刁彥華，汪 順，趙耀華，李誠展，朱婷婷，康亞盟

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

平板微熱管陣列相變蓄熱裝置蓄/放熱性能

刁彥華，汪 順，趙耀華，李誠展，朱婷婷，康亞盟

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

為提高相變蓄熱裝置的性能，基于平板熱管技術(shù)設(shè)計(jì)了一套相變蓄熱裝置，將熔點(diǎn)58℃的工業(yè)石蠟作為該蓄熱裝置的蓄熱材料，對(duì)平板微熱管陣列在蓄/放熱過程的均溫性能、蓄熱裝置內(nèi)部石蠟溫度變化以及蓄熱裝置的蓄/放熱效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)對(duì)不同供/取熱流體溫度和流量的實(shí)驗(yàn)條件下蓄熱裝置蓄/放熱特性進(jìn)行研究.結(jié)果表明:平板微熱管陣列在蓄/放熱過程中性能穩(wěn)定，蓄熱裝置蓄/放熱效果良好；在供/取熱流體流量為2.0 L/min，供熱流體溫度為80℃，取熱流體溫度為20℃的實(shí)驗(yàn)條件下，計(jì)算得到該蓄熱裝置平均蓄熱功率、放熱功率分別為662、764 W.

平板微熱管；石蠟；相變材料；相變蓄熱裝置

太陽能因其間斷性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍.近年來，廣大學(xué)者通過各種技術(shù)對(duì)提高太陽能可靠性進(jìn)行了大量研究.其中，相變蓄熱技術(shù)因其具有儲(chǔ)能密度高、充釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而受到普遍關(guān)注，并在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.但是大多數(shù)常規(guī)相變蓄熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，是制約相變蓄熱技術(shù)發(fā)展的主要原因.因此，許多學(xué)者通過傳熱強(qiáng)化技術(shù)來解決相變蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問題.

Shamsundar等［1］設(shè)計(jì)了管-殼式蓄熱裝置，并對(duì)其蓄/放熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.Chiu等［2］設(shè)計(jì)了一種翅片管式蓄熱裝置，并對(duì)其熱性能和傳熱特性進(jìn)行了研究.Ismail等［3］設(shè)計(jì)了一套相變蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)將充滿蓄熱材料的球形膠囊放進(jìn)一個(gè)圓筒形儲(chǔ)蓄罐，通過載熱流體循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的蓄/放熱.牛福新等［4］建立了三套管蓄能蓄熱裝置的數(shù)學(xué)模型，通過焓法對(duì)三套管蓄能蓄熱裝置蓄熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)比分析了不同相變層厚度、流體流量以及流體入口溫度對(duì)其蓄熱特性的影響.唐剛志等［5］采用赤藻糖醇作為相變材料，將三維針翅管用作換熱元件以強(qiáng)化換熱，設(shè)計(jì)了一套針翅管式相變蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)相變蓄熱裝置的蓄/放熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定了赤藻糖醇的溫度分布隨時(shí)間變化的規(guī)律；改變蓄/放熱流體工況，分析了流量對(duì)換熱的影響以及能量隨時(shí)間變化的規(guī)律.

Faghri［6-7］利用微型熱管設(shè)計(jì)了一個(gè)小型相變蓄熱裝置，并以此申請(qǐng)了2個(gè)專利.Horbaniuc等［8］建立了一個(gè)低熔點(diǎn)溫度相變蓄熱材料應(yīng)用于帶翅片結(jié)構(gòu)的熱管蓄熱模型，并對(duì)熱管翅片周圍相變蓄熱材料的二維凝固過程進(jìn)行研究.結(jié)果表明:翅片越多，凝固速率越快，同時(shí)也可以通過改變翅片的數(shù)量來控制凝固時(shí)間.王增義等［9］將熱管作為換熱元件應(yīng)用于相變蓄熱系統(tǒng)中，研制了一套熱管式相變蓄熱裝置，采用石蠟作為蓄熱材料，對(duì)其蓄/放熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.Robak等［10］將熱管嵌入到相變蓄熱裝置中，通過實(shí)驗(yàn)研究其蓄/放熱過程，并直接與無嵌入熱管和用鰭替代熱管2種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比.該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱管對(duì)相變蓄熱裝置換熱性能的提高.

