李賽維，郭美茹，孫志強(qiáng)，周天，周孑民

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樹(shù)形管道與金屬通道在石蠟相變蓄熱優(yōu)化中的應(yīng)用

李賽維，郭美茹，孫志強(qiáng)，周天，周孑民

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

為優(yōu)化石蠟的蓄/放熱速率等相變換熱性能，設(shè)計(jì)具有多尺度結(jié)構(gòu)的樹(shù)形換熱管，在降低流動(dòng)阻力的同時(shí)提高石蠟內(nèi)部溫度的均勻性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究樹(shù)形換熱管的入口水溫和體積流量對(duì)石蠟蓄熱性能的影響。通過(guò)在石蠟中埋置銅管/柱和不銹鋼管/柱等高導(dǎo)熱的金屬通道，進(jìn)一步增大有效傳熱，提高石蠟的蓄熱性能。研究結(jié)果表明：石蠟的蓄熱有效度與樹(shù)形換熱管的入口水溫和體積流量成正相關(guān)，溫度分布均勻度隨傅里葉數(shù)的增加而逐漸降低并趨于平穩(wěn)；在純石蠟中埋置金屬通道能有效改善石蠟的蓄熱性能，在實(shí)驗(yàn)中埋置直徑為16 mm的實(shí)心銅柱效果最明顯，可使石蠟的蓄熱有效度比純石蠟提高23.0%，且內(nèi)部溫度分布也比純石蠟更均勻。

石蠟；相變蓄熱；優(yōu)化；樹(shù)形管道；金屬通道

蓄熱技術(shù)是解決熱量供求時(shí)?空不匹配矛盾的有效手段。石蠟具有價(jià)格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定、可逆性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的中低溫有機(jī)相變蓄熱材料[1]，已廣泛應(yīng)用于余熱利用、太陽(yáng)能集熱、可再生能源建筑等領(lǐng)域[2?3]。然而，石蠟的熱導(dǎo)率較低(僅為0.2~0.5 W·m?1·K?1)，尚不能完全滿足蓄熱裝置快速蓄/放熱的要求，因而制約了其在相變蓄熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了提高石蠟的蓄熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，如：CAO等[4]以TiO2為殼體封裝材料制備石蠟微封裝膠囊，采用差示掃描量熱儀和熱重量分析儀對(duì)熱特性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；HAFNER等[5]研究了不同高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)對(duì)石蠟傳熱性能的影響，表明添加VSP25的效果最顯著，可使熱導(dǎo)率提高至純石蠟的3~5倍；VELRAJ等[6]以石蠟RT60為相變材料，研究了增加縱向翅片結(jié)構(gòu)于圓柱內(nèi)部、添加勒辛環(huán)及加入氣泡擾動(dòng)3種方式對(duì)石蠟傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加翅片結(jié)構(gòu)和添加勒辛環(huán)可使石蠟完全熔化的時(shí)間較純石蠟分別縮短1/4和1/9。為克服單種相變蓄熱材料的不足，梁辰等[7]認(rèn)為將2種及以上相變材料混合，制備混合相變材料是研發(fā)相變材料的一個(gè)重要方向；陳振乾等[8]在石蠟中注入泡沫鋁，分析了泡沫鋁的孔隙率對(duì)石蠟溫度場(chǎng)的影響；METTAWEE等[9]制備了多種不同鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟/鋁粉復(fù)合材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了其蓄/放熱過(guò)程；郭美茹等[10]制備了石墨烯/石蠟復(fù)合材料，測(cè)試了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)和相變潛熱等特征參數(shù)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，揭示了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱源溫度對(duì)復(fù)合材料熱響應(yīng)速度的影響；LIU等[11]針對(duì)傳統(tǒng)的管殼內(nèi)石蠟相變傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，探討了多級(jí)管道排列對(duì)石蠟熔化時(shí)間、系統(tǒng)?效率的影響；李新國(guó)等[12]對(duì)石蠟的蓄熱熔化和放熱凝固規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)石蠟的自然對(duì)流對(duì)石蠟熔化過(guò)程的影響較凝固過(guò)程的大；楊鶯等[13]設(shè)計(jì)了一套定量測(cè)試不同工況下管殼式相變蓄熱器傳熱效率的裝置，通過(guò)在管內(nèi)通入熱載流體研究了其傳熱效率。石蠟相變蓄熱系統(tǒng)因其儲(chǔ)能高、蓄/放熱速率均勻等特性備受關(guān)注，而與之配合使用的換熱器大多為單尺度結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的逆/順流式換熱器其換熱管道多為相同結(jié)構(gòu)的平行管束[14?15]，不利于換熱效率的最大化。為此，本文作者以石蠟為相變蓄熱材料，設(shè)計(jì)多尺度樹(shù)形換熱管并應(yīng)用于石蠟相變蓄熱，在降低系統(tǒng)流動(dòng)阻力的同時(shí)提高石蠟內(nèi)部溫度的均勻性；此外，在石蠟中增加高導(dǎo)熱的金屬通道，探討在石蠟中埋置銅柱/管和不銹鋼柱/管對(duì)蓄熱性能的優(yōu)化。

