潛熱型功能流體儲熱罐蓄熱特性實驗研究

韓蕊 趙樹興 于云雁 趙曉凱 梁賀斐

天津城建大學能源與安全工程學院

0 引言

在太陽能供暖集熱系統中，應用熱水儲熱罐可以彌補太陽能的間歇性、不穩定性，但仍存在蓄熱體積大、效率低等問題。因此，近年來為解決熱水儲熱罐的不足，眾多研究者開始研究潛熱蓄熱裝置。

潛熱型功能流體（LFTF）是由特制的相變材料微粒與單相流體結合而成的一種新型固液多相流體[1]，主要包括相變乳狀液和相變微膠囊懸浮液兩種，它具有相變潛熱大、貯熱密度高、性能穩定等特點[2]，是集熱量儲存與傳遞、強化傳熱功能于一體的新型工質[3]。將其作為太陽能供暖集熱系統儲熱罐的循環蓄熱工質，在解決傳統熱水儲熱罐占地面積大及效率低問題的基礎上，還能夠提高太陽能供暖集熱系統的集熱效率。本文旨在針對應用于太陽能供暖集熱系統的潛熱型功能流體儲熱罐蓄熱特性開展相關實驗，為其在太陽能供暖集熱系統中的應用提供一定的理論依據。

1 實驗設計及相關參數說明

1.1 蓄熱工質選用

太陽能熱水地面輻射供暖系統宜采用 35～45 ℃供水溫度[4]，因此本文選用相變點為 50～65 ℃的相變微膠囊懸浮液作為蓄熱工質，其主要成分為水、聚氨酯（壁材）、正構二十八烷（芯材）、乳化劑。采用差式掃描量熱分析法（DSC 測試）對其進行熱物性測試，參數如表1 所示（表中相變材料的質量分數為相變材料與潛熱型功能流體的比例）。

表1 潛熱型功能流體熱物性參數

1.2 儲熱罐設計

依據文獻[5]，短期蓄熱太陽能供熱采暖系統每平方米太陽能集熱器儲熱罐容積推薦選用50～150 L/m2；此外，儲熱罐的高徑比（H/D）會直接影響儲熱罐內溫度分布，隨高徑比的增加，儲熱罐表面積增大，從而可能降低效率并對自然對流熱層造成破壞[6]，所以儲熱罐高徑比一般不超過4。本文結合實驗需求設計制作了三個圓筒形立式儲熱罐，總容積分別為80 L、110 L、140 L，儲熱罐的高徑比設定為 2.8、1.8、1.2，進行其蓄熱特性的研究。罐體結構主要包括罐體接管、上蓋、底座、把手及外保溫等；上蓋為半活動型（含3 個熱電偶插孔、1 個把手、1 個排氣閥）；底座為3 個高度50 mm的小圓柱柱腿；在罐體 2/3 高度處焊接2 個把手；外保溫為厚度為30 mm 的聚氨酯保溫棉和保溫管；罐內設置放熱盤管，罐體和放熱盤管的材質分別為 304 不銹鋼、紫銅，壁厚分別為2.5 mm、1 mm。儲熱罐結構示意圖，如圖1 所示，儲熱罐結構參數如表2 所示。

圖1 儲熱罐結構示意圖

表2 儲熱罐主要結構參數

1.3 實驗系統設計

實驗系統包括蓄熱系統，放熱系統和數據采集系統，如圖2 所示。

圖2 儲熱罐實驗系統圖

蓄熱系統包括外加熱裝置，交流調壓電源，蓄熱水泵，儲熱罐及管路附件。其中，外加熱裝置包括加熱盤管、伴熱帶，如圖3 所示。根據天津地區實測太陽能輻照量，11月份 8:00-16:00 時段，太陽輻照量最大值為1260 W/m2，本實驗設計最大加熱功率為1260 W，可通過改變伴熱帶工作數量和使用交流調壓電源實現功率的改變。

圖3 外加熱裝置

為保證蓄熱實驗順利進行，使儲熱罐更快恢復到實驗初始狀態，實驗設計了放熱系統。放熱系統包括低溫恒溫槽，放熱水泵，冷熱水儲罐，放熱盤管及管路附件，管路附件包括排氣閥、球閥、Y 型過濾器等。

