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趙棟，趙軍，高維，安青松

（天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津300072）

摘要：當前對于相變蓄熱器性能的評價指標主要是蓄放熱時間，比較單一，不能全面準確地評價蓄熱器性能。本文設(shè)計了一種以赤藻糖醇作為相變材料的間接式蓄熱器，并通過銅管外加雙直肋的手段強化傳熱。在相變材料內(nèi)部以及進出口設(shè)有熱電偶，利用控制變量法，通過改變進口油溫以及導熱油流量來觀測不同工況下蓄熱器內(nèi)部溫度的變化以及進出口油溫的變化，對不同工況下蓄熱器的蓄熱效率、放熱穩(wěn)定性進行了分析。為了對蓄熱器的充放熱性能作出更加全面的評價，對蓄熱器進行了分析。結(jié)果表明：在流量不變的情況下，隨著溫度的升高，蓄熱效率基本相同，放熱穩(wěn)定性基本一致，效率增加；在溫度不變的情況下，隨著流量的增加，蓄熱效率降低，放熱穩(wěn)定性減弱，效率降低。

關(guān)鍵詞：相變；蓄熱；傳熱；間接式；；赤藻糖醇

第一作者：趙棟（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為蓄熱技術(shù)。聯(lián)系人：安青松，講師，博士后，主要研究方向為中低溫發(fā)電、ORC技術(shù)。E-mail anqingsong@tju.edu.cn。

隨著國民生活水平的不斷提升，人們對于居住環(huán)境的舒適度要求不斷提高。據(jù)資料統(tǒng)計，近年來我國北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖能耗不斷提高，已經(jīng)占據(jù)居民能源消費的較大比例[1]。近些年來，供暖趨勢出現(xiàn)了分散性以及南移性。南方以及鄉(xiāng)村等無供暖區(qū)域，采用電加熱或者鍋爐進行供暖，由于能源利用率較低，大大增加了能源的消耗。200℃以下的工業(yè)余熱，因為回收利用技術(shù)不成熟，一般都是直接排放，不僅給環(huán)境造成危害，而且也是能源的極大浪費。移動蓄熱系統(tǒng)利用蓄熱技術(shù)，將余熱存儲于裝有蓄熱材料的蓄熱器中，通過交通工具運輸?shù)接脩魝?cè)，克服了熱源與熱用戶之間時間、空間上的不匹配性。移動蓄熱技術(shù)的核心是相變蓄熱技術(shù)，高效的蓄熱能力是實現(xiàn)移動蓄熱工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

對于相變蓄熱，國內(nèi)外的廣大學者進行了廣泛的研究。相變蓄熱領(lǐng)域的一個熱點問題就是提高蓄熱器的蓄放熱效率。具體的研究方向主要分為兩個：新型相變材料的研制；熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在材料研制方面，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，包括相變材料微膠囊化[2]、在相變材料里添加高導熱物質(zhì)[3]以及將相變材料與多孔介質(zhì)合成為定型相變材料[4]。在蓄熱器結(jié)構(gòu)方面，通過國內(nèi)外學者多年的研究，取得一些有效的強化手段。主要包括光管添加肋片[5]、多級蓄熱[6]以及直接式蓄熱[7]。

