姚 遠(yuǎn)，龔宇烈，陸振能，劉雨兵，曲 勇

電熱型管殼式相變蓄熱器的設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn)*

姚 遠(yuǎn)1,2,3?，龔宇烈1,2,3，陸振能1,2,3，劉雨兵1,2,3，曲 勇4

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640； 3. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 煙臺(tái)歐森納地源空調(diào)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

相變蓄熱技術(shù)近年來(lái)在電力削峰填谷的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，成為供熱領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了以PTC電加熱棒為發(fā)熱源，水為載熱介質(zhì)，納米共晶水合鹽為相變蓄熱材料的管殼式相變蓄熱器。實(shí)驗(yàn)研究了蓄放熱過(guò)程中裝置內(nèi)部水和相變材料的溫度分布情況以及特定溫度范圍的蓄放熱性能及變化規(guī)律。結(jié)果表明，以圓管正三角陣列+ 折流板為特征的管殼式換熱器結(jié)構(gòu)可以使蓄熱器內(nèi)部溫度分布更加均勻；以某測(cè)溫點(diǎn)水溫75 ~ 98℃變化區(qū)間為蓄放熱周期，蓄熱周期的實(shí)際蓄熱量為779 796 kJ，有效蓄熱系數(shù)達(dá)到0.91，平均蓄熱功率為94.13 kW；在放熱周期，放熱功率從74.2 kW隨水溫的下降而逐漸減小至51.8 kW，當(dāng)水溫降至相變溫度以下時(shí)，放熱功率趨于穩(wěn)定。

管殼式；相變蓄熱；強(qiáng)化傳熱；蓄熱量；蓄熱功率

0 引 言

隨著我國(guó)人口城鎮(zhèn)化率逐年升高，城市供暖需求和環(huán)保壓力都越來(lái)越大，采用清潔能源——電能進(jìn)行采暖供熱是化解上述矛盾的主要途徑之一，但電價(jià)高是目前電力供熱推廣應(yīng)用的主要障礙[1]。如果在電價(jià)低的時(shí)段（如谷電）或棄風(fēng)電、棄光電多的區(qū)域應(yīng)用電熱設(shè)備，并將電能轉(zhuǎn)化的熱能蓄存起來(lái)，在需要時(shí)對(duì)外提供，就可以大幅降低電力供熱成本。因此，電熱型蓄熱器的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。根據(jù)蓄熱材料在蓄放熱時(shí)是否發(fā)生相變，電熱型蓄熱器又分為無(wú)相變蓄熱器和相變蓄熱器。由于相變潛熱遠(yuǎn)大于顯熱，所以相變蓄熱器的蓄熱密度高，輸出能量和溫度穩(wěn)定，在建筑供暖、電力削峰填谷等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊[3-6]。但是，相變材料的低熱導(dǎo)率限制了相變蓄熱裝置的性能。因此，目前對(duì)相變蓄熱器的研究主要聚焦于強(qiáng)化傳熱，除了改善相變材料本身的導(dǎo)熱性[7-9]外，創(chuàng)新設(shè)計(jì)相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)也是主要研究?jī)?nèi)容[10]。

在相變材料換熱器中增加翅片是增加換熱面積的有效手段。RATHOD等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了在管殼式相變蓄熱器管外側(cè)添加長(zhǎng)直肋對(duì)蓄放熱性能的影響。對(duì)于蓄熱過(guò)程，當(dāng)載熱流體進(jìn)口溫度為80℃時(shí)，熔化時(shí)間縮短了12.5%；當(dāng)載熱流體進(jìn)口溫度為85℃時(shí)，熔化時(shí)間縮短了24.52%；對(duì)于放熱過(guò)程，凝固時(shí)間縮短將近43.6%。VELRAJ等[12]在蓄熱器內(nèi)部添加直徑為1 cm的薄壁金屬環(huán)，薄壁金屬環(huán)的體積分?jǐn)?shù)為20%，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加此環(huán)的蓄熱器比常規(guī)蓄熱器的放熱時(shí)間縮短了89%。

