空氣換熱式微熱管陣列梯級相變蓄熱裝置的蓄放熱性能*

王媛媛，刁彥華,，趙耀華，王澤宇，王 鎮(zhèn)

空氣換熱式微熱管陣列梯級相變蓄熱裝置的蓄放熱性能*

王媛媛1，刁彥華1,?，趙耀華1，王澤宇2，王 鎮(zhèn)1

（1. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2. 中國核電工程有限公司，北京 100840）

可再生能源例如太陽能等，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要能源形式，但其存在間歇性與不規(guī)律性等問題。將相變蓄能技術(shù)與可再生能源結(jié)合可以利用相變蓄能技術(shù)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提出微熱管陣列梯級相變蓄熱系統(tǒng)，以空氣為換熱流體，以52#石蠟和月桂酸作為梯級蓄熱的兩種相變材料，研究梯級蓄熱裝置在換熱流體不同進口溫度、不同流量下的蓄熱特性。結(jié)果顯示，該裝置在較大的填充率下縮短了蓄放熱時間，完成蓄熱過程所需時間與單級蓄熱裝置相比縮短了43.75%。換熱流體進口溫度對梯級蓄熱系統(tǒng)傳熱性能有較大影響。梯級蓄熱裝置的蓄熱效率和放熱效率分別為88.9%和76.8%。蓄熱過程中，梯級蓄熱裝置蓄熱器1和蓄熱器2的平均有效性分別為0.51和0.45。

微熱管陣列；梯級蓄熱裝置；相變蓄熱；百葉窗翅片

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會的進步和城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染成為能源發(fā)展的兩大主要問題。雙碳政策的推行對我國的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級提出了更綠色、低碳、節(jié)能的要求。減少化石能源的使用，增加可再生能源的利用，是我國雙碳政策的前進方向?？稍偕茉淳哂械兔芏刃?、間歇性和不均勻性等缺點，對其應(yīng)用和推廣造成一定限制。蓄能技術(shù)通過能量儲存實現(xiàn)能量錯峰利用以及設(shè)備靈活運行，可有效解決可再生能源的上述問題[1]。利用相變儲能材料潛熱的熱能存儲是一種提高熱能利用率的有效手段之一，同時蓄熱技術(shù)可以實現(xiàn)熱力學(xué)能的直接利用，減少能量形式轉(zhuǎn)換，因此具備天然優(yōu)勢[2-4]。

相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱響應(yīng)較慢，使得相變材料的蓄熱和放熱速率較低，蓄/放熱時間較長，限制相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[5]。目前，強化相變蓄熱裝置傳熱效果可以從相變材料本身或裝置結(jié)構(gòu)兩方面進行，其中裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化可從以下五個方面進行：①套管式、管殼式結(jié)構(gòu)；②添加翅片；③微囊封裝技術(shù)；④熱管技術(shù)；⑤多級蓄熱。對于管殼式，套管式蓄熱裝置是采用在管內(nèi)放置相變材料，管外流過換熱流體，相變材料和換熱流體通過管壁進行換熱的蓄/放熱裝置。裝置中圓管的比表面積大，能夠增加換熱面積，但其有較大的流動阻力[6-7]。微囊封裝技術(shù)的采用可以大幅增加相變材料的比表面積，但該技術(shù)工藝復(fù)雜、成本高昂，不利于大范圍推廣應(yīng)用[8-9]。多級蓄熱技術(shù)是一種新型的相變蓄熱技術(shù)，能夠?qū)⒛芰糠旨墐Υ婧屠茫荚谧畲蟪潭忍嵘b置的蓄/放熱速率和能量儲存量。

使用多種相變材料組合進行蓄熱，可有效加快蓄放熱過程，提高熱傳遞速率，擴展熱能的使用范圍；關(guān)于組合相變材料蓄熱的研究大多利用傳統(tǒng)殼管、圓管等裝置，相對于傳統(tǒng)殼管、圓管，微熱管陣列有較大的比表面積，內(nèi)部具有微通道和微翅來強化換熱。

