郭少朋，高維，趙軍，安青松

（1 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院中低溫?zé)崮芨咝Ю?教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

在我國(guó)，每年約有50%的工業(yè)耗能以余熱形式被直接廢棄[1]，使得工業(yè)部門成為開(kāi)展節(jié)能工作的主要對(duì)象。另一方面，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷深入，城市建設(shè)和格局正在逐步調(diào)整，圍繞原有城鎮(zhèn)出現(xiàn)了大批新型社區(qū)、工業(yè)區(qū)等。對(duì)于新型城鎮(zhèn)化的建筑而言，由于短期內(nèi)鋪設(shè)集中供熱管路的工程量較大，因此該類用戶往往采用自備鍋爐來(lái)滿足初期的供熱需求，不僅降低了能源利用效率，而且?guī)?lái)了一系列環(huán)境污染問(wèn)題[2]。因此，針對(duì)該類用戶遇到的問(wèn)題研究一種合理的供熱方式就顯得尤為重要。

移動(dòng)式蓄熱技術(shù)正是根據(jù)以上問(wèn)題開(kāi)展的一項(xiàng)集余熱回收、蓄熱和供熱應(yīng)用為一體的綜合能源利用技術(shù)。它利用交通工具將裝載蓄熱材料的蓄熱器運(yùn)送到余熱源處進(jìn)行蓄熱，待完成蓄熱后再將蓄熱器運(yùn)送到用戶處進(jìn)行放熱。放熱完成后的蓄熱器被送回余熱源處進(jìn)行再次充熱，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)余熱資源的回收利用和對(duì)用戶的供熱。由于具有靈活供熱方式的特點(diǎn)，移動(dòng)式蓄熱技術(shù)還可以應(yīng)用于野外作業(yè)或有特殊用熱要求的用戶。移動(dòng)式蓄熱技術(shù)的示意圖如圖1 所示。

一套完整的移動(dòng)蓄熱系統(tǒng)主要包括熱源、裝載蓄熱材料的蓄熱器、運(yùn)輸蓄熱器的交通工具和熱用戶四部分。相變蓄熱技術(shù)是移動(dòng)蓄熱的核心。相變蓄熱技術(shù)利用材料在相變過(guò)程中吸收或釋放潛熱來(lái)存儲(chǔ)或釋放熱量[3]。由于儲(chǔ)能密度高[4]，且放熱過(guò)程中溫度基本恒定，因此將相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)蓄熱系統(tǒng)具有廣闊的前景。

圖1 移動(dòng)式蓄熱技術(shù)示意圖

作為移動(dòng)式蓄熱技術(shù)的主要設(shè)備，蓄熱器應(yīng)該在滿足移動(dòng)式蓄熱技術(shù)應(yīng)用背景的情況下盡可能實(shí)現(xiàn)熱量快速穩(wěn)定的存儲(chǔ)與釋放。該過(guò)程的實(shí)現(xiàn)主要取決于蓄熱器內(nèi)部蓄熱材料快速和均勻地熔化與凝固過(guò)程。然而，由于材料在蓄熱器的相態(tài)變化過(guò)程中存在密度、黏度、比熱容等參數(shù)的變化，造成了蓄熱器內(nèi)材料熔化和凝固的不均勻情況，甚至出現(xiàn)一些較難熔化和凝固的部位，嚴(yán)重影響了蓄熱器的充放熱性能，因此了解蓄熱器內(nèi)材料熔化和凝固規(guī)律對(duì)于分析和完善蓄熱器的充放熱性能極為重要。本文選取赤藻糖醇[5-8]作為蓄熱材料，設(shè)計(jì)并搭建了采用光管的間接式蓄熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相變材料的溫度變化情況分析蓄熱器內(nèi)材料的熔化凝固規(guī)律，為后續(xù)移動(dòng)式蓄熱器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

為了便于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展研究，本文的移動(dòng)蓄熱系統(tǒng)忽略了蓄熱器的運(yùn)輸過(guò)程，僅包括模擬熱源部分、蓄熱器部分、模擬用戶部分、循環(huán)管路等，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。