用固體外殼對(duì)相變材料進(jìn)行微封裝也可以有效提高蓄熱器的換熱性能。OMARI等[13]分析了5種不同封裝形狀的蓄熱器熔化特性，模擬結(jié)果顯示，寬度較窄并豎直放置的封裝結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的相變材料熔化速度最快。WEI等[14]針對(duì)球體、圓柱體、盤狀、管狀4種封裝的蓄熱器進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示球狀封裝的放熱性能最好，管狀最差。

在蓄熱過(guò)程中，通過(guò)在高溫載熱流體流動(dòng)方向上布置熔點(diǎn)逐漸降低的相變材料，可以提高載熱流體與相變材料之間的傳熱溫差，從而強(qiáng)化相變蓄熱。這種梯級(jí)蓄熱的方法也被廣泛研究。WANG等[15]通過(guò)在銅管周圍布置不同熔點(diǎn)的相變材料實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)蓄熱。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蓄熱溫度為70℃，結(jié)果表明，梯級(jí)蓄熱的蓄熱時(shí)間比單級(jí)蓄熱縮短了21%。FANG等[16]通過(guò)延管路徑向布置3種不同熔點(diǎn)的相變材料也可以實(shí)現(xiàn)相同的效果。

提高換熱器元器件本身的導(dǎo)熱性也能實(shí)現(xiàn)蓄熱器的強(qiáng)化換熱。MARTINELLI等[17]將泡沫銅應(yīng)用到管殼式換熱器中，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)泡沫銅的質(zhì)量是銅翅片的一半時(shí)可以達(dá)到與銅翅片一樣的強(qiáng)化傳熱效果。NITHYANANDAM等[18-19]將虹吸熱管嵌入管殼式相變換熱裝置的管結(jié)構(gòu)中作為翅片來(lái)強(qiáng)化換熱，采用數(shù)值模擬的方法研究了不同的熱管擺放方式以及管內(nèi)相變材料和殼內(nèi)相變材料兩種不同模式下的蓄放熱特性。

將電能與相變蓄熱結(jié)合起來(lái)的電蓄熱技術(shù)也是相變蓄熱的研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)于供熱的電蓄熱器概括起來(lái)主要有直接加熱式[20-22]和間接加熱式[23-25]兩種結(jié)構(gòu)形式。直接加熱式是電加熱器直接加熱蓄熱材料，蓄熱材料再將熱量傳導(dǎo)給傳熱媒介。這種蓄熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)額外功，缺點(diǎn)是蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低，電熱器因散熱條件差而實(shí)際功率大幅減小。間接加熱式是電加熱器加熱傳熱媒介（一般是流體），由傳熱媒介再與蓄熱材料換熱。由于流體的對(duì)流換熱系數(shù)大，電熱器的散熱條件得到極大改善，實(shí)際功率效率可以達(dá)到標(biāo)稱值。而且流體換熱器的換熱面積容易增大（比如加翅片），不受電熱器自身結(jié)構(gòu)限制，可以大大提高整體換熱效率。但是，這種蓄熱器的缺點(diǎn)是要使用流體循環(huán)泵，增加額外電功功耗。

針對(duì)以上兩種電熱型蓄熱器存在的不足，本文借鑒管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種蓄熱時(shí)采用自然對(duì)流循環(huán)，放熱時(shí)采用強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)的新型電熱蓄熱器。

1 蓄熱器設(shè)計(jì)

1.1 相變蓄熱材料

相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性和相變熱很大程度上決定了蓄熱器的蓄放熱性能。選擇導(dǎo)熱性好，相變熱高，相變溫度合適的相變材料是相變蓄熱器設(shè)計(jì)的首要任務(wù)[26-28]。因此，在進(jìn)行了充分調(diào)研后，本研究選擇某公司研制的納米共晶相變材料。

表1 納米共晶相變材料熱物性參數(shù)

該納米共晶相變材料的主要成分包括常規(guī)相變材料、納米級(jí)顆粒和穩(wěn)定劑。在常規(guī)相變材料中加入納米級(jí)顆粒后，常規(guī)相變材料潛熱得到提高，導(dǎo)熱顯著增強(qiáng)，過(guò)冷度降低，穩(wěn)定性增加，從而提高相變材料的熱力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該納米共晶相變材料的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 裝置組成

