自然對流對低溫肋板式蓄熱器性能的影響

自然對流對低溫肋板式蓄熱器性能的影響

可變傳熱問題包括兩種物理過程：液相區(qū)的自然對稱、兩種藥物密度差引起的體積變化、容器壁和兩種材料之間的熱阻，以及由單一熱傳導(dǎo)過程引起的熱阻。本文采用石蠟(RT@80)作相變材料(PhaseChangeMaterial—PCM),以水作熱載體(HeatTransferFluid—HTF)。對蓄熱器的相變傳熱特性即相變材料的熔化和凝固過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文詳細(xì)介紹了試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)流程,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。1蓄熱器試驗(yàn)材料本文所研究的肋板式相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)見圖1。蓄熱器板間肋片組成蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱面積大及傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。蓄熱器由上下蓋板、設(shè)在上下蓋板之間的隔板、肋片和接管組成,接管和蓋板角孔連接。蓄熱器分兩層,上層用于灌裝相變材料,下層為熱載體的通道,中間為1.1mm厚的隔板,上、下兩層之間相互獨(dú)立、互不相通。蓄熱器由鋁合金(3A21)制成,試驗(yàn)元件的外形尺寸為1500mm×800mm×29mm,內(nèi)部肋片的特征參數(shù)見表1,相變材料的物理參數(shù)見表2。另外,試驗(yàn)裝置還包括相關(guān)的測量裝置,如:壓差計(jì)、真空表、數(shù)據(jù)采集儀器等,相關(guān)的管道和閥門,灌裝容器、真空泵、離心泵、水箱、T型熱電偶溫控柜等。其中蓄熱器上相變材料側(cè)的熱電偶分別布置在熱載體的進(jìn)、出口處和中間部位。2溫度對蓄熱器的過濾作用試驗(yàn)分為蓄熱、放熱兩部分,本文采用電加熱的方式對HTF進(jìn)行加熱,首先對蓄熱器通熱水,蓄熱器中的相變材料RT@80開始熔解,進(jìn)行蓄熱試驗(yàn);待完全熔解后,再對蓄熱器通冷水,RT@80開始凝固,進(jìn)行放熱試驗(yàn),流程見圖2。試驗(yàn)條件:(1)蓄熱時(shí),水的入口溫度分別取:81、83、85、87、89℃;(2)放熱時(shí),水的入口溫度分別取:71、73、75、77、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(見圖3和圖4),分別以0°、30°、45°、60°、90°共9種不同的傾角(θ)放置。試驗(yàn)步驟如下:(1)首先將石蠟RT@80灌裝到蓄熱器PCM側(cè),關(guān)閉系統(tǒng)中PCM側(cè)的閥門;打開電加熱開關(guān)對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱,待溫度控制柜的溫度指示80℃左右時(shí),依次打開泵和閥門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),打開閥門2、3,同時(shí)關(guān)閉閥門1。待蓄熱器熱電偶數(shù)值均大于81.5℃時(shí),蓄熱試驗(yàn)完成。(2)蓄熱試驗(yàn)完成后對水箱內(nèi)的水繼續(xù)加熱,當(dāng)通過蓄熱器出口處的溫度值大于85℃時(shí)停止加熱,打開閥門1,同時(shí)關(guān)閉閥門2、3和離心泵。(3)向水箱內(nèi)注入冷水,打開離心泵,稍微運(yùn)行一段時(shí)間使水箱內(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。(4)打開閥門2、3,同時(shí)關(guān)閉閥門1,當(dāng)蓄熱器上的最小溫度值小于75℃時(shí),關(guān)閉閥門,放熱試驗(yàn)完成。