1.1.1 模擬熱源部分 按溫度高低分類，工業(yè)余熱一般分為600℃以上的高溫余熱、230～600℃的中溫余熱和230℃以下的低溫余熱[9]。本文的主要研究對(duì)象為低溫余熱。綜合考慮蓄熱材料赤藻糖醇的熔點(diǎn)和換熱溫差等因素后本文選取140℃作為模擬熱源溫度。為了在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱源的模擬，實(shí)驗(yàn)選用了由溫控加熱裝置和導(dǎo)熱油組成的閉式熱源系統(tǒng)。通過(guò)溫控加熱裝置加熱導(dǎo)熱油模擬余熱流體。充熱過(guò)程中導(dǎo)熱油進(jìn)入蓄熱器的溫度為140℃，放熱過(guò)程中導(dǎo)熱油進(jìn)入蓄熱器的溫度由布置在進(jìn)口處的熱電偶測(cè)得。

圖2 移動(dòng)蓄熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.1.2 蓄熱器部分

蓄熱器是移動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的主要裝置，通過(guò)其內(nèi)部裝載的蓄熱材料在相變過(guò)程中吸收和釋放熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和利用。本文的主要研究對(duì)象為間接式蓄熱器，蓄熱材料和換熱工質(zhì)通過(guò)換熱壁面的間接式熱交換實(shí)現(xiàn)熱量傳遞和存儲(chǔ)。在蓄熱器的應(yīng)用過(guò)程中，換熱工質(zhì)攜帶熱量流進(jìn)和流出蓄熱器，因此蓄熱器也可以被認(rèn)為是一種能實(shí)現(xiàn)蓄熱功能的換熱裝置。對(duì)它的設(shè)計(jì)可以參考換熱器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。另一方面，蓄熱器不同于普通換熱器的是其內(nèi)部需要設(shè)計(jì)裝載蓄熱材料。為了使蓄熱器達(dá)到盡可能大的蓄熱量，減少運(yùn)輸次數(shù)，節(jié)約運(yùn)輸成本，要求蓄熱器內(nèi)裝載蓄熱材料的空間應(yīng)該足夠大。此外，還要在蓄熱器內(nèi)蓄熱材料的裝載側(cè)留出一定空間，防止蓄熱材料受熱后體積膨脹對(duì)蓄熱器造成 損壞。

因此，綜合考慮以上因素后，選擇殼管式換熱器作為間接式蓄熱器設(shè)計(jì)和研究的模型基礎(chǔ)。由于殼管式換熱器結(jié)構(gòu)中管內(nèi)空間較小，設(shè)計(jì)為蓄熱器的換熱工質(zhì)側(cè)；管外空間較大，可以容納更多的蓄熱材料，設(shè)計(jì)為蓄熱器的蓄熱材料裝載側(cè)。同時(shí)為了得到材料在蓄熱器中最基本的凝固熔化規(guī)律，并為后續(xù)蓄熱器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供驗(yàn)證模型，選取了最基本的光管蓄熱器結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的蓄熱器箱體部分設(shè)計(jì)為水平圓柱體。考慮到后續(xù)對(duì)蓄熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，蓄熱器箱體上部設(shè)計(jì)為可拆卸的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。為了便于研究蓄熱器內(nèi)水平方向材料的溫度變化情況以及熔化凝固規(guī)律，在水平方向分別選取3 個(gè)截面A-A、B-B 和C-C 進(jìn)行研究，見(jiàn)圖3。同時(shí)，為了分析蓄熱器內(nèi)材料在垂直方向上的溫度變化及熔化凝固情況，在3 個(gè)截面上又分別布置了4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)選用日本橫河（YOKOGAWA）機(jī)電公司生產(chǎn)的MV1000 型號(hào)便攜式無(wú)紙記錄儀和天津自動(dòng)化儀表八廠生產(chǎn)的鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)試溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，對(duì)選用的熱電偶采用了精度為0.1 的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用標(biāo)定得到的溫度校準(zhǔn)曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得到最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。蓄熱器箱體和換熱管尺寸信息及溫度測(cè)點(diǎn)的分布情況如圖3 所示。