平板微熱管陣列是一種具有很高傳熱性能的元件，它可以將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸而無需外加動(dòng)力，具有其他傳熱技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn):具有卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性，阻力低，體積小，可控制等.因此，本文將傳熱性能良好的新型平板微熱管引入到相變蓄熱中，設(shè)計(jì)了一套以石蠟為相變蓄熱材料的平板微熱管陣列相變蓄熱裝置.在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)該裝置蓄/放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1　平板微熱管陣列相變蓄熱裝置

本文利用平板微熱管陣列元件，設(shè)計(jì)加工了一套相變蓄熱裝置，該裝置外部尺寸為740 mm×80 mm×460 mm，由3 mm不銹鋼板焊接而成.內(nèi)部有5個(gè)相變蓄熱單元，每個(gè)相變蓄熱單元主要由4部分組成（如圖1所示）:（a）蓄熱箱體；（b）平板微熱管陣列（尺寸為710 mm×40 mm×3 mm）；（c）平板翅片（尺寸為164 mm×144 mm×28 mm）；（d）異形管（尺寸為720 mm×110 mm×30 mm）.其中，熱管、翅片和異形管均為鋁制擠壓成型，蓄熱箱體由3 mm厚不銹鋼板加工制作.熱管和平板翅片通過機(jī)械連接組成蓄熱單元，在熱管接觸面均涂抹導(dǎo)熱硅脂以減少接觸熱阻.異形管與熱管通過機(jī)械方式貼合構(gòu)成蓄/放熱流體通道.為了增強(qiáng)熔化過程的自然對(duì)流作用，所有平板翅片均豎直安裝.考慮石蠟相變的體積膨脹系數(shù)，在箱體頂部預(yù)留一定的空隙；為減少熱量損失，裝置外表面覆蓋60 mm聚乙烯絕熱保溫材料.

本文中平板微熱管陣列內(nèi)部所充工質(zhì)為丙酮，平板微熱管陣列由3部分組成，即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段；加熱段受熱后使得內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)，蒸氣在浮升力作用下進(jìn)入絕熱段和冷凝段，并在冷凝段將熱量放出變?yōu)橐后w回流至蒸發(fā)段.圖1（b）所示平板微熱管陣列由吸熱段、蓄熱段和放熱段組成，其工作原理如下:

蓄熱時(shí)，供熱流體流經(jīng)下部分異型管通道，將熱量由供熱流體經(jīng)異型管傳至吸熱段，液體工質(zhì)吸熱后將熱量傳至蓄熱段，通過翅片將熱量不斷地傳到石蠟中儲(chǔ)存起來，從而實(shí)現(xiàn)蓄熱過程；放熱時(shí)，取熱流體流經(jīng)上部分的異型管通道，熱量由放熱段經(jīng)異型管傳至取熱流體，將熱量不斷地從蓄熱段傳至放熱段，從而實(shí)現(xiàn)了放熱過程.

圖2給出了裝置內(nèi)部熱電偶布置圖，以中間蓄熱單元為研究對(duì)象，布置了22根K型熱電偶用于測(cè)量系統(tǒng)溫度分布.T1～T6為熱管表面溫度測(cè)點(diǎn)分布，T7～T15為z方向自下而上靠近箱體壁面石蠟溫度測(cè)點(diǎn)分布，T16～T20為y方向平板翅片兩肋之間石蠟溫度測(cè)點(diǎn)分布；同時(shí)為了評(píng)價(jià)蓄熱裝置實(shí)驗(yàn)過程的漏熱量，布置2根熱電偶用于測(cè)量保溫材料內(nèi)外兩側(cè)溫度，T19～T20為保溫材料內(nèi)外兩側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)分布.