(5)改變試驗(yàn)條件,重復(fù)上述步驟得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1htc入口溫度的影響圖5～8分別表示不同入口溫度下,蓄熱器側(cè)立和豎立時(shí)的蓄熱時(shí)間。其中0°、30°、45°、60°、90°為圖3和4中的傾角的數(shù)值。(1)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)和對流換熱并重的傳熱方式;當(dāng)HTF的入口溫度接近PCM的相變溫度時(shí),熱傳導(dǎo)的“動力”不足,傳熱速率相對較慢。隨著溫度的增高,隔板和肋片表層的液態(tài)RT@80膜厚度增高的速率越來越快,使得自然對流出現(xiàn)的時(shí)間越來越早,傳熱速率加快;蓄熱時(shí)間隨著HTF入口溫度的增加而逐漸縮短。因此,自然對流對蓄熱速率的影響隨著HTF的入口溫度的升高而增大。同樣,在放熱工程中,在HTF的入口溫度接近于PCM相變點(diǎn)溫度時(shí),同樣由于熱傳導(dǎo)的“動力”不足,傳熱速率比較慢,使得隔板和肋片表層的固態(tài)RT@80層厚度增加緩慢。自然對流對放熱速率的影響很小,逐漸降低HTF的入口溫度蓄熱器的放熱時(shí)間也逐漸變短。(2)在HTF相同的入口參數(shù)下,蓄熱器平放時(shí)的蓄/放熱時(shí)間最長,且隨著傾斜角度的增加蓄/放熱時(shí)間逐漸減少。因?yàn)樗椒胖脮r(shí)蓄熱器中PCM側(cè)通道的高寬比相對較小,通道的絕對高度也很小,導(dǎo)致自然對流的空間較小,使自然對流的強(qiáng)化傳熱效果有限。逐漸增大傾斜角度時(shí),內(nèi)部通道的高寬比逐漸增大,在重力作用下,加之肋片對邊界層的破壞使得PCM側(cè)的流場更加復(fù)雜,使得自然對流對相變換熱的強(qiáng)化效果也逐漸增強(qiáng)。3.2蓄熱器和放熱時(shí)間的關(guān)系圖9和圖10分別表示將蓄熱器側(cè)立和豎立放置的傾角為30°和60°時(shí)的蓄、放熱時(shí)間。圖中ML30°和SL30°分別表示蓄熱器側(cè)立30°時(shí)的蓄、放熱時(shí)間,ML60°和SL60°分別表示側(cè)立60°時(shí)的蓄、放熱時(shí)間;MH30°和SH30°分別表示豎立30°時(shí)的蓄、放熱時(shí)間,MH60°和SH60°分別表示豎立60°時(shí)的蓄、放熱時(shí)間。結(jié)果表明:(1)當(dāng)蓄熱器的擺放方式和傾角相同,且HTF的入口速度相同、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,即蓄熱速率比放熱速率慢。(2)在蓄熱過程中,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,未熔化的PCM向下運(yùn)動,可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。而在放熱過程中,下面靠近隔板的PCM首先凝固,在沒有流動的前提下,固-液間的溫度差異并不能起到很好的強(qiáng)化傳熱效果。由于石蠟在凝固過程中產(chǎn)生較大的體積變化,使其有脫離容器壁的趨勢,正是由于在肋片和隔板附近的PCM的“脫離”使得傳熱過程變得更加復(fù)雜,因此在相變過程中,由于RT@80的熔化、凝固的機(jī)理不同,使得自然對流對蓄熱和放熱過程中產(chǎn)生的強(qiáng)化效果不同,進(jìn)而使得蓄熱器的放熱速率大于蓄熱速率。4石蠟結(jié)合溫度場對蓄熱器傳熱性能的影響(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)最長;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;在一定的操作溫度范圍內(nèi),隨著傳熱溫差的增加,自然對流對蓄熱器傳熱的強(qiáng)化效果明顯增強(qiáng),相變傳熱速率明顯加快。(2)在該新型肋板式相變蓄熱器的特定結(jié)構(gòu)下,由于石蠟在熔化和凝固過程中的傳熱機(jī)理不同,使自然對流對蓄熱器的蓄/放熱過程的強(qiáng)化效果不同,在相