相變蓄冷換熱器性能的實驗研究

王聰，翟曉強，李卉，王曉霖

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中船重工集團第704研究所，上海 200031）

相變蓄冷換熱器性能的實驗研究

王聰*1，翟曉強1，李卉2，王曉霖1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中船重工集團第704研究所，上海 200031）

為了提高相變蓄冷換熱器的換熱效率及其在太陽能空調系統的適應性，本文基于太陽能空調實驗系統，研制了一種新型管肋式相變蓄冷換熱器。并在典型工況下對單個換熱單元進行了蓄冷、釋冷循環試驗。研究表明，單個換熱單元能夠在約80分鐘完成相變過程。在穩態運行工況下，該新型管肋式相變蓄冷換熱器的蓄冷功率可達4 kW，可以滿足太陽能空調實驗系統對蓄冷裝置的設計要求。

相變蓄冷；管肋式換熱器；實驗研究

0 引言

在我國能源短缺、電力緊張的情況下，利用太陽能或低品位熱源的吸附、吸收式太陽能空調系統是緩解能源問題的有效途徑。然而太陽能空調的間歇性及易受天氣影響等特點是制約其普及的因素之一。將太陽能空調系統與相變蓄冷技術結合，可以有效提高系統的穩定性和太陽能利用率，并提高太陽能空調系統運行的靈活性[1-2]。

為了提高相變蓄冷的傳熱特性，目前主要的研究方向為提高相變蓄冷材料的傳熱性能以及優化改進相變蓄冷器結構這兩方面。在相變蓄冷器結構研究方面，江邑等[3]對板式相變儲換熱器的儲換熱性能進行了實驗研究，并對理論模型進行了校核；楊靈燕等[4]針對三套管相變儲能換熱器儲釋能性能進行了實驗研究；葉宏等[5]針對管殼式相變換熱器建立了貯熱換熱模型，用數值分析的方法研究了管殼式相變換熱器的換熱效果；盛艷軍等[6]對異性孔隔板換熱器殼側傳熱與阻力性能的進行了試驗研究。TAN H等[7]針對LNG運輸車設計了一種以水為相變材料的肋片管式相變蓄冷換熱器，進行了實驗研究，研究表明直肋可以有效增強換熱。KOLLER T等[8]針對太陽能空調系統，設計了一套冰蓄冷裝置，并對使用冰作為相變材料的蓄冷、釋冷過程進行了實驗及理論研究。TAY N H S等[9]針對管式相變蓄冷換熱器進行了理論研究，提出使用ε-NTU方法可以較為有效設計相變蓄冷換熱器。盡管前人針對常見的相變換熱器進行了很多理論和實驗研究，然而并未對管肋式相變蓄冷換熱器進行深入的實驗研究。管肋式換熱器由于其換熱面積大、設計靈活等優點[7]，與相變材料結合是一個很好的提高相變蓄冷傳熱性能的研究方向。

本文基于太陽能空調實驗系統，研制了一種新型的帶有直肋和環肋的管肋式相變蓄冷換熱器。并在實際運行工況下，通過單個換熱單元的實驗測試，分析了蓄冷器的設計性能。為其在太陽能空調系統的應用提供設計依據。

1 管肋式相變蓄冷換熱器結構

管肋式相變蓄冷換熱器整體結構如圖1(a)所示，換熱器由多個并聯的管肋式換熱單元及外部的保溫材料兩部分組成。該管肋式相變蓄冷換熱器依托于上海交通大學太陽能空調實驗系統，空調系統制冷機為吸附式冷水機組，冷水出口溫度為12℃左右，在夏季典型工況下，吸附式制冷機的制冷量平均為3.9 kW。為了符合該太陽能空調試驗系統的系統運行要求，管肋式相變蓄冷換熱器設計換熱功率為4 kW，由36個換熱單元組成。

