自然對(duì)流對(duì)蓄熱器性能的影響

自然對(duì)流對(duì)蓄熱器性能的影響

可萃取儲(chǔ)存是一種將物質(zhì)用于儲(chǔ)存和釋放材料、硬化、冷凝、氣氛和其他形式的可變過(guò)程中的一種技術(shù)方法。蓄熱器是相變蓄熱系統(tǒng)的核心部件,開(kāi)發(fā)緊湊、高效、經(jīng)濟(jì)的相變蓄熱器,一直是相變蓄熱問(wèn)題的研究重點(diǎn)之一。筆者以德國(guó)Rubitherm公司生產(chǎn)的石蠟RT@80作蓄熱材料(PhaseChangeMaterial,PCM),水作熱載體(HeatTransferFluid,HTF),采用電加熱的方式對(duì)熱載體進(jìn)行加熱,對(duì)自然對(duì)流狀態(tài)下一種新型肋板式相變蓄熱器中的蓄、放熱過(guò)程和蓄熱器的擺放方向以及傾斜角度改變對(duì)蓄熱器性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。1芯體及肋片層間距試驗(yàn)所用新型肋板式相變蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1和圖2。試驗(yàn)裝置包括肋板式相變蓄熱器、T型熱電偶、壓差計(jì)、真空表、數(shù)據(jù)采集儀器、相關(guān)的管道和閥門(mén)、灌裝容器、真空泵、離心泵、水箱及溫控柜等。其中肋板式相變蓄熱器由上蓋板、下蓋板、上下蓋板之間的隔板、肋片及接管等組成,接管和蓋板以角孔連接。蓄熱器的內(nèi)部芯體由若干層依次疊置的隔板、肋片組成。其中隔板包括第1隔板和第2隔板,蓋板、第1隔板和第2隔板的四角設(shè)有角孔,四邊設(shè)有角度相同的折邊,第1隔板對(duì)角線上的第1和第3角孔邊緣分別設(shè)有與隔板中心平面延伸連接的凸起平面,凸起平面的高度與肋片高度相等,在另一條對(duì)角線上的第2和第4角孔邊緣設(shè)有下翻折邊。第2隔板對(duì)角線上的第2和第4角孔邊緣分別設(shè)有與隔板中心平面延伸連接的凸起平面,凸起平面的高度與肋片高度相等,在另一條對(duì)角線上的第1和第3角孔邊緣設(shè)有下翻折邊。第1隔板和第2隔板依次連接,形成間隔的蓄熱體和熱載體介質(zhì)空間,肋片設(shè)在兩介質(zhì)空間內(nèi),并與隔板中心平面連接,連接在蓄熱體介質(zhì)空間的2個(gè)接管只用來(lái)充裝蓄熱材料,充裝完成之后用堵頭將其密封。試驗(yàn)用蓄熱器尺寸為1500mm×800mm×29mm,內(nèi)部肋片高度hf=6.5mm,肋片間距Ss=2.5mm,肋片厚度δf=0.3mm,肋片節(jié)距Lf=5.0mm,當(dāng)量直徑De=3.25mm。蓄熱材料RT@80的物理參數(shù)見(jiàn)表1。2石蠟rt@80的蓄熱試驗(yàn)蓄熱器的性能試驗(yàn)分為蓄熱和放熱兩部分,當(dāng)蓄熱器中通熱水時(shí),蓄熱器中的相變材料RT@80開(kāi)始熔解,待其完全熔解后,再通以冷水,RT@80開(kāi)始凝固。試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖3。試驗(yàn)中,在蓄熱器內(nèi)部相變材料側(cè)的測(cè)溫孔1、2、3處(分別位于熱載體的進(jìn)口處、蓄熱器的中間部位、熱載體的出口處)分別插入3支T型熱電偶,用以測(cè)量熱載體水的溫度。本文采取的試驗(yàn)條件:①蓄熱時(shí),熱載體水的入口溫度分別取81℃、83℃、85℃、87℃和89℃。②放熱時(shí),水的入口溫度分別取71℃、73℃、75℃、77℃和78℃。③水的體積流量為0.705m3/h。④將蓄熱器分別按側(cè)立和豎立擺放,并從0°、30°、45°、60°、90°共變換9種不同的傾角(θ)放置(圖4和圖5)分別測(cè)試。試驗(yàn)步驟如下(參照?qǐng)D3)。