數據采集系統由溫度采集系統、流量及電能采集系統組成。溫度采集系統由熱電偶、數據采集儀和 PC機組成。除儲熱罐進、出口布置4 個溫度測點外，罐內布置了24 個溫度測點，豎向測溫點在罐內8 個不同高度處，每個熱電偶高差均為0.11 m，同一高度徑向分別設在儲熱罐中心（中心）、罐中心與放熱盤管的中心（左一）、放熱盤管與罐內壁的中心（左二）。儲熱罐溫度測點布置如圖4 所示。流量及電能采集系統由玻璃轉子流量計和電子電量監測儀組成。實驗系統主要采集數據包括：儲熱罐各處蓄熱工質溫度，儲熱罐進、出口工質溫度，蓄熱工質流量，外加熱系統的耗電量、功率和電加熱時間。

圖4 熱電偶分布位置圖

實驗開始前使儲熱罐內部各處溫度均為26 ℃。實驗開始后，數據采集儀每 1 min 采集一次溫度。每15 min，記錄流量計讀數。每10 min 記錄一次瞬時功率、時長、累計耗電量。當儲熱罐出口溫度達到 60 ℃時，關閉伴熱帶并記錄電量監測儀數據。

1.4 相關參數說明

實驗研究中相關參數說明如下：

1）蓄熱時長

蓄熱實驗開始后，儲熱罐出口溫度達到60 ℃時所需蓄熱時間，min。

2）置換周期

蓄熱過程，儲熱罐容積V，蓄熱工質流量qV下，蓄熱工質循環一周所需時間，計算為：

式中：f為置換周期，min；V為罐內蓄熱工質容積，L；qV為蓄熱工質流量，L/h。

3）進出口溫差

加熱管進出口溫度差值，如第tmin 進出口溫差為第tmin 出口溫度減去t-τm in 前的進口溫度：

式中：Δt(t)為進出口溫差，℃；tout(t)為第tmin 出口溫度，℃；tin(t)為第tmin 進口溫度，℃。

4）加熱功率

儲熱罐蓄熱過程平均加熱功率，由蓄熱過程耗電量轉化為熱量后除以蓄熱時長計算得到：

式中：P為（平均）加熱功率，w；H為蓄熱過程外加熱耗電量，kWh；tx為蓄熱時長，m in。

5）平均溫度

實驗中，每一高度面平均溫度采用徑向距離測點溫度面積加權平均值，儲熱罐的同一徑向高度面上設3 個不同徑向距離測點，某高度面上的平均溫度采用該面左一和左二測點的面積加權平均值：

式中：T為某高度面面積加權平均溫度，℃；d為儲熱罐內放熱盤管內徑，mm；D為儲熱罐內徑，mm；S1為放熱盤管內側包圍面積，m2；S2為放熱盤管與儲熱罐內壁包圍面積，m2。

2 潛熱型功能流體儲熱罐蓄熱特性實驗的分析

2.1 加熱功率對儲熱罐蓄熱特性的影響

在儲熱罐容積 60 L，高徑比 2.8，蓄熱工質流量60 L/h 工況下，分別進行加熱功率為 850 W、1040 W、1260 W 的蓄熱實驗研究。

2.1.1 對罐內溫度分布的影響

不同加熱功率下儲熱罐內溫度隨時間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢線如圖5 所示。

圖5 不同加熱功率-潛熱型功能流體儲熱罐徑向溫度隨時間變化曲線

實驗表明，在蓄熱過程中，儲熱罐內的各高度面溫度的變化均為周期性，溫度變化的趨勢線均呈線性規律。以0.46 m 高度面為例，加熱功率越大，儲熱罐此高度面的面積加權平均的溫度越高，整體溫度的變化越快。

