流體溫度及流速對(duì)鋁管內(nèi)石蠟傳熱性能的影響.docx

1、第39卷第1期2012年1月Vol.39,No.IJan.,2012華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity流體溫度及流速對(duì)鋁管內(nèi)石蠟傳熱性能的影響甘雪菲，何正斌，伊松林，張璧光(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京1燦83)摘要：分析了鋁管外換熱流像溫度及流速時(shí)偌管內(nèi)石靖儲(chǔ)放然性能的影響，并通過簡(jiǎn)化君蠟相變模型,反推得到放熱過程中液相石蜻區(qū)域半徑。結(jié)果表明：風(fēng)速越大，儲(chǔ)熱時(shí)間越短，最短的儲(chǔ)然時(shí)間為1380s,屬于溫度為80笆、風(fēng)速為3m/s的情況；在一定溫度下，風(fēng)速越大，管壁溫度下降題快，放然時(shí)間越短；通過反推液相區(qū)半技發(fā)現(xiàn)，政速越

2、小，石蜻凝回越慢.放熱結(jié)束時(shí)的液相區(qū)越大；技小液相半徑出現(xiàn)在空氣溫度為80T,風(fēng)速為1.5m/s的情況下，其依為4.19mm。關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)格；石蠟；熱傳導(dǎo)；新固半徑中圖分類號(hào)：QO5I.8+92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-2691(2012)01-0087-06Theeffectofairtemperatureandvelocityonheat-conductingpropertyofparaffinfilledinaluminumtubesGANXue-fei,HEZheng-bintYISongdin,ZHANGBi-guang(CollegeofMaterialSciencean

3、dTechnologytBeijingForestryUniversity.Beijing1OOO83.China)Abstract:Theeffectofairtemperatureandairvelocityonheattransferperformancewasstudiedinthispaper.Theradiusofliquidzonewasoblainedwithinversemethodbasedonasimplifiedphase-changemodel.Theresultsshowthat：thelargerthewindspeed,thetimetostoreheatiss

4、horter.Theshortestlimeis1380secondswith80Yairtemperatureand3m/sairspeed;Inacertaintemperaturetthelargerthewindspeedtthemorerapidlythetubewalltemperaturedropsandtheshortertheexothermictimeis;Itisfoundfromradiuscalculationthatthelowerthewindspeed,themoreslowlytheparaffinsolidifiesandthelargertheareaof

5、liquidzoneisattheendofexothermicprocess;Theleastradiusofparaffinliquidzoneis4.19mmwith80Yairtemperatureand1.5m/sairspeed.Keywords:phasechangeheatstorage；paraffin;heatconduction;solidificationradius。引言為了使能址在供需上得到較好的匹配，儲(chǔ)熱系統(tǒng)已經(jīng)成為能量利用的重點(diǎn)研究對(duì)象，在太陽(yáng)能利用、電力的“削峰填谷”、廢熱和余熱回收等領(lǐng)域口具有廣泛應(yīng)用前景。一般而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)能量的作用至少包含兩次能雖轉(zhuǎn)換過

6、程，而每一次轉(zhuǎn)換過程都會(huì)使能做有所損失或貶值。因此，提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的能破轉(zhuǎn)換效率，其意義不收稿日期：2011-08-30.矗金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃“木材太陽(yáng)能F燥相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)特性及優(yōu)化匹配的研究言而喻。儲(chǔ)熱材料的種類繁多，有機(jī)類相變儲(chǔ)能材料具有無過冷及析出，性能穩(wěn)定，無毒，無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)其中石蠟類有機(jī)物除具有有機(jī)化合物的優(yōu)點(diǎn)外，其相變潛熱量大、相變溫度范圍廣、價(jià)格低，所以在相變儲(chǔ)能材料的研究使用中受到廣泛的重視。然而，與其他材料相比，石蠟作為儲(chǔ)熱材料最大的不足則是導(dǎo)熱性能較差，人們對(duì)此展開了大量的研究。文獻(xiàn)6基于集總參數(shù)法和矩形相變等效比熱假設(shè)建立了相變材料的相變過程溫度模型。文獻(xiàn)7

