相變儲熱換熱器文獻綜述

1、相變儲熱換熱器文獻綜述1引言在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備， 統(tǒng)稱為換熱器。 它是化工、煉油、動力、原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè) 備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。通常在化工 廠得建設(shè)中，換熱器約占總投資的 1020%。在石油煉廠中，換熱器約占全部工 藝設(shè)備投資的8540%。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如 加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過 這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各種各

2、樣的形式和結(jié)構(gòu)。另外，在 化工生產(chǎn)中，有時換熱器作為一個單獨的化工設(shè)備，有時則把它作為某一個工藝 設(shè)備中的組成部分。其他如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐， 有時在生產(chǎn)中也是不可缺少的?？傊瑩Q熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分廣泛的， 任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開它。2換熱器發(fā)展歷史簡要回顧二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換 熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板 翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式 換熱器，用于紙漿工

3、廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對 新材料料制成的換熱器開始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅 速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器， 再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù) 的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬 勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱 和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。 70年代中期，為 了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器按傳熱 方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今世界的兩大主題，經(jīng)濟高速發(fā)展、人口不斷增長

4、、 過度開采和能源的利用率過低導(dǎo)致能源供需矛盾越來越大.能源緊缺受到人們越 來越多的關(guān)注，能量存儲隨之引入了人們的生活。近年來，相變儲換熱器在太陽能利用、工業(yè)廢熱利用及暖通空調(diào)蓄冷和蓄熱等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。相變儲換熱器有多種形式，如管簇式、球形堆積床式和平板式，一些研究者對其熱性能進 行了模擬和實驗研究。3實驗研究的主要成果3.1相變儲能材料的導(dǎo)熱強化在潛熱儲熱系統(tǒng)中，相變材料通過凝固和溶化有效地儲存和釋放大量能量。 相變材料的優(yōu)點是儲熱密度大，吸熱和放熱的過程幾乎可以在恒定的溫度下進 行。但是，一些相變材料（特別是石蠟、脂肪酸等有機相變材料）導(dǎo)熱系數(shù)低的 特點往往是制約其實際應(yīng)用的重要因

5、素。因此，如何提高相變材料的導(dǎo)熱性成為 相變材料研究關(guān)注的焦點。同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的曾亮等人的研究顯示了以下幾種強化相變 材料傳熱的方法：3.1.1與金屬復(fù)合提高相變儲能復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能金屬基主要包括鋁基（泡沫鋁）和鎳基等,相變儲能材料主要包括各類熔融鹽 和堿。金屬基復(fù)合蓄熱材料既能兼?zhèn)涔腆w顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu) 點,又能克服潛熱材料在相變時液固界面處的傳熱效果差和顯熱儲能材料蓄熱量 小及很難保持在一定溫度下進行吸熱和放熱等缺點，從而使之具備能快速放熱和 快速蓄熱，蓄熱量大的特有性能。這些優(yōu)點使它可以用于貯存太陽熱能和工業(yè)加 熱爐的余熱回收等領(lǐng)域，因此有廣闊的應(yīng)用前景。3

6、.1.2與陶瓷復(fù)合提高相變儲能復(fù)合材料導(dǎo)熱性能陶瓷基相變儲能復(fù)合材料主要是將相變材料分布于陶瓷基體的超微多孔網(wǎng) 絡(luò)中，相變材料受熱熔化時吸收潛熱，而液態(tài)相變材料受陶瓷基體毛細張力的作用 不會流出，從而使相變前后維持復(fù)合材料原來的形狀。陶瓷基相變復(fù)合材料是20世紀80年代提出的，主要優(yōu)點有：可供選擇的無機鹽種類多；可同時利用顯熱和潛 熱，蓄熱密度大；無需封裝，不存在腐蝕問題；不存在過冷和相分離的問題1。3.1.3利用組合相變材料儲熱系統(tǒng)強化導(dǎo)熱利用組合相變材料儲熱系統(tǒng)也是導(dǎo)熱強化的有效手段。浙江大學(xué)能源工程系 王劍鋒等人的研究顯示，在同一儲熱系統(tǒng)中采用相變溫度不同的相變材料合理組 合，可以顯著提