近年來已有許多研究旨在設(shè)計各種具有高蓄熱效率的蓄熱裝置。例如，宗弘盛等[10]利用數(shù)值模擬的方式對比了單級、梯級相變蓄熱裝置在相同工況下的蓄熱量、有效能利用率和傳熱熱流密度，結(jié)果表明，與單級相變蓄熱裝置相比，梯級相變蓄熱裝置的蓄熱量提高了16.9%，有效能利用率提高了10.1%，蓄熱/放熱平均熱流密度分別提高97.6%和64.9%。PEIRó等[11]設(shè)計了包含多種蓄熱材料的梯級相變蓄熱裝置，與單級相變蓄熱裝置相比，梯級相變蓄熱裝置在相同工況下的性能更優(yōu)異。DIAO等[12]將平板微熱管陣列應(yīng)用于潛熱蓄熱裝置，并與豎直翅片相結(jié)合強化傳熱。與普通的管殼式蓄熱裝置相比蓄熱效率更高。EL MGHARI等[13]研究了帶縱向翅片的三級級聯(lián)潛熱儲能裝置的蓄熱機制效率和傳熱特性，與單級、單級加翅片和三級情況相比，帶翅片的多級潛熱儲能裝置的蓄熱效率提高，具有較好的換熱性能。ZHAO等[14]通過實驗研究了級數(shù)、熱交換流體進口溫度和流量對裝置熱工性能的影響。結(jié)果表明，與單級蓄熱相比，梯級蓄熱可以提高蓄放熱速率和?效率；較高的熱交換流體進口溫度和流量可以提高熱量傳遞速率和?傳遞速率。

ALDOSS等[15]利用數(shù)值模擬的方式比較了單一相變材料蓄熱和多種相變材料蓄熱時裝置的區(qū)別。研究發(fā)現(xiàn)，隨著相變材料級數(shù)的增加，蓄熱系統(tǒng)性能增強；當蓄熱系統(tǒng)超過三級時，性能增加不明顯。

本文提出一種微熱管陣列與百葉窗翅片相結(jié)合的新型梯級相變蓄熱裝置，在不同換熱流體溫度及流量下對其傳熱性能進行實驗研究，并與單級蓄熱裝置的傳熱性能進行對比。

1 蓄熱裝置與實驗系統(tǒng)

1.1 蓄熱裝置

如圖1所示，搭建微熱管陣列與百葉窗翅片相結(jié)合的梯級相變蓄熱系統(tǒng)。蓄熱裝置主要由4組平行微熱管陣列（呈兩行兩列分布）、百葉窗翅片、蓄熱箱體、52#石蠟、月桂酸、隔熱保溫材料組成。

圖1 梯級蓄熱裝置結(jié)構(gòu)圖

梯級相變蓄熱系統(tǒng)由兩個尺寸相同的蓄熱裝置串聯(lián)而成，每個蓄熱器箱體的尺寸為200 mm × 215 mm × 67 mm。蓄熱器的外殼由5 mm厚的聚碳酸酯透明板（PC板）粘貼而成，蓄熱器外用橡塑棉作保溫層，厚度為50 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/(m?K)。蓄熱器1和蓄熱器2中使用的微熱管陣列尺寸的結(jié)構(gòu)和分布方式相同。熱管如圖2所示。蓄熱器1中填充的相變材料為52#石蠟，蓄熱器2中填充的相變材料為月桂酸，梯級蓄熱裝置的蓄熱器1和蓄熱器2內(nèi)相變材料的液態(tài)填充率分別為75%和70%，蓄熱器1中石蠟的質(zhì)量為1.39 kg，蓄熱器2中月桂酸質(zhì)量為1.40 kg，其熱物性參數(shù)見表1。