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及過程

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用熔點(diǎn)為58℃工業(yè)石蠟作為相變蓄熱材料，石蠟用量為18.7 kg，相變潛熱為198.8 kJ/kg，液/固態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)為（0.22/0.27）W/（m· K），比熱容為2.66 kJ/（kg·K）.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要由相變蓄熱裝置、恒溫水浴、增壓水泵、閥門、渦輪流量計(jì)、Agilent數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成.T23～T26為熱電阻，用于測(cè)量供/取熱流體進(jìn)出口溫度.其中，恒溫水浴用于提供穩(wěn)定的冷熱源；水泵用于克服供/取熱環(huán)路阻力；閥門用于調(diào)節(jié)供/取熱流體流量；渦輪流量計(jì)用于測(cè)量供/取熱流體流量.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為2個(gè)環(huán)路:供熱環(huán)路和取熱環(huán)路.供熱環(huán)路:由于平板微熱管陣列傳熱的單向性，將供熱環(huán)路設(shè)計(jì)為下環(huán)路，恒溫水浴加熱后的供熱流體經(jīng)過水泵加壓，流經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入蓄熱裝置供熱通道進(jìn)口端，由蓄熱裝置供熱通道出口端返回恒溫水浴，從而完成供熱循環(huán)；取熱環(huán)路:將取熱環(huán)路設(shè)計(jì)為上環(huán)路，恒溫水浴冷卻后的取熱流體經(jīng)過水泵加壓，流經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入蓄熱裝置取熱通道進(jìn)口端，由蓄熱裝置取熱通道出口端返回恒溫水浴，從而完成取熱循環(huán).

2.2實(shí)驗(yàn)過程

本部分將重點(diǎn)研究供/取熱流體進(jìn)口溫度和流量對(duì)蓄熱裝置蓄/放熱特性的影響.實(shí)驗(yàn)條件如表1所示.實(shí)驗(yàn)將分別研究蓄熱過程和放熱過程.蓄熱過程:首先通過冷熱恒溫水浴循環(huán)，保證初始石蠟平均溫度為25℃，將高溫恒溫水浴調(diào)到設(shè)定的溫度值，然后運(yùn)行水泵使得供熱環(huán)路循環(huán)，調(diào)節(jié)閥門控制流量為實(shí)驗(yàn)所需設(shè)定值，當(dāng)石蠟平均溫度升到70℃時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)；放熱過程:首先通過冷熱恒溫水浴循環(huán)，保證初始石蠟平均溫度為80℃，將低溫恒溫水浴調(diào)到設(shè)定的溫度值，然后運(yùn)行水泵使得取熱環(huán)路循環(huán)，調(diào)節(jié)閥門控制流量為實(shí)驗(yàn)所需設(shè)定值，當(dāng)石蠟平均溫度降到30℃時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn).

2.3計(jì)算方法

2.3.1量綱一參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)過程存在相變，因此引入Stefan數(shù)［11］來評(píng)價(jià)顯熱與潛熱比值.供/取熱流體溫度作為Stefan數(shù)的評(píng)價(jià)特征數(shù)，可由方程

描述.式中:cp為石蠟比定壓熱容，kJ/（kg·K）；tm為石蠟熔點(diǎn)，℃；蓄熱實(shí)驗(yàn)過程中，溫度差ΔtSte= tin，hot-tm，℃；放熱實(shí)驗(yàn)過程中，溫度差ΔtSte=tmtin，cold，℃；Δhm為石蠟潛熱值，kJ/kg.

由于每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)口溫度不同，因此Stefan數(shù)也不同，圖4所示為供/取熱流體在不同進(jìn)口溫度下的Stefan數(shù).從圖中可以看出，在蓄熱過程中，Stefan數(shù)隨著供熱流體進(jìn)口溫度的增加呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)；而在放熱實(shí)驗(yàn)中，Stefan數(shù)隨著取熱流體進(jìn)口溫度的增加呈現(xiàn)線性遞減趨勢(shì).

2.3.2能量存儲(chǔ)

蓄/放熱過程中，蓄熱材料實(shí)際蓄熱量Qstored可通過方程

描述.式中:m為該裝置所儲(chǔ)存石蠟質(zhì)量；cp為石蠟比熱，kJ/（kg·K）；tm為石蠟熔點(diǎn)，℃；ti為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)石蠟溫度，℃；tf為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)石蠟溫度，℃.

表1　實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental parameters

3　結(jié)果及分析

本文采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，供熱實(shí)驗(yàn)時(shí)供熱流體溫度為80℃，供熱流體流量為2.0 L/min；放熱實(shí)驗(yàn)時(shí)取熱流體溫度為20℃，取熱流體流量為2.0 L/min.

