羅孝學(xué)，章學(xué)來，華維三，毛發(fā)

（1上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306；2欽州學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

脈動(dòng)熱管相變蓄熱器蓄熱實(shí)驗(yàn)分析

羅孝學(xué)1,2，章學(xué)來1，華維三1，毛發(fā)1

（1上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306；2欽州學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

為了研究脈動(dòng)熱管對(duì)相變蓄熱裝置傳熱能力的優(yōu)化，設(shè)計(jì)并搭建了脈動(dòng)熱管相變蓄熱裝置試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相變潛熱蓄熱量遠(yuǎn)大于顯熱蓄熱量；在相同工況下改變加熱流體流量，流量增大對(duì)傳熱優(yōu)化有一定作用，但流量不宜過大；調(diào)整熱源溫度，溫度越高，相變蓄熱過程所需要的時(shí)間就越少；與常規(guī)銅管進(jìn)行蓄熱實(shí)驗(yàn)對(duì)比，脈動(dòng)熱管相變蓄熱裝置在蓄熱過程中節(jié)省了47%的蓄熱時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化了相變蓄熱裝置的傳熱均勻性。實(shí)驗(yàn)證明利用脈動(dòng)熱管技術(shù)對(duì)相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行傳熱優(yōu)化是可行的。

脈動(dòng)熱管；相變；傳熱；優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)

引 言

中國能源資源雖然豐富，但后備儲(chǔ)存量不足，而且浪費(fèi)大、能源效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重[1]。到2030年，國內(nèi)能源供應(yīng)缺口將達(dá)到2.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到2050年，其缺口數(shù)額將增加到4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。能源問題也是世界各國發(fā)展首要考慮的問題，能源新技術(shù)的研究是當(dāng)務(wù)之急，因此潛熱蓄熱技術(shù)[3-5]于20世紀(jì)70年代在石油危機(jī)之后就應(yīng)運(yùn)而生，在提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境方面起到了重要作用[6-7]。潛熱蓄熱技術(shù)利用材料在相變過程中吸熱和放熱來儲(chǔ)存和釋放能量，儲(chǔ)能密度高，所用裝置簡單，體積小，而且相變過程是一個(gè)近似恒溫過程。把相變材料[8-11]應(yīng)用到蓄熱器上是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的技術(shù)。盛強(qiáng)等[12]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，八水氫氧化鋇具有較好的熱穩(wěn)定性。華維三等[13]設(shè)計(jì)了一種具有輔助電加熱和均流孔板的水/相變材料復(fù)合蓄熱式水箱，其中就使用了八水氫氧化鋇。毛發(fā)等[14]選擇八水氫氧化鋇作為相變蓄熱材料、熱管作為傳熱元件，設(shè)計(jì)了一套熱管式蓄/放熱裝置，并對(duì)不同工況下裝置的蓄/放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Wang等[15-17]對(duì)移動(dòng)蓄熱器的經(jīng)濟(jì)性和可行性做了分析。脈動(dòng)熱管是日本學(xué)者 Akachi[18]在 20世紀(jì) 90年代初期提出的一種可用于微小空間、新型高效、具有高熱通量的新型傳熱元件。文獻(xiàn)[19-24]對(duì)脈動(dòng)熱管與傳統(tǒng)熱管做了詳細(xì)的比照，總結(jié)脈動(dòng)熱管具有以下優(yōu)點(diǎn)：①構(gòu)造簡單、節(jié)約成本；②管徑小、體積也??；③結(jié)構(gòu)多樣、適應(yīng)性能好；④加熱方式多樣；⑤傳熱效果好。馬永錫等[25]分析了振蕩熱管內(nèi)部氣液兩相系統(tǒng)的受力和傳熱傳質(zhì)過程。蘇磊等[26]分析了回路脈動(dòng)熱管運(yùn)行穩(wěn)定性。胡朝發(fā)等[27]研究結(jié)果表明：液塞在振蕩過程中呈現(xiàn)出平衡位置不斷變化的往復(fù)振蕩，單向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)比較明顯，初始?jí)毫?、管徑等因素?duì)液塞的振蕩有很大影響。林梓榮等[28]考察了以水為工質(zhì)，在不同的加熱功率和不同的充液率情況下，脈動(dòng)熱管在不同加熱方式(垂直底部加熱和水平一側(cè)加熱)時(shí)的熱輸送特性。