2.1.2 對儲熱罐進出口溫度及蓄熱時長的影響

加熱功率對儲熱罐進出口溫度及蓄熱時長的影響如圖6 所示，蓄熱特性參數如表3 所示。實驗表明，加熱功率增大，儲熱罐蓄熱時長縮短，置換周期數也減少，儲熱罐置換周期不受影響，計算值為 60 min，而實驗中實際置換周期約為 50 min，進出口溫度發生變化早于理論時間，表明蓄熱過程罐內蓄熱工質存在豎向由上至下傳熱的現象。

圖6 不同加熱功率-潛熱型功能流體儲熱罐進、出口溫度隨時間變化曲線

表3 變加熱功率-潛熱型功能流體儲熱罐(q=60 L/h)特性參數

2.2 蓄熱工質流量對儲熱罐蓄熱特性的影響

在儲熱罐容積60 L，高徑比 2.8，加熱功率 850 W工況下，分別進行蓄熱工質流量為 60 L/h、77 L/h、94 L/h 的蓄熱實驗。

2.2.1 對儲熱罐內溫度分布的影響

不同蓄熱工質流量下，儲熱罐內溫度隨時間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢線如圖7 所示。實驗表明：在蓄熱過程中，儲熱罐內的各高度面溫度的變化均具有周期性，溫度變化的趨勢線均呈線性規律。以0.46 m 高度面為例，不同蓄熱工質流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，趨勢線斜率分別為 0.138、0.143、0.137，即蓄熱工質流量越大，儲熱罐此高度面的面積加權平均溫度越高，整體溫度變化越快。

圖7 不同蓄熱工質流量-潛熱型功能流體儲熱罐內徑向溫度隨時間變化曲線

2.2.2 對儲熱罐進出口溫度及蓄熱時長的影響

不同蓄熱工質流量對儲熱罐蓄熱時長的影響如圖8 所示，蓄熱特性參數如表4 所示。

圖8 不同蓄熱工質流量-潛熱型功能流體儲熱罐進、出口溫度隨時間變化曲線

表4 不同蓄熱工質流量-潛熱型功能流體儲熱罐(加熱功率840 W)特性參數表

實驗表明，蓄熱工質流量增大，儲熱罐蓄熱過程加快，蓄熱時長縮短，置換周期數增加。此外，在三種流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，儲熱罐實際的置換周期為 50 min、41 min、34 min，溫度發生變化早于理論時間，表明蓄熱過程罐內流體存在由上至下傳熱的現象，且蓄熱工質流量越大傳熱現象越明顯。

2.3 高徑比對儲熱罐蓄熱特性的影響

在儲熱罐容積60 L，蓄熱工質流量60 L/h，加熱功率850 W 工況下，分別進行高徑比為1.2、1.8、2.8 的蓄熱實驗。

2.3.1 對罐內溫度分布的影響

不同儲熱罐高徑比下，儲熱罐內溫度隨時間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢線如圖9 所示。實驗表明：在蓄熱過程中，儲熱罐內的各高度面溫度的變化均具有周期性。以0.35 m 高度面為例，儲熱罐高徑比越大，儲熱罐同一高度面上整體溫度的變化越快。

圖9 不同高徑比-潛熱型功能流體儲熱罐內溫度隨時間變化曲線

當儲熱罐出口溫度達到60 ℃時，將儲熱罐內各高度面加權平均溫度做罐內二維溫度分布圖如圖10 所示。實驗表明：三種高徑比儲熱罐（1.2、1.8、2.8）的豎向最大溫差分別為 4.0 ℃、4.3 ℃、4.9 ℃，即高徑比越大豎向最大溫差越大，上下溫度分層現象更明顯，蓄熱量越大。隨高徑比的增大，蓄熱過程中罐內上下工質混合作用減小，均溫效果減弱。

圖10 不同高徑比潛熱型功能流體儲熱罐-罐內溫度分布圖

2.3.2 對儲熱罐進出口溫度及蓄熱時長的影響

不同儲熱罐高徑比對儲熱罐進出口溫度及蓄熱時長的影響如圖11 所示，蓄熱特性參數如表5 所示。實驗表明，蓄熱過程，隨儲熱罐高徑比的增加，相同蓄熱時間對應的儲熱罐出口溫度降低，儲熱罐的蓄熱時長增大，置換周期數增多。

