填充相變材料的新型套管式蓄放熱裝置性能研究

閆全英，馬超，王威

（1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2.中國科學研究院過程工程研究所，北京 100190）

0 引言

近年來，能源節約與環境保護問題的重要性日益突顯，然而工業領域豐富的中低溫余熱因其不穩定性等限制性因素浪費嚴重，余熱回收技術急待發展。目前，相變材料研究進展迅速[1-2]，相變儲能裝置可提高工業低溫余熱回收利用率，進一步改善我國能源發展結構，具有廣闊的發展前景。

部分學者進行了相關研究：Sun等[3]通過實驗研究了高密度聚乙烯矩形板中相變材料（PCM）在熔化過程中的傳熱機理。Abdulrahman等[4]利用ANSYS軟件對PCM熔化過程進行了數值模擬，分析了其對換熱器性能的影響。Saeed等[5]通過實驗評價了以PCM為儲能介質的板式換熱器的熱特性。Wang等[6]通過CFD模擬了一種新型復合相變材料的換熱器，研究了入口速度和入口溫度的影響。戴世佳[7]綜述了相變換熱器的技術原理和研究進展，對應用領域等進行了研究。Guan等[8]實驗證明相變蓄能換熱器具有更好的傳熱性能。趙耀華等[9]采用可強化系統換熱性能的混合液體2-Methylpentane與甲醇，研究了微槽群相變散熱器的散熱性能。陳曦等[10]結合相變工質構建模型研究了順流、逆流和叉流換熱器換熱量等，優化了相變換熱系統的性能。李聰輝[11]搭建了開式的集束相變換熱器實驗系統，主要對煙氣余熱回收中集束相變換熱器蒸發段的傳熱性能進行了研究。梁棟等[12]介紹了低溫余熱回收領域中相變儲能的作用及應用概況。Vahit Saydam等[13]設計搭建了螺旋盤管式相變換熱器，并研究了不同工況下換熱器的蓄熱性能。現階段國內針對工業低溫不連續余熱回收應用裝置的研究還較少。

本文以自行設計的套管式相變蓄熱放熱裝置，組成余熱回收并用于散熱器供暖的循環系統，主要研究入口溫度等因素對相變裝置換熱性能的影響，為相變換熱技術及相變換熱裝置在工業低溫余熱等不連續能源的回收應用提供參考。

1 實驗系統設計

1.1 實驗裝置設計

相變材料：20%62#石蠟+80%硬脂酸的混合物，按m（相變材料）∶m（石墨）=85∶15的比例添加石墨，制成復合相變材料，相變溫度為62.73℃，相變潛熱為205.53 J/g[14]。

實驗裝置：考慮蓄放熱載體中相變材料與熱水的相對獨立性，同時需滿足實驗系統的安全穩定及成本，選擇套管式相變蓄熱放熱裝置（見圖1），介質A、B分別為相變材料和水；外管168 mm×3 mm、內管89 mm×2 mm（直徑×壁厚），材質均為304不銹鋼；進出口法蘭DN80；相變換熱裝置兩端分別以管道連接恒溫水箱及鋼制柱式散熱器，系統以循環水泵提供循環動力；管道及設備均采用橡塑保溫棉嚴格保溫。

圖1 套管式相變蓄熱放熱裝置結構

1.2 實驗工況

1.2.1 實驗方法

實驗測試時間為2019年11月15日~2020年1月20目，在北京建筑大學2號實驗樓進行。在套管式相變蓄熱放熱裝置進出口、柱式散熱器進出口均采用熱電偶溫度計測試溫度，電磁流量計測試相變蓄熱放熱裝置側及散熱器側流量。利用式（1）計算換熱量Q：

G——熱媒介質流量，kg/h；

Δt——相變換熱裝置進出口溫差，K。

1.2.2 實驗工況設定

通過改變相變蓄熱放熱裝置入口溫度、入口流量和蓄熱時間，研究不同因素對套管式相變蓄熱放熱裝置及其系統的換熱影響。4種實驗工況分別為：（1）保持相變蓄熱放熱裝置中熱水循環流量為100 kg/h不變，熱水入口溫度（以下簡稱入口溫度）分別設定為70、75、80℃；（2）保持入口溫度80℃不變，相變換熱裝置熱水循環流量分別設定為65、80、100 kg/h；（3）相變換熱器入口溫度為70℃，流量為100 kg/h，改變蓄熱時間分別為220、320 min；（4）相變換熱器入口溫度為80℃、流量為100 kg/h，改變蓄熱時間分別為110、190 min。