管肋式換熱器單個換熱單元如圖1(b)所示，換熱單元主體部分由紫銅焊接而成。中心管內為載熱流體，如太陽能空調系統中的冷凍水等；中心管與外殼間充滿相變蓄能材料；換熱器外部為聚氨酯保溫層（厚50 mm），以減少系統與外界環境之間的熱交換，消除外壁面漏熱對換熱器性能帶來的不利影響。換熱單元外徑為110 mm，中心管直徑為20 mm，換熱單元高為500 mm。

實驗采用的相變蓄冷材料以油酸、癸酸-月桂酸共熔相變材料并添加入質量分數0.002%的TiO2制成，相變溫度約為15℃，其性能物性如表1所示。

實驗中，換熱器通過載熱流體與相變材料之間的熱交換實現蓄冷和釋冷這兩個過程。載熱流體流過并聯的換熱單元并與相變材料發生熱交換。為了增強載熱流體與相變材料之間的熱交換，該管肋式換熱器包含了縱、橫兩個方向的肋片，如圖1(b)所示，四個橫向環形肋片將換熱器中的相變材料自下而上分為五段；四個縱向肋片每隔90°將換熱器分為四個扇形區域。

同太陽能空調系統相結合，該管肋式相變蓄冷換熱器一方面可以通過與系統并聯，在白天用來削峰填谷，提高空調系統的穩定性；另一方面也可以將白天太陽能空調產生的多余冷量儲存起來。

圖1 管肋式相變蓄冷換熱器結構圖

表1 蓄冷材料性能物性[2]

2 實驗系統

為了檢驗該相變蓄冷換熱器的性能，本文針對其中一個換熱單元搭建了小型實驗臺（見圖2）。實驗臺主要由換熱單元、恒溫水箱、水泵、鉑電阻傳感器、數據采集儀和計算機組成。由恒溫水箱為相變蓄冷換熱器提供恒定溫度的水，通過與相變蓄能材料熱交換，實現蓄冷和釋冷過程。

如圖3所示，蓄冷系統中共有22個鉑電阻傳感器，分別用于測量每段的相變材料在沿半徑方向的溫度變化及載熱流體的溫度。相變材料溫度傳感器位于每段中點距中心管沿徑向15 mm、30 mm、45 mm處，其中45 mm處的傳感器緊貼外殼。載熱流體溫度傳感器緊靠銅管外壁，位于每段中心位置。此外另有一組載熱流體進出口溫度測點。

圖2 實驗系統圖

圖3 實驗臺及鉑電阻測點示意圖

數據采集系統每隔0.5 s采集一次數據，鉑電阻傳感器的另一端接在KEITHELEY-2700測量儀的測量板卡上，測量儀則通過并行串口接入電腦，通過XILINX軟件顯示電阻值的變化并記錄。

3 實驗過程及結果討論

3.1 蓄冷階段

在上海典型夏季工況下，太陽能空調實驗系統的冷凍水平均溫度為12℃，為了研究該管肋式相變蓄冷換熱器的蓄冷性能，實驗中載熱流體的溫度設定保持在12℃，相變材料的初始溫度為21.5℃。

圖4為相變材料沿水流方向的溫度變化規律。該圖所示溫度均為距離中心管45 mm處測點的相變材料溫度。實驗結果顯示，在蓄冷階段沿水流方向，各段之間相變材料溫度變化規律基本相同，并未觀測到明顯的沿水流方向的相界面移動。各段之間的相變材料溫度的差別主要是由于中心管內載熱流體的溫度梯度造成的。相變材料平均溫度沿水流方向依次遞增，位于換熱單元頂端的第五段最后完成相變。

圖5(a)及圖5(b)為換熱單元第五段內相變材料在蓄冷階段的溫度變化情況。

圖4 相變材料沿水流方向溫度變化情況

圖5 蓄冷階段相變材料溫度變化情況

第一階段，蓄冷開始0～15分鐘，為液態區顯熱溫降階段。在此階段，相變材料與載熱流體發生顯熱交換，相變材料溫度降低，平均溫度變化率為-0.26 ℃/min。隨著相變材料溫度接近相變溫度區間，平均溫度變化率開始下降。在蓄冷開始15分鐘后，相變材料溫度接近相變溫度，且溫度變化率持續降低并在±0.05 ℃/min附近震蕩，表示材料開始凝固發生相變。

