王梅杰，胡良博

(華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，鄭州 450046)

當(dāng)前，全球氣候變暖被視為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)和嚴(yán)重威脅之一，它關(guān)乎著全人類賴以生存的環(huán)境及全球的經(jīng)濟(jì)和政治格局[1]。碳中和并非是溫室氣體的凈零排放，而是采取一些積極的措施來降低溫室氣體的排放總量，如：植樹造林和新能源技術(shù)的研發(fā)等[2]。其中綠色和可再生能源的開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本途徑。

蓄熱技術(shù)可應(yīng)用在多種不同的系統(tǒng)中，能有效提高能源利用率、降低碳排放、緩解環(huán)境污染、解決能源供給與需求在時間和空間上不匹配的問題[3]。還可以實(shí)現(xiàn)各類能源融合發(fā)展，打破能源種類之間的壁壘，提高全社會能源的整體利用率，為多能源發(fā)展提供技術(shù)支持。隨著人們生活水平提高，如何在保證舒適的前提下減少碳排放，蓄熱技術(shù)就顯的尤為重要，因此本文主要對蓄熱技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 蓄熱技術(shù)的分類

以不同的蓄熱方式劃分，可將蓄熱技術(shù)分為顯熱蓄熱、化學(xué)反應(yīng)蓄熱以及潛熱蓄熱三大類[4]。顯熱蓄熱主要是利用蓄熱材料本身溫度的變化來進(jìn)行熱量的儲存和釋放，材料的比熱容越高，單位體積所能儲存的熱量就越多。因蓄放熱原理簡單，材料來源廣泛，在不同國家和地區(qū)得到了普遍的應(yīng)用[5]，但是在蓄放熱過程中材料溫度控制的不是很好，且蓄熱密度低、占地面積大和蓄熱成本高不能滿足緊湊空間要求；化學(xué)反應(yīng)蓄熱主要是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的正、反向移動來進(jìn)行蓄熱和放熱，雖然有著較高的蓄能密度，但是其技術(shù)尚未成熟，且對蓄熱裝置要求較高，目前應(yīng)用范圍較小[6]；潛熱蓄熱主要是利用相變材料(PCM)在達(dá)到相變溫度后產(chǎn)生的相態(tài)變化進(jìn)行蓄熱和放熱，這個過程中相變材料的溫度幾乎不發(fā)生變化，能夠很好地對溫度進(jìn)行控制，同時具有較大的蓄能密度，縮小了裝置的體積，滿足了緊湊空間的要求。在氣、液和固相互轉(zhuǎn)換的相態(tài)變化中，固-液相態(tài)變化前后密度改變較小，體積變化不大，因此廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[7]。上述三種蓄熱方式中，潛熱蓄熱技術(shù)較為成熟且具有蓄能密度大、單位體積儲存熱量多、裝置緊湊、占地面積小、相變過程溫度可控，在一定程度上綜合了顯熱蓄熱技術(shù)成熟簡單和化學(xué)蓄熱高儲能密度的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

按照蓄熱材料與換熱工質(zhì)是否直接接觸，可以將蓄熱技術(shù)分為直接接觸式蓄熱技術(shù)和間接接觸式蓄熱技術(shù)。目前生活生產(chǎn)中所用的蓄熱裝置絕大部分為間接接觸式蓄熱裝置，該技術(shù)發(fā)展較為成熟，通過金屬壁面將蓄熱材料和換熱工質(zhì)隔絕開來，使系統(tǒng)運(yùn)行更為安全可靠。直接接觸式蓄熱技術(shù)是利用互不相容、互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、密度不同的蓄熱材料和換熱工質(zhì)直接混合，在蓄熱器內(nèi)形成受迫對流換熱來完成蓄熱材料的蓄放熱，可以省去金屬面的傳熱，增大換熱面積，直接接觸式蓄放熱原理圖如圖1所示。高維等[8]通過對直接接觸式和間接接觸式加肋片的蓄熱性能進(jìn)行比較，得出在蓄熱材料和換熱工況均相同的情況下直接接觸結(jié)構(gòu)熱利用率更高，但是對于蓄熱材料和換熱工質(zhì)的要求較高，導(dǎo)致其推廣受限。目前主要應(yīng)用于德國和瑞典等發(fā)達(dá)國家。