1 樹(shù)形管道設(shè)計(jì)

在自然界，樹(shù)木依靠由大枝干分級(jí)成枝干末梢的樹(shù)干完成自身營(yíng)養(yǎng)的傳輸，人體血管、氣管和淋巴管也都是由較大尺度逐級(jí)分叉成較小尺度完成新陳代謝，這些結(jié)構(gòu)被證明都是極其高效的傳熱傳質(zhì)系統(tǒng)。受此啟發(fā)，研究人員提出了樹(shù)形結(jié)構(gòu)換熱器，并開(kāi)展了大量研究工作[16?17]。WECHSATOL等[18]以流動(dòng)阻力最小為優(yōu)化目標(biāo)，研究了圓盤(pán)狀樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)每一級(jí)管道向下一級(jí)分成2支時(shí)能使流動(dòng)系統(tǒng)的流阻最小。SALIMPOUR等[19]則研究了管道分級(jí)層數(shù)、圓盤(pán)直徑以及流體質(zhì)量流率對(duì)流動(dòng)阻力的影響。目前，樹(shù)形結(jié)構(gòu)已在配電系統(tǒng)、供水網(wǎng)絡(luò)、電子器件冷卻等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[20]。

典型樹(shù)形管道結(jié)構(gòu)如圖1所示。Ⅰ級(jí)管道以圓心為中心呈放射狀均勻分布，每一級(jí)管道在下一級(jí)都有2個(gè)分支，即每根Ⅰ級(jí)管道分為2根Ⅱ級(jí)管道[18]。2根相鄰I級(jí)管道間的夾角=2π/1(1為Ⅰ級(jí)管道的數(shù)量)。設(shè)系統(tǒng)的總質(zhì)量流率為，則流經(jīng)每根Ⅰ級(jí)管道的流體質(zhì)量流率1=/1，Ⅱ級(jí)管道的數(shù)量2=21，質(zhì)量流率2=/2。設(shè)Ⅰ級(jí)管道的管長(zhǎng)與內(nèi)徑分別為1和1，Ⅱ級(jí)管道的管長(zhǎng)與內(nèi)徑分別為2和2，圓形區(qū)域的半徑為。

圖1 樹(shù)形管道結(jié)構(gòu)示意圖

流動(dòng)阻力最小化是樹(shù)形管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。在泊肅葉流動(dòng)中，第級(jí)管道的壓降損失?p與質(zhì)量流率m存在以下關(guān)系：

式中：為流體的運(yùn)動(dòng)黏度；=1，2。忽略節(jié)點(diǎn)壓力損失，當(dāng)?shù)诩?jí)管道與第+1級(jí)內(nèi)徑比D/D+1=2?1/3時(shí)，?p取得最小值。樹(shù)形結(jié)構(gòu)的最小壓降損失為