相變蓄熱材料封裝在不銹鋼制成的相變蓄熱管中，相變蓄熱管排穿過(guò)前、后管板以及各個(gè)上、下缺口折流板中間的圓孔，并被前、后封板密封在罐體內(nèi)。PTC電加熱棒從罐體下部垂直插入罐體內(nèi)，避開(kāi)蓄熱管排。電源線在殼體外，并連接在電源上。在罐體內(nèi)的管外空間充滿水，進(jìn)出水管分別布置在罐體頂部?jī)蓚?cè)。膨脹水箱和排水管作為輔助部件分別布置在罐體頂部和底部。本相變蓄熱器的裝置組成如圖1所示。在該蓄熱器中，相變蓄熱管是主要蓄熱部件，水是主要傳熱媒介，并兼有蓄熱功能。電加熱裝置采用PTC熱敏電阻，其表面發(fā)熱溫度可以在電壓波動(dòng)時(shí)保證一定的穩(wěn)定性。根據(jù)管殼式換熱器強(qiáng)化換熱措施[29]及列管式相變蓄熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬結(jié)果[30]，本蓄熱器相變蓄熱管排以正三角形叉排排列，各單管管徑48 mm，管壁厚2 mm，管長(zhǎng)3 000 mm，管間距為57 mm。罐體內(nèi)徑1 440 mm，長(zhǎng)3 000 mm，共布置相變蓄熱管458只。PTC電加熱棒共有16只，每只標(biāo)況電功率為6 kW。

圖1 電熱型管殼式相變蓄熱器

1.2.2 裝置運(yùn)行原理

蓄熱時(shí)，連接在進(jìn)出水管管口的閥門關(guān)閉。PTC電加熱棒通電加熱罐體內(nèi)的水，水受熱后向上流動(dòng)，罐體內(nèi)的水產(chǎn)生自然循環(huán)。水在自然循環(huán)時(shí)將熱量傳遞給相變蓄熱管，管內(nèi)的相變材料受熱升溫，達(dá)到相變溫度后發(fā)生固?液相變，水的熱量轉(zhuǎn)化為相變材料潛熱，直到相變結(jié)束，蓄熱材料全部變?yōu)橐簯B(tài)，蓄熱過(guò)程結(jié)束。放熱時(shí)，打開(kāi)連接在進(jìn)出水管管口的閥門。罐體內(nèi)的熱水在外部水泵驅(qū)動(dòng)下流出蓄熱器，成為供熱熱源，與供暖水在供熱換熱器中完成換熱。降溫后的熱水流回蓄熱器罐體內(nèi)，并與相變蓄熱管對(duì)流換熱，吸熱升溫后流出蓄熱器，再次成為供熱熱源。蓄熱材料放熱時(shí)發(fā)生液?固相變，釋放潛熱，直到相變結(jié)束，材料全部變?yōu)楣虘B(tài)，放熱過(guò)程結(jié)束。

1.3 蓄熱量理論計(jì)算

根據(jù)建筑供熱的熱源溫度要求，本相變蓄熱器對(duì)外供熱時(shí)的輸出水溫設(shè)定為75 ~ 98℃，即罐內(nèi)水溫達(dá)到98℃時(shí)，開(kāi)始對(duì)外供熱，當(dāng)罐內(nèi)水溫降至75℃時(shí)，停止供熱，并開(kāi)始蓄熱。因此，蓄熱周期設(shè)定為水溫由75℃至98℃。該蓄熱器的理論蓄熱量等于相變蓄熱材料蓄熱量、水蓄熱量、罐體蓄熱量之和，以上參數(shù)都可以通過(guò)蓄熱器尺寸、相關(guān)材料的比熱、密度、溫升等已知量計(jì)算求得[30]，計(jì)算過(guò)程省略，結(jié)果見(jiàn)表2。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要由電熱型相變蓄熱器、板式換熱器、循環(huán)水泵、管道及各類閥門、渦輪流量傳感器，溫度傳感器，功率儀，無(wú)紙記錄儀等組成。實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)物如圖2，測(cè)量?jī)x表信息見(jiàn)表3。測(cè)試蓄熱工況時(shí)，罐體進(jìn)出水管的閥門關(guān)閉，循環(huán)水泵不工作。為了得到罐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，將5只PT100溫度傳感器從上到下均布插入罐體內(nèi)部測(cè)量水溫，將6只PT100溫度傳感器從上到下均布插入不同相變蓄熱管內(nèi)測(cè)量蓄熱材料溫度變化情況。功率儀用來(lái)測(cè)量電加熱棒的電功率和累計(jì)電量。測(cè)試放熱工況時(shí)，開(kāi)啟罐體進(jìn)出水管的閥門和循環(huán)水泵，罐內(nèi)熱水流過(guò)板式換熱器對(duì)外放熱（與10℃冷卻水換熱），渦輪流量傳感器測(cè)量熱水流量。進(jìn)出水管管口分別布置熱電偶溫度傳感器來(lái)測(cè)量進(jìn)、出水溫度。無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄溫度傳感器和流量傳感器的數(shù)據(jù)。