7、對(duì)相變潛熱隨溫度變化的變溫固液相變過程進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算，并重點(diǎn)分析了相變潛熱隨溫度變化對(duì)相變過程的影響。文獻(xiàn)【81對(duì)石蠟的導(dǎo)熱性能進(jìn)行改進(jìn)，為石蠟作為儲(chǔ)熱材料更為廣泛的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)9用導(dǎo)熱系數(shù)比較高的不銹鋼片，銅片和石墨-相變材料復(fù)合材料作為添加劑來提高導(dǎo)熱流體與相變材料之間的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，通過添加劑可以大大縮短相變儲(chǔ)熱材料的熔化時(shí)間和凝固時(shí)間。文獻(xiàn)10通過金屬泡沫來增加石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，在石蠟熔化過程中，金屬泡沫可以將傳熱速度提高一倍。文獻(xiàn)11研究了周列殼管式蓄熱設(shè)備，重點(diǎn)對(duì)技術(shù)等級(jí)石蠟的熔化凝固過程做了相應(yīng)的傳熱分析。文獻(xiàn)12基于集總參數(shù)法和矩形相變等效比熱假設(shè)

8、建立了相變材料的相變過程溫度模型。文獻(xiàn)13選取殼管式單元體進(jìn)行傳熱分析，建立數(shù)學(xué)模型編制程序選取初始參數(shù)進(jìn)行算法演示，得到石蠟蓄熱、放熱過程中水流溫度-水流經(jīng)過的管道-時(shí)間、水流經(jīng)單元體管道的換熱量-水流經(jīng)過的管道-時(shí)間、石蠟?zāi)?熔化半徑-不同管道-水流循環(huán)次數(shù)等關(guān)系量間的變化曲線，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到了很大的指導(dǎo)作用。文獻(xiàn)14對(duì)不同溫度下石蠟的熔化情況進(jìn)行了研究，得出了石蠟熔化的規(guī)律，并提出了改進(jìn)石蠟導(dǎo)熱性的辦法，為石蠟作為儲(chǔ)熱材料更為廣泛的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在實(shí)際使用時(shí)，并不都是大ht石蠟聚集在一處，而是被分散地盛裝在小規(guī)格的容器中。試驗(yàn)中石蠟裝在直徑為20mm的鋁管中，大量鋁管按照一

9、定的順序排列起來形成儲(chǔ)熱管束。由于管徑較小，鋁管的體積限制了石蠟相變時(shí)的各種運(yùn)動(dòng)。比起大空間下相變過程受對(duì)流、固液共存區(qū)域移動(dòng)等的影響，管內(nèi)相變過程更多地受制于鋁管的條件，如鋁管厚度、鋁管導(dǎo)熱性能、管外風(fēng)速風(fēng)溫等。該系統(tǒng)儲(chǔ)熱放熱是較復(fù)雜的熱最傳遞過程，其中涉及到石蠟各相區(qū)之間的熱傳導(dǎo).石始與鋁管壁之間的熱傳導(dǎo)以及空氣與管壁之間的換熱。石蠟中心與管壁的溫差反映了石蠟管導(dǎo)熱性能的好壞，而導(dǎo)熱性能則影響著空氣與管壁的換熱性能。因此本文對(duì)石蠟管管壁溫度與石蠟中心溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，并通過簡(jiǎn)化相變模型反推了放熱過程中液相石蠟的半徑，為進(jìn)一步探索儲(chǔ)放熱過程中鋁管內(nèi)石蠟的傳熱性能打下基礎(chǔ)，同時(shí)給類似的儲(chǔ)熱

