相變儲熱換熱器技術(shù)研究進展

朱學良, 李 彥, 朱群志

(上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

自然界存在的能源大多為一次能源。這些一次能源在利用過程中存在一定的問題,比如供能的穩(wěn)定性和利用的局限性等。一次能源利用的局限性可以通過加工成二次能源來解決,但二次能源依然存在波動性和連續(xù)性問題;相變儲能技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上能夠解決能源供需平衡,提高能源利用率,緩解能源緊缺。相變儲能技術(shù)是利用物質(zhì)的相變進行能量的儲存和供給。相比于其他儲能技術(shù),相變儲能成本低,儲能密度大,相變過程具有相對恒定溫度,對環(huán)境的影響較小,能夠在其相變時間內(nèi)進行穩(wěn)定且持續(xù)的供能。目前,相變儲能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中,如工業(yè)余熱的回收利用[1]、電力的“移峰填谷”、建筑和空調(diào)的節(jié)能[2]、太陽能的熱利用[3]、電子器件的冷卻[4]等。在相變儲熱過程中,相變材料(Phase Change Material,PCM)和高低溫介質(zhì)間的傳熱是影響儲能速率的關(guān)鍵因素之一。制備性能優(yōu)異的相變材料[5-6]和設(shè)計換熱性能優(yōu)異的儲熱換熱器就顯得尤為重要。相變儲能換熱器的合理設(shè)計在很大程度上能夠決定能量交換的速率和熱容量。

目前,關(guān)于換熱器的傳熱強化研究主要有兩方面:一是在換熱器中添加不參與相變過程的強導(dǎo)熱材料,強化傳熱;二是通過設(shè)計換熱器的形狀及結(jié)構(gòu)來強化換熱效果。這兩種方法都能加快PCM與換熱介質(zhì)之間的換熱過程,提高熱量的利用率。本文對相變儲熱換熱器的設(shè)計及其研究進展進行了綜述,并針對換熱器設(shè)計過程中的傳熱強化機理進行了討論分析。

1 換熱器分類

一般來說,換熱器可分為混合式、蓄熱式、間壁式3種,而在相變儲能方面的研究采用間壁式換熱器的情況更多。間壁式換熱器意為間接接觸式換熱器,可分為管式換熱器、板式換熱器、熱管式換熱器3種。管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單,適用范圍廣,但是其占地面積較大。板式換熱器的占地面積小,但是制造成本偏高。熱管式換熱器的制造成本較低但適用性較差。除了上述傳統(tǒng)的換熱器外,還有方形換熱器以及近些年新興的泡沫金屬型換熱器也受到了很多研究人員的關(guān)注。這些換熱器具有各種各樣的優(yōu)點,但要想完全發(fā)揮其優(yōu)異的換熱性能就必須針對特定的換熱環(huán)境進行進一步的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,這樣才能最大化其儲能效率和熱容量。本文主要就間壁式換熱器以及新興的其他換熱器進行分析探討。

2 間壁式換熱器

2.1 管式換熱器

2.1.1 圓形管殼式換熱器

文獻[7]提出了一種弓形截面柱狀相變儲熱換熱器。其與傳統(tǒng)圓柱形截面儲熱換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的多層套管模型、內(nèi)螺紋管道,以及相對同心圓管而言的偏心管式等設(shè)計來說,該結(jié)構(gòu)設(shè)計成本較低,且不會影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)和PCM凝固時間。在該研究中,弓形截面儲熱器要比同等PCM容積的傳統(tǒng)圓柱形截面儲熱換熱器所需相變?nèi)刍瘯r間減少約48.37%,而且隨著溫度的升高,兩者的儲熱效率差距越來越大。

圖1 柱狀相變儲熱換熱器結(jié)構(gòu)

切除儲熱器相變過程較慢的區(qū)域,補全到相變較快的區(qū)域,是儲熱器傳熱強化的一種思想。弓形截面的設(shè)計包含了這種思想。文獻[8]利用這種思想,設(shè)計了一種錐形管殼式潛熱儲能換熱器。該換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 錐形管殼式潛熱儲能換熱器結(jié)構(gòu)

