葉三寶，刁彥華，趙耀華

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京市100124)

0 引言

能源危機和環(huán)境污染已經成為制約人類社會發(fā)展的2個重要因素，開發(fā)可再生能源和提高能源的利用率具有重要的現實意義。我國作為能源消耗大國，能源浪費和利用率低現象尤其嚴重。相變蓄熱技術具有儲能密度高、相變過程近似等溫等優(yōu)點，這對于解決太陽能和工業(yè)余熱廢熱供需時間上的不匹配，實現電力“移峰填谷”，以及工業(yè)建筑和民用建筑空調節(jié)能［1－3］，具有廣泛的應用前景。

目前，對于相變蓄熱技術的研究主要包括相變材料研究和熱物理問題研究［4］。相變材料研究包括不同材料的物性、壽命及穩(wěn)定性等，熱物理問題研究則主要包括固－液相變傳熱機理、提高相變材料的導熱能力、儲熱裝置的強化傳熱以及不同溫度蓄熱(換熱)器的設計及運行工況等。

通過添加高導熱率的材料可以大幅提高傳熱的速率，這些強化傳熱的材料包括金屬基體、翅片、均勻分散的高導熱粒子和碳纖維等［5－7］。Cabeza［8］進行了 3種不同材料的強化產熱實驗，所用材料分別為不銹鋼片、銅片和石墨基質，實驗結果發(fā)現，PCM－石墨復合材料的傳熱效果明顯優(yōu)于不銹鋼片和銅片。吳志根［9］通過實驗，對金屬泡沫、膨脹石墨在高溫蓄熱系統中強化換熱進行了研究，通過頂部和底部加熱相變蓄熱器的不同的加熱方式，進一步揭示了多孔介質對自然對流的影響。Banaszek［10］對采用螺旋式結構的儲能裝置進行了理論與實驗研究。崔海亭［11］利用數值軟件模擬了多套管式相變蓄熱的蓄放熱過程，結果表明，合理增加內管數量可以提高相變過程中的流換熱強度和蓄熱能力。楊小平［12］建立了熔鹽球形填充床相變蓄熱系統的傳熱模型，采用亞硝酸鈉作為相變材料密封在不銹鋼球中，通過建立數學模型對相變蓄熱過程中的傳熱特性進行了研究，結果表明，實驗數據和數值模擬結果基本一致，可為蓄熱系統的設計提供理論和實驗依據。徐偉強［13］建立了微重力下相變蓄熱容器的仿真計算模型，根據蓄熱容器內凝固過程的仿真結果建立了更加符合實際的空穴分布模型，對改善蓄熱器的性能具有重要指導意義。朱恂［14］對石蠟為相變材料的螺旋盤管蓄熱器的蓄放熱性能進行了實驗研究，分析了通過在石蠟中添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶對石蠟螺旋盤管蓄放熱性能的影響。王增義［15］設計了一整套熱管式相變蓄熱換熱器，對其蓄放熱性能進行了實驗研究。

本文引入新型平板熱管這種高效傳熱元件，并在平板熱管兩側添加縱向翅片，設計一套新型平板熱管式相變蓄熱器，以石蠟作為相變蓄熱材料，對其蓄、放熱過程進行實驗研究。

1 平板熱管式相變蓄熱換熱器實驗裝置及系統原理

1.1 新型平板熱管式相變蓄熱換熱器

新型平板熱管式相變蓄熱換熱器分為上、中、下3部分，其中上部小水箱是取熱流體通道，中間部分為儲能室，用來填裝相變儲能材料，下部小水箱是供熱流體通道。三者采用分段式設計，互不相通。

作為傳熱元件的U型熱管底部貼在底部小水箱上表面，將導熱硅脂均勻涂于下部水箱換熱表面，由螺絲壓緊固定。在U型熱管上部，水平熱管扁平表面貼在上部取熱小水箱上進行換熱。圖1給出了新型平板熱管式相變蓄熱換熱器的結構示意圖。本文所用平板熱管是通過整理擠壓而成的平板結構，平板內部設置多個通孔，通孔內壁上設置有微翅片，相鄰微翅片間構成毛細微槽，瞳孔內灌裝工質為丙酮，平板兩端密封，從而構成整體式的平板熱管。由于通孔內設置有大量微翅片，可以形成大量毛細微槽，熱管比表面積大幅增加，在相同的散熱效率下，可以大幅減小體積。同時，對于平板換熱面，采用平板熱管具有熱阻小、換熱效率高的特性，是傳統圓形熱管所無法比擬的。

蓄熱換熱器采用分段式設計，下部小水箱是供熱流體通道，通過熱水時，與下部熱水小水箱上表面緊密貼合的U型熱管蒸發(fā)段受熱，內部工質受熱蒸發(fā)上流，整個熱管翅片受熱，石蠟熔化，蓄熱器開始蓄熱。上部小水箱是取熱流體通道，通過冷水時，與上部小水箱下表面緊密貼合的U型熱管冷凝段給水箱加熱進而加熱冷水，蓄熱器開始放熱。

