熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能模塊的蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)

聶 秀，崔文智

(重慶大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400044)

太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)往往晝夜溫差大，導(dǎo)致采暖建筑室內(nèi)夜間熱穩(wěn)定性變差。通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)日間太陽(yáng)輻射能進(jìn)行儲(chǔ)存，而在夜間向室內(nèi)釋放，既降低采暖能耗，又解決了太陽(yáng)能與采暖需求在時(shí)序上匹配的問(wèn)題。相變材料儲(chǔ)能密度大、熱效率高[1]，應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能時(shí)，能有效降低室內(nèi)溫度波動(dòng)、提高室內(nèi)舒適度，降低建筑采暖負(fù)荷[2-5]。這些優(yōu)良特性使得相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)成為了研究熱點(diǎn)。肖偉[6]提出了一種與太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)合的相變蓄能地板采暖系統(tǒng)。日間，空氣經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能空氣集熱器加熱，輸送至相變地板的空氣夾層，加熱地板中的相變材料實(shí)現(xiàn)蓄熱；夜間，室內(nèi)空氣流經(jīng)空氣層將相變材料釋放的熱量帶出，給室內(nèi)供暖。劉馨等[7-8]把裝有相變材料的塑料管橫架于苯板與石膏板之間，使太陽(yáng)能空氣集熱器加熱后的熱空氣橫掠塑料管，熔化相變材料蓄熱，構(gòu)成了一種結(jié)合太陽(yáng)能空氣集熱器的相變墻采暖系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的儲(chǔ)熱特性進(jìn)行了分析。這2個(gè)系統(tǒng)都能提高室內(nèi)夜間溫度，改善房間熱舒適性，但與房間尺寸相近的風(fēng)道過(guò)長(zhǎng)。沿流動(dòng)方向，熱風(fēng)的溫度不斷降低，與相變材料的溫差越來(lái)越小，使得靠近熱風(fēng)出口處的相變材料熔化少、利用率低。

文中提出了一種利用太陽(yáng)能空氣集熱器提供的熱氣流作為熱源的“熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能模塊”，如圖1所示。蓄熱時(shí)，熱風(fēng)進(jìn)入模塊內(nèi)的管道，加熱管間相變材料使其熔化實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；放熱時(shí)，熱量通過(guò)模塊與室內(nèi)空氣的接觸面向室內(nèi)釋放，相變材料凝固。該模塊化結(jié)構(gòu)可根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)安裝，文中實(shí)驗(yàn)分析該相變蓄能模塊的蓄、放熱特性。

圖1 熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能模塊及其單元Fig.1 Hot air phase change thermal storage module

1 相變材料

表1 癸酸的熱物性

2 實(shí)驗(yàn)裝置

取圖1中相變儲(chǔ)能模塊的一個(gè)單元(l=500 mm，w=50 mm，δ=12 mm)為研究對(duì)象。采用1 mm厚的不銹鋼薄板焊接成扁盒狀容器封裝癸酸，其中心穿過(guò)1根φ8×1 mm的銅管作為熱風(fēng)管道。單元外表面(包括兩端)包裹10 mm厚的橡塑保溫材料。在儲(chǔ)能單元水平放置和豎直放置2種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置如圖2所示。單元水平放置時(shí)，熱風(fēng)右側(cè)進(jìn)左側(cè)出；豎直放置時(shí)，熱風(fēng)上進(jìn)下出。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，用電加熱器模擬太陽(yáng)能空氣集熱器，將空氣加熱到穩(wěn)定的溫度后送入蓄熱單元的銅管內(nèi)。蓄熱時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、加熱器、閥門等，熱風(fēng)從銅管內(nèi)流過(guò)，單元蓄熱；放熱時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)、電加熱器，單元向室內(nèi)放熱。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of test system

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Temperature measuring points

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

采用T型熱電偶測(cè)溫。銅管的進(jìn)出口各設(shè)置1對(duì)熱電偶用于測(cè)量熱風(fēng)的進(jìn)、出口溫度；沿?zé)犸L(fēng)流動(dòng)方向均勻地在相變材料內(nèi)設(shè)置5對(duì)熱電偶測(cè)量蓄熱和放熱過(guò)程中癸酸的溫度。熱電偶在蓄熱單元寬度方向上與銅管中心的距離為15 mm，與熱風(fēng)出口側(cè)容器邊緣的距離，如圖3所示。由于熱電偶的體積相對(duì)于相變材料很小，熱電偶對(duì)相變過(guò)程的影響可以忽略。

2.2 不確定度

實(shí)驗(yàn)的不確定度由式(1)[15]計(jì)算：

(1)