通過將外殼傾斜5°角來消除圓柱形儲熱器熔化較慢區(qū)域。經(jīng)實驗驗證,相同PCM體積下,殼體傾角為5°(錐形)比殼體傾角為0°(圓柱形)總的熔化時間減少了20%左右。此外,該實驗還研究了雷諾數(shù)和斯蒂芬數(shù)對傳熱效果的影響,研究結(jié)果表明,雷諾數(shù)對總?cè)刍瘯r間的影響不大,而斯蒂芬數(shù)與換熱流體(Heat Transfer Fluid,HTF)的入口溫度成正比,入口溫度越高則熔化越快。在錐形換熱器的基礎(chǔ)上,文獻[9]設(shè)計了一種新型漏斗形管殼式潛熱儲能換熱器。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該換熱器上半部分為錐形,下半部分為圓柱形。傳統(tǒng)的圓柱形換熱器因其傳熱不均勻性導(dǎo)致儲熱性能下降,漏斗形配置能夠比圓柱形和錐形換熱器實現(xiàn)更加均勻的溫度分布。當漏斗形殼體表面傾斜高度為250 mm時,對比圓柱形換熱器,其PCM的熔化分數(shù)提高了11.5%,充熱速率和放熱速率分別為圓柱形換熱器的1.72倍和1.11倍。通過改變換熱器的傾角來強化自然對流在PCM熔化過程中的作用,能使儲熱速率得到加快,而且成本較低。

圖3 漏斗形管殼式潛熱儲能換熱器結(jié)構(gòu)

文獻[10]設(shè)計了一種新穎的四重管式換熱器。該換熱器相比于傳統(tǒng)的三重管式換熱器的換熱性能更為優(yōu)異。相同體積的PCM熔化時間僅為三重管式換熱器所需熔化時間的1/3。文獻[11]研究了管殼式換熱器中內(nèi)管與殼心的偏心距對熔化過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),當內(nèi)管從外殼的同軸中心向下移動時,由于擴大了自然對流占主導(dǎo)的換熱區(qū)域,故熔化速率顯著提高。與同心情況相比,當偏心距為30 mm時,熔化時間減少約67%。

在實際的太陽能光熱利用和工業(yè)廢熱利用中,保證質(zhì)和量穩(wěn)定的熱源極為重要,尤其對大型熱泵系統(tǒng)而言,不穩(wěn)定的熱源很容易損壞壓縮機,導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率降低。文獻[12]設(shè)計了一種集蓄熱與換熱功能為一體的PCM雙層管殼式換熱器,將換熱器分為A和B兩端,其外殼絕熱,熱水從A端的內(nèi)殼流入,換熱后從B端流出,再進入A端外管,從B端流出,最后進入熱水罐加熱后再次循環(huán)。在該裝置中,鹽水作為制冷劑在內(nèi)管中流動,其余間隙填充PCM。該換熱器能夠同時進行儲熱和放熱,可以及時從太陽能集熱板或熱泵系統(tǒng)帶走熱量,防止局部過熱造成器件損壞。文獻[13]設(shè)計了一種雙通道管殼式換熱器,其設(shè)計原理為將普通的單管單殼式換熱器的一段封閉,HTF從中間注入,環(huán)形空間流出,或者從環(huán)形空間注入,兩端流出。實驗結(jié)果表明,這兩種流動方式的換熱效果相差不大,但相比于單管單殼式換熱器,其熱性能更為優(yōu)異。