10、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備石蠟：54號(hào)半精煉石蠟，熔點(diǎn)54潛熱r=189kj/kgo鋁管：外徑20mm,內(nèi)徑18mm,長(zhǎng)度240mmo儲(chǔ)熱單元：將石蠟熔化后灌裝于鋁管中，單根鋁管灌裝量為0.04kg,鋁管兩端用膠塞密封。儲(chǔ)放熱系統(tǒng)：可控溫加熱系統(tǒng)，循環(huán)風(fēng)機(jī)，熱線風(fēng)速儀，叉排管束（如圖1所示，長(zhǎng)度285mm,寬度350mm,高度240mm,st=54mm,$2=40.5mm,管排數(shù)為7）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：溫度傳感器TP100熱電偶，數(shù)字巡檢儀，電腦。圖1叉4$管束儲(chǔ)熱系統(tǒng)Fig.1Staggeredtubebankthermalstoragesystem1.2試驗(yàn)方法

11、試驗(yàn)過程中.空氣溫度分別取607080丁，風(fēng)速分別取1.5,2,2.5和3m/s,在每個(gè)給定的試驗(yàn)條件下，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄18個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（分別是儲(chǔ)熱系統(tǒng)的進(jìn)口、出口，各3個(gè);鋁管外壁溫度4個(gè)；管束內(nèi)部空氣溫度4個(gè)；石蠟中心溫度4個(gè)）并得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。（1）實(shí)驗(yàn)步驟儲(chǔ)熱過程：打開電加熱器，加熱空氣溫度至603C,然后調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器，使60弋的干空氣以1.5m/s的風(fēng)速流過石蠟管束，加熱石蠟。當(dāng)石蠟中心溫度升至60丁時(shí)，儲(chǔ)熱完成。（2）放熱過程儲(chǔ)熱完成后立即關(guān)閉加熱器，打開排氣口，將空氣熱址帶走（模擬實(shí)際應(yīng)用，假設(shè)熱址12經(jīng)使用)，以使放熱過程順利進(jìn)行。當(dāng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)口溫度等于或者大于出

12、口溫度時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，即完成一個(gè)放熱過程。改變溫度及風(fēng)速條件，重夏上述步驟，直至完成所有實(shí)驗(yàn)。2結(jié)果與討論2.1溫度與風(fēng)速對(duì)石蠟儲(chǔ)放熱性能的影響如圖2所示，在儲(chǔ)熱過程中，石蠟前期升溫很快，而在大約54T開始，石蠟中心溫度呈緩慢上升狀態(tài)，除了由于石蠟需要吸收大址潛熱以外，空氣溫度與管壁溫差的逐漸減少也是導(dǎo)致儲(chǔ)熱換熱效果下降的主要原因之一。在風(fēng)速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，儲(chǔ)熱時(shí)間分別為4740s,4320s,3860s,3780s,放熱時(shí)間分別為3120s,2420s,2240s,2200so在放熱過程中，風(fēng)速越大，溫度曲線越陡，即石蠟管壁溫度以及石蠟中心溫度下降越快

13、，并R放熱時(shí)間越短。(a)風(fēng)速為1.5m/s/S間時(shí)/S何時(shí)(d)風(fēng)速為3m/s(b)風(fēng)速為2m/s(c)風(fēng)速為2.5m/s石耕中心管壁il度空代溫度ffl2空氣溫度60T不同風(fēng)速時(shí)石心放熱曲錢TheheatnloragrandreleasecurveofparalTinwith60Xairtemperature于一致。雖然由于石蠟釋放大所潛熱，使得放熱8070605040302080，3020觀察圖3儲(chǔ)熱過程可以發(fā)現(xiàn).在空氣溫度為807060504。3020(a風(fēng)速為1.5m/s(b)風(fēng)速為2m/$石蠟中心管壁溫度(c)風(fēng)速為2.5m/s空代溫度20/S間時(shí)(d)網(wǎng)速為3m/s圖3室氣溫度7