根據(jù)幾何關(guān)系：

式中：為第II級(jí)管道間的半角。

將式(3)和式(4)代入式(2)，可得≈37.47°。取1=3，則1=0.214，2=0.822[21]。

本研究取=190 mm，采用兩級(jí)樹(shù)形管道，I級(jí)管道的數(shù)量為3，則相鄰2根I級(jí)和II級(jí)管道間的夾角分別為120°和75°，I級(jí)管道與II級(jí)管道的長(zhǎng)度分別為1=40.66 mm，2=156.18 mm，管道內(nèi)徑分別為1=15 mm，2=12 mm。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與過(guò)程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由恒溫水浴箱、泵、測(cè)溫裝置、樹(shù)形換熱管、石蠟等組成，如圖2所示。恒溫水浴箱中的熱水經(jīng)泵輸送至樹(shù)形換熱管，而后再流回到水浴箱中循環(huán)使用。樹(shù)形換熱管放置在有機(jī)玻璃外殼中間，管殼之間填充石蠟作為相變蓄熱材料。石蠟的熔點(diǎn)和峰值熔點(diǎn)分別為46.83 ℃和54.81 ℃，相變潛熱為238.2 J·g?1。有機(jī)玻璃外殼的高度為400 mm，內(nèi)徑和壁厚分別為380 mm和10 mm。樹(shù)形換熱管包括進(jìn)口管和樹(shù)形管2部分，熱水從豎直方向的進(jìn)口管流入后與石蠟進(jìn)行換熱，之后從樹(shù)形管的6個(gè)出口流出，如圖3所示。樹(shù)形換熱管采用不銹鋼管，管壁厚為1 mm。

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量樹(shù)形換熱管進(jìn)出口處熱水的溫度和特定位置處石蠟的溫度。樹(shù)形換熱管的6個(gè)熱水出口處及恒溫水浴箱中各布置1根鉑熱電阻(溫度基本誤差為0.1 ℃)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量流經(jīng)樹(shù)形換熱管的熱水進(jìn)出口溫度，進(jìn)而用于計(jì)算石蠟的蓄熱量。在2根Ⅰ級(jí)管道和2根Ⅱ級(jí)管道間的中心位置，沿有機(jī)玻璃外殼的徑向方向均勻布置5根K型熱電偶(溫度基本誤差為0.5 ℃)，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示的1~5。固定在Ⅱ級(jí)管道末端中心線正上方(距離管道壁面1 mm)的熱電偶6則用于監(jiān)測(cè)石蠟的熔化過(guò)程。

在石蠟中加入熱通道可有效增強(qiáng)傳熱，提高蓄熱性能，實(shí)驗(yàn)選取導(dǎo)熱性能良好的金屬材料作為熱通道。由于石蠟中埋置金屬通道的尺寸過(guò)大會(huì)影響熱電偶測(cè)溫，過(guò)小則可能對(duì)蓄熱性能的提升不顯著，最終選取8種不同類型金屬通道，分別為直徑為10 mm和 16 mm的實(shí)心銅柱和不銹鋼柱(以下分別簡(jiǎn)記為銅柱10、銅柱16和鋼柱10、鋼柱16)、壁厚為1 mm且外徑為10 mm和16 mm的空心銅管和不銹鋼管(以下分別簡(jiǎn)記為銅管10、銅管16和鋼管10、鋼管16)，通道長(zhǎng)度均為76 mm。每種金屬通道均為9根，埋置位置如圖4所示。每次實(shí)驗(yàn)選取1種金屬通道豎直埋置在石蠟內(nèi)部，并保證金屬通道長(zhǎng)度方向的中點(diǎn)與樹(shù)形換熱管的中心處于同一水平面。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3 樹(shù)形換熱管

圖4 熱電偶及金屬通道位置排布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 量綱一參數(shù)

本研究的物性參數(shù)均以進(jìn)出樹(shù)形換熱管熱水的算術(shù)平均溫度為定性溫度。石蠟單位時(shí)間存儲(chǔ)的熱量為

式中：p為水的比定壓熱容；in和out分別為樹(shù)形換熱管進(jìn)出口處熱水的溫度；v為熱水單位時(shí)間體積流量；為熱水的密度。石蠟的儲(chǔ)熱率為