(1)嚴(yán)格按照充裝步驟完成石蠟RT@80的灌裝,關(guān)閉PCM側(cè)的閥門(mén),打開(kāi)電加熱開(kāi)關(guān)對(duì)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱,待溫度控制柜的溫度指示80℃左右時(shí),依次打開(kāi)泵和閥門(mén)1,使水箱內(nèi)的水溫均勻并達(dá)到蓄熱試驗(yàn)要求的溫度時(shí),打開(kāi)閥門(mén)2和閥門(mén)3,同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)1。(2)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件,對(duì)5個(gè)熱電偶的溫度值進(jìn)行監(jiān)測(cè),待實(shí)驗(yàn)元件中3個(gè)熱電偶的測(cè)量值中的最小值大于81.5℃時(shí),蓄熱試驗(yàn)完成。(3)蓄熱試驗(yàn)完成后對(duì)水箱內(nèi)的水繼續(xù)加熱,當(dāng)蓄熱器出口處的溫度大于85℃時(shí)停止加熱,打開(kāi)閥門(mén)1,同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)2、閥門(mén)3和離心泵。(4)向水箱內(nèi)注入冷水,打開(kāi)離心泵,運(yùn)行至水箱內(nèi)的溫度分布均勻,觀察控制柜面板的溫度指示,使水溫達(dá)到放熱試驗(yàn)所要求的溫度。(5)打開(kāi)閥門(mén)2和閥門(mén)3,同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)1,當(dāng)蓄熱器上的最小溫度值小于75℃時(shí),關(guān)閉閥門(mén),放熱試驗(yàn)完成。(6)改變水的入口溫度,重復(fù)上述步驟得到不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。3蓄熱時(shí)間和放熱時(shí)間為了直觀地研究蓄熱器的蓄、放熱特性,選取蓄熱器內(nèi)相變材料的平均溫度由79℃升至81.5℃的時(shí)間為1次蓄熱時(shí)間,蓄熱器內(nèi)相變材料的平均溫度由81.5℃下降至79℃的時(shí)間為1次放熱時(shí)間。3.1蓄熱器傾斜角度對(duì)傳熱過(guò)程的影響熱載體水的體積流量為0.705m/h時(shí),在不同的入口溫度下,蓄熱器以不同的傾角側(cè)立和豎立時(shí)的蓄熱時(shí)間變化見(jiàn)圖6和圖7。θ=0°為蓄熱元件平放的情況。由圖6和圖7可知:(1)在熱載體相同的入口參數(shù)下,蓄熱器平放時(shí)比以其他角度傾斜放置時(shí)的蓄熱時(shí)間長(zhǎng)。因?yàn)樗椒胖脮r(shí)蓄熱器中PCM側(cè)通道的高寬比相對(duì)較小,通道的絕對(duì)高度也很小,導(dǎo)致形成自然對(duì)流的空間較小,使得自然對(duì)流引起的強(qiáng)化傳熱效果有限。逐漸增大蓄熱器的傾斜角度時(shí),其內(nèi)部通道的高寬比逐漸增大,使自然對(duì)流獲得了較大的空間。肋片對(duì)邊界層的破壞使得PCM側(cè)的流場(chǎng)更加復(fù)雜,增強(qiáng)了自然對(duì)流對(duì)相變換熱的強(qiáng)化效果。因此,隨著蓄熱器傾斜角度的增加,蓄熱時(shí)間逐漸減少,蓄熱速率逐漸加快。(2)無(wú)論將蓄熱器如何放置,蓄熱器的蓄熱時(shí)間隨入口溫度的增加而逐漸減少,與模擬結(jié)果基本一致,且蓄熱器在不同傾角下的蓄熱時(shí)間之差隨著熱載體入口溫度的增加逐漸增大。在蓄熱的初始階段以熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式,隨著傳熱的進(jìn)行逐漸變?yōu)闊醾鲗?dǎo)和對(duì)流換熱并重的傳熱方式,傳熱速率加快。