圖1 直接接觸式蓄放熱原理圖

2 相變材料的研究

2.1 相變材料的分類

相變材料作為潛熱蓄熱裝置的核心組成部分，決定著蓄熱裝置的熱性能，按照相變材料的相變溫度可將其分為：低溫相變材料(相變溫度小于100 ℃)、中溫相變材料(相變溫度在100～250 ℃之間)和高溫相變材料(相變溫度大于250 ℃)[9]。按照化學(xué)成分可將其分為：有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合型相變材料。有機(jī)相變材料主要包括石蠟和脂肪酸等，一般沒有腐蝕性和過冷現(xiàn)象的發(fā)生，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較低；無機(jī)相變材料主要由水合無機(jī)鹽和金屬材料構(gòu)成，具有較高的蓄能密度和導(dǎo)熱系數(shù)，缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定，具有相分離和過冷現(xiàn)象的發(fā)生[10]；復(fù)合型相變材料是由兩種或者兩種以上的有機(jī)和無機(jī)相變材料混合而成，能夠有效改善材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，相變循環(huán)穩(wěn)定性差。因此，針對相變材料的研究，重點(diǎn)在于如何提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和增強(qiáng)其穩(wěn)定性上，目前常用的方法有：添加高導(dǎo)熱介質(zhì)法、多孔基質(zhì)吸附法、微膠囊封裝法和添加成核劑法。

2.2 增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)和穩(wěn)定性的方法

2.2.1 添加高導(dǎo)熱介質(zhì)法

該方法主要通過在相變材料中添加金屬鈉米顆?；蛱蓟牧系葟?fù)合成高導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料。當(dāng)納米銀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～2%范圍內(nèi)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米銀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高而增強(qiáng)，但潛熱有所下降，當(dāng)高于2%(3.5%～8%)時，復(fù)合材料的粘度增加，自然對流受阻，因此熱導(dǎo)系數(shù)并沒有增加的趨勢[11]。在復(fù)合網(wǎng)絡(luò)體中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%和10%的CF和GNP時，復(fù)合材料的蓄熱完成時間較只添加CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的縮短了39.9%，較純石蠟縮短了84.5%[12]。在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，CF/SA復(fù)合材料的導(dǎo)熱率與碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高了206.6%，且硬脂酸的蓄熱能力沒有明顯下降[13]。

2.2.2 多孔基質(zhì)吸附法

金屬泡沫、膨脹石墨等材料內(nèi)部具有大量微孔結(jié)構(gòu)，通過與相變材料的有機(jī)結(jié)合可以有效提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和穩(wěn)定性。未添加金屬泡沫的石蠟在融化時自然對流起主導(dǎo)作用，當(dāng)添加厚度為5 mm的金屬泡沫銅后，相變材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)增加了1倍，繼續(xù)增加厚度雖然可提高導(dǎo)熱系數(shù)，但也會抑制相變材料的自然對流，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，在金屬泡沫銅的厚度為14 mm時，兩者強(qiáng)度相當(dāng)[14]。當(dāng)膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，粒徑由178 μm降低到74 μm時，石蠟的導(dǎo)熱率提高了42%，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，相變材料的溫度分布更為均勻[15]。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%膨脹石墨的丁四醇與純丁四醇相比，過冷度降低了22 ℃，且隨著融化-凝固循環(huán)次數(shù)的增加，復(fù)合材料比純丁四醇更加穩(wěn)定[16]。當(dāng)復(fù)合材料中泡沫石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到3.77 W/(m·K)，是純赤蘚糖醇0.72 W/(m·K)的5倍，同時多孔石墨泡沫充當(dāng)了成核劑，降低了赤蘚醇的過冷度，使其穩(wěn)定性得到提高[17]。

在相變材料中增加上述填料可以提高其導(dǎo)熱系數(shù)，但相變材料的融化時間并不總是隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加而減少，主要是因?yàn)殡S著相變材料的不斷融化，其主要換熱方式由導(dǎo)熱逐漸向自然對流過度，材料中的填料雖然能防止相變材料泄漏和增強(qiáng)其導(dǎo)熱，但同時也限制了液體的流動，削弱了自然對流傳熱，使整體的傳熱系數(shù)降低。

