翅片管簇式相变蓄热器的实验研究

摘 要

摘要：设计了一种翅片管簇式相变蓄热器，对其进行实验研究。翅片管簇式相变蓄热器能有效地解决相变蓄热装置放热过程时间长、换热效率低的问题，具有很好的工程应用潜力。关键词：翅
摘要：设计了一种翅片管簇式相变蓄热器，对其进行实验研究。翅片管簇式相变蓄热器能有效地解决相变蓄热装置放热过程时间长、换热效率低的问题，具有很好的工程应用潜力。
关键词：翅片管簇式相变蓄热器；相变蓄热；相变材料；蓄热；放热
Experimental Study of Finned-tube Bundle Phase-change Heat Storage Device
LI Wei，LI Xinguo
Abstract：A finned-tube bundle phase-change heat storage device is designed and studied experimentally.The finned-tube bundle phase-change heat storage device can effectively solve the problems of long-time heat release and low heat exchange efficiency，and so it has a good potential for engineering applications.
Key words：finned-tube bundle phase-change heat storage device；phase-change heat storage；phase-change material；heat storage；heat release
1 概述
   蓄热的基本形式有显热蓄热、潜热蓄热以及热化学蓄热。热化学蓄热的蓄热密度高，但系统复杂，还没有得到广泛的工业应用。显热蓄热利用材料的热容进行蓄热，是目前应用最成熟的蓄热方式，但因为其蓄热密度低，蓄热装置体积庞大，成本及空间占用较大。潜热蓄热也称相变蓄热，利用相变材料(PCM)发生相变时会吸收或放出大量的热能来进行蓄热，相变蓄热具有蓄热密度高、放热过程温度波动小等优点。
    相变蓄热技术的利用有很早的历史，在我国古代人们就将冬天的冰蓄存到夏天，以改善生活环境或冰镇食品。物质的相变方式有固-液相变、固-气相变和液-气相变，其中固-液相变蓄热过程体积变化小，研究和利用最为广泛，本文研究的相变蓄热过程是固-液相变。除了新能源领域，相变蓄热技术在航天、建筑、化工等很多领域都有非常好的应用前景，发达国家在研究高蓄热密度、性能稳定、低成本的相变材料及相变蓄热技术上取得了很大的进展[1～5]，我国近年来在这一领域也取得了长足的进步[6～8]，但与国外仍然存在明显的差距。
    本文设计了一种翅片管簇式相变蓄热器，管内为换热流体，入口温度为恒温，管外为相变材料。搭建了实验台，对相变蓄热器内的温度分布及其蓄、放热特性进行实验研究。
2 实验装置与系统
    ① 翅片管簇式相变蓄热器的结构
    翅片管簇式相变蓄热器主要由箱体、保温层、翅片管、相变材料等构成，结构见图1。箱体中布置有多组翅片管，成蛇行排列，相变材料放置在翅片管与箱体、翅片管与翅片管之间，翅片管内有换热流体(水)流过，箱体外覆有保温层。其中翅片管结构形式为在光滑管壁上按一定间距焊接翅片。多组翅片管错列布置在箱体内，可以使箱体内相变材料的温度保持均匀，从而保证热量交换的稳定均匀。在箱盖外表面覆有保温层，减少蓄热器的热损失。另外，在箱盖上表面制有便于打开箱盖的提手，更加方便安装及使用。