圖3 間接式蓄熱器箱體和換熱管尺寸信息及溫度測(cè)點(diǎn)分布情況

1.1.3 模擬用戶端

本實(shí)驗(yàn)的用戶部分主要包括了水箱、水泵、換熱器、流量計(jì)、閥門和循環(huán)管路。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料測(cè)試

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料的DSC 測(cè)試

由于產(chǎn)品純度和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的不同，實(shí)驗(yàn)材料的相變溫度和相變潛熱會(huì)產(chǎn)生一定變化。為了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到較為準(zhǔn)確的相變蓄熱參數(shù)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析提供可靠的數(shù)據(jù)，針對(duì)選用批次的赤藻糖醇進(jìn)行了示差掃描量熱法（DSC，differential scanning calorimetry）測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)中DSC 測(cè)試分析選用了德國(guó)NETZSCH 公司生產(chǎn)的型號(hào)為DSC 204 F1的測(cè)試分析儀。為了保證測(cè)試儀器的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前用銦對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試。應(yīng)用德國(guó)SRTORIUS 公司生產(chǎn)的型號(hào)為BT 25S、精度為0.01mg 的電子天平稱取了質(zhì)量為9.220mg 的赤藻糖醇作為本次測(cè)試的試樣。進(jìn)行測(cè)試時(shí)將赤藻糖醇試樣封裝在鋁制坩鍋內(nèi)，設(shè)定測(cè)試時(shí)的升溫速率為5℃/min，測(cè)試溫度范圍為20～160℃，測(cè)試氣氛為20mL/min 的氮?dú)狻?/p>

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料的過(guò)冷度測(cè)試

由于赤藻糖醇分子結(jié)構(gòu)中羥基數(shù)目較多，分子結(jié)構(gòu)和分子間作用力情況復(fù)雜，在發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中可能造成過(guò)冷現(xiàn)象的發(fā)生。為了充分了解和掌握赤藻糖醇在相變過(guò)程中發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象的程度，以便針對(duì)該問(wèn)題在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中采取相應(yīng)措施，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了赤藻糖醇的過(guò)冷度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖4 赤藻糖醇過(guò)冷度測(cè)試示意圖

圖4 是赤藻糖醇過(guò)冷度測(cè)試示意圖。首先，稱取一定質(zhì)量的赤藻糖醇材料置于加熱試管內(nèi)，選用精度為0.2 的K 型熱電偶埋置在試管內(nèi)的材料中。正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，用精度為0.1 的溫度計(jì)對(duì)測(cè)試用 的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。熱電偶的另一端連接數(shù)據(jù)采集裝置（日本Yokogawa，型號(hào)MV1000），間隔30s自動(dòng)采集一次溫度數(shù)據(jù)。將裝有材料和熱電偶的試管放進(jìn)恒溫油?。▽幉ㄐ轮?，型號(hào) GDH-1020N）內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度為140℃。當(dāng)觀察試管內(nèi)固態(tài)的赤藻糖醇全部熔化，并且數(shù)據(jù)采集裝置顯示的溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)溫度以上時(shí)認(rèn)為試管內(nèi)的材料完成熔化過(guò)程。然后，將試管移出油浴加熱裝置，靜置于環(huán)境溫度中自然冷卻。觀察數(shù)據(jù)采集裝置，開(kāi)始階段材料向周圍環(huán)境不斷放熱，溫度持續(xù)下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一值時(shí)溫度維持基本恒定然后開(kāi)始上升，此時(shí)的溫度即被認(rèn)為是材料在該次放熱過(guò)程中的實(shí)際凝固溫度，其與理論凝固溫度的差值為此次放熱過(guò)程中的過(guò)冷度。記錄該溫度值并將置有材料和熱電偶的試管重新放進(jìn)恒溫油浴內(nèi)進(jìn)行加熱，重復(fù)以上過(guò)程并進(jìn)行200 次過(guò)冷度測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)研究步驟