2.2.3 微膠囊封裝法

與純硬脂酸相比，硬脂酸體積填充度為31.9%的復(fù)合材料熔點(diǎn)降低了2.85 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)增加117～159倍，與空的碳納米管相比，其導(dǎo)熱系數(shù)降低了32%～41%[18]。在微膠囊相變材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%和6%的納米銅粉末，導(dǎo)熱系數(shù)分別增加23.5%、56.7%和149.2%，而且不會對相變材料的相變焓值和相變溫度產(chǎn)生較大影響[19]。微膠囊相變材料的傳熱系數(shù)可達(dá)到0.85 W/(m·K)，是純正十八烷的5.3倍[20]。

微膠囊封裝技術(shù)不僅可以提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，還能有效解決相變過程中出現(xiàn)的過冷、相分離、泄漏和腐蝕等問題，降低相變前后體積變化。使相變材料在多種條件下得以應(yīng)用，同時增加了相變材料的循環(huán)使用壽命。但它的制作工藝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性差。

2.2.4 添加成核劑法

無機(jī)水合鹽等材料是一種很有前途的相變材料，然而，顯著過冷性和相分離阻礙了它們的發(fā)展，添加成核劑是改善過冷和相分離的常用方法。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的十二水磷酸氫二鈉作為成核劑時，可將SAT的過冷度控制在2 ℃以內(nèi)；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的黃原膠作為增稠劑時，可有效抑制復(fù)合材料相分離，但也會對SAT的熱物性帶來不利影響[21]。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的氧化碲時，可將其過冷度降低至38 ℃左右，比純鎵降低了43.66%，此時效果最好[22]。

成核劑的表面形狀對成核劑的穩(wěn)定性有著一定影響，在對不同成核劑進(jìn)行微觀表征后發(fā)現(xiàn)表面越粗糙、孔隙率越大的成核劑，其成核穩(wěn)定性越好，所能承受的成核失效溫度(高于此溫度成核劑將失去成核作用)也越高。

3 相變蓄熱器的研究

相變蓄熱器主要依靠內(nèi)部的相變材料來存儲熱能，再通過換熱工質(zhì)進(jìn)行換熱，解決熱量使用在時間和空間上不匹配的問題，被廣泛應(yīng)用于多種系統(tǒng)中，其蓄放熱效率影響著整個系統(tǒng)的性能。目前國內(nèi)外學(xué)者主要從增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱、相變蓄能單元的傳熱特性和相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面進(jìn)行研究，以期提高蓄熱器的換熱效率。

周慧琳等[23]對石蠟在矩形蓄熱單元內(nèi)的傳熱特性進(jìn)行了研究，矩形蓄熱單元示意圖如圖2所示。研究顯示：蓄熱階段石蠟的傳熱機(jī)制由導(dǎo)熱逐漸過渡為自然對流，在換熱管道外，上部的石蠟熔化最快，左、右其次，下部最慢，上部完全熔化所需時間比下部少20%以上；放熱階段石蠟的傳熱機(jī)制以導(dǎo)熱為主，石蠟的凝固按照下部、左/右部、上部的順序進(jìn)行。若將熱流體的入口溫度提高5 ℃，熔化完成時間可減少32%～47%，將冷流體的入口溫度降低5 ℃，凝固完成時間可減少38%～61%，可見提高換熱流體與石蠟之間的溫差能顯著提高換熱效率。

翅片厚度對其影響較小，而長度和數(shù)量對其影響較大，同時還指出，添加翅片會對相變過程中的自然對流產(chǎn)生不良影響[24]。無論在蓄熱還是放熱過程中，縱向翅片都優(yōu)于圓形翅片[25]。

圖2 矩形蓄熱單元示意圖

為了改善相變蓄熱裝置的放熱特性，NOBUHIRO M等[26]建立了以1 kg三水合醋酸鈉為PCM的圓柱型蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置，并通過旋轉(zhuǎn)換熱管和固定葉片對換熱管外壁上的PCM凝固層進(jìn)行刮除，試驗(yàn)裝置原理圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)換熱管和固定葉片可在放熱過程中去除換熱管上的PCM凝固層，且該裝置的整體傳熱系數(shù)隨著換熱管轉(zhuǎn)速的增加而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速在500 r/min時，總傳熱系數(shù)將比靜態(tài)換熱高出6.5倍，并能一直保持到熱量利用率達(dá)到70%以上。但該實(shí)驗(yàn)并沒有考慮電機(jī)能耗給整個系統(tǒng)帶來的影響，應(yīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)并找出電機(jī)能耗與傳熱增益的平衡點(diǎn)。