本文選用八水氫氧化鋇做相變材料，水為脈動(dòng)熱管工質(zhì)，設(shè)計(jì)了脈動(dòng)熱管相變蓄熱器，使得相變蓄熱器的傳熱得到優(yōu)化，并實(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)熱管相變蓄熱器的蓄熱特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，搭建了用于?shí)驗(yàn)的脈動(dòng)熱管蓄熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)。此外，還設(shè)計(jì)制作了脈動(dòng)熱管裝置并對(duì)試驗(yàn)設(shè)備做了保溫處理，布置了測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)T型熱電偶測(cè)溫線進(jìn)行了溫度校核。

1.1 蓄熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

如圖1所示，脈動(dòng)熱管蓄熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由以下幾部分構(gòu)成：脈動(dòng)熱管相變蓄熱器、高溫硅油加熱系統(tǒng)、安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、超聲波流量計(jì)、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)控制閥門。脈動(dòng)熱管相變蓄熱器的下端連接高溫恒溫油浴鍋，其中的加熱介質(zhì)為高溫硅油。高溫硅油經(jīng)油浴鍋流過閥門5進(jìn)入蓄熱器的加熱箱，然后從加熱箱內(nèi)的高溫硅油通道一邊流動(dòng)一邊加熱蓄熱器內(nèi)部脈動(dòng)熱管的下部彎頭、加熱箱箱體以及箱體內(nèi)部隔板，再從蓄熱器的加熱箱出油口流出，回到高溫恒溫油浴鍋。

圖1 脈動(dòng)熱管相變蓄熱器蓄熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Schematic diagram of heat storage and heat storage experiment table of pulsating heat pipe phase change heat storage device

裝置主要利用脈動(dòng)熱管內(nèi)充注的工質(zhì)的相態(tài)變化和位置變化來傳遞熱量。本裝置將脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)段作為加熱段，其長度為45 mm；將脈動(dòng)熱管的絕熱段作為蓄熱段，其長度為 120 mm；將脈動(dòng)熱管的冷凝段作為放熱段，其長度為45 mm。彎頭直徑為30 mm，加熱段、放熱段各14個(gè)彎頭，共28個(gè)彎頭，其中放熱段有兩個(gè)彎頭各延伸一端出來分別接負(fù)壓表和抽真空充液接頭。脈動(dòng)熱管管殼材料選擇紫銅，壁厚1 mm，管徑4 mm，工作介質(zhì)為水，閉式運(yùn)行。

高溫恒溫油浴鍋可以為蓄熱器持續(xù)供給恒溫的熱量。為了測(cè)量蓄熱器進(jìn)油口流量，進(jìn)油口與閥門5之間連接超聲波流量計(jì)，由閥門5控制流量，超聲波流量計(jì)對(duì)流量大小進(jìn)行顯示。蓄熱器上的全部測(cè)溫點(diǎn)通過T型熱電偶連接到安捷倫數(shù)據(jù)采集儀上，數(shù)據(jù)采集儀的另一端通過USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，將采集到的溫度信號(hào)輸出給計(jì)算機(jī)。這些溫度信號(hào)包括蓄熱器正面的6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)信號(hào)以及進(jìn)出口水溫信號(hào)。

1.2 熱電偶的布置

如圖2所示，為了測(cè)量蓄熱器中不同位置相變材料的溫度變化情況，在蓄熱箱上布置了6個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，共3排2列，熱電偶在使用之前必須對(duì)其用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。上中下的三排測(cè)點(diǎn)用來比較垂直位置上的相變材料的溫度；左右兩列用來比較水平位置上的相變材料的溫度，左邊一列用來測(cè)量靠近蓄熱箱殼體一側(cè)的相變材料的溫度，右邊一列用來測(cè)量基本位于蓄熱器中間位置的相變材料的溫度。布置熱電偶測(cè)溫線時(shí)，用點(diǎn)焊機(jī)將T型熱電偶紅、白兩極熔在一起后，插入蓄熱箱測(cè)點(diǎn)盲孔底部，然后用導(dǎo)熱膠填滿盲孔并固定。