圖2 微熱管陣列結(jié)構(gòu)圖

圖2中平板微熱管內(nèi)壁具有微翅結(jié)構(gòu)，有利于增加換熱面積，同時強化熱管內(nèi)工質(zhì)（丙酮）擾動，增強換熱。實驗采用的平板微熱管陣列的尺寸為450 mm（長）× 96 mm（寬）× 3 mm（厚），熱管百葉窗翅片尺寸為96 mm（寬）× 12 mm（高），翅間距為3 mm，厚度為0.1 mm。其中每個微孔的長度為2.7 mm，微孔高度為1.8 mm；相鄰微孔的間距為0.5 mm，微齒高度為0.3 mm，兩個微齒的間距為0.3 mm。在蓄熱段的百葉窗翅片長度為200 mm，取熱段的百葉窗翅片長度為110 mm。微熱管陣列從下至上分為供熱段、蓄熱段和取熱段三個部分。供熱段的長度為140 mm，蓄熱段的長度為200 mm，取熱段的長度為110 mm。微熱管陣列表面采用導(dǎo)熱硅膠［導(dǎo)熱系數(shù)為2.0 W/(m?K)］貼附百葉窗翅片強化換熱。

表1 相變材料物理性質(zhì)

微熱管陣列的運行原理如圖3所示。設(shè)備的運行主要分為蓄熱和放熱過程。在蓄熱過程中，熱空氣流經(jīng)微熱管陣列的供熱段，該段工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)，熱量從供熱段傳遞到蓄熱段，蓄熱段的相變材料吸收熱量融化進行蓄熱。在放熱過程中，冷空氣通過微熱管陣列的取熱段，被液態(tài)相變材料凝固放出的熱量加熱，因此溫度上升帶走熱量。通過這種工質(zhì)的氣?液狀態(tài)不斷變化，熱量被儲存和釋放。

圖3 熱管蓄放熱運行原理圖

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由蓄熱器1、蓄熱器2、風(fēng)管、風(fēng)機、流量計、氣?水換熱器、恒溫水浴和數(shù)據(jù)采集部分組成。數(shù)據(jù)采集部分包括計算機、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶等。各個測量儀器及元件的型號和精度見表2。

表2 測量設(shè)備參數(shù)

蓄熱系統(tǒng)的實驗設(shè)備及運行過程如圖4所示，實驗進行包括蓄熱和放熱兩個過程：

（1）蓄熱過程。打開水浴1（高溫水?。訜崴疁氐竭_實驗所需溫度后打開風(fēng)機，換熱流體（空氣）在氣?水換熱器中進行換熱，溫度升高。被加熱后的換熱流體進入蓄熱器1的蓄熱風(fēng)道，熱量被蓄熱器1中的相變材料吸收。溫度降低后的換熱流體進入蓄熱器2中，相變材料吸收熱量，換熱流體溫度進一步下降。

（2）放熱過程。打開水浴2（低溫水?。?，冷卻水溫到達實驗所需溫度后打開風(fēng)機，換熱流體（空氣）在氣?水換熱器中換熱，溫度降低。冷卻后的換熱流體進入蓄熱器2的取熱風(fēng)道，帶走蓄熱器2中相變材料儲存的熱量，溫度上升。溫度升高后的換熱流體進入蓄熱器1中，相變材料釋放熱量，換熱流體溫度進一步升高。

圖4 蓄熱系統(tǒng)圖

熱電偶測點位置如圖5所示。高精度熱電偶安裝在蓄熱器內(nèi)部測量溫度變化，進行相變材料內(nèi)部、微熱管陣列表面及供/取熱風(fēng)道進出口的溫度測量。在三維坐標系下，軸和軸為水平方向，軸為豎直方向。兩蓄熱器的尺寸相同，測點的布置對應(yīng)也相同，其中紅色（括號外）為蓄熱器1的溫度測點，藍色（括號內(nèi)）為蓄熱器2的溫度測點。對于蓄熱器1，T18 ～ T21測量熱管表面的溫度，T9 ～ T13測量翅片高度及方向的溫度變化，T11、T14 ～ T17測量蓄熱裝置方向溫度變化；蓄熱器2測點布置原理相同。對于蓄熱器1，在蓄熱過程中，風(fēng)道入口（T3和T4）和出口（T1和T2）分別安插兩個熱電阻測量進出口風(fēng)溫。在取熱過程中，風(fēng)道入口（T5和T6）和出口（T7和T8）分別安插兩個熱電阻測量進出口風(fēng)溫；蓄熱器2測點布置原理相同。其中，為了監(jiān)測相變材料融化過程完成情況，設(shè)置蓄熱過程的最不利測點為T51和T52，放熱過程的最不利測點為T53和T54。

