(qiáng)，換熱器的填充相變材料總相變時(shí)間減少，即入口流量增加，蓄熱時(shí)材料熔化時(shí)間縮短。

不同入口流量時(shí)，相變換熱器的出口水溫及換熱量曲線隨時(shí)間的變化與圖2相似。由圖3可見(jiàn)，不同流量工況下的換熱器出口水溫及換熱量在蓄熱過(guò)程的前120 min差距較明顯，因初始階段相變換熱器進(jìn)出口溫差較大，相變潛熱主導(dǎo)蓄熱；120 min之后，出口水溫和換熱量的趨勢(shì)逐漸靠近并平緩，終期相變材料完全熔化后顯熱主導(dǎo)蓄熱。隨著換熱器進(jìn)口流量增多，裝置內(nèi)熱媒流速變快，相變材料熔化的速度加快，蓄熱過(guò)程所需時(shí)間縮短，且相變換熱器的平均換熱量也增多，出口水溫趨近80℃。

實(shí)驗(yàn)工況（3）、（4）條件下，流量為100 kg/h，入口溫度分別為70℃、80℃時(shí)，不同蓄熱時(shí)間換熱器出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化分別如圖4、圖5所示。

圖4 不同蓄熱時(shí)間時(shí)換熱器出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化（入口溫度70℃）

圖5 不同蓄熱時(shí)間時(shí)換熱器出口水溫及換熱量隨時(shí)間的變化（入口溫度80℃）

由圖4、圖5可知，同一工況下的蓄熱時(shí)間不同，在蓄熱過(guò)程初期對(duì)出口溫度和換熱量影響不大，曲線擬合性良好。但是當(dāng)蓄熱時(shí)間較短時(shí)，換熱器出口水溫和換熱量曲線均不能達(dá)到相變蓄熱后期較平緩的曲線段。說(shuō)明蓄熱不充分，即蓄熱時(shí)間不足時(shí)，熱媒供給的熱量無(wú)法滿足相變材料完全相變所需，不能完成相變結(jié)束階段的顯熱吸收。對(duì)于相變蓄熱換熱裝置，隨著蓄熱時(shí)間增加且足夠時(shí)，相變材料可完全熔化，完成潛熱蓄熱及顯熱蓄熱，換熱器出口水溫曲線能達(dá)到平緩階段，換熱量進(jìn)一步增加。

2.2 放熱過(guò)程的性能分析

相變換熱裝置在熱水循環(huán)階段進(jìn)行蓄熱，之后停止熱水循環(huán)，改由散熱器回水進(jìn)入相變換熱裝置進(jìn)行放熱循環(huán)。圖6為相變換熱裝置在蓄熱階段熱水入口溫度分別為70、75、80℃時(shí)，在放熱階段散熱器循環(huán)水進(jìn)口及出口溫度隨放熱時(shí)間的變化曲線。

由圖6可見(jiàn)，在放熱過(guò)程各工況下，相變蓄熱放熱裝置的蓄存熱量不斷通過(guò)散熱器釋放至室內(nèi)環(huán)境，散熱器出口的低溫回水不斷循環(huán)，與換熱器之間換熱，因此散熱器的進(jìn)、出口溫度均隨放熱時(shí)間延長(zhǎng)不斷降低。放熱初始階段，散熱器進(jìn)、出口溫差稍大，放熱量較大。此時(shí)，裝置中的相變材料由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化，即凝固過(guò)程。放熱過(guò)程后期，散熱器溫差減小，然而在總體放熱過(guò)程中散熱器的溫差變化并不大，換熱量無(wú)明顯變化幅度。如入口溫度為70℃時(shí)，散熱器的溫差為6.3~9.4℃；入口溫度為75℃時(shí)，散熱器的溫差為6.2~8.1℃；入口溫度為80℃時(shí)，散熱器的溫差為5.7~7.3℃。由分析可知，隨著入口溫度的升高，相變材料凝固的速率減緩，散熱器完全放熱所需的時(shí)間越長(zhǎng)，且散熱器的進(jìn)、出口總體溫差也越小。

圖6 不同入口溫度條件下放熱階段散熱器進(jìn)、出口水溫隨時(shí)間的變化

圖7為蓄熱過(guò)程裝置入口溫度為80℃、熱水循環(huán)流量分別為65、80 kg/h時(shí)，散熱器進(jìn)出口水溫隨放熱時(shí)間的變化曲線。

圖7 不同流量下散熱器進(jìn)、出口水溫隨時(shí)間的變化

由圖7可見(jiàn)，在流量為65 kg/h時(shí)，散熱器放熱時(shí)間約為320 min；在流量為80 kg/h時(shí)，放熱時(shí)間約為345 min。隨著蓄熱過(guò)程中裝置熱水流量的增大，散熱器的放熱過(guò)程的時(shí)間越長(zhǎng)，即相變材料完全凝固的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖8為蓄熱過(guò)程熱水循環(huán)流量為100 kg/h時(shí)，在入口溫度70℃、蓄熱時(shí)間220 min和入口溫度80℃、蓄熱時(shí)間110 min兩種工況下，散熱器進(jìn)、出口水溫隨放熱時(shí)間的變化曲線。

圖8 不同蓄熱時(shí)間下散熱器進(jìn)、出口水溫隨時(shí)間的變化

在放熱過(guò)程中，分析對(duì)比圖6、圖7、圖8可以看出：相變換熱器入口溫度70℃、蓄熱時(shí)間分別為220、320 min時(shí)，散熱器進(jìn)出口平均溫差分別約為6.7、7.0℃，散熱器出口溫度降至27℃的放熱時(shí)間分別約215、265 min；相變換熱器入口溫度80℃，蓄熱時(shí)間分別約為110、190 min時(shí)，散熱器進(jìn)、出口平均溫差約為5.7、6.1℃，散熱器出口溫度降至27℃的放熱時(shí)間分別約310、358 min。當(dāng)相變蓄熱放熱裝置入口溫度及流量恒定時(shí)，隨著蓄熱時(shí)間的增加，散熱器進(jìn)、出口的平均溫差稍有增加；且通過(guò)蓄熱時(shí)間的增加，蓄熱量增多后，放熱時(shí)間越長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）改變熱水入口溫度、流量及蓄熱時(shí)間，均能對(duì)填充相變材料的新型套管式蓄熱放熱裝置的換熱性能產(chǎn)生不同程度的影響。

（2）隨相變換熱裝置蓄熱過(guò)程熱水入口溫度升高，相變材料可進(jìn)行顯熱與潛熱的蓄放熱，蓄熱過(guò)程的平均換熱量較大，相變裝置蓄熱較快；而放熱過(guò)程相變換熱裝置內(nèi)材料相變較慢，放熱時(shí)間增加。

（3）相變換熱裝置蓄熱過(guò)程熱水入口流量增加，熱媒介質(zhì)流速變快，蓄熱過(guò)程平均換熱量較大，蓄熱時(shí)間縮短；放熱過(guò)程散熱器進(jìn)出口溫差增大，放熱時(shí)間增加。

（4）蓄熱時(shí)間縮短，蓄熱過(guò)程相變換熱裝置內(nèi)復(fù)合相變材料不能完全發(fā)生相變，相變換熱器換熱性能降低，平均換熱量較?。环艧徇^(guò)程散熱器進(jìn)出口溫差減小，放熱時(shí)間隨之縮短。