式中，δTTC為熱電偶的溫度測(cè)量誤差，℃；ΔTTC為實(shí)驗(yàn)中的溫度變化范圍，℃；δTCJ為數(shù)據(jù)采集儀的溫度補(bǔ)償誤差，℃；ΔTCJ為實(shí)驗(yàn)中的溫度范圍，℃；δqv為空氣流量計(jì)的測(cè)量誤差，L/min，Δqv為空氣流量計(jì)的測(cè)量范圍，L/min。

經(jīng)標(biāo)定，所用T型熱電偶的絕對(duì)測(cè)量誤差為±0.2 ℃；數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34970A)的溫度補(bǔ)償誤差為±0.2 ℃；氣體流量計(jì)測(cè)量范圍為0～25 L/min，測(cè)量誤差為±0.5 L/min。按式(1)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)的不確定度為±2.1%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 蓄熱過(guò)程中的熱特性

圖4給出了蓄熱過(guò)程中，相變儲(chǔ)能單元水平放置時(shí)，癸酸溫度隨時(shí)間的變化。熱風(fēng)進(jìn)口溫度為49.8～51.9 ℃，速度為9.39～9.91 m/s；室內(nèi)空氣溫度為11.4～12.6 ℃。蓄熱初期，癸酸處于固態(tài)，溫度從初始溫度開(kāi)始迅速上升，這一階段是顯熱蓄熱過(guò)程。隨著蓄熱的進(jìn)行，癸酸溫度逐漸達(dá)到熔化溫度并發(fā)生相變，當(dāng)其完全熔化變成液態(tài)后溫度仍然持續(xù)上升，進(jìn)入液相顯熱蓄熱過(guò)程。

圖4 單元水平放置時(shí)癸酸的溫度變化(蓄熱過(guò)程)Fig4 Temperature variation of decanoic acid in horizontal module (in melting)

T1位置熱風(fēng)溫度高，換熱溫差大，癸酸在短時(shí)間內(nèi)完成相變過(guò)程，成為液體，該曲線沒(méi)有明顯的定溫階段。T2、T3位置癸酸的相變蓄熱曲線則明顯存在一個(gè)“平臺(tái)期”，即定溫熔化過(guò)程。在測(cè)點(diǎn)位置的癸酸完全熔化后，進(jìn)入液相顯熱蓄熱階段，液態(tài)癸酸的溫度進(jìn)一步升高。由于局部自然對(duì)流加強(qiáng)以及液相癸酸比熱容較低，在相變完成后溫度上升速率較大。在480 min時(shí)，T4、T5處的癸酸基本熔化?？梢?jiàn)，沿?zé)犸L(fēng)流動(dòng)方向，由于熱風(fēng)與癸酸之間的換熱溫差逐漸減小，癸酸發(fā)生相變所需的時(shí)間逐漸增加。另一方面，在液相顯熱蓄熱階段，由于相變儲(chǔ)能單元整體溫度較高，其表面與環(huán)境之間換熱增強(qiáng)，故癸酸溫度上升變得緩慢。相變儲(chǔ)能單元豎直放置時(shí)，相變材料各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與水平放置時(shí)相同。

圖5比較了相同實(shí)驗(yàn)條件下，相變儲(chǔ)能單元水平放置和豎直放置時(shí)，蓄熱過(guò)程中癸酸的溫度變化。

圖5 單元水平和豎直放置時(shí)癸酸的溫度變化(蓄熱過(guò)程)Fig.5 Comparison of the temperature variation of decanoic acid in horizontal and vertical modules (in melting)

蓄熱初期，水平放置條件下單元內(nèi)的癸酸與豎直放置的溫度相近，升溫速率相同。隨著癸酸不斷熔化，癸酸溫度變化受到放置方式的影響：?jiǎn)卧椒胖脮r(shí)T1的溫度低于豎直放置，T3的溫度由低于豎直放置逐漸變化為高于豎直放置，T5的溫度一直高于豎直放置。水平放置時(shí)，T5在480 min末剛好熔化，而豎直放置時(shí)T5尚未發(fā)生相變。可見(jiàn)，模塊的放置方式影響著癸酸的相變程度和蓄熱量。

3.2 放熱過(guò)程中的熱特性

圖6給出了放熱過(guò)程中，相變儲(chǔ)能單元水平放置時(shí)，癸酸溫度隨時(shí)間的變化。室內(nèi)空氣溫度為10.4～11.6 ℃。

圖6 單元水平放置時(shí)癸酸的溫度變化(放熱過(guò)程)Fig.6 Temperature variation of decanoic acid in horizontal module (in freezing)

