韓蕊 趙樹興 于云雁 趙曉凱 梁賀斐

天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

0 引言

在太陽能供暖集熱系統(tǒng)中，應(yīng)用熱水儲(chǔ)熱罐可以彌補(bǔ)太陽能的間歇性、不穩(wěn)定性，但仍存在蓄熱體積大、效率低等問題。因此，近年來為解決熱水儲(chǔ)熱罐的不足，眾多研究者開始研究潛熱蓄熱裝置。

潛熱型功能流體（LFTF）是由特制的相變材料微粒與單相流體結(jié)合而成的一種新型固液多相流體[1]，主要包括相變?nèi)闋钜汉拖嘧兾⒛z囊懸浮液兩種，它具有相變潛熱大、貯熱密度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[2]，是集熱量?jī)?chǔ)存與傳遞、強(qiáng)化傳熱功能于一體的新型工質(zhì)[3]。將其作為太陽能供暖集熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱罐的循環(huán)蓄熱工質(zhì)，在解決傳統(tǒng)熱水儲(chǔ)熱罐占地面積大及效率低問題的基礎(chǔ)上，還能夠提高太陽能供暖集熱系統(tǒng)的集熱效率。本文旨在針對(duì)應(yīng)用于太陽能供暖集熱系統(tǒng)的潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐蓄熱特性開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為其在太陽能供暖集熱系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)說明

1.1 蓄熱工質(zhì)選用

太陽能熱水地面輻射供暖系統(tǒng)宜采用 35～45 ℃供水溫度[4]，因此本文選用相變點(diǎn)為 50～65 ℃的相變微膠囊懸浮液作為蓄熱工質(zhì)，其主要成分為水、聚氨酯（壁材）、正構(gòu)二十八烷（芯材）、乳化劑。采用差式掃描量熱分析法（DSC 測(cè)試）對(duì)其進(jìn)行熱物性測(cè)試，參數(shù)如表1 所示（表中相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為相變材料與潛熱型功能流體的比例）。

表1 潛熱型功能流體熱物性參數(shù)

1.2 儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)[5]，短期蓄熱太陽能供熱采暖系統(tǒng)每平方米太陽能集熱器儲(chǔ)熱罐容積推薦選用50～150 L/m2；此外，儲(chǔ)熱罐的高徑比（H/D）會(huì)直接影響儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度分布，隨高徑比的增加，儲(chǔ)熱罐表面積增大，從而可能降低效率并對(duì)自然對(duì)流熱層造成破壞[6]，所以儲(chǔ)熱罐高徑比一般不超過4。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)制作了三個(gè)圓筒形立式儲(chǔ)熱罐，總?cè)莘e分別為80 L、110 L、140 L，儲(chǔ)熱罐的高徑比設(shè)定為 2.8、1.8、1.2，進(jìn)行其蓄熱特性的研究。罐體結(jié)構(gòu)主要包括罐體接管、上蓋、底座、把手及外保溫等；上蓋為半活動(dòng)型（含3 個(gè)熱電偶插孔、1 個(gè)把手、1 個(gè)排氣閥）；底座為3 個(gè)高度50 mm的小圓柱柱腿；在罐體 2/3 高度處焊接2 個(gè)把手；外保溫為厚度為30 mm 的聚氨酯保溫棉和保溫管；罐內(nèi)設(shè)置放熱盤管，罐體和放熱盤管的材質(zhì)分別為 304 不銹鋼、紫銅，壁厚分別為2.5 mm、1 mm。儲(chǔ)熱罐結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示，儲(chǔ)熱罐結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

圖1 儲(chǔ)熱罐結(jié)構(gòu)示意圖

表2 儲(chǔ)熱罐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括蓄熱系統(tǒng)，放熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)熱罐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

蓄熱系統(tǒng)包括外加熱裝置，交流調(diào)壓電源，蓄熱水泵，儲(chǔ)熱罐及管路附件。其中，外加熱裝置包括加熱盤管、伴熱帶，如圖3 所示。根據(jù)天津地區(qū)實(shí)測(cè)太陽能輻照量，11月份 8:00-16:00 時(shí)段，太陽輻照量最大值為1260 W/m2，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最大加熱功率為1260 W，可通過改變伴熱帶工作數(shù)量和使用交流調(diào)壓電源實(shí)現(xiàn)功率的改變。