7、高系統(tǒng)效率，而且能夠維持相變過程相變速率的均勻性。這一特性 對于儲熱或放熱時間有嚴格限制的儲熱系統(tǒng)具有重要意義，且適用于工作溫度從 幾十度到近千度范圍的相變材料已有數(shù)千種，這為組合相變材料儲熱的研究奠定 了應(yīng)用基礎(chǔ)。在組合式相變材料儲熱系統(tǒng)研究中，相變材料的組合方式主要有兩 種:一種方式是沿傳熱流體流動方向分別放置相變溫度不同的兩種或兩種以上的 相變材料儲熱單元；另一種方式是在同一儲熱單元內(nèi)或沿垂直于傳熱流體流動方 向通過合理組合放置相變溫度不同的兩種或兩種以上的相變材料。還有一種可能的組合方式是這兩種方式的組合。在高溫儲熱系統(tǒng)中，特別是儲熱系統(tǒng)工作溫區(qū) 較大的高溫儲熱系統(tǒng)，組合相變材料儲熱系

8、統(tǒng)將體現(xiàn)其獨特的應(yīng)用特色。無論是 哪一種組合方式的研究和應(yīng)用，都必須獲得給定傳熱流體工作條件下相變材料的 最佳組合方案；或者在給定相變材料組合方案前提下獲得傳熱流體的最佳匹配2。3.2相變儲熱換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計本文要討論的相變儲熱換熱器屬間壁式換熱器，而間壁式換熱器按結(jié)構(gòu)分為 以下幾種：（一）夾套式換熱器；（二）沉侵式蛇管換熱器；（三）噴淋式換熱器； （四）套管式換熱器；（五）螺旋板式換熱器；（六）板式換熱器；（七）板翅式 換熱器；（八）熱管式換熱器；（九）列管式換熱器3?；どa(chǎn)中使用得比較多的有板式、板翅式、管殼式（列管式）以及熱管式換熱器。321平板式相變儲換熱器平板式相變儲換熱器結(jié)構(gòu)簡單，

9、相變?nèi)萜鲀?nèi)部可布置傳熱管道，可實現(xiàn)同時充 放冷。清華大學(xué)張寅平等人建立了分析板式相變儲換熱器儲換熱性能的理論模型 采用溫度和相變界面交替迭代法進行求解。為描述此類問題的本質(zhì)，引入量綱一參數(shù)，得到了相應(yīng)的量綱一儲換熱準則公式，并討論了加肋片后的強化換熱效果4。322管殼式相變儲換熱器管殼式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標準換熱設(shè)備在許多工業(yè)部門中大量使用， 尤其是在化工、石油、能源等行業(yè)中使用更 為廣泛。一般來說，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方 便，適應(yīng)性強，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、 傳熱強度和單位金屬消耗量方便無法

10、與板式或板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點，因而在化工石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。 在換 熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效傳熱管的不斷出現(xiàn)，使得 管殼式換熱器的應(yīng)用范圍得以擴大，更增添了管殼式換熱器的新生命力5 o廣東工業(yè)大學(xué)何秀芳等人利用優(yōu)化設(shè)計理論對管殼式相變儲能換熱器進行 優(yōu)化設(shè)計的方法。以該裝置的成本為優(yōu)化目標，儲熱量、放熱時間、傳熱量、加 工和防腐要求作為約束條件，得出了最佳的管子半徑、厚度及管子根數(shù)。根據(jù)優(yōu) 化設(shè)計理論，目標函數(shù)可表示為管材和儲能材料費用總和的表達式：F=F管+FPcm其中：F管為管材的費用，其值為管材總質(zhì)量與管材價格的乘積，即

11、M管C管,管材的 總質(zhì)量M管可表示為r、S、n的函數(shù)：M管=二（ + ）2-二r2H n 管Fpcm為儲能材 料的費用，其值為儲能材料總質(zhì)量與儲能材料價格的乘積，即CpCMMpCM，儲能材料 的總質(zhì)量也可表示為r和n的函數(shù)：MPCM=：r2Hn，PCM。而約束條件有：換熱器 儲熱量、傳熱量、放熱時間、加工及防腐要求、幾何約束。323熱管相變蓄熱換熱器為解決工業(yè)余熱回收中供、需雙方在時間、地點、強度等方面的不匹配現(xiàn)象， 上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所的章學(xué)來等人將熱管應(yīng)用于相變蓄熱領(lǐng)域中，設(shè)計了熱管式相變蓄熱換熱裝置。將實驗所得的相變材料運用其中，利用鍋爐排放的 煙氣作為熱源，采用熱管作為加熱元件，

12、并在煙氣段添加環(huán)形翅片，加熱冷水， 使其成為多功能的節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器。裝置不僅有儲熱、釋熱的一般 功能，而且還具備取放熱同時進行的功能，在此功能下，熱源的熱量可以瞬時、 有效的傳遞給進行取熱的流體。而被相變材料所吸收的熱量僅占很少的部分。 通 過一定工況下的計算表明，約 70%的熱量可被傳遞給取熱流體。工作原理:換熱器大致分3層，第一層冷流體通道，中間為蓄熱體空間，第 三層為熱流體通道，三層互相獨立，互不相通。在熱流體通道內(nèi)有帶翅片換熱元 件的熱管，上面兩層均為光管，自上而下貫穿 3個空間，傳遞熱量。通過時間溫 度控制器控制煙氣熱量通過加熱翅片管加熱相變材料。相變材料發(fā)生相變，儲存

