脈動熱管相變蓄熱器蓄熱實驗分析

羅孝學，章學來，華維三，毛發

（1上海海事大學蓄冷技術研究所，上海 201306；2欽州學院海運學院，廣西 欽州 535000）

脈動熱管相變蓄熱器蓄熱實驗分析

羅孝學1,2，章學來1，華維三1，毛發1

（1上海海事大學蓄冷技術研究所，上海 201306；2欽州學院海運學院，廣西 欽州 535000）

為了研究脈動熱管對相變蓄熱裝置傳熱能力的優化，設計并搭建了脈動熱管相變蓄熱裝置試驗臺，實驗驗證相變潛熱蓄熱量遠大于顯熱蓄熱量；在相同工況下改變加熱流體流量，流量增大對傳熱優化有一定作用，但流量不宜過大；調整熱源溫度，溫度越高，相變蓄熱過程所需要的時間就越少；與常規銅管進行蓄熱實驗對比，脈動熱管相變蓄熱裝置在蓄熱過程中節省了47%的蓄熱時間，同時優化了相變蓄熱裝置的傳熱均勻性。實驗證明利用脈動熱管技術對相變蓄熱系統進行傳熱優化是可行的。

脈動熱管；相變；傳熱；優化；實驗

引 言

中國能源資源雖然豐富，但后備儲存量不足，而且浪費大、能源效率低，環境污染嚴重[1]。到2030年，國內能源供應缺口將達到2.5億噸標準煤，到2050年，其缺口數額將增加到4.6億噸標準煤[2]。能源問題也是世界各國發展首要考慮的問題，能源新技術的研究是當務之急，因此潛熱蓄熱技術[3-5]于20世紀70年代在石油危機之后就應運而生，在提高能源利用效率和保護環境方面起到了重要作用[6-7]。潛熱蓄熱技術利用材料在相變過程中吸熱和放熱來儲存和釋放能量，儲能密度高，所用裝置簡單，體積小，而且相變過程是一個近似恒溫過程。把相變材料[8-11]應用到蓄熱器上是一項很有發展前途的技術。盛強等[12]通過實驗驗證隨著熱循環次數的增加，八水氫氧化鋇具有較好的熱穩定性。華維三等[13]設計了一種具有輔助電加熱和均流孔板的水/相變材料復合蓄熱式水箱，其中就使用了八水氫氧化鋇。毛發等[14]選擇八水氫氧化鋇作為相變蓄熱材料、熱管作為傳熱元件，設計了一套熱管式蓄/放熱裝置，并對不同工況下裝置的蓄/放熱性能進行了實驗研究。Wang等[15-17]對移動蓄熱器的經濟性和可行性做了分析。脈動熱管是日本學者 Akachi[18]在 20世紀 90年代初期提出的一種可用于微小空間、新型高效、具有高熱通量的新型傳熱元件。文獻[19-24]對脈動熱管與傳統熱管做了詳細的比照，總結脈動熱管具有以下優點：①構造簡單、節約成本；②管徑小、體積也小；③結構多樣、適應性能好；④加熱方式多樣；⑤傳熱效果好。馬永錫等[25]分析了振蕩熱管內部氣液兩相系統的受力和傳熱傳質過程。蘇磊等[26]分析了回路脈動熱管運行穩定性。胡朝發等[27]研究結果表明：液塞在振蕩過程中呈現出平衡位置不斷變化的往復振蕩，單向運動的趨勢比較明顯，初始壓力、管徑等因素對液塞的振蕩有很大影響。林梓榮等[28]考察了以水為工質，在不同的加熱功率和不同的充液率情況下，脈動熱管在不同加熱方式(垂直底部加熱和水平一側加熱)時的熱輸送特性。