圖2 蓄熱箱上的主要溫度測(cè)點(diǎn)Fig.2 Main temperature measuring points on heat storage tank

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 蓄熱過程相變材料的溫度變化

圖3顯示了設(shè)定工況為加熱流體溫度100℃，加熱流體流量 0.314 m3·h-1，相變材料質(zhì)量 2.5 kg時(shí)，蓄熱過程中相變材料 Ba(OH)2·8H2O各測(cè)溫點(diǎn)總體溫度變化趨勢(shì)。由圖3明顯看出測(cè)點(diǎn)1、2、3、4的溫度變化情況，相變材料的溫度變化趨勢(shì)可明確地分為初期 0～1500 s，固態(tài)顯熱儲(chǔ)存；中間1500～3500 s，穩(wěn)定的相變潛熱儲(chǔ)存；3500 s以后為相變完全后的液態(tài)顯熱儲(chǔ)存 3個(gè)階段。測(cè)點(diǎn) 5、6由于在相變蓄熱裝置中位置較高，2.5 kg相變材料不能完全覆蓋住測(cè)點(diǎn)5、6，所以這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的變化和測(cè)點(diǎn) 1～4有所不同，其反映的基本是裝置內(nèi)部空氣溫度的變化。從蓄熱實(shí)驗(yàn)開始到Ba(OH)2·8H2O溫度到達(dá)相變溫度以前是Ba(OH)2·8H2O固態(tài)顯熱蓄熱階段。在這一過程中，Ba(OH)2·8H2O的溫度隨時(shí)間變化曲線的斜率較大，相變材料溫度升高較快，原因是傳熱介質(zhì)與Ba(OH)2·8H2O蓄熱材料的溫差較大，熱通量也大，從蓄熱初始溫度上升到相變溫度，溫度上升很快。隨著蓄熱的進(jìn)行，Ba(OH)2·8H2O的溫度達(dá)到相變溫度開始熔化，相變材料在熔化的過程中吸收相變潛熱，該階段各點(diǎn)溫度基本上不變，溫度曲線趨于水平。當(dāng)Ba(OH)2·8H2O完全熔化后，繼續(xù)對(duì)其加熱，Ba(OH)2·8H2O液體進(jìn)一步吸收熱量，溫度升高至接近加熱流體溫度，并且溫升速度變快，蓄熱形式在該階段主要以液態(tài)顯熱蓄熱為主。

圖3 蓄熱過程中各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Temperature change of temperature measurement points in process of heat storage

式中，cs為 Ba(OH)2·8H2O 的固態(tài)比熱容，約1.17 kJ·kg-1·K-1；cl為 Ba(OH)2·8H2O 的液態(tài)比熱容，約 1.77 kJ·kg-1·K-1；m 為 Ba(OH)2·8H2O 的質(zhì)量，以加入2.5 kg計(jì)算；LPCM為Ba(OH)2·8H2O的相變潛熱，277.2 kJ·kg-1；ΔTs為 Ba(OH)2·8H2O 開始加熱到發(fā)生相變的溫差；ΔTl為Ba(OH)2·8H2O結(jié)束溫度與相變溫度的溫差。

通過以上各式計(jì)算，能看出相變蓄熱不但整個(gè)蓄熱過程溫度恒定，而且潛熱蓄熱量也比顯熱蓄熱量大得多，在裝置蓄熱中占比達(dá)到80%左右，因此潛熱蓄熱在熱量儲(chǔ)存方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同加熱流量下相變材料溫度隨時(shí)間的變化

圖4為設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況為加熱溫度為115℃，相變材料Ba(OH)2·8H2O質(zhì)量為2.5 kg，高溫硅油入口流量分別為0.127、0.228、0.314 m3·h-1，完成3組蓄熱實(shí)驗(yàn)獲取的圖像。