2 實驗結果與分析

2.1 蓄熱過程的性能分析

實驗工況（1）條件下，不同入口溫度時相變換熱裝置出口水溫與換熱量隨時間的變化如圖2所示。

圖2 不同入口溫度時換熱器出口水溫及換熱量隨時間的變化

由圖2可見，換熱器入口溫度分別為70、75、80℃時，相變蓄熱放熱裝置蓄熱過程所需時間分別約為320、250、190 min，相變換熱器平均換熱量分別為601、772、830 W。隨著相變換熱器進口水溫升高，相變材料發生相變的速度加快，相變蓄熱放熱裝置完成蓄熱過程所需時間縮短，且相變換熱器的平均換熱量增加。

相變換熱裝置出口水溫隨時間延長呈升高趨勢，且前中期曲線斜率高、升幅較大，后期升幅逐漸減緩；相變換熱器的換熱量曲線隨時間延長呈下降趨勢，下降幅度變化規律與水溫升幅類似。原因是在實驗測試前中期階段，相變換熱器填充的復合相變材料不斷吸收熱水的熱量，復合相變材料體積大，潛熱變化較大，換熱量較高，引起換熱器出口水溫降低幅度較大。隨水的熱量不斷傳遞，相變材料可熔化體積減少，換熱器出口溫度逐漸升高，換熱器換熱量減少；直至相變材料完全熔化后傳熱效果明顯降低，較小的傳熱系數導致換熱量較少，最終換熱器的出口溫度趨于其進口溫度，換熱量趨于0。

實驗工況（2）條件下，不同入口流量時相變蓄熱放熱裝置出口水溫及換熱量隨時間的變化如圖3所示。

（1）東南部平原養殖區。河溶、兩河、半月、草埠湖等鎮地處江漢平原過渡地帶，主要養殖區域形成漳河東、沮河西兩大全市主要漁業基地板塊，主要養殖青、草、鰱、鳙、鯉、鯽、黃顙魚、團頭魴、小龍蝦、黃鱔、泥鰍、鱖、鱸、鲌、鱉等品種。該區池塘養殖標準化、規模化、生態化等健康養殖模式初步形成。

圖3 不同入口流量時換熱器出口水溫及換熱量隨時間的變化

由圖3可見，換熱器入口溫度恒定，入口流量為100 kg/h相比80 kg/h時換熱器出口溫度升高約0.7℃，平均換熱量增加235 W；相比流量為65 kg/h時出口溫度升高約1℃、平均換熱量增加355 W。恒定換熱器入口溫度為80℃，系統入口流量分別為65、80、100 kg/h，蓄熱時間分別約為220、200、190 min。隨著換熱器入口流量的增加，系統蓄熱過程中填充相變材料完全熔化所需時間越來越短。因系統的入口流量增加，系統內流速變大，換熱過程隨即增強，換熱器的填充相變材料總相變時間減少，即入口流量增加，蓄熱時材料熔化時間縮短。

不同入口流量時，相變換熱器的出口水溫及換熱量曲線隨時間的變化與圖2相似。由圖3可見，不同流量工況下的換熱器出口水溫及換熱量在蓄熱過程的前120 min差距較明顯，因初始階段相變換熱器進出口溫差較大，相變潛熱主導蓄熱；120 min之后，出口水溫和換熱量的趨勢逐漸靠近并平緩，終期相變材料完全熔化后顯熱主導蓄熱。隨著換熱器進口流量增多，裝置內熱媒流速變快，相變材料熔化的速度加快，蓄熱過程所需時間縮短，且相變換熱器的平均換熱量也增多，出口水溫趨近80℃。

實驗工況（3）、（4）條件下，流量為100 kg/h，入口溫度分別為70℃、80℃時，不同蓄熱時間換熱器出口水溫及換熱量隨時間的變化分別如圖4、圖5所示。

圖4 不同蓄熱時間時換熱器出口水溫及換熱量隨時間的變化（入口溫度70℃）

圖5 不同蓄熱時間時換熱器出口水溫及換熱量隨時間的變化（入口溫度80℃）

由圖4、圖5可知，同一工況下的蓄熱時間不同，在蓄熱過程初期對出口溫度和換熱量影響不大，曲線擬合性良好。但是當蓄熱時間較短時，換熱器出口水溫和換熱量曲線均不能達到相變蓄熱后期較平緩的曲線段。說明蓄熱不充分，即蓄熱時間不足時，熱媒供給的熱量無法滿足相變材料完全相變所需，不能完成相變結束階段的顯熱吸收。對于相變蓄熱換熱裝置，隨著蓄熱時間增加且足夠時，相變材料可完全熔化，完成潛熱蓄熱及顯熱蓄熱，換熱器出口水溫曲線能達到平緩階段，換熱量進一步增加。