第二階段，蓄冷開始15～81分鐘，為潛熱交換階段。在此階段，相變材料發生相變，相界面以中心管為軸沿徑向外殼方向移動。蓄冷開始40分鐘后，距離中心管15 mm處的相變材料溫度開始下降，遠離相變溫度區間，與此同時相變材料溫度變化率增長為-0.15 ℃/min。表明相界面已推進到距離中心管15 mm處；蓄冷開始61分鐘后，距離中心管30 mm處的相變材料溫度快速下降，相變材料溫度變化率為-0.11 ℃/min，且持續增加；蓄冷開始81分鐘以后，距離中心管45 mm處緊貼外殼的相變材料溫度變化率達到-0.12 ℃/min，此時相變材料溫度快速下降，低于相變溫度區間，表明整個換熱單元的相變材料全部完成相變。

第三階段，蓄冷開始81～140分鐘，固態區顯熱溫降階段。在此階段，固態的相變材料與載熱流體發生顯熱交換，溫度逐漸降低，并逐漸趨向于12℃。

圖6表示蓄冷階段能量變化情況。蓄冷開始后，由于存在比較大的換熱溫差，因此，盡管是在顯熱交換階段，但換熱單元的蓄冷功率依然比較大。蓄冷開始15分鐘以后，相變材料開始發生相變，與載熱流體發生潛熱交換，蓄冷量快速積累。此時蓄冷功率均保持在50 W以上。隨著蓄冷的進行，由于換熱器內并未抽真空等原因，在相變材料凝固的過程中會形成氣泡甚至氣膜。因此隨著蓄冷材料的固態比例增大，固態相變材料間的氣泡或氣膜會導致導熱熱阻增加，蓄冷功率也相應減少；蓄冷開始81分鐘以后，隨著相變材料完成相變，換熱單元蓄冷功率持續減小，進入固態顯熱溫降階段。在此階段蓄冷功率不斷減少，考慮到測量系統的誤差及周圍環境的影響，當換熱功率低于1 W時，可以認為蓄冷結束。實驗表明，在蓄冷階段，一個換熱單元的平均蓄冷功率為112.7 W，換熱單元的的蓄冷量約為470 kJ。

3.2 釋冷過程

太陽能空調實驗系統的冷輻射吊頂末端，在典型工況下其供冷回水溫度在19℃～23℃之間，為了研究該管肋式相變蓄冷換熱器的釋冷性能，實驗中載熱流體的溫度被設定保持在23℃。相變材料的初始溫度為12℃，呈固態。

圖7所示為釋冷階段相變材料沿水流方向溫度變化情況。在釋冷開始約20分鐘，第五段的相變材料變已經完成相變，并快速升溫至接近23℃。此后，各段分別在第40分鐘、第60分鐘、第85分鐘和第97分鐘完成相變。可見，釋冷階段的換熱單元在縱向上存在明顯的固液相界面，即溫度高的液體浮在上層，而溫度低的固體和液體沉在下層，在縱向上相界面實際上是從上到下移動的。因此造成各段完成相變的時間相差很大。不同于蓄冷階段，在釋冷階段，位于底部的第一段的相變材料溫度脫離相變溫度區間，標志著整個換熱單元相變完成。

圖6 蓄冷階段相變材料能量變化

圖7 相變材料沿載熱流體流動方向溫度變化情況

圖8 (a)及圖8(b)為第一段內相變材料在釋冷階段的溫度變化情況。

第一階段，釋冷開始0～17分鐘。固態顯熱溫升階段。在此階段，相變材料與載熱流體顯熱交換，相變材料溫度快速上升，平均溫度變化率約為0.23 ℃/min。在釋冷開始約25分鐘后，相變材料溫度到達相變溫度，且溫度變化率維持在±0.05 ℃/min，表明相變材料已進入相變溫度區間。