由圖 4能看出，當(dāng)加熱流體的流量較小時(shí)（0.127 m3·h-1）[圖 4(a)]，雖然相變材料發(fā)生了相變，但相變時(shí)間較長。在3500 s左右的時(shí)候，6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線基本重合，溫度大致在78℃附近，之后測(cè)點(diǎn)1、2的曲線斜率增大升溫加快，而其他測(cè)點(diǎn)的曲線斜率變緩，與測(cè)點(diǎn)1、2溫差增大。測(cè)點(diǎn)1、2在3500 s以后溫升速率加快的原因是已經(jīng)完成了相變蓄熱過程，相變材料已完全熔化轉(zhuǎn)向液態(tài)顯熱蓄熱過程，溫升速率加快。測(cè)點(diǎn)3～6的曲線斜率變緩的原因是，加熱流體流量過小，提供的熱量不足使其完全融化而快速進(jìn)入液態(tài)顯熱蓄熱階段所致。由圖 4(b)、(c)可以看出隨著加熱流體流量的增大，蓄熱時(shí)間明顯縮短，而且相變結(jié)束后各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫升曲線逐漸趨于重合。由圖4(d)可以看出隨著加熱流體流量的增加，脈動(dòng)熱管相變蓄熱裝置內(nèi)測(cè)點(diǎn)1處的升溫速度和蓄熱消耗時(shí)間都有明顯變化。由此可見加熱流體的流量變化對(duì)裝置的影響效果是非常明顯的，在實(shí)際應(yīng)用中找到合適的流量對(duì)于裝置的效用發(fā)揮非常必要。

圖4 流量變化時(shí)蓄熱過程各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of temperature of each measuring point with time during flow rate change

由圖 5可以看出：當(dāng)加熱流體的流量由 0.127 m3·h-1提高到 0.228 m3·h-1時(shí)，相變材料的完全熔化時(shí)間由2835 s減少至1826 s，減少了1009 s；而當(dāng)加熱流體流量由 0.228 m3·h-1提高到 0.314 m3·h-1時(shí)，相變材料的完全熔化時(shí)間只由1826 s減少到1603 s，只減少了223 s。由此可見流量的增加對(duì)相變材料完全熔化消耗時(shí)間的影響是逐漸減小的，而且這種趨勢(shì)非常明顯。

圖5 相變材料完全熔化時(shí)間隨加熱流體流量的變化Fig 5 Change of melting time of phase change material with heating fluid flow rate

在實(shí)驗(yàn)采用的流量下，流速較小，屬層流范圍，Re=103～2×105，按外掠順排管束對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[29]

由式(4)可知，傳熱系數(shù)與流速的0.63次方呈正比，而當(dāng)管徑等條件不變時(shí)，流量越大流速也越大，即隨著流量的增加，傳熱系數(shù)也增加，但是傳熱系數(shù)增大的幅度隨著流量的增加而減小。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、管理等各種因素，蓄熱裝置加熱流體的流量大小對(duì)于蓄熱裝置蓄熱有最佳值，不是流量越大越好，建議不要隨便增大流量，因?yàn)樵龃罅髁繌?qiáng)化傳熱的效果隨著流量增大慢慢沒那么顯著，但是增大流量會(huì)讓裝置消耗泵功的趨勢(shì)加快，而且會(huì)增加操作人員的管理難度，安全性降低。

2.3 不同加熱溫度下相變材料溫度隨時(shí)間的變化

圖6是設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況為高溫恒溫油浴鍋的加熱流體流量為 0.314 m3·h-1，相變材料 Ba(OH)2·8H2O的質(zhì)量為2.5 kg時(shí)，改變高溫硅油入口加熱溫度，分別為100、115、130℃，完成3組蓄熱實(shí)驗(yàn)獲得的圖像。對(duì)比圖6(a)～(c) Ba(OH)2·8H2O溫度變化曲線可以知道，隨著加熱溫度的升高，固態(tài)顯熱蓄熱和潛熱蓄熱階段的蓄熱時(shí)間明顯減少，由2500 s（100℃）顯著縮短到1000 s（130℃），時(shí)間縮短了60%。而且在蓄熱過程中，相變材料溫度的分布也變得不均勻，蓄熱器內(nèi)底部水平方向測(cè)點(diǎn) 1、2的溫差逐漸增大，由此可見加熱溫度的變化對(duì)蓄熱器蓄熱過程的影響很大。原因是由于熱源的加熱溫度提高，與相變材料的相變點(diǎn)的溫差加大，蓄熱熔化過程中液態(tài)的 Ba(OH)2·8H2O密度差也增大，加強(qiáng)了自然對(duì)流，提高了蓄熱過程中的有效傳熱系數(shù)，在有效換熱面積不發(fā)生變化的條件下，熱通量進(jìn)一步增大，這樣可以更快地儲(chǔ)存熱量，從而縮短了蓄熱所需要的時(shí)間。