式中：為換熱管道的總換熱面積。定義表征石蠟的量綱一溫度為

式中：θ為熱電偶的測(cè)點(diǎn)溫度；=1~5；0為環(huán)境溫度。定義表征石蠟溫度分布均勻程度的溫度分布不均勻度為

定義量綱一時(shí)間傅里葉數(shù)為

式中：為石蠟在60 ℃時(shí)的熱擴(kuò)散系數(shù)；為時(shí)間；為有機(jī)玻璃外殼半徑。

3.2 未埋置金屬通道時(shí)的蓄熱性能

在未埋置金屬通道時(shí)，研究3種不同熱水入口溫度(60，65和70 ℃)和5種不同熱水體積流量(80，96，112，128和144 L/h)下石蠟的儲(chǔ)熱率與有效度。儲(chǔ)熱率隨熱水的體積流量及入口溫度增加而增大。當(dāng)熱水入口溫度為70 ℃時(shí)，不同體積流量下石蠟儲(chǔ)熱率隨數(shù)的變化曲線如圖5所示。從圖5可見(jiàn)：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，換熱管道為冷管道，且其中可能存有常溫流體，使得前期的儲(chǔ)熱率驟升且偏大；隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，儲(chǔ)熱率下降并逐步趨于穩(wěn)定；當(dāng)數(shù)在0.5左右時(shí)，儲(chǔ)熱率呈先降低后升高的趨勢(shì)，其原因是石蠟在吸熱過(guò)程中逐步由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，熱導(dǎo)率下降導(dǎo)致儲(chǔ)熱率降低；隨著石蠟熔化量的增加，內(nèi)部出現(xiàn)對(duì)流換熱，促使儲(chǔ)熱率增大，之后趨于平穩(wěn)。由于熱水入口溫度為60 ℃和65 ℃時(shí)的儲(chǔ)熱率隨數(shù)的變化情況與70 ℃時(shí)的類似。

體積流量/(L·h?1)：1—80；2—96；3—112；4—128；5—144。

圖5 熱水入口溫度70 ℃時(shí)儲(chǔ)熱率與數(shù)的關(guān)系

Fig. 5 Relationship betweenandnumber atin=70 ℃

圖6所示為有效度與熱水入口溫度和體積流量間的關(guān)系。從圖6可見(jiàn)：有效度隨熱水入口溫度的增大而增大，但其對(duì)有效度的影響隨其增大而逐漸減弱。而熱水體積流量對(duì)有效度的影響正好相反。熱水入口溫度為65 ℃時(shí)石蠟蓄熱的有效度與入口溫度為60 ℃時(shí)相比提高了12.7%~14.4%。而熱水入口溫度70 ℃與65 ℃時(shí)的情況相比，有效度的最大漲幅僅為2.3%，可見(jiàn)僅依靠增大熱水入口溫度以提高有效度的方法并不可取。

圖7所示為熱水體積流量為112 L/h時(shí)不同熱水入口溫度下熱電偶測(cè)點(diǎn)6的溫升曲線。以入口水溫為65 ℃的測(cè)點(diǎn)溫升曲線為例，從圖7可見(jiàn)：實(shí)驗(yàn)初期該測(cè)點(diǎn)的溫度上升速度很快，當(dāng)溫度升高至47 ℃左右時(shí)，有1個(gè)較緩慢的溫升區(qū)間。這是因?yàn)槭灥臏囟冗_(dá)到了相變初值點(diǎn)(46.8 ℃)，且石蠟為混合物，其相變溫度為1個(gè)有限的溫度區(qū)間，而不是局限于1個(gè)溫度點(diǎn)。發(fā)生初始相變之后石蠟以較快的速度繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度曲線上升至55℃后基本趨于穩(wěn)定。造成這種情況的原因有：1)此時(shí)石蠟達(dá)到了其相變峰值點(diǎn) (54.8 ℃)，發(fā)生相變過(guò)程，吸收大量熱量，導(dǎo)致升溫緩慢；2)石蠟發(fā)生相變之后由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，產(chǎn)生自然對(duì)流，加強(qiáng)了石蠟內(nèi)部的熱量傳遞。

熱水入口溫度/℃：1—60；2—65；3—70。

圖6 石蠟蓄熱有效度與熱水流量的關(guān)系

Fig. 6 Relationship between effectiveness of thermal storage and volume flow of hot water