14、0T不同風(fēng)速時(shí)石蠟儲(chǔ)放熱曲線Fig.3Thehealstorageandreleasecurveofparaffinwith70XairtemperatureFig.2由傳熱學(xué)知識(shí)可知，空氣橫掠管束的換熱過程中，空氣與管壁的溫差是影響換熱效果的關(guān)鍵因素之一。在其他條件一定的情況下.空y與管壁間的溫差越大，換熱效果越明顯，即換得的熱最更多。在儲(chǔ)熱過程中，空氣與管壁的溫差隨著儲(chǔ)熱的進(jìn)行而逐漸減小，空氣溫度基本決定了石蠟儲(chǔ)熱最終溫度。在放熱過程中，空氣與管壁的溫差起初較小，然后逐漸增大，在放熱即將結(jié)束時(shí)乂逐漸減小。石蠟中心與管壁在儲(chǔ)熱過程中溫差不大，而在放熱開始時(shí)立即產(chǎn)生溫差，并迅速增大，在放熱即將

15、結(jié)束時(shí)溫差縮小，二者溫度趨期間管壁與空氣的溫差增大，促進(jìn)換熱，但是管壁溫度曲線并不似石蠟溫度曲線那樣具有孤度,并FL比起石蠟中心與空氣的溫差，可見損失不少。由此可知，熱量從鋁管外傳遞至石始中心,其傳熱過程是較為順利的，而當(dāng)熱址從石始中心要:傳遞到鋁管外則有一定的困難。隨著溫度升高，儲(chǔ)熱時(shí)間逐漸縮短。圖3中，在70龍儲(chǔ)熱溫度，風(fēng)速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，鋁管石蠟的儲(chǔ)熱時(shí)間分別為3000s,2720s,2520s,2280s,放熱時(shí)間分別為3680s,3040s,2480s,2340so70龍的條件下，管壁溫度與石蠟溫度溫差較空氣為60T條件下的溫差有明顯增大，并

16、且隨著風(fēng)速增加，管壁溫度更接近于空氣溫度?？梢灾?，在該條件下，石蠟與管壁的熱傳導(dǎo)效果不如空氣與管壁的換熱效果，鋁管溫度受空氣溫度以及風(fēng)速等管外因素影響更甚。由于該放熱過程前期是顯熱釋放，圖3中石蠟中心溫度的線的弧度更好地反映石蠟釋放潛熱的相變過程。比較圖3(a)至圖3(d)可以看出,圖3(a)中的石蠟中心溫度曲線的孤度最為明顯,說明石蠟在釋放潛熱時(shí)，其熱最并沒有及時(shí)傳遞到鋁管外，而是停留在中心處，使得石蠟中心長(zhǎng)期地維持較高的溫度。低風(fēng)速使得石蠟管束儲(chǔ)熱系統(tǒng)在空間上換熱更均勻，但是換熱效果較差。如圖4,在80Y儲(chǔ)熱溫度，風(fēng)速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，鋁管石蠟的W

17、807060504030201003-號(hào)(a)風(fēng)速為(b)風(fēng)速為2m/s(c)風(fēng)速為2.5m/s(d)風(fēng)速為3m/s石姑中心一1?壁溫度空氣溫度圖4空氣溫度80T不同風(fēng)速時(shí)石蠟儲(chǔ)放熱曲線ThehealKtorageandreleasecurveofparaffinwith80TairtemperatureFig.4儲(chǔ)熱時(shí)間分別為1760s,1860s,1700s,1380s,放熱時(shí)間分別為3820s,3060s,2660s,2480s。相比低溫儲(chǔ)熱，高溫儲(chǔ)熱的溫度曲線對(duì)石蠟吸收潛熱時(shí)的反映較不明顯。并且管壁與石蠟中心溫差較小?？梢哉J(rèn)為該溫度下，石蠟管儲(chǔ)熱的導(dǎo)熱性能較好。圖4(a)為所有試驗(yàn)的放