類似于文獻[12]設(shè)計的集蓄熱與換熱為一體的雙層管殼式換熱器,文獻[14]研究了同時進行充放熱的三重管式換熱器的換熱性能,并采用響應(yīng)面法對翅片結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。研究結(jié)果表明:在給定翅片比體積情況下,由于不同區(qū)域起主導(dǎo)作用的換熱機理不同,所以三重管上半部分采用2個豎直翅片夾角最佳為102.4°,下半部分采用兩個Y型翅片,單個翅片夾角最佳為69.48°。文獻[15]研究了水平管殼式儲熱系統(tǒng)中添加圓形翅片、縱向翅片以及多管系統(tǒng)的換熱性能。實驗表明:多管系統(tǒng)中的PCM最先熔化,具有優(yōu)異的充熱性能,但其PCM在放熱過程中出現(xiàn)了較大的過冷度;而添加縱向翅片既能改善儲能系統(tǒng)的充熱性能,又能抑制放熱過程的過冷現(xiàn)象。

2.1.2 螺旋管圈式換熱器

文獻[16]提出了雙管螺旋盤管的設(shè)計,通過建立模型進行評估實驗,結(jié)果表明:與水平雙管和垂直雙管式換熱器相比,雙管螺旋管圈式換熱器中的PCM熔化時間可分別節(jié)省25.7%和60.0%;盤管節(jié)距是影響PCM熔化的重要因素。

與傳統(tǒng)的等距螺旋管圈式換熱器不同,文獻[17]設(shè)計了一種新型的非等距螺旋管圈,通過優(yōu)化螺旋管圈的節(jié)距來使管內(nèi)溫度分布更加均勻。兩種螺旋管圈式換熱器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 螺旋管圈式換熱器結(jié)構(gòu)

實驗研究發(fā)現(xiàn),在相同情況下,非等距螺旋管圈相比于同體積的等距螺旋管圈,其儲熱容量至少提高了12%。對于非等距螺旋盤管式蓄熱器,僅需改變其螺旋結(jié)構(gòu)就能增大其傳熱系數(shù),提高儲熱效率。其優(yōu)化后的線圈節(jié)距使PCM溫度分布更加均勻,增加了蓄熱能力,也避免了局部過熱,有利于PCM的持續(xù)使用。

2.2 板式換熱器

相比傳統(tǒng)的水浴加熱板式換熱器,針對各應(yīng)用領(lǐng)域存在的功率過剩和峰谷功率差大的現(xiàn)象,文獻[18]將電加熱與板式換熱器相結(jié)合,設(shè)計了一種折流板式相變蓄熱電加熱裝置,并對其換熱結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)優(yōu)化。該裝置將復(fù)合PCM裝在矩形加熱板中,加熱板在用電低谷充電蓄熱,用電高峰期放熱。換熱流體從PCM處吸熱,于暖氣片處放熱。該裝置完全符合家庭供暖需求和舒適度需求。文獻[19]研究了溫差對平板翅片型換熱器充放熱過程中傳熱特性的影響。研究表明:當溫差小于20 K時,系統(tǒng)儲熱性能得到提高;當溫差較大時換熱器底部區(qū)域熔化速度加快。文獻[20]設(shè)計的多流道枕板式換熱器外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。該枕板式換熱器具有良好的換熱性能,其最高放熱量可達6.3 MJ,平均功率為4 kW。

圖5 多流道枕板式換熱器外形結(jié)構(gòu)

文獻[21]設(shè)計了一種新的板式換熱器。該換熱器的板型翅片為鋸齒形長條板,通過鋸齒形設(shè)計增加的拓展表面以及對液相PCM的流動擾動,相比于等體積的圓柱形管殼式換熱器,其熔化時間可減少75%。

2.3 熱管式換熱器

除了改變單位體積內(nèi)的受熱面積外,劃分多個小空間也能夠讓溫度分布更加均勻,有助于換熱。文獻[22]對含有高溫PCM的翅片熱管輔助熱能儲存系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬,主要研究熱管間距及自然對流對儲熱換熱器儲熱過程的影響。研究表明:增加熱管數(shù)量能夠增加熔化速率,降低管壁溫度;對于附在熱管上的翅片,增加其長度能減小PCM內(nèi)部的溫差。此外,自然對流的出現(xiàn)能加快PCM熔化,減少30%的熔化時間;而且多個小空間內(nèi)的自然對流能使PCM內(nèi)部的溫度分布更加均勻。翅片熱管輔助儲熱系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 翅片熱管輔助儲熱系統(tǒng)