圖3 外加熱裝置

為保證蓄熱實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，使儲(chǔ)熱罐更快恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了放熱系統(tǒng)。放熱系統(tǒng)包括低溫恒溫槽，放熱水泵，冷熱水儲(chǔ)罐，放熱盤管及管路附件，管路附件包括排氣閥、球閥、Y 型過濾器等。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度采集系統(tǒng)、流量及電能采集系統(tǒng)組成。溫度采集系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀和 PC機(jī)組成。除儲(chǔ)熱罐進(jìn)、出口布置4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)外，罐內(nèi)布置了24 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，豎向測(cè)溫點(diǎn)在罐內(nèi)8 個(gè)不同高度處，每個(gè)熱電偶高差均為0.11 m，同一高度徑向分別設(shè)在儲(chǔ)熱罐中心（中心）、罐中心與放熱盤管的中心（左一）、放熱盤管與罐內(nèi)壁的中心（左二）。儲(chǔ)熱罐溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。流量及電能采集系統(tǒng)由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和電子電量監(jiān)測(cè)儀組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要采集數(shù)據(jù)包括：儲(chǔ)熱罐各處蓄熱工質(zhì)溫度，儲(chǔ)熱罐進(jìn)、出口工質(zhì)溫度，蓄熱工質(zhì)流量，外加熱系統(tǒng)的耗電量、功率和電加熱時(shí)間。

圖4 熱電偶分布位置圖

實(shí)驗(yàn)開始前使儲(chǔ)熱罐內(nèi)部各處溫度均為26 ℃。實(shí)驗(yàn)開始后，數(shù)據(jù)采集儀每 1 min 采集一次溫度。每15 min，記錄流量計(jì)讀數(shù)。每10 min 記錄一次瞬時(shí)功率、時(shí)長(zhǎng)、累計(jì)耗電量。當(dāng)儲(chǔ)熱罐出口溫度達(dá)到 60 ℃時(shí)，關(guān)閉伴熱帶并記錄電量監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)。

1.4 相關(guān)參數(shù)說明

實(shí)驗(yàn)研究中相關(guān)參數(shù)說明如下：

1）蓄熱時(shí)長(zhǎng)

蓄熱實(shí)驗(yàn)開始后，儲(chǔ)熱罐出口溫度達(dá)到60 ℃時(shí)所需蓄熱時(shí)間，min。

2）置換周期

蓄熱過程，儲(chǔ)熱罐容積V，蓄熱工質(zhì)流量qV下，蓄熱工質(zhì)循環(huán)一周所需時(shí)間，計(jì)算為：

式中：f為置換周期，min；V為罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)容積，L；qV為蓄熱工質(zhì)流量，L/h。

3）進(jìn)出口溫差

加熱管進(jìn)出口溫度差值，如第tmin 進(jìn)出口溫差為第tmin 出口溫度減去t-τm in 前的進(jìn)口溫度：

式中：Δt(t)為進(jìn)出口溫差，℃；tout(t)為第tmin 出口溫度，℃；tin(t)為第tmin 進(jìn)口溫度，℃。

4）加熱功率

儲(chǔ)熱罐蓄熱過程平均加熱功率，由蓄熱過程耗電量轉(zhuǎn)化為熱量后除以蓄熱時(shí)長(zhǎng)計(jì)算得到：

式中：P為（平均）加熱功率，w；H為蓄熱過程外加熱耗電量，kWh；tx為蓄熱時(shí)長(zhǎng)，m in。

5）平均溫度

實(shí)驗(yàn)中，每一高度面平均溫度采用徑向距離測(cè)點(diǎn)溫度面積加權(quán)平均值，儲(chǔ)熱罐的同一徑向高度面上設(shè)3 個(gè)不同徑向距離測(cè)點(diǎn)，某高度面上的平均溫度采用該面左一和左二測(cè)點(diǎn)的面積加權(quán)平均值：

式中：T為某高度面面積加權(quán)平均溫度，℃；d為儲(chǔ)熱罐內(nèi)放熱盤管內(nèi)徑，mm；D為儲(chǔ)熱罐內(nèi)徑，mm；S1為放熱盤管內(nèi)側(cè)包圍面積，m2；S2為放熱盤管與儲(chǔ)熱罐內(nèi)壁包圍面積，m2。

2 潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐蓄熱特性實(shí)驗(yàn)的分析

2.1 加熱功率對(duì)儲(chǔ)熱罐蓄熱特性的影響

在儲(chǔ)熱罐容積 60 L，高徑比 2.8，蓄熱工質(zhì)流量60 L/h 工況下，分別進(jìn)行加熱功率為 850 W、1040 W、1260 W 的蓄熱實(shí)驗(yàn)研究。

