李南爍，湯梓聰，伍健宜，張錦梁，謝安治，陳觀生

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

全社會(huì)能源需求不斷增加，能源短缺已成為人類面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，節(jié)能技術(shù)的研究和利用成為支撐社會(huì)發(fā)展的必要手段[1-3].

在各種節(jié)能技術(shù)中，相變儲(chǔ)能技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用. 電廠排煙廢熱、工業(yè)鍋爐廢熱以及各種內(nèi)燃機(jī)排氣的廢熱等都可以采用相變儲(chǔ)熱技術(shù)使之得到有效的利用，從而節(jié)省大量的能源[4]. 太陽(yáng)能熱利用、熱泵制熱等是當(dāng)前較為成熟的節(jié)能技術(shù)，結(jié)合相變溫度為40～60 ℃的低溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)則可以使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、熱泵熱水系統(tǒng)在生活熱水領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景[5-7].

適用于生活熱水領(lǐng)域的相變儲(chǔ)熱材料主要有石蠟、醋酸鈉等. 這些材料最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，這也成為它們大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙[8]. 為克服這一障礙，很多研究人員進(jìn)行了大量的工作，包括相變傳熱強(qiáng)化機(jī)理的分析[9-11]、相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提升等[12-13]，其中利用各種翅片來(lái)強(qiáng)化儲(chǔ)熱體中相變材料側(cè)的換熱是一種比較簡(jiǎn)單而且有效的做法[14-18].

本研究以石蠟為相變材料，對(duì)翅片盤(pán)管式相變儲(chǔ)熱器進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，得出該相變儲(chǔ)熱器內(nèi)的溫度分布及其儲(chǔ)、放熱特性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用的翅片盤(pán)管式相變儲(chǔ)熱器主要由箱體、保溫層、翅片盤(pán)管、相變材料(Phase Change Material，PCM)等構(gòu)成，其剖視圖如圖1所示.

1.1 翅片盤(pán)管式相變儲(chǔ)熱器

盤(pán)管為銅管，翅片為鋁片，盤(pán)管與翅片相互垂直，相變材料填充在翅片管與箱體之間，翅片間距可調(diào). 實(shí)驗(yàn)用的翅片盤(pán)管式相變儲(chǔ)熱器詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1.石蠟質(zhì)量為5 070.5 g.

表1 翅片盤(pán)管式相變儲(chǔ)熱器參數(shù)Tab.1 Finned-coil Phase Change Heat Storage Parameter

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

通過(guò)管內(nèi)冷、熱流體(本次實(shí)驗(yàn)以水作為工質(zhì))與箱體內(nèi)石蠟進(jìn)行熱量交換，對(duì)翅片盤(pán)管式相變換熱器的儲(chǔ)熱、放熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究. 恒溫水箱保證供應(yīng)的水溫度恒定. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

在箱體管槽內(nèi)布置T型熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)，如上圖所示. 其中T1、T5分別為進(jìn)出水管處測(cè)點(diǎn)，T2～T4為內(nèi)部管路測(cè)點(diǎn)，T6～T10為內(nèi)部石蠟測(cè)點(diǎn). 水流量通過(guò)控制閥門(mén)控制并由渦輪流量計(jì)測(cè)量(0.667～6.667 L/min，±0.5% R). 用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

相變材料為石蠟RT54，液相密度：780 kg/m3，固相密度：900 kg/m3；液相比熱容：2.4 kJ/(kg·K)，固相比熱容：7.8 kJ/(kg·K)；液相熱導(dǎo)率：0.20 W/(m·K)，固相熱導(dǎo)率：0.27 W/(m·K)；相變潛熱：170 kJ/kg；凝固溫度：54 ℃；熔化溫度：52 ℃. 忽略工質(zhì)溫度變化對(duì)熱物性的影響.

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

儲(chǔ)熱階段：接通電源，在恒溫水箱中把水加熱到65 ℃，然后開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集儀，同時(shí)開(kāi)啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)流量控制閥到一定的流量值，進(jìn)行儲(chǔ)熱階段的實(shí)驗(yàn). 當(dāng)石蠟完全熔化，并且在數(shù)據(jù)采集儀上觀察溫度不再升高時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，儲(chǔ)熱階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