本文選用八水氫氧化鋇做相變材料，水為脈動熱管工質，設計了脈動熱管相變蓄熱器，使得相變蓄熱器的傳熱得到優化，并實驗研究了脈動熱管相變蓄熱器的蓄熱特性。

1 實驗裝置介紹

針對實驗目的，搭建了用于實驗的脈動熱管蓄熱實驗臺。此外，還設計制作了脈動熱管裝置并對試驗設備做了保溫處理，布置了測溫點，對T型熱電偶測溫線進行了溫度校核。

1.1 蓄熱實驗臺搭建

如圖1所示，脈動熱管蓄熱實驗臺主要由以下幾部分構成：脈動熱管相變蓄熱器、高溫硅油加熱系統、安捷倫數據采集系統、超聲波流量計、計算機以及相關控制閥門。脈動熱管相變蓄熱器的下端連接高溫恒溫油浴鍋，其中的加熱介質為高溫硅油。高溫硅油經油浴鍋流過閥門5進入蓄熱器的加熱箱，然后從加熱箱內的高溫硅油通道一邊流動一邊加熱蓄熱器內部脈動熱管的下部彎頭、加熱箱箱體以及箱體內部隔板，再從蓄熱器的加熱箱出油口流出，回到高溫恒溫油浴鍋。

圖1 脈動熱管相變蓄熱器蓄熱實驗臺Fig.1 Schematic diagram of heat storage and heat storage experiment table of pulsating heat pipe phase change heat storage device

裝置主要利用脈動熱管內充注的工質的相態變化和位置變化來傳遞熱量。本裝置將脈動熱管的蒸發段作為加熱段，其長度為45 mm；將脈動熱管的絕熱段作為蓄熱段，其長度為 120 mm；將脈動熱管的冷凝段作為放熱段，其長度為45 mm。彎頭直徑為30 mm，加熱段、放熱段各14個彎頭，共28個彎頭，其中放熱段有兩個彎頭各延伸一端出來分別接負壓表和抽真空充液接頭。脈動熱管管殼材料選擇紫銅，壁厚1 mm，管徑4 mm，工作介質為水，閉式運行。

高溫恒溫油浴鍋可以為蓄熱器持續供給恒溫的熱量。為了測量蓄熱器進油口流量，進油口與閥門5之間連接超聲波流量計，由閥門5控制流量，超聲波流量計對流量大小進行顯示。蓄熱器上的全部測溫點通過T型熱電偶連接到安捷倫數據采集儀上，數據采集儀的另一端通過USB數據線與計算機相連，將采集到的溫度信號輸出給計算機。這些溫度信號包括蓄熱器正面的6個測溫點信號以及進出口水溫信號。

1.2 熱電偶的布置

如圖2所示，為了測量蓄熱器中不同位置相變材料的溫度變化情況，在蓄熱箱上布置了6個熱電偶測溫點，共3排2列，熱電偶在使用之前必須對其用標準熱電偶進行校準。上中下的三排測點用來比較垂直位置上的相變材料的溫度；左右兩列用來比較水平位置上的相變材料的溫度，左邊一列用來測量靠近蓄熱箱殼體一側的相變材料的溫度，右邊一列用來測量基本位于蓄熱器中間位置的相變材料的溫度。布置熱電偶測溫線時，用點焊機將T型熱電偶紅、白兩極熔在一起后，插入蓄熱箱測點盲孔底部，然后用導熱膠填滿盲孔并固定。

圖2 蓄熱箱上的主要溫度測點Fig.2 Main temperature measuring points on heat storage tank

2 實驗結果與討論

2.1 蓄熱過程相變材料的溫度變化

圖3顯示了設定工況為加熱流體溫度100℃，加熱流體流量 0.314 m3·h-1，相變材料質量 2.5 kg時，蓄熱過程中相變材料 Ba(OH)2·8H2O各測溫點總體溫度變化趨勢。由圖3明顯看出測點1、2、3、4的溫度變化情況，相變材料的溫度變化趨勢可明確地分為初期 0～1500 s，固態顯熱儲存；中間1500～3500 s，穩定的相變潛熱儲存；3500 s以后為相變完全后的液態顯熱儲存 3個階段。測點 5、6由于在相變蓄熱裝置中位置較高，2.5 kg相變材料不能完全覆蓋住測點5、6，所以這兩個測點溫度的變化和測點 1～4有所不同，其反映的基本是裝置內部空氣溫度的變化。從蓄熱實驗開始到Ba(OH)2·8H2O溫度到達相變溫度以前是Ba(OH)2·8H2O固態顯熱蓄熱階段。在這一過程中，Ba(OH)2·8H2O的溫度隨時間變化曲線的斜率較大，相變材料溫度升高較快，原因是傳熱介質與Ba(OH)2·8H2O蓄熱材料的溫差較大，熱通量也大，從蓄熱初始溫度上升到相變溫度，溫度上升很快。隨著蓄熱的進行，Ba(OH)2·8H2O的溫度達到相變溫度開始熔化，相變材料在熔化的過程中吸收相變潛熱，該階段各點溫度基本上不變，溫度曲線趨于水平。當Ba(OH)2·8H2O完全熔化后，繼續對其加熱，Ba(OH)2·8H2O液體進一步吸收熱量，溫度升高至接近加熱流體溫度，并且溫升速度變快，蓄熱形式在該階段主要以液態顯熱蓄熱為主。