表2 理論蓄熱量計(jì)算結(jié)果

表3 測(cè)量?jī)x表信息

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖（左）和電熱型相變蓄熱器實(shí)驗(yàn)裝置（右）

2.2 測(cè)試參數(shù)與數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是進(jìn)行蓄熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的測(cè)量與蓄熱器蓄放熱性能的測(cè)試。由于目前暫無(wú)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)相變蓄熱器的性能，根據(jù)電熱型相變蓄熱器的特點(diǎn)，本文選擇下述參數(shù)來(lái)測(cè)試本蓄熱器的蓄放熱特性。

（1）蓄熱量

蓄熱量是蓄熱器的主要技術(shù)參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的電熱型蓄熱器是將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲(chǔ)起來(lái)，因此，蓄熱量可以由一個(gè)蓄熱周期內(nèi)，電熱棒消耗的總電能乘以電熱轉(zhuǎn)換率求得，計(jì)算公式如式（1）：

式中：x為相變蓄熱器蓄熱量，kJ；為一個(gè)蓄熱周期電加熱棒累計(jì)用電量，kJ；為電熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)測(cè)值為99%。

（2）蓄熱功率

相變蓄熱器的蓄熱功率主要是相變蓄熱材料單位時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的熱量。如果電熱棒產(chǎn)生的熱量可以完全被相變蓄熱材料吸收，此時(shí)電熱棒的電加熱功率就是相變材料蓄熱功率，計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：x為相變蓄熱器蓄熱功率，kW；PTC為電加熱棒電功率，kW。

（3）有效蓄熱系數(shù)

有效蓄熱系數(shù)指的是蓄熱器在一個(gè)蓄熱周期內(nèi)的實(shí)際蓄熱量與理論計(jì)算值的比，計(jì)算公式如式（3）所示。

（4）放熱功率

相變蓄熱器的放熱功率是蓄熱器對(duì)外供熱時(shí)相變蓄熱材料單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量，計(jì)算公式如式（4）所示。

式中，f為相變蓄熱器放熱功率，kW；w為水的比熱，取4.2 kJ/(kg?℃)；w為循環(huán)水流量，kg/s；o、i分別為出水管管口水溫和進(jìn)水管管口水溫，℃。

2.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，數(shù)據(jù)處理結(jié)果會(huì)不可避免地存在系統(tǒng)誤差。除了不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)誤差外，系統(tǒng)誤差主要由實(shí)驗(yàn)儀器精度產(chǎn)生。因此，本實(shí)驗(yàn)誤差分析只考慮測(cè)量?jī)x表精度。定義實(shí)驗(yàn)結(jié)果是互相獨(dú)立的測(cè)量變量1，2，3，… ,x的函數(shù)：

則的標(biāo)準(zhǔn)誤差Δ可以按式（6）計(jì)算

式中，Δ1，Δ2，Δ3，…，Δx為所對(duì)應(yīng)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差。本實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)儀器精度已在表3中列出。根據(jù)式（1）~ 式（6）計(jì)算得出和的最大誤差為3.1%，的最大誤差為4.5%。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度場(chǎng)的分布