放熱階段：考慮到儲(chǔ)熱器的最大儲(chǔ)熱量，儲(chǔ)熱階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，馬上進(jìn)行放熱階段實(shí)驗(yàn). 將另一臺(tái)設(shè)定溫度30 ℃的恒溫水箱替換儲(chǔ)熱階段的恒溫水箱，如圖2所示接入實(shí)驗(yàn)線路. 調(diào)節(jié)相同大小的流量值，進(jìn)行放熱階段的實(shí)驗(yàn). 待石蠟完全凝固，并且溫度分布基本均勻時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，完成放熱階段的實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)翅片間距為2.5 mm、5.0 mm和6.5 mm的翅片盤(pán)管相變儲(chǔ)熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min的情況下進(jìn)行儲(chǔ)、放熱實(shí)驗(yàn). 安捷倫每5 s采集一次數(shù)據(jù)，記錄每次實(shí)驗(yàn)流量情況. 忽略彎管效應(yīng)和工質(zhì)溫度變化對(duì)熱物性的影響，根據(jù)水和石蠟的溫度、水的流量以及傳熱面積等，翅片儲(chǔ)熱器的傳熱效率Q和傳熱系數(shù)k可以通過(guò)式(1)～(4)計(jì)算：

其中c表示儲(chǔ)熱，d表示放熱；ρ為水的密度(g/L)；v為水的流量(L/min)；Cp為水的比熱容(J·g—1·K—1)；A為儲(chǔ)熱器中管路的傳熱面積(m2)； ?tm為儲(chǔ)熱器的對(duì)數(shù)平均溫差(℃)，由式(5)～(6)計(jì)算：

2.1 溫度分布情況

設(shè)定恒溫水箱65 ℃的情況進(jìn)行儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)，進(jìn)水管溫度基本保持恒定. 圖3(a)及圖3(b)分別表示當(dāng)進(jìn)水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時(shí)儲(chǔ)熱過(guò)程中石蠟T8測(cè)點(diǎn)溫度及出水管T5測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線.

圖3 水流量為1.6 L/min的儲(chǔ)熱過(guò)程Fig.3 Heat storage process with water flow rate of 1.6 L/min

由圖3(a)可知石蠟在50～55 ℃的范圍內(nèi)溫度較為平穩(wěn)，局部溫度呈上升趨勢(shì)，可知這個(gè)溫度區(qū)間為石蠟開(kāi)始相變的溫度區(qū)間. 由圖3(b)看出，在進(jìn)水管溫度恒定情況下，出水溫度的變化過(guò)程與石蠟溫度的變化過(guò)程基本一致，間距為2.5 mm的儲(chǔ)熱器出水溫度率先接近進(jìn)水溫度，說(shuō)明翅片間距小儲(chǔ)熱過(guò)程進(jìn)行得比較快，傳熱能力強(qiáng).

設(shè)定恒溫水箱30 ℃的情況進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn)，進(jìn)水管溫度基本保持恒定. 圖4(a)及圖4(b)是水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時(shí)放熱過(guò)程石蠟T8測(cè)點(diǎn)溫度及出水管溫度T5隨時(shí)間的變化曲線.

從圖4(a)中可以看出，石蠟的放熱過(guò)程進(jìn)行得比較快. 在50～55 ℃區(qū)間的范圍內(nèi)溫度較為平穩(wěn)，儲(chǔ)熱體處于相變階段；在相變完成后，石蠟迅速被冷卻，溫度接近管內(nèi)流體溫度. 由圖4(b)看出，與儲(chǔ)熱類似，出水溫度的變化與石蠟溫度的變化保持一致，間距為2.5 mm的儲(chǔ)熱器率先完成放熱過(guò)程.

圖4 水流量為1.6 L/min的放熱過(guò)程Fig.4 Exothermic process with water flow rate of 1.6 L/min

2.2 傳熱系數(shù)變化情況

圖5、圖6及圖7分別表示流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時(shí)翅片盤(pán)管相變儲(chǔ)熱器儲(chǔ)熱過(guò)程中傳熱系數(shù)隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

由圖5～7可看出，在石蠟溫度為50 ℃以下區(qū)域，不同翅片間距的相變儲(chǔ)熱器傳熱系數(shù)基本維持在5～18 W/(m2·K)之間；隨溫度及流量的增加，傳熱系數(shù)也相應(yīng)增大，在進(jìn)入相變階段時(shí)迅速增大，這是因?yàn)樵缙诘膬?chǔ)熱過(guò)程，PCM還未融化，傳熱過(guò)程由熱傳導(dǎo)起決定作用，進(jìn)入相變階段時(shí)PCM的融化，在管壁上附著一個(gè)薄的熔融層，由于浮力作用加劇對(duì)流運(yùn)動(dòng)，傳熱系數(shù)迅速增加，此后隨著熔融層的加厚對(duì)流受阻，k值減少，超過(guò)60 ℃后相變完成，逐漸趨于穩(wěn)定；在其他參數(shù)相同時(shí)，翅片間距較小的儲(chǔ)熱器傳熱系數(shù)更大，翅片間距為2.5 mm時(shí)，相變過(guò)程進(jìn)行得最快，石蠟熔化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余翅片間距下的情況.