2.1.1 對(duì)罐內(nèi)溫度分布的影響

不同加熱功率下儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢(shì)線如圖5 所示。

圖5 不同加熱功率-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐徑向溫度隨時(shí)間變化曲線

實(shí)驗(yàn)表明，在蓄熱過程中，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的各高度面溫度的變化均為周期性，溫度變化的趨勢(shì)線均呈線性規(guī)律。以0.46 m 高度面為例，加熱功率越大，儲(chǔ)熱罐此高度面的面積加權(quán)平均的溫度越高，整體溫度的變化越快。

2.1.2 對(duì)儲(chǔ)熱罐進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響

加熱功率對(duì)儲(chǔ)熱罐進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響如圖6 所示，蓄熱特性參數(shù)如表3 所示。實(shí)驗(yàn)表明，加熱功率增大，儲(chǔ)熱罐蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短，置換周期數(shù)也減少，儲(chǔ)熱罐置換周期不受影響，計(jì)算值為 60 min，而實(shí)驗(yàn)中實(shí)際置換周期約為 50 min，進(jìn)出口溫度發(fā)生變化早于理論時(shí)間，表明蓄熱過程罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)存在豎向由上至下傳熱的現(xiàn)象。

圖6 不同加熱功率-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間變化曲線

表3 變加熱功率-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐(q=60 L/h)特性參數(shù)

2.2 蓄熱工質(zhì)流量對(duì)儲(chǔ)熱罐蓄熱特性的影響

在儲(chǔ)熱罐容積60 L，高徑比 2.8，加熱功率 850 W工況下，分別進(jìn)行蓄熱工質(zhì)流量為 60 L/h、77 L/h、94 L/h 的蓄熱實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 對(duì)儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度分布的影響

不同蓄熱工質(zhì)流量下，儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢(shì)線如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)表明：在蓄熱過程中，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的各高度面溫度的變化均具有周期性，溫度變化的趨勢(shì)線均呈線性規(guī)律。以0.46 m 高度面為例，不同蓄熱工質(zhì)流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，趨勢(shì)線斜率分別為 0.138、0.143、0.137，即蓄熱工質(zhì)流量越大，儲(chǔ)熱罐此高度面的面積加權(quán)平均溫度越高，整體溫度變化越快。

圖7 不同蓄熱工質(zhì)流量-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐內(nèi)徑向溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2.2 對(duì)儲(chǔ)熱罐進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響

不同蓄熱工質(zhì)流量對(duì)儲(chǔ)熱罐蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響如圖8 所示，蓄熱特性參數(shù)如表4 所示。

圖8 不同蓄熱工質(zhì)流量-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間變化曲線

表4 不同蓄熱工質(zhì)流量-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐(加熱功率840 W)特性參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)表明，蓄熱工質(zhì)流量增大，儲(chǔ)熱罐蓄熱過程加快，蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短，置換周期數(shù)增加。此外，在三種流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，儲(chǔ)熱罐實(shí)際的置換周期為 50 min、41 min、34 min，溫度發(fā)生變化早于理論時(shí)間，表明蓄熱過程罐內(nèi)流體存在由上至下傳熱的現(xiàn)象，且蓄熱工質(zhì)流量越大傳熱現(xiàn)象越明顯。

2.3 高徑比對(duì)儲(chǔ)熱罐蓄熱特性的影響

在儲(chǔ)熱罐容積60 L，蓄熱工質(zhì)流量60 L/h，加熱功率850 W 工況下，分別進(jìn)行高徑比為1.2、1.8、2.8 的蓄熱實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 對(duì)罐內(nèi)溫度分布的影響

不同儲(chǔ)熱罐高徑比下，儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線及典型高度面溫度變化趨勢(shì)線如圖9 所示。實(shí)驗(yàn)表明：在蓄熱過程中，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的各高度面溫度的變化均具有周期性。以0.35 m 高度面為例，儲(chǔ)熱罐高徑比越大，儲(chǔ)熱罐同一高度面上整體溫度的變化越快。

圖9 不同高徑比-潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線

當(dāng)儲(chǔ)熱罐出口溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，將儲(chǔ)熱罐內(nèi)各高度面加權(quán)平均溫度做罐內(nèi)二維溫度分布圖如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)表明：三種高徑比儲(chǔ)熱罐（1.2、1.8、2.8）的豎向最大溫差分別為 4.0 ℃、4.3 ℃、4.9 ℃，即高徑比越大豎向最大溫差越大，上下溫度分層現(xiàn)象更明顯，蓄熱量越大。隨高徑比的增大，蓄熱過程中罐內(nèi)上下工質(zhì)混合作用減小，均溫效果減弱。