這種換熱器既可以實現單純儲能過程，又可以實現單純放能過程，還可以實現儲、放能過程同時進行，在工程應用中，可根據實際情況靈活改變。本實驗研究中，采用58℃石蠟作為相變材料，通過改變供、取熱流體的溫度及流量對平板熱管式相變蓄熱換熱器進行了研究。

圖1 新型平板熱管式相變蓄熱換熱器結構簡圖Fig.1 Structure of phase-change thermal storage heat exchanger with new flat heat pipe

1.2 實驗原理

實驗臺如圖2所示，實驗裝置主要由平板熱管式蓄熱換熱器、恒溫水浴(寧波新芝生物科技股份有限公司DC－1015，額定流量6 L/min)、交流電源構成。為達到實驗所需要的流量，在水浴外環(huán)路加裝水泵(上海甲乙機電有限公司YRS25/6，最大揚程為6m，最大流量為40 L/min)，實驗中，以閥門調節(jié)控制流量，由流量計測試實際流量(流量計為天津儀表有限公司出品的金屬轉子流量計，量程為25～250 L/h，測量精度為±1.5%)。實驗所用閥門均為普通球閥。本文溫度測量熱電偶均采用k型熱電偶，熱電阻采用pt100熱電阻，測溫范圍為0～100℃。

實驗中熱源加熱熱水到90，95℃，分別對蓄熱換熱器中石蠟融化過程以及底部的小水箱進出口溫度進行測試。作為冷源端的恒溫水浴的水溫保持在15℃，同時，分別調節(jié)水流量在100，150，200 L/h對換熱器凝固過程以及水溫進出口溫度進行測試。

該蓄熱換熱器中，熱管寬40 mm，厚3 mm，翅片尺寸間距為6.5 mm，翅片高30.5 mm，寬50 mm，厚度為0.7 mm。上、下小水箱進出口測溫元件為熱電阻，4個熱電阻分別為201測點(上進)、202測點(上出)、203測點(下出)、204測點(下進)。在蓄熱器內部布置3個熱電偶，底部為210測點，上部靠兩邊緣分別為214測點、217測點。當頂部214測點、217測點測點溫度均超過石蠟熔點溫度可認為石蠟全部熔化完成。

圖2 實驗設備裝置系統圖Fig.2 Schematic of experimental apparatus

2 實驗結果及數據分析

2.1 蓄、放熱過程中石蠟溫度隨時間變化

圖3給出了供熱流體入口溫度在90，95℃時蓄熱器中不同測點處石蠟的溫度變化。由圖3可知:210測點在蓄熱器底部，離供熱水箱距離較近，214和217測點設置在蓄熱器儲能室頂部正面和側面兩側，處于同一水平面上，均與210測點相距較遠，故而在整個熔化過程中，210測點的溫度遠高于214和217測點，而214和217測點的溫度相差不大。在初始時段，蓄熱器石蠟為固體，由于固體石蠟顯熱比熱容較小，因此測點溫度增長的趨勢為開始時溫度升高速率較快，當固體石蠟溫度達到熔點后，進入潛熱熔化階段，溫度升高速度變慢，曲線斜率減小，當石蠟完全熔化后，液體石蠟開始顯熱蓄熱，溫升速度又開始加大。

圖3 入口溫度為90、95℃時蓄熱容器內部測點溫度變化趨勢Fig.3 Measuring point temperature change curves in heat storage container when inlet temperature is 90 and 95℃

值得注意的是，圖3(b)中，在熔化階段過后，蓄熱器溫度有快速趨于一致的趨勢，210、214、217這3個測點溫差減小很快。214測點為正面測點，其距離翅片基部1 cm處，而217測點為側面測點，其距離翅片頂部1 cm處，由于翅片基部比翅片頂部溫度高，故214和217測點一開始溫度基本保持一致，到一定熔化時間后，214測點的溫度超過217測點的溫度。由于210、214、217這3個測點位于蓄熱器的底部和頂部，會受到自然對流的一定影響，溫度略有波動。

圖4給出了取熱流體溫度15℃蓄熱器中各測點溫度變化趨勢。由圖4可知:一開始由于217測點是在蓄熱器的側面，與上部流經取熱小水箱鏈接水管較近，溫差大、熱阻小故其傳熱較快，其初始溫度就比其他2個測點溫度低，與冷水換熱較均勻，曲線斜率逐漸減小。但從210測點可以明顯看出凝固趨勢為，初始階段為顯熱換熱階段，故其溫度降低速度較快，進入潛熱換熱階段后，熱阻變大，換熱速率減小，曲線斜率變化速度明顯變慢。而214測點的變化曲線，一開始斜率減小明顯，當石蠟凝固變?yōu)楣虘B(tài)，開始釋放潛熱后測點曲線變化平緩。