熱水入口溫度/℃：1—60；2—65；3—70。

圖7 不同熱水入口溫度測(cè)點(diǎn)6的溫度與的關(guān)系

Fig. 7 Relationship between temperature variations of6andnumber at diffident inlet temperatures

從圖7還可以看出：石蠟的熔化時(shí)間與熱水入口溫度關(guān)系密切，石蠟的升溫速度隨熱水入口溫度的增加而迅速增大；當(dāng)熱水入口溫度為60 ℃時(shí)，該處石蠟卻很難升溫至熔點(diǎn)，這是因?yàn)樵撎幩疁嘏c石蠟的熔點(diǎn)接近，溫差太小以致無(wú)法熔化，這種情況與SEENIRAJ等[22]的研究結(jié)果一致；當(dāng)熱水入口溫度為70 ℃時(shí)，其溫升曲線與入口水溫為65 ℃時(shí)的相同，均存在升高至最高點(diǎn)后出現(xiàn)下降的特點(diǎn)，且熱水入口溫度為70 ℃的溫升曲線較入口溫度為65 ℃時(shí)先升至最高點(diǎn)。這是因?yàn)槿肟谒疁貫?0 ℃時(shí)，熱水與石蠟之間的溫差大于入口水溫為65 ℃時(shí)的溫差，使得石蠟升溫速度更快；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)后，石蠟由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，產(chǎn)生對(duì)流換熱。

當(dāng)熱水入口溫度為65 ℃，體積流量為112 L/h時(shí)，石蠟內(nèi)部測(cè)點(diǎn)1~5的溫升曲線如圖8所示。從圖8可以看出：由于測(cè)點(diǎn)位置的不同，各測(cè)點(diǎn)的溫度隨數(shù)的變化差異較大，4號(hào)測(cè)點(diǎn)升溫最快，在溫度達(dá)到石蠟的熔點(diǎn)以后趨于平穩(wěn)；3號(hào)測(cè)點(diǎn)最靠近有機(jī)玻璃外殼，與換熱管道距離較遠(yuǎn)，因而溫度變化最緩慢。對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)工況，測(cè)點(diǎn)1~5的溫度變化情況均與此類似。

1—測(cè)點(diǎn)1；2—測(cè)點(diǎn)2；3—測(cè)點(diǎn)3；4—測(cè)點(diǎn)4；5—測(cè)點(diǎn)5。

圖8in=65 ℃，v=112 L/h時(shí)測(cè)點(diǎn)溫度與的關(guān)系

Fig. 8 Relationship between temperature andnumber atin=65 ℃ andv=112 L/h

當(dāng)熱水入口溫度為65 ℃時(shí)，石蠟內(nèi)部溫度不均勻度隨熱水體積流量的變化情況如圖9所示。從圖9可以看出：在一定的熱水入口溫度下，內(nèi)部溫度均勻度與體積流量呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)閾Q熱管道附近的石蠟吸熱升溫，但由于受自身熱導(dǎo)率低的限制，不能將熱量及時(shí)導(dǎo)出，致使局部溫度過(guò)高，溫度變得不均勻，進(jìn)而降低了蓄熱效率。溫度均勻程度隨著數(shù)的增加先減小后增大，其原因是蓄熱后期的石蠟熔化量增多，液態(tài)石蠟的對(duì)流使石蠟內(nèi)部溫度分布趨于均勻。石蠟的溫度分布隨熱水入口溫度的升高而變得更不均勻，其原因與隨熱水體積流量變化的原因相同。

體積流量/(L·h?1)：1—80；2—96；3—112；4—128；5—144。

圖9in=65 ℃時(shí)溫度不均勻度與的關(guān)系

Fig. 9 Relationship between uniformity of Temperatureandnumber atin=65 ℃

3.3 埋置金屬通道后的蓄熱性能

在熱水入口溫度為65 ℃和體積流量為112 L/h的實(shí)驗(yàn)條件下，研究埋置金屬通道后石蠟的蓄熱性能。石蠟中埋置不同金屬通道后的石蠟蓄熱有效度對(duì)比結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出：埋置金屬通道可以不同程度地提高蓄熱有效度，且提高的程度與金屬通道的材料和尺寸參數(shù)有關(guān)。在石蠟中埋置直徑為 16 mm實(shí)心銅柱的效果最優(yōu)，其有效度較純石蠟提高23.0%，這也證明了埋置金屬通道可有效增強(qiáng)石蠟的蓄熱性能。