當前對于相變蓄熱器的性能研究主要是以蓄放熱時間作為標準，文獻[8-10]針對不同強化換熱的手段對蓄熱器的蓄放熱時間進行了分析。本文作者在前期的研究中以赤藻糖醇作為相變材料，設(shè)計并制造了管殼式蓄熱器，采用光管加肋的手段對蓄熱進行強化。實驗發(fā)現(xiàn)：通過加肋，蓄放熱時間明顯縮短[11]。作為相變蓄熱裝置，蓄放熱時間是評價一個蓄熱器優(yōu)劣的關(guān)鍵性因素。除此之外，蓄熱過程的蓄熱效率，放熱過程的穩(wěn)定性以及蓄熱器整體的?效率也是評價一個蓄熱器優(yōu)劣的重要因素。而在之前的研究中，很少對這些因素進行分析。本文通過改變導熱流體的流量以及溫度，對不同工況下的蓄熱效率、放熱穩(wěn)定性、總體?效率3個方面進行綜合分析，從而得出蓄熱器的最佳工作工況，為今后蓄熱器的實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　實驗裝置及方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由余熱源、蓄熱器、用戶端三大部分構(gòu)成。其中余熱源包括一個恒溫油箱以及溫控裝置，用于模擬工業(yè)余熱；蓄熱器內(nèi)盛裝相變材料；用戶端由一個水箱及板式換熱器構(gòu)成。蓄熱箱體為長方體，如圖2所示，長、寬、高分別為600mm×280mm×300mm的長方體，箱體為不銹鋼材質(zhì)。試驗中蓄熱器水平放置。蓄熱器內(nèi)部管路排布如圖3所示，箱體內(nèi)安裝了33根直徑12mm、壁厚1mm的銅管，在銅管外側(cè)添加了高30mm、厚度為0.1mm的銅制直肋。箱體底部管子分布較密集，這是因為在熔化過程中，底部的相變材料最難熔化，通過加密底部銅管，加速熔化此區(qū)域相變材料。

圖1　間接式蓄熱實驗系統(tǒng)

圖2　蓄熱器箱體示意圖（單位：mm）

圖3　蓄熱器內(nèi)部管路排布及熱電偶分布

蓄熱箱體內(nèi)的溫度分布及變化，通過安裝在蓄熱箱體內(nèi)部的熱電偶獲得。在距離進油口100mm的縱截面A—A、箱體中間部分縱截面B—B、距離出油口100mm的縱截面C—C分別布置了熱電偶，具體布置情況如圖3示。

實驗中箱體內(nèi)添加赤藻糖醇（純度＞95%）作為蓄熱材料。以導熱油為傳熱介質(zhì)。赤藻糖醇相變點117.7℃，相變潛熱339.8kJ/kg。赤藻糖醇相變溫度適合于供暖需求，相變潛熱較高，化學性質(zhì)穩(wěn)定，是一種極具應(yīng)用前景的中低溫相變蓄熱材料。

表1赤藻糖醇熱物性表

蓄熱實驗中，見圖1，閥門V1～V6打開，導熱流體從熱源恒溫油箱經(jīng)油泵輸送到蓄熱箱體進行換熱后回到油箱。放熱試驗中，閥門V3～V10打開，將有兩個循環(huán)過程同時進行：導熱油流經(jīng)油泵、蓄熱箱體換熱器的閉路循環(huán)；水路循環(huán)為水流經(jīng)水箱、水泵，在換熱器與導熱油發(fā)生熱交換后回到水箱。

2　實驗結(jié)果與分析

實驗分別研究了導熱油溫度恒定為140℃，流量分別為1.5m3/h、2.0m3/h、2.5m3/h、3.0m3/h、3.5m3/h的變流量工況，以及流量恒定為3m3/h，進口油溫分別為130℃、135℃、140℃、145℃、150℃的變溫度工況。并通過對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理、計算，對不同工況下蓄熱系統(tǒng)的蓄熱效率、放熱穩(wěn)定性、整體?效率進行了對比分析。

2.1蓄熱過程蓄熱效率分析

相變蓄熱器可以看作一個一側(cè)是流動的流體，另一側(cè)是恒溫熱源的換熱器，因此相變蓄熱器蓄熱效率可以等效為換熱器的換熱效率[12]。相變蓄熱的充熱過程實際上就是導熱流體將熱量傳遞給相變材料，相變材料再以潛熱的形式存儲起來，而在相變蓄熱的過程中進出口熱流體的溫差越大，說明熱流體傳遞給相變材料的熱量越多，理論上存在一個最佳進出口溫差：ΔT=Tinc?Tm，其中Tinc為充熱過程進口油溫，Tm為相變材料的相變溫度。而在實際運行過程中，熱流體進出口溫差是不可能達到理想最佳工況的，所以定義ζ=(Tinc?Toutc)/(Tinc?Tm)為蓄熱效率，其中Toutc為熱流體出口溫度。這個式子表示的是實際蓄熱量與理想最佳蓄熱量的比值。實驗中對不同溫度、不同流量工況下的逐時蓄熱效率進行了計算分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4　不同溫度下蓄熱效率的逐時變化