圖5 蓄熱器內(nèi)溫度測點分布圖

1.3 實驗工況

蓄熱系統(tǒng)的運行工況包括蓄/放熱過程的定風(fēng)量的變?nèi)肟跍囟裙r和定入口溫度的變風(fēng)量工況，為了便于比較，蓄熱和放熱工況下蓄熱組件的初始溫度分別是35?℃和60?℃。具體工況見表3。

表3 實驗工況

2 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 評價指標與計算方法

從蓄/放熱過程中的溫度、蓄放熱功率、蓄放熱量等方面對數(shù)據(jù)進行分析處理。

蓄熱過程中，單個蓄熱器的蓄熱功率：

供熱量：

蓄熱量：

蓄熱效率：

放熱過程中，放熱量：

取熱量：

放熱效率：

式中：P,st為蓄熱器（= 1, 2）的蓄熱功率，W；st為蓄熱裝置的蓄熱功率，W；c為水的比熱容，J/(kg·K)；c,PCM為相變材料的比熱容，J/(kg·K)；T,i為蓄熱器的相變材料初始時刻溫度，℃；T,f為蓄熱器的相變材料終止時刻溫度，℃；T,in為蓄熱器的換熱流體入口溫度，℃；T,out為蓄熱器的換熱流體出口溫度，℃；Q,su為蓄熱器的供熱量，J；Q,st為蓄熱器的蓄熱量，J；Q,re為蓄熱器的放熱量，J；Q,ex為蓄熱器的取熱量，J；?,st為蓄熱器的蓄熱效率；ex為蓄熱裝置的取熱效率；HTF為水的質(zhì)量流量，kg/s；M,PCM為蓄熱器的相變材料質(zhì)量，kg；L,PCM為蓄熱器的相變材料潛熱量，J/kg。

2.2 誤差分析

在實驗測量過程中誤差產(chǎn)生在所難免，因此不確定性分析是評價實驗結(jié)果準確性的重要指標。實驗結(jié)果表示為獨立變量1,2,3, ...,x的函數(shù)：

實驗結(jié)果的相對不確定性可以定義為：

式中：Δ為實驗結(jié)果的絕對誤差；Δx為獨立變量x的絕對誤差。

根據(jù)式（8）和式（9），參數(shù)計算結(jié)果如表4所示。

表4 參數(shù)相對誤差

2.3 蓄熱過程實驗結(jié)果與分析

2.3.1 換熱流體進口溫度對蓄熱過程的影響

蓄熱過程中，入口溫度為70?℃、風(fēng)量為55 m3/h時，蓄熱器1和蓄熱器2的相變材料的平均溫度變化曲線如圖6（a）所示。兩蓄熱箱體由蓄熱風(fēng)道直接連接，蓄熱器1的出口溫度即為蓄熱器2的入口溫度。為了便于比較，取石蠟溫度范圍35 ～ 60?℃區(qū)間進行分析。換熱流體入口溫度分別為60、65、70?℃。圖中，梯級蓄熱裝置的蓄熱器1和蓄熱器2分別用A1和A2表示。

由圖6（a）可以看出，換熱流體溫度對相變材料熔化時間影響較大。隨著換熱流體進口溫度升高，蓄熱過程逐漸加快。這是由于在蓄熱過程中，相變材料和換熱流體之間的溫差是促進固態(tài)相變材料融化的主要驅(qū)動力。在實驗初始，相變材料以顯熱的形式吸收熱量，相變材料升溫較快。進入相變階段后，相變材料溫度曲線逐漸平緩。當進口溫度為60?℃時，石蠟在= 9 min時開始熔化，月桂酸在= 10 min時開始熔化；當進口溫度升高到70?℃時，石蠟從= 4 min開始熔化，月桂酸在= 5 min開始熔化；石蠟的熔化時間從34 min縮短到18 min，熔化時間減少了47.06%；月桂酸的熔化時間從23 min縮短到13 min，熔化時間減少了43.48%。這是由于換熱流體入口溫度越高，換熱溫差越大，換熱速率就越快。在同一時刻，相變材料平均溫度隨著換熱流體入口溫度的升高而升高，換熱流體入口溫度為70?℃時，相變材料平均溫度上升最快，相變所需時間也最短。

