李南爍，湯梓聰，伍健宜，張錦梁，謝安治，陳觀生

（廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

全社會能源需求不斷增加，能源短缺已成為人類面臨的嚴峻問題，節(jié)能技術的研究和利用成為支撐社會發(fā)展的必要手段[1-3].

在各種節(jié)能技術中，相變儲能技術得到了較為廣泛的應用. 電廠排煙廢熱、工業(yè)鍋爐廢熱以及各種內燃機排氣的廢熱等都可以采用相變儲熱技術使之得到有效的利用，從而節(jié)省大量的能源[4]. 太陽能熱利用、熱泵制熱等是當前較為成熟的節(jié)能技術，結合相變溫度為40～60 ℃的低溫相變儲熱技術則可以使太陽能熱水系統、熱泵熱水系統在生活熱水領域具有更好的應用前景[5-7].

適用于生活熱水領域的相變儲熱材料主要有石蠟、醋酸鈉等. 這些材料最大的缺點是導熱系數低，這也成為它們大規(guī)模推廣應用的主要障礙[8]. 為克服這一障礙，很多研究人員進行了大量的工作，包括相變傳熱強化機理的分析[9-11]、相變材料導熱系數的提升等[12-13]，其中利用各種翅片來強化儲熱體中相變材料側的換熱是一種比較簡單而且有效的做法[14-18].

本研究以石蠟為相變材料，對翅片盤管式相變儲熱器進行換熱實驗，得出該相變儲熱器內的溫度分布及其儲、放熱特性.

1 實驗裝置

實驗用的翅片盤管式相變儲熱器主要由箱體、保溫層、翅片盤管、相變材料(Phase Change Material，PCM)等構成，其剖視圖如圖1所示.

1.1 翅片盤管式相變儲熱器

盤管為銅管，翅片為鋁片，盤管與翅片相互垂直，相變材料填充在翅片管與箱體之間，翅片間距可調. 實驗用的翅片盤管式相變儲熱器詳細參數見表1.石蠟質量為5 070.5 g.

表1 翅片盤管式相變儲熱器參數Tab.1 Finned-coil Phase Change Heat Storage Parameter

1.2 實驗測試系統

通過管內冷、熱流體(本次實驗以水作為工質)與箱體內石蠟進行熱量交換，對翅片盤管式相變換熱器的儲熱、放熱特性進行實驗研究. 恒溫水箱保證供應的水溫度恒定. 實驗系統圖如圖2所示.

圖2 實驗系統圖Fig.2 Experimental system diagram

在箱體管槽內布置T型熱電偶溫度測點，如上圖所示. 其中T1、T5分別為進出水管處測點，T2～T4為內部管路測點，T6～T10為內部石蠟測點. 水流量通過控制閥門控制并由渦輪流量計測量(0.667～6.667 L/min，±0.5% R). 用安捷倫數據采集儀對溫度進行數據采集.

相變材料為石蠟RT54，液相密度：780 kg/m3，固相密度：900 kg/m3；液相比熱容：2.4 kJ/(kg·K)，固相比熱容：7.8 kJ/(kg·K)；液相熱導率：0.20 W/(m·K)，固相熱導率：0.27 W/(m·K)；相變潛熱：170 kJ/kg；凝固溫度：54 ℃；熔化溫度：52 ℃. 忽略工質溫度變化對熱物性的影響.

1.3 實驗過程

儲熱階段：接通電源，在恒溫水箱中把水加熱到65 ℃，然后開啟數據采集儀，同時開啟循環(huán)水泵，調節(jié)流量控制閥到一定的流量值，進行儲熱階段的實驗. 當石蠟完全熔化，并且在數據采集儀上觀察溫度不再升高時停止實驗，儲熱階段實驗結束.

放熱階段：考慮到儲熱器的最大儲熱量，儲熱階段實驗結束后，馬上進行放熱階段實驗. 將另一臺設定溫度30 ℃的恒溫水箱替換儲熱階段的恒溫水箱，如圖2所示接入實驗線路. 調節(jié)相同大小的流量值，進行放熱階段的實驗. 待石蠟完全凝固，并且溫度分布基本均勻時停止數據采集，完成放熱階段的實驗.

2 實驗結果及分析

對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm和6.5 mm的翅片盤管相變儲熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min的情況下進行儲、放熱實驗. 安捷倫每5 s采集一次數據，記錄每次實驗流量情況. 忽略彎管效應和工質溫度變化對熱物性的影響，根據水和石蠟的溫度、水的流量以及傳熱面積等，翅片儲熱器的傳熱效率Q和傳熱系數k可以通過式(1)～(4)計算：

其中c表示儲熱，d表示放熱；ρ為水的密度(g/L)；v為水的流量(L/min)；Cp為水的比熱容(J·g—1·K—1)；A為儲熱器中管路的傳熱面積(m2)； ?tm為儲熱器的對數平均溫差(℃)，由式(5)～(6)計算：

2.1 溫度分布情況

設定恒溫水箱65 ℃的情況進行儲熱實驗，進水管溫度基本保持恒定. 圖3(a)及圖3(b)分別表示當進水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時儲熱過程中石蠟T8測點溫度及出水管T5測點溫度隨時間的變化曲線.

圖3 水流量為1.6 L/min的儲熱過程Fig.3 Heat storage process with water flow rate of 1.6 L/min

由圖3(a)可知石蠟在50～55 ℃的范圍內溫度較為平穩(wěn)，局部溫度呈上升趨勢，可知這個溫度區(qū)間為石蠟開始相變的溫度區(qū)間. 由圖3(b)看出，在進水管溫度恒定情況下，出水溫度的變化過程與石蠟溫度的變化過程基本一致，間距為2.5 mm的儲熱器出水溫度率先接近進水溫度，說明翅片間距小儲熱過程進行得比較快，傳熱能力強.