第二階段，釋冷開始17～97分鐘，潛熱交換階段。在此階段，相變材料與載熱流體發生潛熱交換，相界面由中心管逐步向外殼發生推移，由固態變為液態。釋冷開始約50分鐘后，距中心管15 mm處的相變材料溫度開始快速上升，溫度變化率升高至0.1 ℃/min離開相變溫度區間，首先完成相變；約65分鐘后，距中心管30 mm處的相變材料溫度開始快速上升，脫離相變溫度區間，此時溫度變化率為0.12 ℃/min，表明中心管半徑30 mm處的相變材料已經完成相變，變為液態；約97分鐘后，距離中心管45 mm緊貼外殼的相變材料溫度變化率升高到0.15 ℃/min，相變材料溫度迅速上升，表明整個相變材料全部完成相變。

第三階段，液態溫升階段。在此階段，相變材料與載熱流體顯熱交換，溫度上升，并在140分鐘左右逐漸接近23℃。表明整個釋冷過程完成。

圖8 釋冷階段相變材料溫度變化情況

圖9為釋冷階段能量變化情況。釋冷開始后，在經過17分鐘與載熱流體的顯熱交換到達相變溫度附近時，相變材料開始發生相變，此時釋冷功率相對較高，釋冷量也迅速增加。隨著釋冷的進行，相變材料逐步完成相變，換熱功率相應減少。在130分鐘以后隨著釋冷功率逐漸降低到1 W以下，可以認為釋冷過程結束。實驗表明，一個換熱單元的平均釋冷功率為106.8 W，換熱單元的釋冷量約為450 kJ。

根據單個換熱單元的實驗數據，單個換熱單元的蓄冷量及釋冷量分別為470 kJ及450 kJ，平均蓄冷功率為112.7 W，平均釋冷功率為106.8 W。由此實驗結果可以預測，由36個蓄冷單元并聯組成的整個相變蓄冷器的平均功率為4057.2 W，滿足太陽能空調實驗系統蓄冷的設計要求。

圖9 釋冷階段相變材料能量變化

4 結論

本文設計了一種新型管肋式相變蓄冷換熱器，通過對一個蓄冷換熱單元的實驗研究得出以下結論：

1）在典型太陽能實驗空調及冷輻射吊頂實驗系統運行工況下，單個蓄冷單元的蓄冷量及釋冷量分別為470 kJ及450 kJ，平均蓄冷功率為112.7 W， 平均釋冷功率為106.8 W。

2）由此實驗結果可以預測，由36個蓄冷單元并聯組成的整個相變蓄冷器的平均功率為4057.2 W，符合太陽能空調實驗系統蓄冷的設計要求。

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Experimental Study on a Cold Storage Heat Exchanger

WANG Cong*1, ZHAI Xiao-qiang1, LI Hui2, WANG Xiao-lin1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-The 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 200031, China)

In this paper, in order to improve the heat transfer efficiency as well as the applicability to the solar air conditioning system, a new finned tube phase change cold storage heat exchanger was developed on the basis of the experimental solar air conditioning system. Experiments on the charging and discharging characteristics of one single heat exchanger unit were conducted in typical working conditions. The results show that the phase transition process of the heat exchanger unit completes in about 80 min. In a steady state condition, the charging power of the finned tube phase change heat exchanger is 4 kW, which could meet the design requirement of cold storage equipment for the solar air conditioning system.

Phase change cold storage; Finned tube heat exchanger; Experimental study

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.103

*王聰（1989-），男，碩士研究生。研究方向：相變蓄冷相關技術。聯系地址：上海市東川路 800號上海交通大學制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯系電話：13818676296。E-mail：w_cong@sjtu.edu.cn。

教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-12-0360），上海市浦江人才計劃