圖6 不同熱源溫度蓄熱時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of temperature of measurement point with time in heat storage of different heat source

圖6(d)是加熱溫度分別為100、115、130℃時(shí)，相變材料Ba(OH)2·8H2O在測(cè)點(diǎn)1處的溫度對(duì)比曲線。從圖中可知：在初始階段，當(dāng)加熱溫度為 130℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)1處溫度曲線的斜率最大，溫升最快，耗時(shí)最少。這是因?yàn)楫?dāng)加熱溫度不同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過熱端傳遞的熱通量q不同，加熱溫度越高q越大，假設(shè)通過熱管傳遞的熱量完全被相變材料吸收，由Q=cmΔT可知，當(dāng)m一定時(shí)，Q與ΔT呈正比，Q越大則ΔT越大；其次從圖6(d)中可知，隨著加熱溫度的升高，相變所需時(shí)間縮短。因?yàn)樵谛顭岵牧狭肯嗤?、加熱溫度不同的條件下，蓄熱材料完全相變所吸收的熱量Q總相同，但熱通量q的大小不同，加熱溫度越高q越大。由Q總=qAt可知，當(dāng)Q總、A一定時(shí)，q與t呈反比。因此在安全許可的條件下，適當(dāng)?shù)卣{(diào)高加熱溫度，能大大縮短蓄熱的時(shí)間。

2.4 常規(guī)銅管和脈動(dòng)熱管相同工況下對(duì)比

設(shè)定工況為高溫恒溫油浴鍋的溫度 100℃，高溫硅油入口流量 0.314 m3·h-1，Ba(OH)2·8H2O 質(zhì)量為2.5 kg。為了研究脈動(dòng)熱管在蓄熱過程中對(duì)傳熱優(yōu)化的程度，先對(duì)常規(guī)銅管蓄熱裝置做加熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7(a)所示，再對(duì)同工況下脈動(dòng)熱管蓄熱裝置做加熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7(b)所示，圖7(c) 為常規(guī)銅管和脈動(dòng)熱管兩種情況下測(cè)點(diǎn)1處溫度隨時(shí)間變化的曲線。

圖7 不同熱管下各測(cè)點(diǎn)溫度的變化Fig.7 Change of temperature of measuring point in different condition

由圖7(a)可以看出，常規(guī)銅管將測(cè)點(diǎn)1處加熱到85℃所需要的時(shí)間為7600 s，除了與測(cè)點(diǎn)1同處水平位置的測(cè)點(diǎn)2在此時(shí)也達(dá)到85℃外，測(cè)點(diǎn)3～6的溫度最高只有75℃，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1、2同處底層相同水平位置，這一方面證明此時(shí)只有底層的相變材料完全熔化，而中間以及頂部的相變材料還沒有完全熔化；另一方面看到測(cè)點(diǎn) 5、6的溫度明顯偏低，證明相變蓄熱器內(nèi)整體溫度偏低，主要因?yàn)闆]有脈動(dòng)熱管的脈動(dòng)傳熱，導(dǎo)致對(duì)相變蓄熱器內(nèi)整體溫度影響不夠，使得相變蓄熱器內(nèi)整體溫度偏低。由圖7(b)可以看出，在脈動(dòng)熱管的脈動(dòng)作用下將測(cè)點(diǎn)1同樣加熱到85℃所需要的時(shí)間僅需4000 s，時(shí)間比常規(guī)銅管少了47%，并且此時(shí)測(cè)點(diǎn) 3～6的溫度也均大于等于85℃，整個(gè)蓄熱器內(nèi)部相變材料溫度均勻，證明相變材料已經(jīng)完全熔化，處于液態(tài)的顯熱蓄熱階段，測(cè)點(diǎn) 5、6的溫度明顯高于相變材料的溫度，證明脈動(dòng)熱管不只是單純導(dǎo)熱傳熱，其發(fā)揮了脈動(dòng)傳熱優(yōu)勢(shì)，對(duì)裝置內(nèi)的傳熱有明顯優(yōu)化。由圖 7(c)可以看出，脈動(dòng)熱管蓄熱器內(nèi)測(cè)點(diǎn) 1的升溫速度明顯加快、蓄熱時(shí)間明顯減少，可見脈動(dòng)熱管的傳熱能力比常規(guī)銅管的傳熱能力強(qiáng)很多，脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的氣液相變和往復(fù)振蕩完成了脈動(dòng)熱管的高效傳熱，蓄熱時(shí)間大大減少，節(jié)省了47%的時(shí)間。同時(shí)裝置內(nèi)溫度場(chǎng)明顯改善，脈動(dòng)熱管傳熱均勻性優(yōu)勢(shì)也明顯體現(xiàn)出來。