如圖6（b），當換熱流體入口的溫度從60?℃升高到70?℃，蓄熱器1的平均蓄熱功率從60.8 W增加到185.8 W，增加了205.5%；蓄熱器2的平均蓄熱功率從130.3 W增加到178.7 W，增加了36.7%。從圖中可以看出，在不同的換熱流體入口溫度下，蓄熱功率的差異是比較明顯的。在入口溫度為60?℃時，蓄熱器1和蓄熱器2的蓄熱功率相差較大，但隨著入口溫度的升高，差異減小。即隨入口溫度的升高，兩蓄熱箱體的平均蓄熱功率增長速度不同。在入口溫度為70?℃時，兩個蓄熱箱體的蓄熱功率都較高且差異較小，更體現(xiàn)出梯級蓄熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

2.3.2 換熱流體流量對蓄熱過程的影響

圖7（a）展示了梯級蓄熱裝置在不同風(fēng)量下，蓄熱器1和蓄熱器2箱體中相變材料平均溫度的變化曲線，其中換熱流體的入口溫度為70?℃，風(fēng)量分別為35、45、55 m3/h。

從圖7（a）中可以看出，在入口溫度固定的情況下，隨著體積流量的增加，相變材料進入相變階段的時刻越早。這是由于風(fēng)量的增加加強了換熱流體的擾動，較大的換熱流體流速使得換熱表面的空氣層流底層變薄，對流換熱加強。當換熱流體流量為55 m3/h時，蓄熱器1、蓄熱器2都最先完成相變過程和蓄熱過程。對于石蠟，在換熱流體流量為35 m3/h時，石蠟在= 11 min時開始熔化，熔化時間為10 min；45 m3/h時，石蠟在= 9 min時開始熔化，熔化時間為7 min，熔化時間縮短了22.2 %；當流量小于45 m3/h時，增大換熱流體流量，熔化時間大幅縮短。當流量大于45 m3/h時，在換熱流體流量為55 m3/h時，石蠟在= 8 min時開始熔化，熔化時間為7 min，熔化時間縮短了12.5%；增大流量對縮短熔化時間的影響不大。對于月桂酸，在換熱流體流量小于35 m3/h時，增大換熱流體流量可以縮短熔化時間，但流量大于35 m3/h時，當換熱流體流量從35 m3/h增大至55 m3/h時，熔化時間由15 min縮短至12 min，縮短了20%。增大換熱流體流量對縮短熔化時間沒有大的影響。這是由于此時熱阻集中在相變材料側(cè)，再增大流量影響不大。

圖7（b）為換熱流體不同風(fēng)量下梯級蓄熱裝置的蓄熱功率。蓄熱器1的蓄熱功率大于蓄熱器2，這是由于入口溫度為70?℃時，蓄熱器1中換熱流體與相變材料間的溫差大于蓄熱器2。當風(fēng)量從35 m3/h增加到55 m3/h，蓄熱器1的蓄熱功率從160.3 W增加到185.8 W，增加了15.9%；蓄熱器2的蓄熱功率從132.5 W增加到178.1 W，增加了34.4%。相對于不同入口溫度，換熱流體不同風(fēng)量下的蓄熱功率增幅較小，雖然風(fēng)量的增加使得對流換熱得到增強，但是換熱流體在風(fēng)道內(nèi)的停留時間減少，換熱不夠充分，也對強化換熱的程度造成一定限制。