蓄熱器在蓄熱工況時(shí)，依靠熱水自下而上的自然循環(huán)向相變蓄熱材料傳熱。對(duì)外放熱時(shí)，熱水在罐體內(nèi)被強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)，并在折流板導(dǎo)流下與相變蓄熱管做垂直對(duì)流傳熱。由于蓄、供熱工況不同的換熱方式，蓄熱器在這兩種工況的溫度場(chǎng)也不同。為了研究溫度場(chǎng)的分布情況，在罐體內(nèi)的共布置了11只溫度傳感器，分布如圖3所示，其中tw1 ~ tw5是測(cè)量水溫的傳感器，tm1 ~ tm6是測(cè)量相變蓄熱材料溫度的傳感器。

圖3 溫度傳感器分布圖

實(shí)驗(yàn)從常溫開(kāi)始蓄熱，當(dāng)罐內(nèi)水溫w1達(dá)到98℃時(shí)，電加熱棒停止加熱，蓄熱周期結(jié)束。然后打開(kāi)進(jìn)出水管的閥門，開(kāi)啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)流量至6 m3/h，進(jìn)入放熱周期。當(dāng)w1下降到75℃時(shí)，關(guān)閉閥門和水泵，放熱周期結(jié)束。圖4為罐內(nèi)熱水、相變蓄熱材料在蓄熱周期、放熱周期中溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖4a可以看出，5個(gè)水溫測(cè)點(diǎn)在蓄熱過(guò)程中的溫差較大，溫度從上到下依次降低，最大溫差值可達(dá)到4℃。在放熱過(guò)程中，溫差值縮小到2℃左右，依然是高位測(cè)點(diǎn)溫度較高，低位測(cè)點(diǎn)溫度較低。以上規(guī)律說(shuō)明了罐內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱比自然對(duì)流換熱的均溫性更好，但由于流場(chǎng)的不均性，水溫不可能完全達(dá)到均溫狀態(tài)。由圖4b可以看出，相變蓄熱材料在蓄熱時(shí)由于各處水溫的不同，導(dǎo)致各個(gè)蓄熱材料棒的溫度也不相同，溫度分布規(guī)律與水溫大致相同。放熱時(shí)，蓄熱材料在整個(gè)放熱周期都是在相變溫度點(diǎn)附近放熱，因此溫度始終保持在88℃左右（該相變蓄熱材料的相變溫度為88℃）。

3.2 蓄熱性能測(cè)試

該電熱型相變蓄熱器在蓄熱時(shí)是依靠罐內(nèi)熱水自然對(duì)流進(jìn)行傳熱，熱量從電熱棒表面?zhèn)鬟f到蓄熱材料核心區(qū)域的整體傳熱系數(shù)是影響蓄熱功率的主要因素。由于水的自然對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于該蓄熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此傳熱過(guò)程中的主要熱阻在蓄熱材料。本蓄熱器以w1水溫作為蓄、放熱工況控制參數(shù)，如果電功率過(guò)大而使水的溫升速度超過(guò)相變材料溫升速度，就會(huì)出現(xiàn)w1水溫達(dá)到98℃的放熱條件而蓄熱材料溫度仍然沒(méi)有達(dá)到或超過(guò)相變溫度88℃的情況，從而失去相變蓄熱的意義。因此，該相變蓄熱器蓄熱時(shí)，水與蓄熱材料溫度差必須小于10℃，此時(shí)電熱棒的電熱功率才等于整個(gè)蓄熱器的蓄熱功率。該蓄熱器在這個(gè)前提下進(jìn)行了蓄熱性能試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 蓄熱功率、蓄熱量隨蓄熱時(shí)間變化曲線

由圖5的蓄熱功率曲線可以看出，整體蓄熱功率隨時(shí)間而降低，從開(kāi)始蓄熱時(shí)（w1水溫75℃）的96 kW逐漸降低到蓄熱結(jié)束時(shí)（w1水溫98℃）的91.5 kW，平均蓄熱功率為94.13 kW。整個(gè)蓄熱周期結(jié)束時(shí)，該相變蓄熱器的蓄熱量達(dá)到216.61 kW?h，換算成焦耳單位為779 796 kJ。因此，該蓄熱器的有效蓄熱系數(shù)為：