3 結(jié) 論

采用脈動(dòng)熱管技術(shù)優(yōu)化蓄熱裝置的傳熱能力，設(shè)定幾種工況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）蓄熱過程中相變材料溫度變化趨勢(shì)明確分為初期固態(tài)顯熱儲(chǔ)存；中間穩(wěn)定的相變潛熱儲(chǔ)存和完全相變后的液態(tài)顯熱儲(chǔ)存，裝置有明顯相變蓄熱過程，且相變潛熱蓄熱量占蓄熱總量80%左右。

（2）實(shí)驗(yàn)工況下加熱流體流量在 0.228 m3·h-1下比較合適，建議不要隨便增大，因?yàn)橐环矫嬖龃罅髁繌?qiáng)化傳熱效果逐漸減弱，另外小流量可以有效節(jié)約泵功和保證操作人員安全。

（3）隨著加熱溫度升高，固態(tài)顯熱和潛熱蓄熱階段的蓄熱時(shí)間由 100℃時(shí)的 2500 s顯著縮短到130℃的1000 s，蓄熱時(shí)間縮短了60%。因此在安全許可的條件下，適當(dāng)調(diào)高加熱熱流溫度，可以大大縮短相變蓄熱裝置的蓄熱時(shí)間。

（4）脈動(dòng)熱管蓄熱裝置蓄熱工況下，相比常規(guī)銅管達(dá)同樣蓄熱效果，耗時(shí)節(jié)省了47%，脈動(dòng)熱管優(yōu)化傳熱的效果明顯，同時(shí)脈動(dòng)熱管傳熱均勻性要優(yōu)于常規(guī)銅管，整個(gè)裝置內(nèi)部的溫度場(chǎng)明顯改善?？梢娒}動(dòng)熱管型相變蓄熱裝置很有發(fā)展前途。

[1] 楊文培, 嚴(yán)向軍, 丁祖榮. 能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究[M]. 杭州： 浙江大學(xué)出版社, 2007.YANG W P, YAN X J, DING Z R. Study on The Sustainable Development of the Energy Economy Environment System[M].Hangzhou： Zhejiang University Press, 2007.

[2] 王征. 中國能源消費(fèi)中存在的主要問題[J]. 經(jīng)濟(jì)研究參考, 2015,(24)： 38-39.WANG Z. The grim situation faced by China’s energy consumption and the main problems existing in[J]. Economic Research Reference,2015, (24)： 38-39.

[3] MOHAMMED M F, AMAR M K, SIDDIQUE A K, et al. A review on phase change energy storage： materials and applications[J]. 2004,45(9/10)： 1597-1615.

[4] 韓端端, 王灃浩, 郝吉波. 高溫儲(chǔ)熱技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 建筑節(jié)能, 2011, 39(9)： 32-38.HAN D D, WANG F H, HAO J B. Status quo and prospect of research on high temperature heat storage technology[J]. Building Energy-Saving, 2011, 39(9)： 32-38.

[5] 居冰峰, 傅建中, 陳子辰. 復(fù)合恒溫構(gòu)件熱變形控制技術(shù)研究[J].中國機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2000, 30(6)： 59-62.JU B F, FU J Z, CHEN Z C. Composite thermostatic member thermal deformafion control technology research[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2000, 30(6)： 59-62.

[6] KALOGIROU S A. Artificial neural networks in renewable energy systems applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2001： 376-384.