相比于傳統(tǒng)的熱管(Conventional Heat Pipe,CHP)技術(shù),文獻[23]設(shè)計并制造了一種結(jié)構(gòu)新穎的三維震蕩熱管(Three-dimensional Oscillating Heat Pipe,3D-OHP)。震蕩意為管內(nèi)工作液體(去離子水)在吸收熱量后其溫度會隨時間發(fā)生變化,在溫度-時間圖像上形成一條震蕩曲線。實驗結(jié)果顯示,在PCM的導(dǎo)熱系數(shù)相對較高時,3D-OHP與CHP兩者的換熱性能差別很小,但在PCM導(dǎo)熱系數(shù)較低時,3D-OHP展現(xiàn)出更為優(yōu)異的傳熱特性,其充熱效率比CHP提高了32%左右。

文獻[24]研究了矩形蓄熱器中不同形狀的熱管布置方式及翅片厚度對PCM換熱效果的影響,結(jié)果表明,矩形布置的熔化時間要比三角形布置的熔化時間短6.1%,且翅片越厚其熔化時間越短。

3 添加金屬泡沫類型換熱器

相對于熱管的高導(dǎo)熱性,泡沫金屬作為熱導(dǎo)率高的多孔材料,因其質(zhì)量輕、表面密度高以及工作穩(wěn)定而受到研究人員的廣泛關(guān)注。文獻[25]建立了在泡沫金屬中添加PCM的相變傳熱數(shù)值模型,并將其應(yīng)用于管殼式潛熱儲能裝置中。經(jīng)研究確定,在特定的換熱條件下,不改變孔隙均勻分布情況時,換熱存在最佳每英寸孔數(shù)。文獻[26]將并列的板形翅片并列放入矩形容器中,并在其板形翅片間隔間填充入PCM及金屬泡沫,與未添加金屬泡沫相比,其熔化時間縮短了24.8%,且翅片體積分數(shù)越高,金屬泡沫孔隙率越低,熔化就越快。

文獻[27]設(shè)計了一種新型的管殼式儲熱器,利用泡沫金屬來填充翅片間隙。與光滑管相比,當換熱流體進口速度為0.15 m/s時,完全熔化、凝固時間分別縮短85.83%和95.83%,平均熱流密度分別提高655.09%和1 834.61%。此外,與無翅片、只添加金屬泡沫、只有環(huán)形翅片的換熱器相比,翅片金屬泡沫管的溫度變化曲線最集中,軸向和徑向溫度梯度最小。這種新型翅片殼管式蓄熱裝置如圖7所示。

圖7 新型翅片殼管式蓄熱裝置

不同于上述的定孔隙率金屬泡沫,文獻[28]研究了一種添加可變孔隙率金屬泡沫的相變蓄熱系統(tǒng),用于中溫太陽能的應(yīng)用。與其他添加定孔隙率金屬泡沫的系統(tǒng)相比,該蓄熱系統(tǒng)的溫度分布更為均勻,換熱性能更好。

4 其他類型換熱器

文獻[29]設(shè)計了一種新型平板微熱管蓄熱裝置,具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 新型平板微熱管蓄熱裝置

該蓄熱裝置上部分管道為冷流體,下部分管道為熱流體,兩根管道中間夾著豎直的新型平板微熱管,熱管中間有多個上升通道和回流通道,丙酮在管內(nèi)作為工作介質(zhì)在下部吸熱上升到上部進行放熱,受冷凝結(jié)回流到下部。該蓄熱裝置工作穩(wěn)定,而且在換熱過程中沿熱管方向的溫差較小。