2.4 蓄/取熱過程平均有效性分析

有效性表示蓄熱裝置的實際換熱量和理論換熱量的比值，用來評價蓄熱裝置的換熱特性。相變材料蓄/放熱過程中，大部分熱量集中在相變潛熱階段，因此取相變階段進行有效性分析。式（10）和式（11）分別表示瞬時有效性和平均有效性：

蓄熱過程和放熱過程的平均有效性見表5。從表中可以看出，隨著換熱流體入口溫度與相變材料之間溫差的增大，蓄熱器1和蓄熱器2的平均有效性小幅度上升，當換熱流體溫度從60?℃升高至70?℃時，蓄熱器1的平均蓄熱有效性從0.46增長至0.47，增長了2.17%；隨著換熱流體風(fēng)量的降低，平均有效性增加較為明顯；當入口風(fēng)量從55 m3/h降低至35 m3/h時，蓄熱器1的平均蓄熱有效性從0.47增加至0.64，增加了36.2%；蓄熱器2的平均蓄熱有效性從0.43增加至0.58，增加了34.9%。風(fēng)量減小，換熱流體在風(fēng)道內(nèi)停留的時間更長，換熱更加充分。因此進出口溫差較大，使得平均有效性增加。梯級蓄熱裝置中，蓄熱器1和蓄熱器2中平均蓄熱有效性分別為0.51和0.45，平均放熱有效性為0.46和0.39。無論是蓄熱還是放熱，蓄熱器1的平均有效性都高于蓄熱器2。這是由于在蓄放熱過程的相變階段，蓄熱器1中的換熱流體與相變材料之間的溫差大于蓄熱器2中的溫差，單位時間內(nèi)石蠟?zāi)軌騼Υ娓嗟臒崃?，使換熱流體的進出口溫差升高。蓄熱過程的平均有效性大于放熱過程，這主要是由于蓄熱過程中，相變材料融化產(chǎn)生的自然對流強化了傳熱。

表5 不同工況下蓄熱和放熱過程的平均有效性

2.5 梯級與單級蓄熱裝置的蓄熱性能比較

將梯級蓄熱裝置與單級蓄熱裝置的蓄熱時間、蓄熱器蓄熱功率、平均有效性進行對比。將梯級蓄熱裝置中裝有月桂酸的蓄熱器換成同樣尺寸且裝有石蠟的蓄熱器，石蠟的填充率與月桂酸相同，與原來裝有石蠟的蓄熱器1連接形成單級蓄熱裝置。實驗采用與梯級蓄熱裝置相同的換熱流體入口溫度和風(fēng)量。取月桂酸的溫度變化區(qū)間為32 ～ 50?℃，取石蠟（蓄熱器2）的溫度變化區(qū)間為32 ～ 60?℃。

圖8為相同工況下梯級蓄熱裝置和單級蓄熱裝置的蓄熱功率變化曲線。梯級和單級蓄熱裝置中蓄熱器1的蓄熱功率大致重合，最大差距為7.96%。從圖中可以看出，梯級蓄熱裝置中蓄熱器2的蓄熱功率始終大于單級蓄熱裝置。這是由于梯級蓄熱裝置中蓄熱器2的換熱流體入口溫度與相變材料的平均換熱溫差為20.82?℃，大于單級蓄熱裝置中蓄熱器2的平均換熱溫差13.23?℃，因此能夠提供更大的換熱驅(qū)動力，使蓄熱功率更大。梯級和單級蓄熱裝置的蓄熱器2的平均蓄熱功率分別是154.97 W和118.24 W，梯級蓄熱裝置的蓄熱器2的平均蓄熱功率比單級蓄熱裝置高31.06%。在= 30 min時，梯級蓄熱裝置的月桂酸已經(jīng)完成相變，但是單級蓄熱裝置的蓄熱器2中石蠟才剛剛進入相變階段，在45 min左右蓄熱器2中石蠟完成相變。單級蓄熱裝置完成蓄熱過程所需時間比梯級蓄熱裝置多77.78%，即梯級蓄熱裝置的蓄熱速率較大。