2.2 放熱過程的性能分析

相變換熱裝置在熱水循環階段進行蓄熱，之后停止熱水循環，改由散熱器回水進入相變換熱裝置進行放熱循環。圖6為相變換熱裝置在蓄熱階段熱水入口溫度分別為70、75、80℃時，在放熱階段散熱器循環水進口及出口溫度隨放熱時間的變化曲線。

由圖6可見，在放熱過程各工況下，相變蓄熱放熱裝置的蓄存熱量不斷通過散熱器釋放至室內環境，散熱器出口的低溫回水不斷循環，與換熱器之間換熱，因此散熱器的進、出口溫度均隨放熱時間延長不斷降低。放熱初始階段，散熱器進、出口溫差稍大，放熱量較大。此時，裝置中的相變材料由液態向固態轉化，即凝固過程。放熱過程后期，散熱器溫差減小，然而在總體放熱過程中散熱器的溫差變化并不大，換熱量無明顯變化幅度。如入口溫度為70℃時，散熱器的溫差為6.3~9.4℃；入口溫度為75℃時，散熱器的溫差為6.2~8.1℃；入口溫度為80℃時，散熱器的溫差為5.7~7.3℃。由分析可知，隨著入口溫度的升高，相變材料凝固的速率減緩，散熱器完全放熱所需的時間越長，且散熱器的進、出口總體溫差也越小。

圖6 不同入口溫度條件下放熱階段散熱器進、出口水溫隨時間的變化

圖7為蓄熱過程裝置入口溫度為80℃、熱水循環流量分別為65、80 kg/h時，散熱器進出口水溫隨放熱時間的變化曲線。

圖7 不同流量下散熱器進、出口水溫隨時間的變化

由圖7可見，在流量為65 kg/h時，散熱器放熱時間約為320 min；在流量為80 kg/h時，放熱時間約為345 min。隨著蓄熱過程中裝置熱水流量的增大，散熱器的放熱過程的時間越長，即相變材料完全凝固的時間越長。

圖8為蓄熱過程熱水循環流量為100 kg/h時，在入口溫度70℃、蓄熱時間220 min和入口溫度80℃、蓄熱時間110 min兩種工況下，散熱器進、出口水溫隨放熱時間的變化曲線。

圖8 不同蓄熱時間下散熱器進、出口水溫隨時間的變化

在放熱過程中，分析對比圖6、圖7、圖8可以看出：相變換熱器入口溫度70℃、蓄熱時間分別為220、320 min時，散熱器進出口平均溫差分別約為6.7、7.0℃，散熱器出口溫度降至27℃的放熱時間分別約215、265 min；相變換熱器入口溫度80℃，蓄熱時間分別約為110、190 min時，散熱器進、出口平均溫差約為5.7、6.1℃，散熱器出口溫度降至27℃的放熱時間分別約310、358 min。當相變蓄熱放熱裝置入口溫度及流量恒定時，隨著蓄熱時間的增加，散熱器進、出口的平均溫差稍有增加；且通過蓄熱時間的增加，蓄熱量增多后，放熱時間越長。

3 結論

（1）改變熱水入口溫度、流量及蓄熱時間，均能對填充相變材料的新型套管式蓄熱放熱裝置的換熱性能產生不同程度的影響。

（2）隨相變換熱裝置蓄熱過程熱水入口溫度升高，相變材料可進行顯熱與潛熱的蓄放熱，蓄熱過程的平均換熱量較大，相變裝置蓄熱較快；而放熱過程相變換熱裝置內材料相變較慢，放熱時間增加。

（3）相變換熱裝置蓄熱過程熱水入口流量增加，熱媒介質流速變快，蓄熱過程平均換熱量較大，蓄熱時間縮短；放熱過程散熱器進出口溫差增大，放熱時間增加。

（4）蓄熱時間縮短，蓄熱過程相變換熱裝置內復合相變材料不能完全發生相變，相變換熱器換熱性能降低，平均換熱量較小；放熱過程散熱器進出口溫差減小，放熱時間隨之縮短。