    ② 实验系统
    搭建实验台，对翅片管簇式相变蓄热器的蓄、放热特性及其内部相变材料的熔化、凝固过程进行研究。恒温水槽保证供应温度恒定的冷、热水，水槽里布置有加热器，外部与空调机组相连接，还布置有热电偶对水温进行监控，并由调温装置保证水槽内水温恒定。恒温水通过水管被水泵送入翅片管簇式相变蓄热器中，与相变材料进行热量交换，水流量通过手动阀门来调节，并通过一个涡轮流量计进行测量。温度的测量通过热电偶、数据采集器和电脑终端完成。
   ③ 相变材料
   以石蜡为相变材料，其物理性质为：密度为800kg/m3；比热容为2kJ/(kg·K)；液相的热导率为0.20W/(m·K)，固相的热导率为0.27W/(m·K)；运动黏度为5×10-6m2/s；相变潜热为140kJ/kg；熔化温度为41℃，凝固温度为47℃。
   ④ 实验流程
   本实验研究两个过程：蓄热过程和放热过程。进行蓄热时，关闭空调机组，并关断水箱与空调机组间的通路。接通电加热器，对水进行加热，电加热功率由调压器和可控硅调节。当水温达到设定的加热温度时，开启水泵，将热水通过管道输送到相变蓄热器的进水管，然后进入箱体内的翅片管，与管外的相变材料换热。相变材料吸收热量，逐渐熔化，即把热水的显热蓄存到相变材料里。当相变材料全部熔化时，蓄热过程便完成了。
    放热过程一般在蓄热过程结束后进行，这样可以节省实验的时间和人力成本。当蓄热完成后，关闭电加热器，开启空调机组，将水箱的水温降下来，达到设定的冷却温度后，开启水泵，往蓄热器中通入冷水，吸收相变材料中蓄存的热量。液态的相变材料放出热量，并逐渐凝固，当相变材料全部凝固后，放热过程便完成了。
    实验中，主要测量蓄热器内的温度分布，水侧进、出口温度以及水流量等。蓄热器内的温度分布由安装在其内部的热电偶测量，蓄热器内沿高度方向等距离布置5支热电偶，从下到上依次编号为1#至5#。另外在蓄热器水侧进口和出口处布置两支热电偶，以测量水侧进、出口温度。测温热电偶均为铜-康铜热电偶，直径为0.2mm，用数据采集器对温度数据进行采集。
3 结果与讨论
    进口质量流量为1.0t/h，进口水温为55℃时，蓄热时相变蓄热器内的温度分布见图2。由图2可知，蓄热开始时，各测点温度升高很快，这是因为管壁与石蜡的传热温差很大，且石蜡还未达到熔化温度，为显热换热；当达到熔化温度后，石蜡开始熔化，此时为潜热换热，温度变化比较平缓；之后石蜡温度又比较快速地上升，并接近水管内水温，由于这时石蜡熔化过程基本完成，又变为显热换热。
    进口质量流量为1.0t/h，进口水温为40℃时，放热时相变蓄热器内的温度分布见图3。由图3可知，放热过程中，石蜡的温度变化为：先较快降低，然后平缓降低，之后又快速降低。这同样是由于石蜡相变的影响作用。
    一般来说，在相变蓄热技术应用中，由于自然对流的存在，蓄热过程(熔化)进行得更快一些，特别是对于尺寸较大的蓄热装置，放热过程完成的时间会很长。这是相变蓄热技术的瓶颈之一，严重制约了其推广应用。比较图2和图3可知，蓄热过程和放热过程完成的时间差别并不大，这是因为文中设计的相变蓄热器采用翅片管簇，使相变材料的温度变化更均匀，优化了装置的传热性能。

   将本文设计的翅片管簇式相变蓄热器应用到某蓄热系统示范工程中，对其实际效果进行分析，发现它发挥了明显的作用，使水箱温度波动较大的问题得到了缓解。在实际应用中，相变蓄热器的使用可以大大减小水箱的体积，甚至完全代替水箱，这会降低工程成本和减小占用的空间。
4 结论
   由于具有蓄热密度高、温度较恒定等优点，相变蓄热技术的应用日趋广泛。本文的研究结果表明：翅片管簇式相变蓄热器能有效地解决相变蓄热装置放热过程时间长、换热效率低的问题，具有很好的工程应用潜力。
参考文献：
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(本文作者：李伟1 李新国2 1.天津城市建设学院 能源与机械工程系 天津 300384；2.天津大学机械工程学院 天津 300072)