[7] 李競(jìng), 吳喜平. 蓄熱與蓄熱技術(shù)[J]. 上海節(jié)能, 2005, (23)： 11-15.LI J, WU X P. Thermal storage and storage technology[J]. Shanghai Energy Conservation, 2005, (23)： 11-15.

[8] 劉樂. 無機(jī)相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 19(1)： 14-16.LIU L. Research progress on the application of inorganic phase change energy storage materials[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2004, 19(1)： 14-16.

[9] AHMET S. Thermal reliability test of some fatty acids as PCMs used for solar thermal latent heat storage applications[J]. Energy Conversion and Management, 2003, 44(14)： 2077-2187.

[10] 沈?qū)W忠, 張仁元. 相變儲(chǔ)能材料的研究與應(yīng)用[J]. 節(jié)能技術(shù), 2006,24(3)： 460-463.SHEN X Z, ZHANG R Y. Research and application of phase change energy storage materials[J]. Energy Saving Technology, 2006, 24(3)：460-463.

[11] 劉玲, 葉紅衛(wèi). 國內(nèi)外倉儲(chǔ)材料的發(fā)展[J]. 蘭化科技, 1998, 16(3)：168-171.LIU L, YE H W. At home and abroad the development of storage materials[J]. Portland Technology, 1998, 16(3)： 168-171.

[12] 盛強(qiáng), 邢玉明, 王澤. 泡沫金屬復(fù)合相變材料的制備與性能分析[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64(10)： 3565-3570.SHENG Q, XING Y M, WANG Z. Preparation and properties of foam metal composite phase change materials[J]. CIESC Journal,2013, 64(10)： 3565-3570.

[13] 華維三, 章學(xué)來, 丁錦宏, 等. 復(fù)合蓄熱式水箱的設(shè)計(jì)及蓄放熱研究[J]. 建筑節(jié)能, 2016, (11)： 108-113.HUA W S, ZHANG X L, DING J H, et al. Design and Research of compound regenerative tank[J]. Building Energy Conservation, 2016,(11)： 108-113.

[14] 毛發(fā), 章學(xué)來, 丁磊, 等. 熱管式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄/放熱性能試驗(yàn)[J]. 熱力發(fā)電, 2016, (11)： 48-53.MAO F, ZHANG X L, DING L. et al. Experimental study on heat storage and heat release performance of heat pipe type phase change energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2016, (11)：48-53.

[15] WANG W L, HU Y K, YAN J Y, et al. Combined heat and power plant integrated with mobilized thermal energy storage (M-TES)system[J]. Frontiers of Energy and Power Engineering in China, 2010,(4)： 469-474.

[16] WANG W L, YAN J Y, DAHLQUIST E, et al. Thermal behavior and performance of lab-scale mobilized thermal energy storage system[C]// International Conference on Applied Energy. Perugia,Italy, 201l： 2969-2980.

[17] AHMET K, HAKAN F O, TANSEL K. Energy and exergy analysis of a latent heat storage system with phase change material for a solar collector[J]. Renewable Energy, 2008, 33： 567-574.

[18] AKACHI H. Looped capillary heat pipe： JP Hei6-97147[P]. 1994.

[19] 郭良安. 脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 大連： 大連海事大學(xué), 2011.GUO L A. Experimental study on pulsating heat pipe[D]. Dalian：Dalian Maritime University, 2011.

[20] 周躍國. 脈動(dòng)熱管啟動(dòng)與運(yùn)行特性的可視化實(shí)驗(yàn)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2010.ZHOU Y G. Visualization experimental study on start-up and operation characteristics of pulsating heat pipe[D]. Chongqing：Chongqing University, 2010.

[21] 冼海珍, 劉登瀛, 楊勇平, 等. 一種用振蕩流熱管做吸熱內(nèi)管的太陽能真空玻璃集熱管： 200710064359.5[P]. 2007-03-13.XIAN H Z, LIU D Y, YANG Y P, et al. A solar vacuum glass heat collector with shock heat pipe as heat absorbing inner tube：200710064359.5[P]. 2007-03-13.

[22] 曲偉, 馬同澤. 脈動(dòng)熱管工作流體流動(dòng)與傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào), 2002, 23(5)： 596-598.QU Q, MA T Z. Pulsating heat pipe working fluid flow and heat transfer characteristics of experimental study[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2002, 23(5)： 596-598.