表5 不同高徑比潛熱型功能流體儲熱罐(q=60 L/h，P=850 W)特性參數表

3 潛熱型功能流體儲熱罐和熱水儲熱罐蓄熱特性對比分析

兩種儲熱罐蓄熱均在容積 60 L、高徑比 2.8、蓄熱工質流量60 L/h、加熱功率850 W 工況下進行實驗研究和對比分析。

3.1 儲熱罐內蓄熱工質溫度分布對比

將兩種蓄熱工質儲熱罐儲熱罐內不同高度面徑向面積加權溫度值做出罐內二維溫度分布圖，如圖12所示。實驗表明，儲熱罐出口溫度達 60 ℃時，潛熱型功能流體儲熱罐和熱水儲熱罐豎向最大溫差分別為4.9 ℃和7.2 ℃，溫度梯度分別為6.3 ℃/m 和9.4 ℃/m，表明：與熱水儲熱罐相比，潛熱型功能流體儲熱罐內豎向最大溫差和溫度的梯度較小，分層不明顯，均溫性更加好。

圖12 兩種蓄熱工質儲熱罐-罐內溫度分布圖(出口溫度達60 ℃時)

3.2 儲熱罐蓄熱工質進出口溫度及蓄熱時長對比

儲熱罐蓄熱工質進出口溫度及蓄熱時長對比如圖13 所示，蓄熱特性參數如表6 所示。實驗表明，兩種儲熱罐的進出口溫度隨蓄熱時間增長均呈周期性增長，進出口溫度變化的趨勢線均呈線性規律，以出口溫度為例，兩種儲熱罐溫度變化趨勢線的斜率分別為0.12736、0.13741，潛熱型功能流體儲熱罐的斜率偏小，說明其整體溫度變化相對熱水儲熱罐較緩慢。實驗中，潛熱型功能流體儲熱罐所需蓄熱時長更長，蓄熱量更多，表明潛熱型功能流體儲熱罐單位體積的蓄熱能力更大，在此實驗工況下，潛熱性功能流體儲熱罐的蓄熱能力與熱水儲熱罐相比提高了 10.61%。

圖13 兩種蓄熱工質儲熱罐-進出口溫度隨蓄熱時間變化曲線

表6 兩種蓄熱工質儲熱罐蓄熱特性參數對比表

4 結論

本文主要針對太陽能供暖集熱系統潛熱型功能流體儲熱罐，對其蓄熱特性及其影響因素開展了相關實驗研究并與熱水儲熱罐對比分析，主要結論如下：

1）在蓄熱過程中，儲熱罐內的各高度面溫度溫度的變化均具有周期性，溫度變化的趨勢線均呈線性規律。實驗中，儲熱罐的出口溫度發生變化早于理論時間，表明罐內流體存在由上至下傳熱的現象。

2）對于同一儲熱罐，加熱功率增大時，儲熱罐蓄熱時長縮短，但蓄熱時長縮短的幅度逐漸減小，相同置換周期內，儲熱罐內工質溫升加快，蓄熱過程所需的置換周期數在減少。

3）對于同一儲熱罐，蓄熱工質流量增大時，蓄熱工質的置換周期縮短，儲熱罐蓄熱時長縮短，但縮短的幅度逐漸減小，置換周期數增加。

4）對于同一儲熱罐，儲熱罐高徑比增大時，儲熱罐蓄熱時長增大，相同蓄熱時間對應的儲熱罐出口溫度降低，罐內蓄熱工質豎向最大溫差加大，罐內上下溫度分層現象更明顯，蓄熱量增大；罐內上下工質混合作用減小，均溫效果減弱。

5）相同實驗工況下，潛熱型功能流體儲熱罐所需的蓄熱時長比熱水儲熱罐的更長，說明其蓄熱能力更大。在本實驗工況下，潛熱型功能流體儲熱罐較同容積的熱水儲熱罐，其蓄熱能力提高了10.61%。與熱水儲熱罐相比，潛熱型功能流體儲熱罐內蓄熱工質豎向溫度梯度較小，分層不明顯，均溫性更好。作為儲熱罐蓄熱工質，潛熱型功能流體比水更具優勢。