圖5　不同流量下蓄熱效率的逐時變化

從圖4、圖5上可以看出，在蓄熱開始階段，因為導熱油與相變材料之間的溫差極大，主要以顯熱蓄熱為主，所以具有較大的蓄熱效率；隨著蓄熱的進行，導熱油與相變材料之間的溫差減小，蓄熱效率迅速下降，蓄熱材料在經(jīng)歷顯熱蓄熱之后開始吸收熱量發(fā)生相變，在這個階段蓄熱效率基本保持穩(wěn)定，并處于較低數(shù)值。在流量一定、溫度增加的情況下，蓄熱效率基本相同。而當進口油溫一定的情況下，隨著流量的增加，蓄熱效率會減小，這是因為流量越大，導熱油與相變材料之間的換熱越不充分，而在小流量情況下，因為導熱油與相變材料的接觸時間較長，換熱充分，所以蓄熱效率較高。

2.2流量、溫度對于放熱過程的影響

高性能的蓄熱器應(yīng)該具有高效、穩(wěn)定的放熱能力，蓄熱溫度以及放熱時導熱油的流量對于放熱過程的進行存在著一定影響。本實驗設(shè)計不同蓄熱溫度以及不同導熱油流量的工況，并且對放熱過程出口油溫的溫度變化進行逐時記錄。結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　不同蓄熱溫度下的放熱過程出口油溫變化

圖7　不同流量下放熱過程導熱油出口溫度變化

可以看出，在放熱開始階段，出口油溫的溫度較高，這時因為在放熱初期，相變材料蓄存有一定的顯熱，這部分顯熱迅速釋放給低溫導熱油，隨著顯熱的釋放，導熱油與相變材料之間溫差減小，出口溫度也急劇下降。出口溫度首先下降到一個較低的點，接著緩慢上升直至穩(wěn)定。出口油溫產(chǎn)生拐點，是因為相變材料過冷現(xiàn)象的發(fā)生。當流量不變、蓄熱溫度增加時，由圖6可以看出，蓄熱溫度較高的工況放熱時出口油溫也較高，出口油溫的變化趨勢基本相同，這說明蓄熱油溫的改變，對于蓄熱器放熱穩(wěn)定性的影響不大。而當蓄熱溫度一定，隨著流量的改變，出口油溫的變化趨勢明顯不同，如圖7所示，隨著流量的增加，出口油溫達到的最低溫度會越低，回復到穩(wěn)定狀態(tài)會越困難，而且當導熱油流速過大，也會導致出口油溫的降低。可見，放熱工況下，導熱油流量越大，相變材料過冷度對于系統(tǒng)出口油溫的穩(wěn)定性影響就會越嚴重。綜上所述，在實際工程應(yīng)用中，一定要控制好換熱流體的流量，減小過冷度對于系統(tǒng)放熱的影響，保持系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的放熱性能。

為了對一個蓄熱器進行更為全面、完善地分析，針對所設(shè)計的蓄熱器在各種工況下的運行情況進行了?分析。通過?分析，對比不同工況下蓄熱器的?效率，得出最優(yōu)的運行工況。針對蓄熱器主要有兩種?分析方法：第一種，（放熱過程導熱油出口?-放熱過程導熱油進口?）/（蓄熱過程導熱油進口?-蓄熱過程導熱油出口?）[13]；第二種，（放熱過程導熱油出口??放熱過程導熱油進口?）/（蓄熱過程導熱油進口?）[14]。兩種?分析所選取的?基準不同。具體的計算公式如式（1）、式（2）所示。