13、顯熱與潛熱，通過均布的熱管傳遞到水中，將水加熱，相變材料也逐漸發(fā)生晶格變化-凝固，釋放所存潛熱后其溫度開始下降7iffliin川換烙器怕氣彌制視圖I-保溫涇.2 -熱裁隔舒熱金屬料片底部企屬支捏禺一 iW加間擰制憶7-地遜10-溫度吋樹控制,11 -凰水lit12-湖麼時剛揮制馮，門-煙吒出1丨斗- fflfcMH J5-吹親通逍換熱器結(jié)構(gòu)圖3.3有限元仿真分析在換熱器設(shè)計中的應(yīng)用廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院朱志彬等人應(yīng)用ANSYS軟件分別對厚壁圓筒受壓情 況、換熱器換熱過程進行計算模擬，并與理論計算結(jié)果進行了比較討論。分析結(jié) 果表明，ANSYS具有很高的計算精度和強大的分析功能，可作為化工機械設(shè)計輔

14、助 分析的強有力工具，反映了該軟件在化工機械設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用前景。ANSY程序中的FLOTRAN CF分析功能是一個用于分析二維及三維流體流動 場的先進的工具，使用ANSYS用于FLOTRAN CF分析的FLUID 141和FLUID 142 單元,可對含有多種流體的（由固體隔開）熱交換器進行研究。ANSYS流體單元能進 行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓 力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布 的形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱-流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞 流并包括對流換熱效應(yīng)8。鄭州大學(xué)郭茶秀等人利用計算流體

15、力學(xué)軟件FLUENT凝固/熔化模型對一種相變材料蓄冷球的凝固過程進行數(shù)值模擬研究，得到了在第一類邊界條件下蓄冷 球凝固過程的溫度場分布、相界面移動規(guī)律，并分析了凝固時間與壁面溫度和球 徑的關(guān)系。所得到的結(jié)論對相變問題的數(shù)值模擬以及相變蓄能裝置的設(shè)計具有重 要的參考價值。他們的研究表明FLUENT在分析相變傳熱問題中具有獨特的優(yōu)勢： 它界面友好，操作方便,計算簡單快捷，具有強大的前后處理功能，是進行相變數(shù)值 計算的強有力工具9。4小結(jié)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們越來越多地關(guān)注與可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的能源 和環(huán)境問題。 設(shè)法緩解能源供需在時間、地點和強度上的不匹配問題是節(jié)能和 環(huán)保的有效途徑之一。潛熱式

16、能量存貯是一種高效的貯能方式，與顯熱式能量 存貯相比，具有能量密度高和充/釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點，相關(guān)的應(yīng)用研究已得到 廣泛的關(guān)注。近代換熱器制造加工技術(shù)日趨成熟， 將新型相變儲熱材料與傳統(tǒng)換 熱器相結(jié)合，制造新型相變儲熱換熱設(shè)備具有較大發(fā)展空間。與傳統(tǒng)換熱器比，由于要在換熱器中添加相變儲熱材料， 而大多數(shù)的相變儲 熱材料的傳熱系數(shù)低，成為換熱器強化傳熱的“瓶頸”。結(jié)合本專業(yè)特點與優(yōu)勢， 主要從改良結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，來提高相變儲熱材料傳熱系數(shù)，降低熱阻，從而達到 能量利用率的最優(yōu)化的目的。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)得以更加方便的使用， 結(jié)合有限元分析設(shè) 計，可以大大降低相變儲熱換熱器設(shè)計實驗成本， 加快設(shè)計速度，為產(chǎn)品早日投 入市場創(chuàng)造了條件。由于是要投入工程實際中的產(chǎn)品，故還應(yīng)考慮其生產(chǎn)成本的經(jīng)濟性，利用最 優(yōu)化設(shè)計原理對換熱器結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)化處理。參考文獻1 曾亮，周春玉，張東，相變材料導(dǎo)熱性能強化的研究進展，材料科學(xué)與工程 學(xué)報，上海，2010。2 王劍鋒，陳光明，陳國邦，歐陽應(yīng)秀，組合相變材料儲熱系統(tǒng)的儲熱速率研究，太陽能學(xué)報，杭州，2