18、熱過程中，唯一能明顯看到管壁溫度曲線呈現(xiàn)弧度，與石蠟中心溫度曲線相似。由此可知，就本實(shí)驗(yàn)而言，風(fēng)速為1.5m/s,初始換熱空氣溫度為80勾條件下，石蠟與鋁管的放熱導(dǎo)熱性能最佳。另外，比較60T,7080七的放熱曲線可以知道，換熱空氣初始溫度越高，停止放熱時(shí)石蠟中心的溫度越低，即有效放熱溫度區(qū)間更長(zhǎng)°如在風(fēng)速為2m/s條件下，60P的放熱區(qū)間為57.9341.55無，80無的放熱區(qū)間為77.4038.053C。2.2利用簡(jiǎn)化模型反推凝固半徑將鋁管內(nèi)石蠟看作圓筒的穩(wěn)定導(dǎo)熱，由于鋁管K度L=240mm與外徑d=20mm之比大于10,近端處軸向溫度變化忽略不計(jì)，溫度只沿半徑r方向變化，整個(gè)放

19、熱過程視作一維熱傳導(dǎo)，其等溫面是與管壁同軸的圓柱面。把鋁管石蠟分為3大部分，七為石蠟液相區(qū)半徑,I為鋁管內(nèi)徑，r,-r,為石蠟固相區(qū)，心為鋁管外徑，L為鋁管壁厚，如圖5。在放熱過程中，隨著石蠟放熱凝固，石蠟的液相區(qū)將逐漸減小，視模型液相區(qū)各處溫度與液相區(qū)中心，即石蠟中心溫度相同。圖5鋁帶內(nèi)石蠟?zāi)Ｐ虵ig.5ThemodelofparafGnfilledinaluminumtube根據(jù)穩(wěn)定導(dǎo)熱公式(1)反推液相區(qū)半徑,從而可以得到鋁管石蠟放熱過程中，石蠟的凝固狀態(tài)。Qn=;(1)frifi,r,式中：a為石蠟放熱的熱流最，叩遙為鋁管長(zhǎng)度,m；T,為石蠟中心溫度，K；7為鋁管外壁溫度，K；k、為固

20、相石蠟導(dǎo)熱系數(shù)，“/(mK)；奶為鋁管的導(dǎo)熱系數(shù)少為所求石蠟液相區(qū)半徑，mm；弓=9mm為鋁管內(nèi)徑；6=10mm為鋁管外徑。所求石蠟液相區(qū)半徑結(jié)果如圖6所示。從計(jì)算結(jié)果圖6可以看到，石蠟最終沒有完全凝固。01000200030004000時(shí)間/s01000200030004000時(shí)間/sEE0*12S:S*§04.區(qū)S海01000200030004000HM/S(c)溫度為80C風(fēng)速LSm/s風(fēng)速2.0m/s風(fēng)速2.5nVs“風(fēng)速3.0m/s圖6石蠟液相區(qū)半徑Fig.6TheradiusofparafGnliquidzone當(dāng)放熱結(jié)束后取出石蠟管觀察，中心呈松軟的熔融狀，可見石蠟仍儲(chǔ)

21、有少部分熱量不能釋放出來。石蠟釋放潛熱時(shí)，液相區(qū)半徑以較慢的速度減小，當(dāng)潛熱釋放結(jié)束后，石蠟急速凝固，液相區(qū)半徑急劇減小。最小半徑值為4.19mm,出現(xiàn)在空氣溫度為80X：,風(fēng)速為1.5m/s的情況下，與石蠟管放熱導(dǎo)熱性能達(dá)到最佳時(shí)的條件相符。這是因?yàn)轱L(fēng)速越小，石蠟?zāi)淘铰?，凝固越充分，與之前提到的，低風(fēng)速下石蠟導(dǎo)熱更穩(wěn)定均勻相吻合。并且由前面對(duì)空氣溫度的分析比較可知，空氣初始溫度越高，停止放熱時(shí)石蠟中心溫度越低，故石蠟?zāi)淘蕉?，液相區(qū)半徑越小的低溫條件較高溫條件換熱更不充分，由于在液相區(qū)半徑較大的情況下?lián)Q熱已經(jīng)停止，導(dǎo)致石蠟殘留的熱傳較多，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡域避免熱量的浪費(fèi)。從石蠟液相區(qū)初始半