圖8 入口溫度為70?℃、空氣流量為55 m3/h工況下梯級和單級蓄熱裝置的蓄熱功率變化曲線

可以發(fā)現(xiàn)，相同工況時梯級和單級蓄熱裝置的蓄熱器1中的相變材料溫度、蓄熱功率曲線重合，只是蓄熱完成時間有差異。因此研究不同工況時，只對蓄熱器2的蓄熱性能進行分析對比，詳見表6。

當換熱流體風(fēng)量為55 m3/h，入口溫度為60、65、70?℃時，梯級蓄熱裝置蓄熱器2的平均有效性分別比單級蓄熱裝置高26.9%、40%和34.4%。因此，梯級結(jié)構(gòu)的采用可以提高蓄熱裝置的換熱有效性。

表6 蓄熱過程梯級和單級蓄熱裝置蓄熱器2的評價指標

3 結(jié) 論

（1）在典型蓄熱工況（入口溫度70?℃，風(fēng)量55 m3/h）下，梯級蓄熱裝置的蓄熱器1和蓄熱器2的平均蓄熱功率分別為186.3 W和178.2 W。蓄熱過程中，兩種相變材料的潛熱蓄熱階段大致重合。梯級蓄熱裝置的蓄熱效率為88.9%，完成蓄熱過程所需時間與單級蓄熱裝置相比縮短了43.75%。

（2）換熱流體入口溫度對梯級蓄熱裝置的蓄熱速率影響較大。換熱流體與相變材料相變溫度的溫差越大，換熱驅(qū)動力越強，蓄熱過程所需時間越短，蓄熱功率越大。

（3）換熱流體風(fēng)量的增加可增強換熱流體側(cè)的對流換熱，蓄熱過程所需時間更短，蓄熱功率越大。換熱流體風(fēng)量變化對梯級蓄熱裝置性能的影響不如入口溫度變化帶來的影響明顯，且會帶來風(fēng)機能耗的增加，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)慎重考慮用增加風(fēng)量的方式強化換熱。

[1] PRASANTH N, SHARMA M, YADAV RN, et al. Designing of latent heat thermalenergy storage systems using metal porous structures for storing solar energy[J]. Journal of energy storage, 2020, 32: 101990. DOI: 10.1016/j.est.2020.101990.

[2] 黃思浩, 趙小雙, 王令寶, 等. 公共建筑儲熱式地熱供暖系統(tǒng)多目標協(xié)同優(yōu)化[J]. 新能源進展, 2022, 10(5): 431-439. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2022.05.005.

[3] 張寧, 胡安, 熊蓮, 等. 低溫相變儲能材料及其應(yīng)用研究[J]. 新能源進展, 2020, 8(4): 304-312. DOI: 10.3969/ j.issn.2095-560X.2020.04.008.

[4] HAMMAD F A, SHALABY S M, KABEEL A E, et al. Experimental investigation and thermo-economic performance analysis of a modified solar distillerdesign with thermal storage material and v-corrugated absorber basin[J]. Journal of energy storage, 2022, 52: 105020. DOI: 10.1016/j.est.2022.105020.

[5] SHARIFI N, BERGMAN T L, ALLEN M J, et al. Melting and solidification enhancement using a combined heat pipe, foil approach[J]. International journal of heat and mass transfer, 2014, 78: 930-941. DOI: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2014.07.054.

[6] 孫舫. 管殼式換熱器傳熱效率的研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2019, 9(5): 19-20. DOI: 10.16525/j.cnki.14-1362/n.2019.05.08.

[7] 姜益強, 齊琦, 姚楊, 等. 圓柱形殼管式相變蓄熱單元的蓄熱特性研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2008, 29(1): 29-34. DOI: 10.3321/j.issn:0254-0096.2008.01.006.

[8] 華建社, 張焱, 張嬌. 新型管殼式相變蓄熱器的設(shè)計與數(shù)值模擬[J]. 節(jié)能, 2015, 34(11): 24-29. DOI: 103969/j.issn.1004-7948.2015.11.006.

[9] JUNG E G, BOO J H. Thermal analytical model of latent thermal storage with heat pipe heat exchanger for concentrated solar power[J]. Solar energy, 2014, 102: 318-332. DOI: 10.1016/j.solener.2013.11.008.