圖3 蓄熱過程中各測點溫度隨時間的變化Fig.3 Temperature change of temperature measurement points in process of heat storage

式中，cs為 Ba(OH)2·8H2O 的固態比熱容，約1.17 kJ·kg-1·K-1；cl為 Ba(OH)2·8H2O 的液態比熱容，約 1.77 kJ·kg-1·K-1；m 為 Ba(OH)2·8H2O 的質量，以加入2.5 kg計算；LPCM為Ba(OH)2·8H2O的相變潛熱，277.2 kJ·kg-1；ΔTs為 Ba(OH)2·8H2O 開始加熱到發生相變的溫差；ΔTl為Ba(OH)2·8H2O結束溫度與相變溫度的溫差。

通過以上各式計算，能看出相變蓄熱不但整個蓄熱過程溫度恒定，而且潛熱蓄熱量也比顯熱蓄熱量大得多，在裝置蓄熱中占比達到80%左右，因此潛熱蓄熱在熱量儲存方面具有明顯的優勢。

2.2 不同加熱流量下相變材料溫度隨時間的變化

圖4為設定實驗工況為加熱溫度為115℃，相變材料Ba(OH)2·8H2O質量為2.5 kg，高溫硅油入口流量分別為0.127、0.228、0.314 m3·h-1，完成3組蓄熱實驗獲取的圖像。

由圖 4能看出，當加熱流體的流量較小時（0.127 m3·h-1）[圖 4(a)]，雖然相變材料發生了相變，但相變時間較長。在3500 s左右的時候，6個測溫點的溫度隨時間變化的曲線基本重合，溫度大致在78℃附近，之后測點1、2的曲線斜率增大升溫加快，而其他測點的曲線斜率變緩，與測點1、2溫差增大。測點1、2在3500 s以后溫升速率加快的原因是已經完成了相變蓄熱過程，相變材料已完全熔化轉向液態顯熱蓄熱過程，溫升速率加快。測點3～6的曲線斜率變緩的原因是，加熱流體流量過小，提供的熱量不足使其完全融化而快速進入液態顯熱蓄熱階段所致。由圖 4(b)、(c)可以看出隨著加熱流體流量的增大，蓄熱時間明顯縮短，而且相變結束后各個測點的溫升曲線逐漸趨于重合。由圖4(d)可以看出隨著加熱流體流量的增加，脈動熱管相變蓄熱裝置內測點1處的升溫速度和蓄熱消耗時間都有明顯變化。由此可見加熱流體的流量變化對裝置的影響效果是非常明顯的，在實際應用中找到合適的流量對于裝置的效用發揮非常必要。

圖4 流量變化時蓄熱過程各測點溫度隨時間的變化Fig.4 Change of temperature of each measuring point with time during flow rate change

由圖 5可以看出：當加熱流體的流量由 0.127 m3·h-1提高到 0.228 m3·h-1時，相變材料的完全熔化時間由2835 s減少至1826 s，減少了1009 s；而當加熱流體流量由 0.228 m3·h-1提高到 0.314 m3·h-1時，相變材料的完全熔化時間只由1826 s減少到1603 s，只減少了223 s。由此可見流量的增加對相變材料完全熔化消耗時間的影響是逐漸減小的，而且這種趨勢非常明顯。

圖5 相變材料完全熔化時間隨加熱流體流量的變化Fig 5 Change of melting time of phase change material with heating fluid flow rate

在實驗采用的流量下，流速較小，屬層流范圍，Re=103～2×105，按外掠順排管束對流換熱準則關聯式[29]