設(shè)計的蓄熱器主要用于工業(yè)余熱的回收，針對本實驗，?流圖如圖8所示：高溫導熱油進入蓄熱器，攜帶大量有效能，這部分有效能定義為進口?Einc，在蓄熱過程中，主要的?損失有導熱油與相變材料換熱造成的?損失Exc，相變材料融化造成的?損失Exm，以及導熱油流出蓄熱器時所攜帶的?損失Eoutc，因為所設(shè)計蓄熱器主要用途在于工業(yè)余熱回收，假設(shè)經(jīng)過換熱的導熱油所攜帶的?不再進行利用，所以將這部分?歸為?損失。

圖8　蓄放熱過程?流圖

在放熱過程中，主要的?損失有低溫導熱油與相變材料換熱造成的?損失Exd、相變材料凝固所造成的?損失Exs。經(jīng)過一個完整的蓄放熱循環(huán)，最后獲得的?為低溫導熱油與相變材料進行換熱而帶出蓄熱器的?Eoutd?Eind。根據(jù)實驗情況，選擇第二種?效率計算方法，見式（3）～式（6）。

系統(tǒng)?效率變化如圖9、圖10所示。

在流量不變、溫度升高的工況下，系統(tǒng)的?效率隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢。在一定溫度范圍內(nèi)隨著進口油溫的增加，蓄熱器完成蓄熱的時間會顯著縮短，相變材料蓄存的?可以認為是一定的，所以蓄熱時間越短，隨高溫流體進入蓄熱器的?越少，蓄熱器的?效率會越高。當溫度不變，流量改變的工況下，隨著流量的增加，系統(tǒng)的?效率會呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為，隨著流量的增加，導熱油與相變材料之間的換熱反而會不充分，蓄熱時間也不會有顯著的減少，但是，隨著流量的增加，同樣的蓄熱時間里隨高溫導熱油進入蓄熱器的?卻會增加，這就導致了蓄熱器?效率的下降。綜上所述，在實際工程中，為了提高蓄熱系統(tǒng)的?效率，應(yīng)盡量避免載熱流體的流量過大。

圖9　不同流量下系統(tǒng)?效率

圖10　不同溫度下系統(tǒng)?效率

從蓄熱系統(tǒng)的總體?分析中可以看出，蓄熱系統(tǒng)的總體?效率較低。為了對蓄熱系統(tǒng)的蓄放熱性能作出更為深入的了解，分別對蓄熱和放熱過程的?效率進行了計算、分析，見式（7）、式（8）。式（7）為蓄熱過程的?效率，式（8）為放熱過程的?效率。其中Epcm為蓄熱結(jié)束之后相變材料所蓄存的?，見式（9）。

式（9）中，第一項為固態(tài)顯熱所蓄存的?，第二項為相變潛熱所蓄存的?，第三項為液態(tài)顯熱所蓄存的?。在這里，環(huán)境溫度T0為300K，相變材料的初始溫度Tini為333K。

對蓄熱、放熱過程的?效率分別計算，結(jié)果如表2、表3所示，可見放熱過程的?效率遠遠大于蓄熱過程。蓄熱過程的?效率之所以極小，首先與選擇的評價標準有關(guān)，在此?效率評價方法下，蓄熱過程的導熱油出口?被認為是?損失，在蓄熱過程中，進出口油溫相差極小，也就是說，大部分的?隨著導熱油流出了蓄熱器。而放熱過程的?效率為進出口導熱油的?差與蓄熱材料蓄存?的比值，進出口導熱油溫差較大，說明蓄熱材料將自身蓄存的大量?傳遞給了導熱油。要對蓄熱過程的?效率進行優(yōu)化，首先應(yīng)該強化導熱油與相變材料之間的換熱，換熱越好，進出口油溫的差值就會越大，也就是說更多的有效能被相變材料吸收；但是考慮到單級蓄熱存在著一個極限出口溫度，這就大大限制了蓄熱過程的?效率提升空間，所以在今后的研究與工程應(yīng)用中，可以考慮采用梯級蓄熱，進一步拉大進出口油溫的差值。