3.1熱管性能

為了評(píng)價(jià)平板微熱管陣列的性能，圖5描述了平板微熱管陣列蓄熱段沿z方向表面溫度隨時(shí)間分布.從圖中可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)預(yù)熱階段結(jié)束后，熱管表面溫度基本就趨于一致（溫差在1℃以內(nèi)），表現(xiàn)出熱管所具有的快速熱響應(yīng)和均溫性特征；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，平板微熱管陣列的表面溫度始終保持一致，說明平板微熱管陣列的等溫性良好.

3.2能量存儲(chǔ)

圖6給出了供熱流體溫度為80℃，流量為2.0 L/min和取熱流體溫度為20℃，流量為2.0 L/min的實(shí)驗(yàn)條件下蓄/放熱實(shí)驗(yàn)的石蠟實(shí)際蓄熱量和功率.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到蓄/放熱實(shí)驗(yàn)的蓄熱裝置中石蠟實(shí)際蓄熱量分別為5 956、6 190 kJ；蓄/放熱時(shí)間分別為150、135 min；計(jì)算得到該條件下蓄熱裝置的平均蓄/放熱功率分別為662、764 W.由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)材料本身存在一定的熱容，在實(shí)驗(yàn)計(jì)算時(shí)并沒有考慮系統(tǒng)材料的蓄熱量，因此，蓄熱裝置整體的蓄熱量及平均蓄/放熱功率應(yīng)大于該石蠟計(jì)算值.

3.3蓄/放熱過程石蠟溫度變化

圖6給出了蓄/放熱過程蓄熱段沿y方向石蠟溫度隨時(shí)間分布.從圖中可以看出，蓄熱實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，T16所測(cè)熱管表面溫度迅速升高，由于翅片的強(qiáng)化作用，翅片兩肋之間T17～T19所測(cè)溫度變化趨勢(shì)相同，其變化速率稍滯后于T16，由于T20測(cè)點(diǎn)靠近壁面，因此，溫度變化較慢.隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到120 min時(shí)，當(dāng)距管壁最遠(yuǎn)處的石蠟發(fā)生相變后，整個(gè)溫度場(chǎng)趨于均勻.放熱實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，T16所測(cè)熱管表面溫度迅速降低，由于翅片的強(qiáng)化作用，T17～T19所測(cè)溫度也快速降低，其變化速率稍滯后于T16，由于T20測(cè)點(diǎn)靠近蓄熱箱體的內(nèi)壁面，因此，溫度變化較為緩慢.

圖7給出了供熱流體溫度為80℃，流量為2.0 L/min和取熱流體溫度為20℃，流量為2.0 L/min的實(shí)驗(yàn)條件下蓄/放熱過程蓄熱段沿z方向石蠟溫度隨時(shí)間分布.從圖中可以看出:1）蓄熱階段.在初始時(shí)間段內(nèi)，石蠟從熱管所吸收的熱量主要用于其自身溫度的提高，以顯熱的形式儲(chǔ)存起來.進(jìn)入融化階段，石蠟在相變過程中需要吸收大量的潛熱，所以該階段石蠟溫度隨時(shí)間的變化緩慢.隨著融化過程的進(jìn)行，石蠟開始融化，熔融狀態(tài)下的石蠟由于溫度不同而出現(xiàn)自然對(duì)流.從圖中可以看出，60 min后高溫熔融狀態(tài)的石蠟向上運(yùn)動(dòng)，使得T15溫度迅速升高，溫度由上而下逐漸升高，所以蓄熱過程中自然對(duì)流作用尤為明顯.2）放熱階段.在初始時(shí)間段內(nèi)，由于取熱流體和蓄熱介質(zhì)存在較大的溫差，石蠟和熱管管壁溫度迅速降低，期間主要為顯熱放熱；當(dāng)石蠟溫度降低到熔點(diǎn)溫度時(shí)，石蠟開始釋放潛熱，該階段溫度變化比較緩慢；在整個(gè)放熱過程中，z方向所有測(cè)點(diǎn)的石蠟溫度變化趨勢(shì)基本一致，所以可以看出放熱過程中自然對(duì)流作用非常微弱.