由式(4)可知，傳熱系數與流速的0.63次方呈正比，而當管徑等條件不變時，流量越大流速也越大，即隨著流量的增加，傳熱系數也增加，但是傳熱系數增大的幅度隨著流量的增加而減小。因此，綜合考慮經濟、安全、管理等各種因素，蓄熱裝置加熱流體的流量大小對于蓄熱裝置蓄熱有最佳值，不是流量越大越好，建議不要隨便增大流量，因為增大流量強化傳熱的效果隨著流量增大慢慢沒那么顯著，但是增大流量會讓裝置消耗泵功的趨勢加快，而且會增加操作人員的管理難度，安全性降低。

2.3 不同加熱溫度下相變材料溫度隨時間的變化

圖6是設定實驗工況為高溫恒溫油浴鍋的加熱流體流量為 0.314 m3·h-1，相變材料 Ba(OH)2·8H2O的質量為2.5 kg時，改變高溫硅油入口加熱溫度，分別為100、115、130℃，完成3組蓄熱實驗獲得的圖像。對比圖6(a)～(c) Ba(OH)2·8H2O溫度變化曲線可以知道，隨著加熱溫度的升高，固態顯熱蓄熱和潛熱蓄熱階段的蓄熱時間明顯減少，由2500 s（100℃）顯著縮短到1000 s（130℃），時間縮短了60%。而且在蓄熱過程中，相變材料溫度的分布也變得不均勻，蓄熱器內底部水平方向測點 1、2的溫差逐漸增大，由此可見加熱溫度的變化對蓄熱器蓄熱過程的影響很大。原因是由于熱源的加熱溫度提高，與相變材料的相變點的溫差加大，蓄熱熔化過程中液態的 Ba(OH)2·8H2O密度差也增大，加強了自然對流，提高了蓄熱過程中的有效傳熱系數，在有效換熱面積不發生變化的條件下，熱通量進一步增大，這樣可以更快地儲存熱量，從而縮短了蓄熱所需要的時間。

圖6 不同熱源溫度蓄熱時各測點溫度隨時間的變化Fig.6 Change of temperature of measurement point with time in heat storage of different heat source

圖6(d)是加熱溫度分別為100、115、130℃時，相變材料Ba(OH)2·8H2O在測點1處的溫度對比曲線。從圖中可知：在初始階段，當加熱溫度為 130℃時，測點1處溫度曲線的斜率最大，溫升最快，耗時最少。這是因為當加熱溫度不同時，單位時間內通過熱端傳遞的熱通量q不同，加熱溫度越高q越大，假設通過熱管傳遞的熱量完全被相變材料吸收，由Q=cmΔT可知，當m一定時，Q與ΔT呈正比，Q越大則ΔT越大；其次從圖6(d)中可知，隨著加熱溫度的升高，相變所需時間縮短。因為在蓄熱材料量相同、加熱溫度不同的條件下，蓄熱材料完全相變所吸收的熱量Q總相同，但熱通量q的大小不同，加熱溫度越高q越大。由Q總=qAt可知，當Q總、A一定時，q與t呈反比。因此在安全許可的條件下，適當地調高加熱溫度，能大大縮短蓄熱的時間。

2.4 常規銅管和脈動熱管相同工況下對比

設定工況為高溫恒溫油浴鍋的溫度 100℃，高溫硅油入口流量 0.314 m3·h-1，Ba(OH)2·8H2O 質量為2.5 kg。為了研究脈動熱管在蓄熱過程中對傳熱優化的程度，先對常規銅管蓄熱裝置做加熱實驗，結果如圖7(a)所示，再對同工況下脈動熱管蓄熱裝置做加熱實驗，結果如圖7(b)所示，圖7(c) 為常規銅管和脈動熱管兩種情況下測點1處溫度隨時間變化的曲線。

圖7 不同熱管下各測點溫度的變化Fig.7 Change of temperature of measuring point in different condition