放熱初期，液態(tài)癸酸與室內(nèi)空氣之間存在較大溫差，熱量從單元內(nèi)液態(tài)癸酸通過(guò)單元壁面向室內(nèi)散發(fā)，癸酸溫度迅速降低。當(dāng)癸酸的溫度降至30 ℃時(shí)，癸酸開(kāi)始凝固，溫度變化趨緩。當(dāng)癸酸完全凝固后，由于蓄熱單元與室內(nèi)環(huán)境仍然存在溫差，癸酸溫度進(jìn)一步降低，最終趨于室溫。T1、T5溫度變化趨勢(shì)一致，沒(méi)有明顯的定溫凝固放熱時(shí)段(即“平臺(tái)期”)。T2、T4溫度變化趨勢(shì)也一致，凝固放熱時(shí)間持續(xù)了3 h左右，T3凝固放熱時(shí)間最長(zhǎng)?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能單元水平放置時(shí)，由于端部換熱影響，癸酸是由兩端向中間凝固。

圖7比較了相同實(shí)驗(yàn)條件下，相變儲(chǔ)能單元水平放置和豎直放置時(shí)，放熱過(guò)程中癸酸溫度的變化。

圖7 單元水平和豎直放置時(shí)癸酸的溫度變化(放熱過(guò)程)Fig.7 Comparison of the temperature variation of decanoic acid in horizontal and vertical modules (in freezing)

圖8 改進(jìn)的相變儲(chǔ)能單元(S型銅管)Fig.8 Improved phase change thermal storage module (S pipe)

放熱初期，單元水平放置與豎直放置時(shí)的溫度變化速率因蓄熱終了時(shí)液態(tài)癸酸溫度不同而不同。癸酸凝固過(guò)程中，單元水平放置時(shí)T1的溫度變化率高于豎直放置。這是由于單元豎直放置時(shí)，相變導(dǎo)致癸酸的體積變化在單元頂部形成了一個(gè)小空腔，削弱了熱傳遞。而單元水平放置時(shí)，兩端的癸酸直接與導(dǎo)熱系數(shù)大的不銹鋼板接觸，使單元端部的熱傳遞更強(qiáng)烈。單元水平放置時(shí)，T3的凝固時(shí)間長(zhǎng)于豎直放置。單元水平放置的T5經(jīng)過(guò)短時(shí)間的相變后進(jìn)入固相區(qū)顯熱放熱，而豎直放置的T5因未熔化而始終處于顯熱放熱狀態(tài)。

3.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱特性

從3.1節(jié)可知，當(dāng)相變儲(chǔ)能單元豎直放置時(shí)，在480 min末時(shí)T5位置的癸酸仍未發(fā)生相變，相變蓄熱材料未得到充分利用。為此，對(duì)原模塊的換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，即將直管換為S型銅管，以增大熱風(fēng)與蓄熱材料間的換熱面積，如圖8所示。由于銅管長(zhǎng)度增加導(dǎo)致的癸酸體積變化很小(-0.06%)，可忽略癸酸體積變化對(duì)蓄熱量的影響。圖9(a)、9(b)給出了相同實(shí)驗(yàn)條件下，相變儲(chǔ)能原單元(直管)和改進(jìn)單元(彎管)中，癸酸在蓄熱、放熱過(guò)程中的溫度變化。蓄熱過(guò)程中，改進(jìn)單元各測(cè)點(diǎn)的溫度均高于原單元，熔化所需時(shí)間縮短，T5位置的癸酸在480 min末時(shí)也完成了相變。這是由于彎管換熱結(jié)構(gòu)不僅具有更大的換熱面積，同時(shí)亦可強(qiáng)化銅管外壁側(cè)液相癸酸的自然對(duì)流。放熱過(guò)程中，改進(jìn)單元各點(diǎn)的溫度變化與原單元相比變化不大，在720 min末時(shí)，各點(diǎn)的溫度幾乎不再變化。所以，S型彎管強(qiáng)化了原模塊的蓄熱過(guò)程，但對(duì)放熱過(guò)程影響不大。

圖9 不同單元中癸酸的溫度變化Fig.9 Temperature variation of decanoic acid in different modules

4 結(jié) 論

文中提出了一種以癸酸作為相變材料的熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能模塊，選取了該模塊的一個(gè)單元為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別測(cè)量了蓄放熱過(guò)程中，單元豎直放置時(shí)和水平放置時(shí)癸酸的溫度變化，得到了該模塊的蓄放熱特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相同條件下，模塊水平放置的癸酸熔化率比豎直放置高。為熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能模塊在實(shí)際應(yīng)用中的安裝布置提供了參考。在以上研究的基礎(chǔ)上，將原模塊中的直銅管改為S型銅管，增大了換熱面積。結(jié)果表明，改進(jìn)單元中的癸酸相變更加完全，儲(chǔ)能效果更好。