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為充熱和放熱兩個(gè)階段。

1.3.1 充熱階段

開(kāi)啟溫控加熱裝置，對(duì)管道加熱器內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，并注意觀察其溫度變化情況。當(dāng)導(dǎo)熱油的加熱溫度達(dá)到140℃時(shí)，開(kāi)啟閥門V1、V2、V3、V6 和V8，關(guān)閉其他閥門，開(kāi)啟導(dǎo)熱油泵，調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油流量至2.00m3/h，將加熱器內(nèi)的導(dǎo)熱油輸送至蓄熱器內(nèi)進(jìn)行換熱。換完熱的導(dǎo)熱油經(jīng)循環(huán)管路流回加熱器內(nèi)進(jìn)行再次加熱。

1.3.2 放熱階段

開(kāi)啟閥門 V1、V2、V4、V5、V7、V9 和V10，關(guān)閉其他閥門，開(kāi)啟導(dǎo)熱油泵，設(shè)置導(dǎo)熱油流量為2.00m3/h，使循環(huán)管路內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)入蓄熱器內(nèi)被加熱，然后輸送至換熱器內(nèi)與來(lái)自水箱內(nèi)的水進(jìn)行換熱。換完熱的導(dǎo)熱油經(jīng)循環(huán)管路流回蓄熱器內(nèi)進(jìn)行再次加熱。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料測(cè)試結(jié)果與分析

2.1.1 材料DSC 測(cè)試結(jié)果與分析

圖5是材料DSC測(cè)試曲線圖。圖中，材料的相變溫度為DSC 曲線峰最大斜率的切線與基線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，相變潛熱為DSC 曲線峰的面積，可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行積分計(jì)算得到。通過(guò)分析圖5 可以知道，實(shí)驗(yàn)選用的該批次赤藻糖醇相變溫度為117.7℃，相變潛熱為330.3kJ/kg。對(duì)比本文中選用赤藻糖醇的相變溫度和潛熱測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[3]中報(bào)道的數(shù)據(jù)可以看到，二者數(shù)值非常接近，存在的微小差異可以認(rèn)為是由材料純度、測(cè)試誤差等因素引起的。因此，選用批次的赤藻糖醇在蓄熱性能上符合實(shí)驗(yàn)要求，可以滿足移動(dòng)式蓄熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的研究應(yīng)用要求。

圖5 DSC 測(cè)試曲線

2.1.2 材料過(guò)冷度測(cè)試結(jié)果與分析

圖6 反映了赤藻糖醇進(jìn)行200 次過(guò)冷度測(cè)試的情況。從圖6 中可以看到，在200 次過(guò)冷度的測(cè)試過(guò)程中，赤藻糖醇的過(guò)冷度范圍為10～70℃之間，說(shuō)明其在自然冷卻條件下進(jìn)行放熱時(shí)存在一定程度的過(guò)冷現(xiàn)象，因此在后續(xù)進(jìn)行的系統(tǒng)放熱實(shí)驗(yàn)中需注意觀察材料過(guò)冷現(xiàn)象對(duì)放熱過(guò)程的影響。

2.2 材料熔化凝固情況分析

間接式蓄熱器內(nèi)材料在充熱和放熱過(guò)程中的溫度變化情況如圖7 所示。從圖7 中可以看到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度的變化情況大致可以分為3 個(gè)階段。第一階段為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中的0～200min。這個(gè)階段時(shí)間相對(duì)較短，但蓄熱材料的溫度變化范圍較大，蓄熱材料主要以顯熱形式吸收熱能。第二階段為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中的200～690min。這個(gè)階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，材料的溫度變化范圍較小，是材料發(fā) 生熔化的主要階段，蓄熱材料主要以潛熱形式吸收熱能。第三階段從實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的690～870min。在這個(gè)階段里，材料溫度下降非常明顯，儲(chǔ)存在材料中的大量熱能以潛熱和顯熱形式釋放出來(lái)。