由圖7(a)可以看出，常規銅管將測點1處加熱到85℃所需要的時間為7600 s，除了與測點1同處水平位置的測點2在此時也達到85℃外，測點3～6的溫度最高只有75℃，因為測點1、2同處底層相同水平位置，這一方面證明此時只有底層的相變材料完全熔化，而中間以及頂部的相變材料還沒有完全熔化；另一方面看到測點 5、6的溫度明顯偏低，證明相變蓄熱器內整體溫度偏低，主要因為沒有脈動熱管的脈動傳熱，導致對相變蓄熱器內整體溫度影響不夠，使得相變蓄熱器內整體溫度偏低。由圖7(b)可以看出，在脈動熱管的脈動作用下將測點1同樣加熱到85℃所需要的時間僅需4000 s，時間比常規銅管少了47%，并且此時測點 3～6的溫度也均大于等于85℃，整個蓄熱器內部相變材料溫度均勻，證明相變材料已經完全熔化，處于液態的顯熱蓄熱階段，測點 5、6的溫度明顯高于相變材料的溫度，證明脈動熱管不只是單純導熱傳熱，其發揮了脈動傳熱優勢，對裝置內的傳熱有明顯優化。由圖 7(c)可以看出，脈動熱管蓄熱器內測點 1的升溫速度明顯加快、蓄熱時間明顯減少，可見脈動熱管的傳熱能力比常規銅管的傳熱能力強很多，脈動熱管內工質的氣液相變和往復振蕩完成了脈動熱管的高效傳熱，蓄熱時間大大減少，節省了47%的時間。同時裝置內溫度場明顯改善，脈動熱管傳熱均勻性優勢也明顯體現出來。

3 結 論

采用脈動熱管技術優化蓄熱裝置的傳熱能力，設定幾種工況進行對比實驗，得出以下結論。

（1）蓄熱過程中相變材料溫度變化趨勢明確分為初期固態顯熱儲存；中間穩定的相變潛熱儲存和完全相變后的液態顯熱儲存，裝置有明顯相變蓄熱過程，且相變潛熱蓄熱量占蓄熱總量80%左右。

（2）實驗工況下加熱流體流量在 0.228 m3·h-1下比較合適，建議不要隨便增大，因為一方面增大流量強化傳熱效果逐漸減弱，另外小流量可以有效節約泵功和保證操作人員安全。

（3）隨著加熱溫度升高，固態顯熱和潛熱蓄熱階段的蓄熱時間由 100℃時的 2500 s顯著縮短到130℃的1000 s，蓄熱時間縮短了60%。因此在安全許可的條件下，適當調高加熱熱流溫度，可以大大縮短相變蓄熱裝置的蓄熱時間。

（4）脈動熱管蓄熱裝置蓄熱工況下，相比常規銅管達同樣蓄熱效果，耗時節省了47%，脈動熱管優化傳熱的效果明顯，同時脈動熱管傳熱均勻性要優于常規銅管，整個裝置內部的溫度場明顯改善。可見脈動熱管型相變蓄熱裝置很有發展前途。

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Experimental analysis on heat storage of pulsating heat pipe phase change heat accumulator

LUO Xiaoxue1,2, ZHANG Xuelai1, HUA Weisan1, MAO Fa1
(1Cool Storage Technology Institute, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2School of Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, Guangxi, China)

To research actual effect of heat transfer enhancement on pulsating heat pipe of phase change heat storage device, a pulsating heat tube type phase change heat storage device was designed and set up. The phase change thermal storage device has obvious phase change heat storage process; latent heat of phase change heat storage capacity is much greater than the sensible heat storage. Heating fluid flow increases under the same conditions have a role about the heat transfer enhancement, but the flow is not too large. Adjust the heat source temperature, the higher the temperature, the less time required for the phase change heat storage process.Compared with conventional copper tube, the heat storage device of pulsating heat pipe has saved 47% of the heat storage time in the process of heat storage and the heat transfer uniformity of the phase change heat storage device is optimized. It is verified that the heat transfer enhancement of the heat storage system is feasible by using pulsating heat pipe technology.

pulsating heat pipe; phase change; heat transfer; optimization; experiment

date:2016-09-18.

ZHANG Xuelai, xlzhang@shmtu.edu.cn

supported by the Key Project of Shanghai Municipal Education Commission (12ZZ154), the Graduate Innovation Fund of Shanghai Maritime University(2014ycx051) and Shanghai Science and Technology Commission Project (16040501600).

TK 02

A

0438—1157（2017）07—2722—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20161297

2016-09-18收到初稿，2017-03-14收到修改稿。

聯系人：章學來。

羅孝學（1978—），男，博士研究生。

上海市教委重點項目“利用相變蓄熱余熱回收的移動供熱關鍵技術研究”（12ZZ154）；上海海事大學研究生創新基金項目“太陽能高效雙溫相變集熱器理論和實驗研究”（2014ycx051）；上海市科委項目（16040501600）。