3.4供/取熱進(jìn)口溫度對(duì)蓄/放熱過程的影響

為了評(píng)價(jià)供/取熱流體進(jìn)口溫度對(duì)蓄/放熱過程的影響，圖8給出了供/取熱流體流量均為2.0 L/min時(shí)T20溫度隨時(shí)間的變化.從圖中可以看出，蓄熱過程開始階段，由于石蠟處于固體狀態(tài)，石蠟側(cè)存在較大的熱阻，因此，在該階段供熱流體入口溫度對(duì)換熱的影響不明顯，T20溫度變化過程近似相同；當(dāng)石蠟開始熔化后，石蠟側(cè)換熱逐漸增強(qiáng)，隨著供熱流體進(jìn)口溫度的增加，T20溫度隨時(shí)間變化速度加快，溫升呈現(xiàn)更快、更高趨勢(shì).對(duì)于放熱過程中液態(tài)顯熱和潛熱的釋放階段，石蠟與取熱流體之間的換熱主要取決于石蠟側(cè)的放熱能力，因此，該階段取熱流體入口溫度對(duì)石蠟溫度變化的影響并不明顯，當(dāng)石蠟?zāi)踢M(jìn)入固態(tài)顯熱釋放階段后，取熱流體入口溫度對(duì)T20測(cè)點(diǎn)溫度變化影響逐漸增大，使得溫降呈現(xiàn)速度更快且溫降幅度更大的趨勢(shì).

3.5供/取熱流體流量對(duì)蓄/放熱過程的影響

圖9給出了供熱流體溫度為80℃和取熱流體溫度為20℃時(shí)不同供/取熱流體的流量對(duì)T20溫度隨時(shí)間變化的影響情況.可以看出，在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，石蠟測(cè)點(diǎn)T20的溫度會(huì)隨著供熱流體的流量增加而升高，隨著取熱流體的流量增加而降低，但是流速對(duì)蓄/放熱的影響效果均不明顯.主要是因?yàn)樵谛?放熱的過程中，石蠟側(cè)的熱阻在整個(gè)換熱過程中起決定性作用，圓管內(nèi)流速的增加引起的對(duì)流換熱系數(shù)的變化對(duì)總傳熱過程影響很小，因此，流速的影響不明顯.

4　結(jié)論

1）蓄/放熱實(shí)驗(yàn)中，平板微熱管陣列運(yùn)行高效且穩(wěn)定.

2）蓄熱過程中自然對(duì)流比較顯著，但對(duì)放熱過程的影響極其微弱.同時(shí)在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，該蓄熱裝置中石蠟實(shí)際蓄熱量分別為5 956、6 190 kJ，蓄/放熱時(shí)間分別為150、135 min，并且平均蓄熱功率和平均放熱功率分別為662、764 W.

3）供/取熱流體溫度對(duì)蓄/放熱過程有一定的影響，蓄熱時(shí)間隨著供熱流體溫度的升高而減少，放熱時(shí)間隨著取熱流體溫度降低而減少，而供/取熱流體流量對(duì)蓄/放熱過程的影響不是很強(qiáng)烈.

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（責(zé)任編輯 梁 潔）

Charging/Discharging Performance of Flat Micro-heat Pipe Array Thermal Storage Device

DIAO Yanhua，WANG Shun，ZHAO Yaohua，LI Chengzhan，ZHU Tingting，KANG Yameng
（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to improve the performance of phase change heat exchanger，this paper designed a flat micro-heat pipe array thermal storage device which paraffin was used as the heat storage phase change material.The thermal homogeneity of flat-micro heat pipe array was analyzed by experiments，the paraffin temperature distribution within the heat storage device and the charging/discharging power of the thermal storage device，and the charging/discharging heat transfer process of the thermal storage device under different inlet temperatures and flow rates for the cold/hot heat transfer fluid（HTF）were studied by experiments.Experimental results show that the performance of the flat micro-heat pipe array is steady and efficient during charging/discharging process，and the average charging power and the average discharging power of thermal storage unit are approximately 662 W and 764 W under the experimental conditions which the cold/hot HTF is 2.0 L/min，hot HTF temperature is 80℃and cold HTF temperature is 20℃.

flat micro-heat pipe array；paraffin；phase change material；thermal storage device

TK 02

A

0254-0037（2016）10-1552-08

10.11936/bjutxb2015090022

2015-09-10

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上資助項(xiàng)目（KM201510005022）

刁彥華（1973—），男，副教授，主要從事強(qiáng)化傳熱技術(shù)方面的研究，E-mail:diaoyanhua@bjut.edu.cn