[10] 宗弘盛, 楊兆晟, 張群力, 等. 梯級相變蓄熱裝置蓄放熱性能模擬研究[J]. 可再生能源, 2021, 39(5): 618-625. DOI: 10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2021.05.003.

[11] PEIRó G, GASIA J, MIRó L, et al. Experimental evaluation at pilot plant scale of multiplePCMs (cascaded)vs. single PCM configuration for thermal energy storage[J]. Renewable energy, 2015, 83: 729-736. DOI: 10.1016/j. renene.2015.05.029.

[12] DIAO Y H, KANG Y M, LIANG L, et al. Experimental investigation on the heat transfer performance of a latent thermal energy storage device based on flat miniature heatpipe arrays[J]. Energy, 2017, 138: 929-941. DOI: 10.1016/ j.energy.2017.07.090.

[13] EL MGHARI H, IDRISSI A, EL AMRAOUI R. Cascaded latent heat thermal energy storage device with longitudinal fins: Numerical investigation of melting process and thermal performance analysis[J]. Journal of energy storage, 2022, 53: 105199. DOI: 10.1016/j.est.2022.105199.

[14] ZHAO Y, YOU Y, LIU H B, et al. Experimental study on the thermodynamic performance of cascaded latent heat storage in the heat charging process[J]. Energy, 2018, 157: 690-706. DOI: 10.1016/j.energy.2018.05.193.

[15] ALDOSS T K, RAHMAN M M. Comparison between the single-PCM and multi-PCM thermal energy storage design[J]. Energy conversion and management, 2014, 83: 79-87. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.03.047.

Thermal Characteristics of an Air Cascade Latent Heat Storage Unit Based on Micro-Heat Pipe Array

WANG Yuanyuan1, DIAO Yanhua1,?, ZHAO Yaohua1, WANG Zeyu2, WANG Zhen1

(1. Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. China Nuclear Power Engineering Co. Ltd., Beijing 100840, China)

Renewable energy, such as solar energy, is an important form of energy to achieve carbon peaking and carbon neutrality goals. However, it suffers from problems such as intermittency and irregularity. Combining phase change energy storage technology with renewable energy sources can improve the stability of the phase change energy storage technology. A cascade phase change heat storage system of micro-heat pipe array was proposed, by using air as the heat exchange fluid and 52# paraffin wax and lauric acid as two phase change materials, the heat storage characteristics of the cascade heat storage device under different inlet temperatures and different flow rates of the heat exchange fluid were studied. Results showed that, the time required to complete the heat storage process was shortened by 43.75% compared with the single-stage heat storage device at a larger filling rate. The inlet temperature of the heat transfer fluid had a great influence on the heat transfer performance of the step heat storage system. The heat storage efficiency and heat release efficiency of the step heat storage device were 88.9% and 76.8%, respectively. The average effectiveness of the heat storage process was 0.51 and 0.45 for heat accumulator 1 and heat accumulator 2 of the step accumulator, respectively.

micro heat-pipe array; cascade heat storage unit; latent thermal storage; louver fin

2095-560X（2023）05-0395-09

TK513.5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.001

2023-05-25

2023-07-19

北京市自然科學(xué)基金面上項目（3192009）

刁彥華，E-mail：diaoyanhua@bjut.edu.cn

王媛媛, 刁彥華, 趙耀華, 等. 空氣換熱式微熱管陣列梯級相變蓄熱裝置的蓄放熱性能[J]. 新能源進展, 2023, 11(5): 395-403.

： WANG Yuanyuan, DIAO Yanhua, ZHAO Yaohua, et al. Thermal characteristics of an air cascade latent heat storage unit based on micro-heat pipe array[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 395-403.

王媛媛（1996-），女，碩士研究生，主要從事高效相變蓄能技術(shù)研究。

刁彥華（1973-），男，博士，副教授，主要從事太陽能熱利用、相變蓄熱、熱回收及強化換熱技術(shù)研究。