圖6 自然冷卻條件下赤藻糖醇進(jìn)行的200 次過(guò)冷度測(cè)試 情況

圖7 間接式蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

為詳細(xì)了解蓄熱器內(nèi)材料的熔化凝固情況，下面將上述3 個(gè)階段作進(jìn)一步的分析。圖8 是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第一階段蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的變化情況。在這個(gè)過(guò)程中，蓄熱器內(nèi)材料的溫度從最初的60～70℃快速上升到110℃左右。隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，材料溫度變化幅度逐漸減小，蓄熱器垂直截面中部和上部位置的測(cè)點(diǎn)溫度已接近或達(dá)到蓄熱材料熔點(diǎn)溫度，表明該處材料已開(kāi)始準(zhǔn)備熔化。蓄熱器垂直截面下部測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)較低，表明下部材料開(kāi)始熔化的時(shí)間較晚。

此外，從圖8 中還可以發(fā)現(xiàn)B-B 截面下部材料溫度要低于相同位置A-A 截面和C-C 截面的材料溫度。形成這個(gè)情況的主要原因是A-A 截面和C-C 截面距離蓄熱器兩側(cè)擋板位置較近，受擋板的影響造成測(cè)量溫度比真實(shí)溫度略高?；谶@個(gè)分析對(duì)蓄熱器水平方向上對(duì)應(yīng)位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，水平方向蓄熱材料在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行0～200min 內(nèi)的溫度變化和熔化情況基本一致。圖9 是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行200～690min 蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的變化情況。從圖9 中可以看到，這個(gè)階段材料的溫度變化范圍較小，后期除蓄熱器底部3 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)外，其他部位測(cè)點(diǎn)溫度均已超過(guò)材料的熔化溫度。這種情況說(shuō)明在充熱實(shí)驗(yàn)后期，蓄熱器中部和上部材料已基本熔化，下部材料仍然保持固體狀態(tài)。造成這種情況的主要原因是由于蓄熱器下部換熱管布置密度相對(duì)中上部較小，造成下部材料熔化較慢。另一方面，由于液態(tài)材料密度小于固態(tài)材料，材料熔化后在重力作用下向蓄熱器上部流動(dòng)，強(qiáng)化了蓄熱器中上部的自然對(duì)流換熱。蓄熱器下部材料位于最底層換熱管的下方，受到自然對(duì)流的影響作用較為微弱，因此熔化速率較為緩慢。

圖8 0～200min 間接式蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

圖9 200～690min 間接式蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

對(duì)比第二階段蓄熱器水平方向上對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度可知，蓄熱器內(nèi)A-A 截面的T4 測(cè)點(diǎn)和C-C 截面的T12測(cè)點(diǎn)間實(shí)際溫差約為0～2℃。因此可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的200～690min 內(nèi)，水平方向上蓄熱材料的溫度變化及熔化情況基本一致。

圖10 690～870min 間接式蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的690～870min 是蓄熱器的放熱階段。如圖10 所示，伴隨著材料相變潛熱和顯熱的釋放，蓄熱材料的溫度變化在這個(gè)階段較為明顯。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的690～750min 內(nèi)，蓄熱器垂直截面中 上部測(cè)點(diǎn)的溫度變化幅度較小，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)蓄熱器內(nèi)中上部材料仍然保持液體狀態(tài)。由于蓄熱器下部材料在充熱階段中未完成熔化過(guò)程，其在放熱階段開(kāi)始就主要為固體狀態(tài)，熱量的釋放以顯熱為主，溫度變化幅度較大。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行750min 后，蓄熱器垂直截面中部材料溫度開(kāi)始明顯下降，表明此時(shí)中部材料已基本完成相變潛熱的釋放，開(kāi)始發(fā)生凝固現(xiàn)象并以顯熱形式繼續(xù)釋放熱量。此時(shí)，上部材料溫度仍然穩(wěn)定在熔點(diǎn)溫度以上，表明此時(shí)上部材料仍然呈現(xiàn)液態(tài)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行850min 后，蓄熱器垂直截面上部材料溫度開(kāi)始明顯下降，因此可以判斷出此時(shí)上部材料已基本完成相變凝固過(guò)程。