當(dāng)熱載體的入口溫度降低并接近PCM的相變溫度時(shí),熱傳導(dǎo)的動(dòng)力不足,隨著溫度的逐漸增加,隔板和肋片表層的液態(tài)RT@80膜厚度增加的速率越來(lái)越快,使得出現(xiàn)自然對(duì)流換熱的時(shí)間越來(lái)越早,而傳熱速率隨著入口溫度的增加越來(lái)越快。因此,蓄熱時(shí)間隨著熱載體入口溫度的增加而逐漸縮短。可見(jiàn)由重力作用引起的自然對(duì)流對(duì)蓄熱速率的影響隨著熱載體的入口溫度的升高而增大。3.2不同蓄熱器傾角對(duì)放熱速率的影響熱載體體積流量為0.705m3/h時(shí),在不同的入口溫度下,蓄熱器側(cè)立和豎立放置時(shí)的放熱時(shí)間變化見(jiàn)圖8和圖9。由圖8和圖9可知:(1)隨著傾斜角度的增加,蓄熱器內(nèi)部通道的高寬比逐漸增大,在重力作用下使相變材料側(cè)的PCM的流動(dòng)更加復(fù)雜,進(jìn)而強(qiáng)化了傳熱效果。因此,在相同的入口參數(shù)下,隨著蓄熱器傾角的增加,蓄熱器的放熱時(shí)間逐漸減少,即放熱速率逐漸加快,且蓄熱器平放時(shí)的放熱時(shí)間最長(zhǎng)。(2)無(wú)論以何種方式擺放蓄熱器,蓄熱器的放熱時(shí)間均隨熱載體入口溫度的升高而逐漸增加。在熱載體的入口溫度增加并無(wú)限接近于PCM相變點(diǎn)溫度時(shí),由重力作用引起的自然對(duì)流對(duì)放熱速率的影響很小,因此,隨著熱載體入口溫度的增加,不同傾斜角度下蓄熱器的放熱時(shí)間之間的差值逐漸減小。說(shuō)明在一定的工作溫度范圍內(nèi),可以通過(guò)改變蓄熱器的放置方式提高蓄熱器放熱速率。3.3蓄熱器傳熱過(guò)程分析蓄熱器側(cè)立和豎立放置的傾角為30°時(shí)蓄熱器的蓄、放熱時(shí)間變化見(jiàn)圖10,蓄熱器側(cè)立和豎立放置的傾角為60°時(shí)蓄熱器的蓄、放熱時(shí)間變化見(jiàn)圖11。由圖10和圖11可知:(1)當(dāng)蓄熱器的擺放方式和傾角相同、熱載體的入口速度相同以及熱載體的入口溫度與PCM主體的溫差相同時(shí),蓄熱器的蓄熱時(shí)間要比放熱時(shí)間長(zhǎng),即蓄熱速率比放熱速率慢。(2)在蓄熱過(guò)程中,下面靠近隔板的PCM首先熔化,由于密度差異,使得已經(jīng)熔化的PCM向上運(yùn)動(dòng),未熔化的PCM向下運(yùn)動(dòng),強(qiáng)化了蓄熱器的傳熱效果。而在放熱過(guò)程當(dāng)中,下面靠近隔板的PCM首先凝固,但是由于石蠟在凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的體積變化,使其有脫離容器壁的趨勢(shì),這種趨勢(shì)與重力引起的自然對(duì)流的作用疊加,使得蓄熱器的傳熱效果更好。因此,由于蓄熱器中RT@80的蓄、放熱的機(jī)理不同,在重力作用下,自然對(duì)流對(duì)蓄熱器的蓄熱和放熱過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)化效果不同,使得蓄熱器的放熱速率大于蓄熱速率。4自然對(duì)流對(duì)蓄熱器工作特性的影響(1)蓄熱器豎立放置時(shí)的蓄、放熱時(shí)間最短,側(cè)立放置時(shí)次之,水平放置時(shí)的蓄、放熱時(shí)間最長(zhǎng)。隨著蓄熱器傾斜角度的增大,蓄熱器的蓄、放熱速率逐漸增加。在一定的溫度范圍內(nèi),隨著傳熱溫差的增加,自然對(duì)流對(duì)蓄熱器傳熱的強(qiáng)化效果明顯增強(qiáng),蓄熱器的蓄、放熱速率明顯加快。(2)改變蓄熱器的擺放方式,自然對(duì)流對(duì)蓄熱器蓄、放熱特性的強(qiáng)化效