針翅管式相變儲(chǔ)熱換熱器的實(shí)驗(yàn)研究

針翅管式相變儲(chǔ)熱換熱器的實(shí)驗(yàn)研究

0相變充放熱技術(shù)在盈余和太陽能能量使用系統(tǒng)中，采用合適的儲(chǔ)熱兵器模型，可以提高能源利用效率，解決供需雙方時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度不一致的問題。儲(chǔ)熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽能利用、能源調(diào)節(jié)、報(bào)廢熱處理和熱熱回收等領(lǐng)域。潛熱蓄熱能量密度高，蓄熱和放熱過程的溫度幾乎相同。其中，固液體萃取和蓄熱的優(yōu)點(diǎn)是由于萃取時(shí)的體積變化很小，因此很受歡迎。彭嵐等用醋酸鈉作為相變材料對(duì)內(nèi)縱翅片套管管殼式相變蓄熱器進(jìn)行了充放熱性能的實(shí)驗(yàn)研究.侯欣賓等用氟化物作為相變材料對(duì)采用獨(dú)立相變材料容器的管殼式相變蓄熱器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.Bogdan等人對(duì)采用熱管相變蓄熱器進(jìn)行了理論研究.Banaszek等人對(duì)螺旋管式結(jié)構(gòu)的蓄熱裝置進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.研究主要集中在低溫和高溫領(lǐng)域.中溫領(lǐng)域的相變蓄熱技術(shù)研究一直比較滯后.赤藻糖醇作為中溫相變材料具有以下優(yōu)點(diǎn):相變溫度合適,相變潛熱大,相變體積變化小;熱穩(wěn)定性好,無腐蝕,無毒,不燃,相容性好,但同時(shí)具有導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn).因此筆者采用相變溫度為120℃的赤藻糖醇作為相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研制設(shè)計(jì)了一套針翅管式相變換熱蓄熱器,對(duì)其進(jìn)行充、放熱過程實(shí)驗(yàn)研究.1管間蓄熱換熱器內(nèi)部過程動(dòng)態(tài)研究圖1給出了實(shí)驗(yàn)所研制的針翅管相變蓄熱換熱器的結(jié)構(gòu)簡圖.可以看出,換熱器內(nèi)部設(shè)有正排的36根針翅強(qiáng)化換熱紫銅管,相變材料直接灌裝在翅片管間.翅片直接在銅管上加工而成,沒有附加熱阻,且換熱面積擴(kuò)大到10倍以上,極大地克服了材料導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn).同時(shí)為了防止散熱,在蓄熱換熱器的外壁包覆保溫材料.圖1同時(shí)給出了相變蓄熱換熱器的內(nèi)部熱電偶布置,用溫度采集自動(dòng)記錄儀記錄銅-康銅熱電偶測得的數(shù)據(jù).筆者采用赤藻糖醇作為相變材料,分別在1.6,2.0,2.4m/s的工況下對(duì)相變蓄熱換熱器進(jìn)行了充、放熱實(shí)驗(yàn),研究了不同流量對(duì)充、放熱過程的影響.2結(jié)果與分析2.1管管壁的熱儲(chǔ)圖2給出了加熱流體入口溫度為235℃,流量為1.6m/s條件下,蓄熱器內(nèi)相變材料隨時(shí)間的變化情況.在初始顯熱階段,相變材料與加熱流體之間的換熱溫差較大,并且從換熱管管壁吸收到的熱量以顯熱的形式儲(chǔ)存起來;再加上換熱管翅片的強(qiáng)化傳熱作用,故相變材料的溫度上升很快.當(dāng)溫度上升到相變溫度附近時(shí),開始進(jìn)入融化階段,相變材料在相變過程中吸收大量的熱并以潛熱的形式儲(chǔ)存,所以此階段相變材料的溫度隨時(shí)間變化較小,曲線平坦.隨著融化的繼續(xù),當(dāng)融化層達(dá)到一定厚度時(shí),由于管壁和固液界面之間的溫差以及融化層液體中密度差的作用,出現(xiàn)了自然對(duì)流.并且隨著融化層的增加,這種自然對(duì)流作用得到加強(qiáng),加速了融化過程的進(jìn)行.