綜上可知，在放熱過(guò)程中，蓄熱器垂直截面下部材料由于在充熱過(guò)程中未完成熔化，在放熱過(guò)程開(kāi)始即為固態(tài)。蓄熱器中部材料先于上部材料完成凝固放熱。造成這種凝固情況的原因主要由于材料固態(tài)和液態(tài)密度差引起的。在放熱過(guò)程中，液態(tài)材料密度較小，不斷地向蓄熱器上部流動(dòng)，因此蓄熱器上部聚集了大量液態(tài)蓄熱材料。另一方面，由于上部對(duì)流強(qiáng)度較大，換熱管周圍材料在放熱階段開(kāi)始時(shí)的凝固速率較快，容易在換熱管周圍形成一層凝固的材料層，阻礙了換熱管與周圍液體材料間的進(jìn)一步對(duì)流換熱，使得上部材料凝固速率降低。

對(duì)比放熱過(guò)程中蓄熱器水平方向上對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度可知，水平方向上蓄熱材料的凝固情況基本一致。

此外，分析圖10 還可以看到，蓄熱材料在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并未出現(xiàn)十分明顯的過(guò)冷現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樵诜艧徇^(guò)程中蓄熱材料釋放的熱量被循環(huán)系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油及時(shí)帶走并在換熱器內(nèi)傳遞給水箱內(nèi)的水，為蓄熱材料的凝固結(jié)晶提供了的動(dòng)力，減弱了過(guò)冷現(xiàn)象發(fā)生的程度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中基本可以忽略過(guò)冷現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)放熱過(guò)程造成的影響。

2.3 蓄熱量和蓄熱效率分析

為了進(jìn)一步掌握間接式移動(dòng)蓄熱器的性能情況，對(duì)蓄熱器的蓄熱量和蓄熱效率進(jìn)行了定量分析。由于考慮到蓄熱器底部部分材料未完全熔化的情況，通過(guò)計(jì)算用戶側(cè)的得熱量來(lái)間接計(jì)算蓄熱器的蓄熱量及蓄熱效率。

圖11 反映了放熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)入用戶側(cè)換熱器的水溫、導(dǎo)熱油溫及二者溫差變化情況。從圖11 中可以看到，隨著蓄熱器內(nèi)熱量的釋放，循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)熱油的溫度和水箱內(nèi)水的溫度都在上升。放熱過(guò)程前期，蓄熱材料釋放出大量相變潛熱，使得導(dǎo)熱油和水的溫度快速上升，導(dǎo)熱油與水的溫差較大；放熱過(guò)程后期，大部分蓄熱材料完成了相變放熱過(guò)程，熱量的釋放以顯熱為主，導(dǎo)熱油和水的溫度上升緩慢，溫差逐漸減小。

圖11 間接式蓄熱系統(tǒng)放熱實(shí)驗(yàn)水溫、導(dǎo)熱油溫及二者 溫差變化情況

在放熱實(shí)驗(yàn)中，用戶側(cè)水箱內(nèi)水的體積為0.126m3，整個(gè)放熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水溫由39℃上升到了58℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用戶側(cè)實(shí)際得到的熱量可以通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Q為用戶側(cè)實(shí)際得熱量，MJ；cp為水的定壓比熱容，4.2×10-3MJ/(kg·℃)；m 為水箱中水的質(zhì)量，kg；Δt 為水箱內(nèi)水的溫升，℃。