表2不同蓄熱溫度下蓄放熱?效率

表3不同流量下蓄放熱?效率

3　結(jié)論

（1）在蓄熱過程中，蓄熱效率隨著流量的增加而降低，隨著溫度的增加基本無變化。

（2）放熱過程，導熱油流量越大，相變材料的過冷度對于出口油溫的影響越大，放熱過程越不穩(wěn)定。

（3）蓄熱系統(tǒng)的?效率隨著載熱流體流量的增加而減小，隨著蓄熱過程進口油溫的增加而增大。蓄熱器?效率較低的原因，一是因為導熱油與相變材料之間較差的傳熱性，二是單級蓄熱出口油溫的限制。

（4）從蓄熱效率、放熱穩(wěn)定性、?效率幾個方面來看，適當提高蓄熱溫度有利于蓄熱器運行，同時應(yīng)控制好載熱流體的流量，避免流量過大。

在今后的工作中，應(yīng)深入研究相變材料的最佳蓄熱溫度。本文實驗中，流速全部處于層流區(qū)域，而對于紊流區(qū)域的蓄放熱特性應(yīng)進一步研究。在實際應(yīng)用中，可以考慮采用梯級蓄熱，進一步提高能源的利用率。

符號說明

Cl——相變材料的液態(tài)比熱容，kJ/(kg·℃)

Co——導熱油比熱容，kJ/(kg·℃)

Cs——相變材料的固態(tài)比熱容，kJ/(kg·℃)

Einc——充熱過程進口導熱油?，kJ

Eind——放熱過程進口導熱油?，kJ

Eoutc——充熱過程出口導熱油?，kJ

Eoutd——放熱過程出口導熱油?，kJ

Epcm——蓄熱材料蓄存的?，kJ

L——相變材料的潛熱，kJ/kg

Mpcm——相變材料的質(zhì)量，kg

m——導熱油質(zhì)量流量，kg/h D

T——充熱過程理論進出口溫差，℃

T0——環(huán)境溫度，℃

Tinc——充熱過程進口油溫，℃

Tind——放熱過程進口油溫，℃

Tini——相變材料初始溫度，℃

Tm——相變材料相變溫度，℃

Toutc——充熱過程出口油溫，℃

Toutd——放熱過程出口油溫，℃

Tpcm——充熱結(jié)束時相變材料的溫度，℃

t——時間，s

ε——蓄熱器?效率，%

εc——充熱過程?效率，%

εd——放熱過程?效率，%

ζ——蓄熱效率，%

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研究開發(fā)

研究開發(fā)

Experimental study on thermal storage characteristics and exergy analysis of thermal energy storage container using indirect contact structure under different conditions

ZHAO Dong，ZHAO Jun，GAO Wei，AN Qingsong

（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The evaluation index of the phase change thermal accumulator is charge time and discharge time，but this index is too simple to evaluate the performance of the thermal accumulator comprehensively and exactly.An indirect contact thermal energy storage was designed，incorporating a medium temperature phase change material（PCM），erythritol.Copper tube with double straight fins was chosen to help enhance heat exchange.The temperature and flow rate of heat transfer oil were changed by controlling variables to observe the temperatures of PCM，at the oil inlet and outlet through thermocouples.The charge efficiency and discharge stability of the thermal energy storage were analyzed under different conditions based on the experimental data.In order to make a comprehensive evaluation of the thermal energy storage，exergy analysis was made.At constant flow rate，with the increase of temperature，charge efficiency and discharge stability were almost the same，and exergy efficiency increased.At constant temperature，with the increase of flow rate，charge efficiency，discharge stability and exergy efficiency decreased.

Key words：phase change；thermal storage；heat transfer；indirect contact；exergy；erythritol

收稿日期：2015-01-09；修改稿日期：2015-02-11。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.010

文章編號：1000–6613（2015）08–2967–07

文獻標志碼：A

中圖分類號：TK 02