文獻[30]設(shè)計了一種以改性石蠟和泡沫銅復(fù)合材料填充的U形管矩形潛熱蓄熱裝置。該蓄熱裝置如圖9所示。

圖9 U型管矩形潛熱蓄熱裝置

在該裝置中,由于流程的阻力較大,熱水被水泵送入U型加熱管內(nèi)加熱儲熱單元中的石蠟和金屬銅泡沫,環(huán)境空氣在間隔的通道內(nèi)流動,通過儲熱單元組之間的自然對流釋放出石蠟的熱量。該蓄熱裝置在蓄熱和散熱中均表現(xiàn)出良好的傳熱性能。當HTF溫度為85 ℃時,其蓄熱容量和速率可以分別達到1 901.1 kJ和198.7 W。在該蓄熱裝置中,增大對流截面的開孔率和提供較低的環(huán)境溫度均能夠增大散熱率。泡沫銅的使用也能夠增大熱導(dǎo)率,讓溫度分布更加均勻。

文獻[31]通過數(shù)值模擬評估了U形管、直列翅片的U形管、交錯翅片的U形管及W形管的傳熱速率。研究表明:W形管的傳熱速率最佳;交錯翅片U形管次之;由于自然對流受到抑制,故直列翅片U形管相比于交錯翅片布置速率要略低。另外,研究還發(fā)現(xiàn)在換熱流體入口處放置高熔點PCM能夠有效改善傳熱。文獻[32]研究了電子器件在強脈沖熱負荷作用下散熱片傾角對于散熱速率的影響。電子器件的功率分別20 W和40 W,傾角以每增長15°為1個案例,測試角度為0°～90°,共14個案例,得出最佳傾角為60°～ 75°。實驗結(jié)果表明,傾斜換熱器的方法在一定程度上能夠加快散熱,延長電子產(chǎn)品的使用時間。但是該實驗也存在一定的局限性,性能強烈依賴于給定的環(huán)境熱條件,包括熱負荷和冷卻目標。該換熱器模型如圖10所示。

圖10 帶有一定傾角的換熱器

圖10中,q為熱流,方向為熱量流動方向,α為與重力方向的夾角,g為重力加速度,方向為重力方向。

5 結(jié) 論

為提高相變儲熱換熱器的充放熱速率,提高其應(yīng)用范圍,本文對已有的相變儲熱換熱器結(jié)構(gòu)與換熱流體間的強化傳熱方法進行了討論,主要包括原有換熱器中添加不參與相變過程的強導(dǎo)熱材料和新型換熱器的設(shè)計,分析了不同優(yōu)化方法的工作原理和優(yōu)缺點,得出的主要結(jié)論如下。

(1)不均勻的換熱結(jié)構(gòu)布置方式要比均勻排列的換熱效果更好,如非等距螺旋管圈等。不均勻的排列方式有更均勻的溫度分布,在溫差更小的地方或底部熔化較慢、頂端凝固較慢的區(qū)域增加換熱面積,縮小沒必要的換熱面積,能夠減少成本,增加換熱收益。

(2)新型儲熱器的設(shè)計需要聯(lián)系使用需求,在吸熱熔化時平衡導(dǎo)熱與自然對流的競爭關(guān)系,使充熱效率達到最大。在放熱凝固時增強導(dǎo)熱效果,使放熱速率達到最大。在新型換熱器中加入熱管和金屬泡沫等也能強化換熱器的傳熱性能。

(3)斯蒂芬數(shù)和雷諾數(shù)對換熱效果的影響可看作入口溫度和流量對換熱效果的影響,入口溫度變化比入口流量變化對儲熱過程的影響更加顯著,對于PCM側(cè)和換熱流體側(cè)的不同熱阻占比,入口流量改變對傳熱強化的效果也有強有弱。設(shè)計換熱器時,需要選擇合理的入口溫度,不能使結(jié)構(gòu)局部過熱,造成安全隱患。

(4)在設(shè)計過程中,針對特定的換熱環(huán)境,最佳的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮熱流邊界條件,還需考慮換熱時間、所處空間位置以及換熱器結(jié)構(gòu)自身特性等。換熱器的傳熱強化以提高充放熱速率且減少PCM內(nèi)部溫差為目的,高效的相變換熱器設(shè)計將會促進相變儲熱技術(shù)的應(yīng)用。