經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中用戶側(cè)實(shí)際得到的熱量Q 約為10.1MJ，考慮到換熱器的熱效率（本文取85%）和系統(tǒng)在放熱過(guò)程中的熱損失（本文取7%），蓄熱器的實(shí)際蓄熱量Qr約為12.8MJ。間接式蓄熱器內(nèi)設(shè)計(jì)裝載蓄熱材料質(zhì)量為60kg，蓄熱器在充熱過(guò)程中材料完全熔化后達(dá)到最大蓄熱量，其值可通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Qmax為蓄熱器的最大蓄熱量，MJ；mPCM是蓄熱材料的質(zhì)量，kg；ΔH 是蓄熱材料的相變潛熱，MJ/kg；cp，PCM是蓄熱材料的比熱容，MJ/(kg·℃)；ΔT 是蓄熱材料的溫差，℃。

通過(guò)式（2）計(jì)算間接式蓄熱器的最大蓄熱量Qmax為26.8MJ。因此蓄熱器的蓄熱效率可以認(rèn)為是實(shí)際蓄熱量與最大蓄熱量的比，約為48%。造成蓄熱器效率不高的原因主要有兩個(gè)：①蓄熱和放熱過(guò)程中的熱損失；②蓄熱器底部材料未完全熔化，使得實(shí)際蓄熱量降低，影響了蓄熱器的實(shí)際放熱量。因此對(duì)現(xiàn)有間接式蓄熱器進(jìn)行優(yōu)化，將下部換熱管進(jìn)行密集布置，同時(shí)增加部分環(huán)肋或直肋，增加換熱面積，將是間接式移動(dòng)蓄熱器后續(xù)研究的主要方向。

3 結(jié) 論

通過(guò)搭建移動(dòng)蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)蓄熱器內(nèi)的蓄熱材料在相變過(guò)程中的熔化凝固規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）充熱過(guò)程中，垂直方向上，蓄熱器上部和中部的赤藻糖醇熔化速率較快，下部熔化較慢。水平方向上，赤藻糖醇的熔化規(guī)律較為一致。

（2）放熱過(guò)程中，垂直方向上，蓄熱器下部的赤藻糖醇凝固較快，上部的赤藻糖醇凝固速率較慢，中部的赤藻糖醇先于上部的赤藻糖醇凝固放熱。水平方向上，材料的凝固規(guī)律較為一致。

（3）總結(jié)本研究可知，充熱過(guò)程中，蓄熱器下部材料熔化緩慢，放熱過(guò)程中，蓄熱器上部材料凝固較慢，中部材料在充放熱過(guò)程中始終保持著較好的熔化凝固速率。因此為實(shí)現(xiàn)蓄熱器內(nèi)材料快速均勻凝固熔化，在后續(xù)的工作中，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化蓄熱器上部和下部結(jié)構(gòu)。

（4）考慮到蓄熱器最底部材料存在較難熔化 區(qū)域，在后續(xù)的優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)將下部換熱管進(jìn)行密集布置。同時(shí)還可以增加部分環(huán)肋或直肋，以達(dá)到增加換熱面積，加快換熱速率的目的。

[1] 連紅奎，李艷，束光陽(yáng)子，等. 我國(guó)工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J]. 節(jié)能技術(shù)，2011，3（2）：123-128.

[2] 李炎鋒，楊英霞，高輝，等. 國(guó)內(nèi)幾種供暖方式的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較與分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23（4）：84-89.

[3] 楊波，李汛，趙軍. 移動(dòng)蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2013，32（3）：515-520.

[4] Sharma A，Tyagi VV，Chen C R，et al. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13：318-345.

[5] Akihide K，Nobuhiro M，Atsushi K，et al. Thermophysical and heat transfer properties of phase change material candidate for waste heat transportation system[J]. Heat Mass Transfer，2008，44：763-769.

[6] Abhat A. Low temperature latent heat thermal energy storage：heat storage materials[J]. Solar Energy，1983，30：313-332.

[7] Francis A. A review of materials，heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS)[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：615-628.

[8] 唐志剛，李隆健，崔文智. 針翅管式相變蓄熱器傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（3）：69-72.

[9] 馮惠生，徐菲菲，劉葉風(fēng)，等. 工業(yè)過(guò)程余熱回收利用技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程，2012，29（1）：57-64.