圖11所示為石蠟中埋置金屬通道時(shí)，石蠟溫度分布不均勻度隨數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖11可知：隨數(shù)的變化趨勢(shì)與純石蠟的變化趨勢(shì)相同，均為先變大再趨于穩(wěn)定；石蠟中埋置金屬通道后，其內(nèi)部溫度分布較純石蠟更均勻。這是因?yàn)槁裰媒饘偻ǖ揽梢圆煌潭鹊靥岣呤灥膶?dǎo)熱率，增強(qiáng)熱量的擴(kuò)散能力，從而使得溫度更均勻，這與朱恂等[23]的研究結(jié)果一致。結(jié)合圖10和圖11還可看到：埋置金屬通道后，石蠟的溫度均勻程度與其有效度呈正相關(guān)性。

圖10 不同金屬通道的石蠟蓄熱有效度η

1—鋼管10；2—銅管10；3—鋼術(shù)10；4—銅柱10；5—鋼管16；6—銅管16；7—鋼柱16；8—銅柱16；9—無(wú)金屬管道。

圖11 埋置金屬通道時(shí)溫度不均勻度隨時(shí)間的變化(in=65 ℃，v=112 L/h)

Fig. 11 Uniformity of temperaturewith different metal channels atin=65 ℃ andv=112 L/h

4 結(jié)論

1) 石蠟蓄熱有效度隨熱水流量的增大而減小，隨入口處熱水溫度的增大而增大；但入口處熱水溫度對(duì)有效度的影響程度隨其加大而逐漸減弱，入口處熱水溫度為65 ℃時(shí)的蓄熱有效度與60 ℃時(shí)的相比可提高1.5%左右，但70 ℃時(shí)的入口處熱水溫度與65 ℃時(shí)的相比僅提高不到1%。

2) 埋置金屬通道的石蠟相變蓄熱隨數(shù)增加，其內(nèi)部溫度均勻程度降低，而后又出現(xiàn)回升，且隨入口處熱水溫度和體積流量的加大而變得更加不均勻。

3) 在石蠟中埋置金屬通道可有效提高有效度，改善石蠟的溫度分布均勻度，添加直徑為16 mm的實(shí)心銅柱可使其有效度與純石蠟相比提高23.0%。

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(編輯 陳燦華)

Application of tree-shaped tubes and metal channels to latent heat storage enhancement of paraffin

LI Saiwei, GUO Meiru, SUN Zhiqiang, ZHOU Tian, ZHOU Jiemin

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Multi-scale tree-shaped tubes were designed to enhance the heat charging/discharging rates of paraffin and improve temperature uniformity inside paraffin at reduced flow pressure drop. Experiments were conducted to investigate the influence of the inlet temperatures and volume flow rates of the hot fluid on the thermal storage performance of paraffin. Metal channels such as copper pipes/cylinders and steel pipes/cylinders were embedded in paraffin to enhance the efficiency of heat transfer and then increased the thermal storage performance of paraffin. The results show that the thermal storage effectiveness of paraffin increase with the increase of the inlet temperature and volume flow rate of hot water, and the temperature profile in paraffin becomes uneven and then remains steady. Compared to the pure paraffin, the effect of metal channels on the thermal storage performance of paraffin is significant. The thermal storage effectiveness increases by 23.0% when copper cylinders with a diameter of 16 mm are embedded. Moreover, the temperature distribution inside paraffin with metal channels is more uniform than that of the pure paraffin.

paraffin; phase change thermal storage; enhancement; tree-shaped tube; metal channel

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.037

TK124

A

1672?7207(2016)12?4248?07

2016?01?22；

2016?03?21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U0937604)；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目(K1403055-11)(Project(U0937604)supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(K1403055-11)supported by the Scientific Program of Changsha)

孫志強(qiáng)，博士，教授，從事多相流測(cè)試技術(shù)、新能源與高效節(jié)能研究；E-mail：zqsun@csu.edu.cn