有效蓄熱系數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中實(shí)際反映了蓄熱器在蓄熱時(shí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性。當(dāng)w1溫度達(dá)到98℃時(shí)，蓄熱器內(nèi)其他測(cè)溫點(diǎn)的溫度并未同步達(dá)到98℃，造成部分蓄熱材料吸熱不充分，在蓄熱周期結(jié)束時(shí)沒(méi)有達(dá)到理論最大蓄熱量。

3.3 放熱性能測(cè)試

圖6 溫度、放熱功率隨放熱時(shí)間變化曲線

4 結(jié) 論

（1）與電熱管直接加熱蓄熱材料的蓄熱器相比，本文蓄熱器由于使用水作為電熱管和相變蓄熱材料之間的傳熱媒介，既使電熱管的輸出功率得到了提升，也由于水的自然對(duì)流傳熱使相變蓄熱材料的換熱效率得到了增強(qiáng)。

（2）在蓄熱實(shí)驗(yàn)中，水是自然循環(huán)流動(dòng)，沒(méi)有外加驅(qū)動(dòng)力，不需要額外功。在放熱實(shí)驗(yàn)中，管殼式換熱器結(jié)構(gòu)可以使蓄熱器內(nèi)部相變蓄熱材料及水的溫度分布更加均勻。

（3）在蓄熱周期（w1水溫從75℃到98℃），本蓄熱器的實(shí)際蓄熱量為779 796 kJ，有效蓄熱系數(shù)達(dá)到0.91，平均蓄熱功率為94.13 kW。

（4）在放熱周期（w1水溫從98℃到75℃），當(dāng)冷水溫度為10℃，冷熱水流量均為6 m3/h時(shí)，該蓄熱器的放熱功率隨w1水溫的下降而減小，從最高74.2 kW逐漸減小至51.8 kW。當(dāng)w1水溫降至相變溫度以下時(shí)，放熱功率趨穩(wěn)。

綜上所述，管殼式電熱相變蓄熱器單位體積的蓄放熱功率比直接加熱式相變蓄熱器大，適用于風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、波浪能發(fā)電等發(fā)電量波動(dòng)較大的新能源發(fā)電設(shè)備在發(fā)電峰值時(shí)的電力消納與存儲(chǔ)，為解決棄風(fēng)棄光問(wèn)題提供了性價(jià)比很高的解決方案，具有較大的推廣價(jià)值。

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Design and Performance Experiment of a Shell and Tube Type Phase Change Heat Accumulator with Electric Heating

YAO Yuan1,2,3, GONG Yu-lie1,2,3, LU Zhen-neng1,2,3, LIU Yu-bing1,2,3, QU Yong4

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. Yantai Oceanair Refrigeration & Air-Conditioning Co., Ltd, Yantai 264003, Shandong, China)

Phase change heat storage technology plays an important role in the application of peak load shifting of electricity utilization, and has become a new hotspot in the field of heat supply. A shell and tube phase change regenerator was developed which took PTC heaters as heat source, water as heat transit fluid and nanocrystalline hydrated salt as phase change material (PCM). The temperature distribution of water and PCM, the heat charging and discharging performance and change rule in a specific temperature range were investigated experimentally. Results showed that the temperature distribution of PCM was more uniform by using round tube triangle array and baffles in a shell and tube heat exchanger. Taking the temperature range of 75-98oC of a temperature measuring point as the charging and discharging period, the actual heat storage capacity was 779 796 kJ, the effectiveness factor was 0.91, and the average charging power was 94.13 kW. In the discharging period, the discharging power decreased from 74.2 kW to 51.8 kW with the decrease of water temperature. When the water temperature dropped below the phase transition temperature, the exothermic power tended to be stable.

shell and tube type; phase change heat storage; heat transfer enhancement; heat storage capacity; heat charging power

TK11

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.005

2095-560X（2020）02-0115-08

2020-02-12

2020-03-13

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）課題（XDA21050500）；山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2019JZZY010910）；煙臺(tái)“雙百計(jì)劃”藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“海洋漁業(yè)養(yǎng)殖與烘干熱泵裝備產(chǎn)業(yè)化”

姚 遠(yuǎn)，E-mail：yaoyuan@ms.giec.ac.cn

姚 遠(yuǎn)（1976-），男，在職博士研究生，工程師，主要從事熱能設(shè)備與高效換熱研究。