圖4 入口溫度15℃蓄熱器中各測點溫度變化趨勢Fig.4 Measuring point temperature change curves in heat storage container when inlet temperature is 15℃

2.2 蓄、放熱過程進出口水溫的變化

圖5 給出了入口溫度分別為90，95℃時，蓄熱換熱器小水箱進、出口水溫的變化情況。熔化過程中，上部小水箱進、出水閥門關閉，下部小水箱閥門開啟，并流經熱水進行蓄熱。從圖5可看出，下部供熱小水箱在熱水進入后，溫度迅速升高，供熱水浴水溫分別維持在90，95℃時，下部小水箱溫度進水溫度分別維持在88，93℃。在穩(wěn)定狀態(tài)下，小水箱的進、出口水溫溫差在1℃左右。

圖5 入口溫度為90，95℃熔化時蓄熱器下部小水箱進、出口溫度變化趨勢Fig.5 Temperature change curves of inlet and outlet of small water tank when inlet temperature is 90 and 95℃

圖6為取熱水浴溫度為15℃時，蓄熱換熱器小水箱進、出口水溫的變化情況。取熱(凝固)過程中，下部小水箱閥門關閉，上部小水箱與取熱(冷水)水浴相連，冷水水浴模擬全年平均均自來水溫15℃從蓄熱器取熱。從圖6可看出，取取熱(冷水)水浴溫度設定在15℃時，初始階段段，蓄熱換熱器上部小水箱由于在蓄熱階段吸收的熱量而溫度較高，并且開始的換熱功率也較較大，雖然水浴的溫度設定在15℃，水浴也無法法立刻將回水溫度穩(wěn)定在15℃，在水浴不斷制冷冷的情況下，水溫仍保持在20℃以上能維持1 515 min左右，在15～40 min水溫維維持在16℃以上，在40 min后水溫恢復供水水溫度在15℃左右，此時的進、出水溫差在1℃以內，放熱過程連續(xù)穩(wěn)定，充分體現了相變蓄熱放熱器的優(yōu)勢。

圖6 冷水入口溫度15℃時蓄熱器取熱流體進出口溫度變化Fig.6 Temperature change curves of inlet and outlet of hot fluid when inlet temperature of cool water is 15℃

2.3 放熱過程流量對溫度分布的影響

圖7 為實驗臺中冷水入口溫度15℃時不同流量下217測點溫度變化情況，考慮到蓄熱換熱器設將與太陽能熱水器配用，故測定流量在100，150，200 L/h時溫度變化情況。從圖7可看出，流量為200 L/h時，217測點初始溫度最高，但同樣時間其達到的最終溫度最低;流量為100 L/h時，217測點的初始溫度最低，但最終的溫度確最高;流量為150 L/h時，變化曲線在這2條曲線之間。這說明取熱流量越大，蓄熱換熱器內石蠟溫降速度越快。

2.4 蓄、放熱功率分析

對比王增義［15］所做圓形熱管蓄熱換熱器，由于水圓形熱管所占體積遠比平板熱管大，圓形熱管與翅片在蓄熱裝置中所占體積比較大，降低了蓄熱器的蓄熱量;通過對新型平板熱管的分析發(fā)現，新型平板熱管體積小，并且熱運輸能力明顯優(yōu)于圓形熱管，平板熱管的傳熱面與翅片的基面緊密的貼合，傳熱面積較大，傳熱效率更高，可見新型平板熱管式蓄熱換熱器的蓄放熱效果是比較理想的。該蓄熱換熱器裝置加入翅片體積比約為17%，蓄存石蠟的質量約為9 kg，蓄存潛熱量為1 789.2 kJ。在入口溫度為95℃時，蓄存潛熱的過程(56～60℃)耗時70 min;放熱過程中，流體入口溫度為15℃時，釋放潛熱過程(60～56℃)耗時 80 min，計算得其平均蓄熱功率為420 W，平均放熱功率為370 W。

圖7 冷入口溫度15℃時不同流量下蓄熱換熱器中217測點溫度變化Fig.7 Temperature change curves of measuring point 217 in thermal storage heat exchanger when inlet temperature of cool water is 15℃

3 結論

(1)新型平板微熱管陣列在該蓄熱放熱器中很好地發(fā)揮了強化傳熱元件的作用，蓄熱器的蓄熱和放熱性能良好。

(2)供/取熱流體溫度對平板熱管式相變蓄熱換熱器性能影響較大，尤其是在蓄熱過程中，入口溫度越高石蠟溫升速度越快。

(3)放熱過程中取熱流體流量越大，蓄熱器內部石蠟溫降速率越快，整個凝固過程完成越快，平均放熱功率越大。

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