[23] 曹小林, 席戰(zhàn)利, 周晉, 等. 脈動(dòng)熱管可視化傳熱與流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2004, 19(4)： 411-415.CAO X L, XI Z L, ZHOU J, et al. Experimental study on visualization and heat transfer and flow characteristics of pulsating heat pipe[J]. Thermal Power Engineering, 2004, 19(4)： 411-415.

[24] 楊蔚原, 張正方. 脈動(dòng)熱管運(yùn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2001, 22(S1)： 120-124.YANG W Y, ZHANG Z F. Pulsating heat pipe operation visualization experimental study[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2001,22(S1)： 120-124.

[25] 馬永錫, 張紅, 蘇磊. 振蕩熱管內(nèi)的振蕩及傳熱傳質(zhì)特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2005, 56(12)： 2265-2270.MA Y X , ZHANG H, SU L. The oscillation in oscillating heat pipe and heat and mass transfer characteristics[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2005, 56(12)： 2265-2270.

[26] 蘇磊, 張紅. 回路脈動(dòng)熱管運(yùn)行穩(wěn)定性分析[J]. 化工學(xué)報(bào), 2007,58(8)： 1931-1934.SU L, ZHANG H. PHP operation stability analysis[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2007, 58(8)： 1931-1934.

[27] 胡朝發(fā), 賈力. 脈動(dòng)熱管氣液塞振蕩運(yùn)動(dòng)模型[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011,62(S1)： 113-117.HU C F, JIA L. Oscillation model of gas liquid slug in pulsating heat pipe[J]. CIESC Journal, 2011, 62(S1)： 113-117.

[28] 林梓榮, 汪雙鳳, 張偉保, 等. 功能熱流體強(qiáng)化脈動(dòng)熱管的熱輸送特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(6)： 1373-1379.LIN Z R, WANG S F, ZHANG W B. et al. The function of thermal fluid pulsating heat pipe enhanced heat transfer characteristics[J].CIESC Journal, 2009, 60(6)： 1373-1379.

[29] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社, 2006：260-261.YANG S M, TAO W Q. Heat Transfer[M]. 4th ed. Beijing： Higher Education Press, 2006： 260-261.

Experimental analysis on heat storage of pulsating heat pipe phase change heat accumulator

LUO Xiaoxue1,2, ZHANG Xuelai1, HUA Weisan1, MAO Fa1
(1Cool Storage Technology Institute, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2School of Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, Guangxi, China)

To research actual effect of heat transfer enhancement on pulsating heat pipe of phase change heat storage device, a pulsating heat tube type phase change heat storage device was designed and set up. The phase change thermal storage device has obvious phase change heat storage process; latent heat of phase change heat storage capacity is much greater than the sensible heat storage. Heating fluid flow increases under the same conditions have a role about the heat transfer enhancement, but the flow is not too large. Adjust the heat source temperature, the higher the temperature, the less time required for the phase change heat storage process.Compared with conventional copper tube, the heat storage device of pulsating heat pipe has saved 47% of the heat storage time in the process of heat storage and the heat transfer uniformity of the phase change heat storage device is optimized. It is verified that the heat transfer enhancement of the heat storage system is feasible by using pulsating heat pipe technology.

pulsating heat pipe; phase change; heat transfer; optimization; experiment

date:2016-09-18.

ZHANG Xuelai, xlzhang@shmtu.edu.cn

supported by the Key Project of Shanghai Municipal Education Commission (12ZZ154), the Graduate Innovation Fund of Shanghai Maritime University(2014ycx051) and Shanghai Science and Technology Commission Project (16040501600).

TK 02

A

0438—1157（2017）07—2722—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20161297

2016-09-18收到初稿，2017-03-14收到修改稿。

聯(lián)系人：章學(xué)來。

羅孝學(xué)（1978—），男，博士研究生。

上海市教委重點(diǎn)項(xiàng)目“利用相變蓄熱余熱回收的移動(dòng)供熱關(guān)鍵技術(shù)研究”（12ZZ154）；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“太陽能高效雙溫相變集熱器理論和實(shí)驗(yàn)研究”（2014ycx051）；上海市科委項(xiàng)目（16040501600）。