22、徑的數(shù)值變化以及放熱終了時(shí)液相區(qū)呈現(xiàn)熔融狀態(tài)等可以知道，在簡(jiǎn)化的模型中計(jì)算難免存在一些誤差。為了建立精確的相變模型，不僅要考慮固液共存區(qū)域，同時(shí)仍需要考慮中空現(xiàn)象。因?yàn)殇X管內(nèi)石蠟?zāi)虝r(shí)，受管壁影響，固態(tài)石蠟附著在鋁管內(nèi)壁，中心呈窩狀下陷，這就容易導(dǎo)致中間形成空洞，實(shí)際情況將更加復(fù)雜。3結(jié)論(1) 空氣溫度越高，風(fēng)速越大，則儲(chǔ)熱換熱效果越好，儲(chǔ)熱所需時(shí)間越短，最短的儲(chǔ)熱時(shí)間為1380s,屬于溫度為80無、風(fēng)速為3m/s的情況。低溫儲(chǔ)熱更能反映石蠟吸收潛熱的情況。(2) 在一定溫度下，風(fēng)速越大，放熱時(shí)間越短。管壁溫度下降越快，溫差增大，可換得熱扯更多。較低的風(fēng)速，對(duì)于石蠟管束儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在空間上換熱

23、更均勻，熱量的釋放也較為緩慢，但是容易導(dǎo)致熱量集中在石蠟中無法被換取出來，造成能量的浪費(fèi)。(3) 通過反推半徑發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越小，石蠟?zāi)淘铰艧峤Y(jié)束時(shí)的液相區(qū)越大，最小液相半徑出現(xiàn)在空氣溫度為80T,風(fēng)速為1.5m/s的情況下，其值為4.19mm。該方法推算石蠟?zāi)贪霃綄?duì)建立精確的相變模型具有一定的參考價(jià)值,對(duì)在實(shí)際中影響甚至控制放熱過程有一定的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：1王守濤.蓄能式空調(diào)系統(tǒng)中有機(jī)相變材料的研究D.大連：大連海事大學(xué)，2008.2MondalS.Phasechangematerialsforsmarttextiles：AnoverreviewJ.AppliedthermalEng

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28、LRadarhandbookMj.2ndEdition.NewYork:Mcgraw*Hill,1990.2譯著序號(hào)作者.書名M.譯者.出版地：出版者，出版年.（專著中的析出文獻(xiàn)成注明起止頁(yè)碼）示例：】霍斯尼RK.谷物科學(xué)與工藝學(xué)原理Mj.李慶龍，譯.北京：中國(guó)儀器出版社，1989.3期刊序號(hào)作者.題名J.刊名，年，卷（期）：起止頁(yè)碼.示例：I金顯賀，王昌長(zhǎng)，王忠東，等.一種用于在線檢則局部放電的數(shù)字濾波技術(shù)J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1993,33（4）:62-167.2KucheikoS,ChoiJW,KimHJ,e（al.CnmputerarchitectureaquantitativeapproachJ.JournalAmericanCeramSoc,1997,80（1!）：2937-2940.4論文集序號(hào)作者.題名c論文集名.出版地：出版者，出版年：起止頁(yè)碼.示例：1）張佐光，張曉宏，仲偉虹，等.多相混雜纖維復(fù)合材料拉伸行為分析c/第九屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論