融化完畢后,由于換熱溫差不斷減小以及自然對(duì)流效應(yīng)加強(qiáng),溫度上升逐漸緩慢.2.2相變材料的熱性能圖3給出了取熱流體入口溫度為40℃,流量為1.6m/s條件下,蓄熱器內(nèi)相變材料隨時(shí)間的變化規(guī)律.過程初期為顯熱釋熱階段,再加上換熱溫差大,故相變材料由初始溫度迅速降至相變溫度.凝固開始后,相變材料在相變點(diǎn)附近潛熱釋熱,所以溫度曲線下降緩慢.凝固完畢后,由于換熱溫差逐漸減小,故溫度曲線下降較緩慢.2.3加熱時(shí)變溫度場規(guī)律圖2、圖3反映了在工質(zhì)流速和進(jìn)口溫度不變情況下,相變材料的溫度變化規(guī)律情況,但隨時(shí)間變化有一定的超前或滯后現(xiàn)象.由于點(diǎn)2比點(diǎn)1距離加熱管近,故加熱時(shí)同一時(shí)刻點(diǎn)2溫度高于點(diǎn)1,放熱時(shí)點(diǎn)2溫度下降比點(diǎn)1迅速.另外,由于中部管束的工質(zhì)流量略大于周圍管束工質(zhì)流量,故加熱時(shí)點(diǎn)3溫度同一時(shí)刻低于點(diǎn)1和點(diǎn)2的溫度,放熱時(shí)溫度下降較點(diǎn)1和點(diǎn)2緩慢.在融化過程中,靠近管壁或是處在中部管束附近的點(diǎn)均較早到達(dá)相變溫度.由于這些點(diǎn)相變吸收了大量熱量,導(dǎo)致傳輸?shù)狡渌c(diǎn)的熱量少,故此時(shí)雖然其它點(diǎn)的溫度未到達(dá)相變溫度,其溫度變化也緩慢.完全融化后,由于自然對(duì)流作用的加強(qiáng),各點(diǎn)溫差逐步減小并將趨于一致.凝固過程同樣遵守以上規(guī)律,只是完全凝固后材料溫度場依靠導(dǎo)熱作用各點(diǎn)溫差逐步減小.圖4、圖5給出了在工質(zhì)流量和進(jìn)口溫度不變時(shí)相變材料沿工質(zhì)流動(dòng)方向的溫度變化規(guī)律.圖中曲線表明相變材料沿工質(zhì)流動(dòng)方向溫度變化規(guī)律一致,但存在一定的超前或滯后現(xiàn)象.由于加熱時(shí)在流動(dòng)方向加熱工質(zhì)不斷釋放熱量給相變材料,使自身與相變材料之間的換熱溫差降低,換熱能力減小,故同一時(shí)刻離加熱工質(zhì)入口近的點(diǎn)2溫度高于點(diǎn)5和點(diǎn)8的溫度,并且先發(fā)生相變.相變完畢后各點(diǎn)溫差將會(huì)逐步減小.放熱過程同樣具有類似規(guī)律.2.4流體速度對(duì)材料溫度的影響圖6給出了供熱流體的流量對(duì)相變材料溫度隨時(shí)間變化的影響情況.圖7給出了取熱流體的流量對(duì)相變材料溫度隨時(shí)間變化的影響情況.圖中表明,在實(shí)驗(yàn)所取的工況范圍內(nèi),供、取熱流體的流量對(duì)材料溫度影響不是很明顯.這是由于實(shí)驗(yàn)所采用的流速較小,屬于層流區(qū)范圍,由流體內(nèi)流圓管的對(duì)流換熱可知,換熱系數(shù)近似常數(shù),故影響程度小.在湍流區(qū)時(shí),換熱系數(shù)將會(huì)明顯增加,此時(shí)影響明顯.2.5相變材料蓄熱速度影響圖8給出了融化和凝固過程中能量隨時(shí)間的變化規(guī)律.在融化過程中,相變產(chǎn)生前供熱流體與相變材料之間換熱溫差大,蓄熱速度快.發(fā)生相變時(shí),雖然換熱溫差下降,但由于出現(xiàn)自然對(duì)流效應(yīng),因此蓄熱速度依舊比較快.在融化后期,雖自然對(duì)流作用得到一定加強(qiáng),但隨著換熱溫差進(jìn)一步下降,因此相變材料蓄熱速度逐步減小.同樣,在凝固過程中,能量的釋放速度也是逐步減小的.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(1)在融化、凝固過程中,相變材料溫度在120℃附近相變區(qū)域內(nèi)變化緩慢,在換熱過程前期變化較快,后期較慢,材料內(nèi)部溫度變化規(guī)律一致,但隨時(shí)間變化均有一定的超前或滯后現(xiàn)象.(2)流體的流量主要通過影響流體與管壁的換熱系數(shù)來影響換熱管的換熱效果,實(shí)驗(yàn)中層流區(qū)內(nèi)影響不明顯.(3)隨著換熱溫差的減小,儲(chǔ)、放熱過程