圖3 試驗(yàn)裝置原理圖

仝倉等[27]對多管式相變蓄熱器的換熱影響因素進(jìn)行了研究，多管式蓄熱單元示意圖如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)：增加換熱管的數(shù)量可強(qiáng)化換熱效果，降低完成蓄熱所需的時間，但增幅越來越小，當(dāng)換熱管增加到5根時，蓄熱時間僅為單管的51.5%。并對不同管間距的蓄熱時間進(jìn)行擬合，得到最佳管間距為58.81 mm，此時蓄熱時間最短。另外不同材質(zhì)的換熱管對換熱速率的影響較小，選擇時應(yīng)以經(jīng)濟(jì)性為主。

周躍寬等[28]設(shè)計了一種以相變材料作為側(cè)壁保溫層的相變蓄熱裝置，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，并通過實(shí)驗(yàn)研究了相變保溫層對裝置蓄放熱特性的影響。結(jié)果顯示：相較于未使用相變材料的傳統(tǒng)蓄熱裝置，本新型結(jié)構(gòu)蓄熱裝置完全放熱的時間將延長10 h，且裝置內(nèi)設(shè)有電加熱組件，可充分利用峰谷電價。

圖4 多管式蓄熱單元示意圖(單位：mm)

圖5 蓄熱裝置結(jié)構(gòu)圖

方桂花等[29]建立了一種以球型封裝氯化鈣作為蓄熱單元的相變蓄熱裝置，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，并研究了其蓄放熱特性。研究結(jié)果顯示：在不改變其它條件時，增加換熱流體入口溫度和提高其入口流量均可降低蓄熱時間。當(dāng)入口溫度從80 ℃提升到90 ℃時，蓄熱時間降低了39%，當(dāng)入口流量從0.1 m3/h增加到0.3 m3/h時，蓄熱時間降低了19%；放熱時，當(dāng)換熱流體初始入口溫度為40 ℃，流量為0.3 m3/h時，與恒進(jìn)口溫度相比變進(jìn)口溫度完全放熱的時間可延長1.7倍。

本文作者也做了相關(guān)研究，提出一種可實(shí)現(xiàn)同時蓄放熱的新型板式相變蓄熱器[30]，并獲得了專利授權(quán)。板式相變蓄熱器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，同時研究了不同工況下蓄熱器的蓄放熱特性。結(jié)果顯示：在加翅片和考慮自然對流的情況下與原始工況相比，蓄熱、放熱和同時蓄放熱時，相變材料的平均相變速率將分別提高155.5%、7.41%和155.45%，對于放熱時，還有待進(jìn)一步的優(yōu)化以達(dá)到更高的換熱效率。同時得出換熱流體的入口溫度和流速也會影響其換熱速率，并給出兩者較優(yōu)的取值范圍，即在入口溫度為348～358 K，流速為0.2～0.4 m/s時，換熱速率較快。

圖6 蓄熱裝置結(jié)構(gòu)圖

圖7 板式相變蓄熱器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

近年來，由于國內(nèi)外學(xué)者大量研究工作的開展，對熱量進(jìn)行“移峰填谷”的相變蓄熱技術(shù)得到了很大的進(jìn)展，有效改善了能源供給和使用在時間和空間上不匹配的問題，為新能源的開發(fā)和利用奠定了良好的基礎(chǔ)，推動我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。

本文在對相變蓄熱技術(shù)進(jìn)行回顧后發(fā)現(xiàn)，目前針對相變蓄熱技術(shù)的研究主要集中在間接接觸式蓄熱技術(shù)和中低溫蓄熱技術(shù)上，對于直接接觸式和高溫蓄熱技術(shù)很少有人涉獵；在有關(guān)提高相變蓄熱等效傳熱系數(shù)的研究工作中，大多研究針對的是如何提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而在如何對相變蓄熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高等效傳熱系數(shù)方面研究不足；目前蓄熱器大多采用單一蓄熱技術(shù)，而混合蓄能可以綜合不同蓄熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在追求高傳熱的同時兼顧了系統(tǒng)蓄熱量的問題。因此，在今后的研究工作中應(yīng)該更重視直接接觸式和高溫蓄熱技術(shù)、蓄熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、混合蓄能等方面，進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱性能，提高經(jīng)濟(jì)性，以期實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。