設定恒溫水箱30 ℃的情況進行放熱實驗，進水管溫度基本保持恒定. 圖4(a)及圖4(b)是水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時放熱過程石蠟T8測點溫度及出水管溫度T5隨時間的變化曲線.

從圖4(a)中可以看出，石蠟的放熱過程進行得比較快. 在50～55 ℃區(qū)間的范圍內溫度較為平穩(wěn)，儲熱體處于相變階段；在相變完成后，石蠟迅速被冷卻，溫度接近管內流體溫度. 由圖4(b)看出，與儲熱類似，出水溫度的變化與石蠟溫度的變化保持一致，間距為2.5 mm的儲熱器率先完成放熱過程.

圖4 水流量為1.6 L/min的放熱過程Fig.4 Exothermic process with water flow rate of 1.6 L/min

2.2 傳熱系數變化情況

圖5、圖6及圖7分別表示流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時翅片盤管相變儲熱器儲熱過程中傳熱系數隨石蠟溫度的變化關系.

由圖5～7可看出，在石蠟溫度為50 ℃以下區(qū)域，不同翅片間距的相變儲熱器傳熱系數基本維持在5～18 W/(m2·K)之間；隨溫度及流量的增加，傳熱系數也相應增大，在進入相變階段時迅速增大，這是因為早期的儲熱過程，PCM還未融化，傳熱過程由熱傳導起決定作用，進入相變階段時PCM的融化，在管壁上附著一個薄的熔融層，由于浮力作用加劇對流運動，傳熱系數迅速增加，此后隨著熔融層的加厚對流受阻，k值減少，超過60 ℃后相變完成，逐漸趨于穩(wěn)定；在其他參數相同時，翅片間距較小的儲熱器傳熱系數更大，翅片間距為2.5 mm時，相變過程進行得最快，石蠟熔化速度遠遠高于其余翅片間距下的情況.

圖5 流量1.0 L/min時儲熱過程傳熱系數Fig.5 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.0 L/min

圖6 流量1.3 L/min時儲熱過程傳熱系數分布Fig.6 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.3 L/min

圖7 流量1.6 L/min時儲熱過程傳熱系數分布Fig.7 Heat transfer coefficient of heat storage process with flow rate of 1.6 L/min

圖8、圖9及圖10分別是水流量為1.0 L/min、1.3 L/min及1.6 L/min時翅片盤管相變儲熱器放熱過程中傳熱系數隨石蠟溫度的變化關系.

圖8 流量1.0 L/min時放熱過程傳熱系數Fig.8 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.0 L/min

圖9 流量1.3 L/min時放熱過程傳熱系數Fig.9 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.3 L/min

圖10 流量1.6 L/min時放熱過程傳熱系數Fig.10 Heat transfer coefficient of exothermic process with flow rate of 1.6 L/min

通過圖8～10可以看出，k值從最初的20 W/(m2·K)左右緩慢增加，進入相變階段，由于PCM的固化，對流導熱的綜合作用下，迅速增大到峰值，在52 ℃后，隨著PCM的進一步固化，對流作用減弱，k值逐漸減小，在相變結束時減小到20 W/(m2·K)左右. 在溫度50℃以下區(qū)域，各組不同翅片間距的相變儲熱器傳熱系數變化比較平穩(wěn)，并且隨溫度逐漸降低，傳熱系數也相應地變小，在流量為1.3 L/min和1.6 L/min時，傳熱系數基本在10～30 W/(m2·K)之間，而流量為1.0 L/min時，傳熱系數基本在5～18 W/(m2·K)范圍內，可以看出流量的大小對傳熱系數存在一定影響.

在石蠟溫度為50 ℃～60 ℃區(qū)間內，各組翅片盤管相變儲熱器的傳熱系數出現峰值，如表2所示.

表2 傳熱系數峰值Tab. 2 Peak heat transfer coefficient W·m-2·K-1

從表2中可以看出：在同一個流量下，翅片間距越小傳熱系數峰值越大；同一翅片間距時，流量越大傳熱系數峰值越大；儲熱器傳熱系數最大峰值出現在翅片間距為2.5 mm、流量為1.6 L/min的情況下.

3 結語

通過對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm的翅片盤管相變儲熱器在水流量分別為1.0 L/min，1.3 L/min及1.6 L/min情況下的儲、放熱實驗，簡單得出以下結論：

(1) 在同一翅片間距下，水流量越大，儲熱器的傳熱系數越大，石蠟相變過程進行得越快. 為加大換熱效率、減小儲熱時間可以適當增加流量.

(2) 在同一水流量下，翅片間距越小，傳熱器的傳熱系數越大，石蠟相變過程進行得越快. 在實際限定流量的應用中，應選擇較小翅片間距的儲熱器.

(3) 忽略輻射的影響，在50 ℃以下范圍內，石蠟還沒發(fā)生相變或相變完成，傳熱過程主要為導熱，傳熱系數較??；在50～60 ℃范圍內，石蠟融化，對流傳熱起作用，傳熱系數變化較大；在60 ℃后，石蠟完成相變，導熱再次起主導效果，傳熱系數變小. 實際應用中選擇相變區(qū)間跨度大的相變材料有助于增大儲熱器的傳熱特性.