圖5 流量1.0 L/min時(shí)儲(chǔ)熱過(guò)程傳熱系數(shù)Fig.5 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.0 L/min

圖6 流量1.3 L/min時(shí)儲(chǔ)熱過(guò)程傳熱系數(shù)分布Fig.6 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.3 L/min

圖7 流量1.6 L/min時(shí)儲(chǔ)熱過(guò)程傳熱系數(shù)分布Fig.7 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.6 L/min

圖8、圖9及圖10分別是水流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時(shí)翅片盤(pán)管相變儲(chǔ)熱器放熱過(guò)程中傳熱系數(shù)隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

圖8 流量1.0 L/min時(shí)放熱過(guò)程傳熱系數(shù)Fig.8 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.0 L/min

圖9 流量1.3 L/min時(shí)放熱過(guò)程傳熱系數(shù)Fig.9 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.3 L/min

圖10 流量1.6 L/min時(shí)放熱過(guò)程傳熱系數(shù)Fig.10 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.6 L/min

通過(guò)圖8～10可以看出，k值從最初的20 W/(m2·K)左右緩慢增加，進(jìn)入相變階段，由于PCM的固化，對(duì)流導(dǎo)熱的綜合作用下，迅速增大到峰值，在52 ℃后，隨著PCM的進(jìn)一步固化，對(duì)流作用減弱，k值逐漸減小，在相變結(jié)束時(shí)減小到20 W/(m2·K)左右. 在溫度50℃以下區(qū)域，各組不同翅片間距的相變儲(chǔ)熱器傳熱系數(shù)變化比較平穩(wěn)，并且隨溫度逐漸降低，傳熱系數(shù)也相應(yīng)地變小，在流量為1.3 L/min和1.6 L/min時(shí)，傳熱系數(shù)基本在10～30 W/(m2·K)之間，而流量為1.0 L/min時(shí)，傳熱系數(shù)基本在5～18 W/(m2·K)范圍內(nèi)，可以看出流量的大小對(duì)傳熱系數(shù)存在一定影響.

在石蠟溫度為50 ℃～60 ℃區(qū)間內(nèi)，各組翅片盤(pán)管相變儲(chǔ)熱器的傳熱系數(shù)出現(xiàn)峰值，如表2所示.

表2 傳熱系數(shù)峰值Tab. 2 Peak heat transfer coefficient W·m-2·K-1

從表2中可以看出：在同一個(gè)流量下，翅片間距越小傳熱系數(shù)峰值越大；同一翅片間距時(shí)，流量越大傳熱系數(shù)峰值越大；儲(chǔ)熱器傳熱系數(shù)最大峰值出現(xiàn)在翅片間距為2.5 mm、流量為1.6 L/min的情況下.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm的翅片盤(pán)管相變儲(chǔ)熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min情況下的儲(chǔ)、放熱實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單得出以下結(jié)論：

(1) 在同一翅片間距下，水流量越大，儲(chǔ)熱器的傳熱系數(shù)越大，石蠟相變過(guò)程進(jìn)行得越快. 為加大換熱效率、減小儲(chǔ)熱時(shí)間可以適當(dāng)增加流量.

(2) 在同一水流量下，翅片間距越小，傳熱器的傳熱系數(shù)越大，石蠟相變過(guò)程進(jìn)行得越快. 在實(shí)際限定流量的應(yīng)用中，應(yīng)選擇較小翅片間距的儲(chǔ)熱器.

(3) 忽略輻射的影響，在50 ℃以下范圍內(nèi)，石蠟還沒(méi)發(fā)生相變或相變完成，傳熱過(guò)程主要為導(dǎo)熱，傳熱系數(shù)較?。辉?0～60 ℃范圍內(nèi)，石蠟融化，對(duì)流傳熱起作用，傳熱系數(shù)變化較大；在60 ℃后，石蠟完成相變，導(dǎo)熱再次起主導(dǎo)效果，傳熱系數(shù)變小. 實(shí)際應(yīng)用中選擇相變區(qū)間跨度大的相變材料有助于增大儲(chǔ)熱器的傳熱特性.