圖10 不同高徑比潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐-罐內(nèi)溫度分布圖

2.3.2 對(duì)儲(chǔ)熱罐進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響

不同儲(chǔ)熱罐高徑比對(duì)儲(chǔ)熱罐進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)的影響如圖11 所示，蓄熱特性參數(shù)如表5 所示。實(shí)驗(yàn)表明，蓄熱過程，隨儲(chǔ)熱罐高徑比的增加，相同蓄熱時(shí)間對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱罐出口溫度降低，儲(chǔ)熱罐的蓄熱時(shí)長(zhǎng)增大，置換周期數(shù)增多。

表5 不同高徑比潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐(q=60 L/h，P=850 W)特性參數(shù)表

3 潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐和熱水儲(chǔ)熱罐蓄熱特性對(duì)比分析

兩種儲(chǔ)熱罐蓄熱均在容積 60 L、高徑比 2.8、蓄熱工質(zhì)流量60 L/h、加熱功率850 W 工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比分析。

3.1 儲(chǔ)熱罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)溫度分布對(duì)比

將兩種蓄熱工質(zhì)儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱罐內(nèi)不同高度面徑向面積加權(quán)溫度值做出罐內(nèi)二維溫度分布圖，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)表明，儲(chǔ)熱罐出口溫度達(dá) 60 ℃時(shí)，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐和熱水儲(chǔ)熱罐豎向最大溫差分別為4.9 ℃和7.2 ℃，溫度梯度分別為6.3 ℃/m 和9.4 ℃/m，表明：與熱水儲(chǔ)熱罐相比，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐內(nèi)豎向最大溫差和溫度的梯度較小，分層不明顯，均溫性更加好。

圖12 兩種蓄熱工質(zhì)儲(chǔ)熱罐-罐內(nèi)溫度分布圖(出口溫度達(dá)60 ℃時(shí))

3.2 儲(chǔ)熱罐蓄熱工質(zhì)進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

儲(chǔ)熱罐蓄熱工質(zhì)進(jìn)出口溫度及蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)比如圖13 所示，蓄熱特性參數(shù)如表6 所示。實(shí)驗(yàn)表明，兩種儲(chǔ)熱罐的進(jìn)出口溫度隨蓄熱時(shí)間增長(zhǎng)均呈周期性增長(zhǎng)，進(jìn)出口溫度變化的趨勢(shì)線均呈線性規(guī)律，以出口溫度為例，兩種儲(chǔ)熱罐溫度變化趨勢(shì)線的斜率分別為0.12736、0.13741，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐的斜率偏小，說明其整體溫度變化相對(duì)熱水儲(chǔ)熱罐較緩慢。實(shí)驗(yàn)中，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐所需蓄熱時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，蓄熱量更多，表明潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐單位體積的蓄熱能力更大，在此實(shí)驗(yàn)工況下，潛熱性功能流體儲(chǔ)熱罐的蓄熱能力與熱水儲(chǔ)熱罐相比提高了 10.61%。

圖13 兩種蓄熱工質(zhì)儲(chǔ)熱罐-進(jìn)出口溫度隨蓄熱時(shí)間變化曲線

表6 兩種蓄熱工質(zhì)儲(chǔ)熱罐蓄熱特性參數(shù)對(duì)比表

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)太陽能供暖集熱系統(tǒng)潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐，對(duì)其蓄熱特性及其影響因素開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究并與熱水儲(chǔ)熱罐對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

1）在蓄熱過程中，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的各高度面溫度溫度的變化均具有周期性，溫度變化的趨勢(shì)線均呈線性規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)熱罐的出口溫度發(fā)生變化早于理論時(shí)間，表明罐內(nèi)流體存在由上至下傳熱的現(xiàn)象。

2）對(duì)于同一儲(chǔ)熱罐，加熱功率增大時(shí)，儲(chǔ)熱罐蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短，但蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短的幅度逐漸減小，相同置換周期內(nèi)，儲(chǔ)熱罐內(nèi)工質(zhì)溫升加快，蓄熱過程所需的置換周期數(shù)在減少。

3）對(duì)于同一儲(chǔ)熱罐，蓄熱工質(zhì)流量增大時(shí)，蓄熱工質(zhì)的置換周期縮短，儲(chǔ)熱罐蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短，但縮短的幅度逐漸減小，置換周期數(shù)增加。

4）對(duì)于同一儲(chǔ)熱罐，儲(chǔ)熱罐高徑比增大時(shí)，儲(chǔ)熱罐蓄熱時(shí)長(zhǎng)增大，相同蓄熱時(shí)間對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱罐出口溫度降低，罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)豎向最大溫差加大，罐內(nèi)上下溫度分層現(xiàn)象更明顯，蓄熱量增大；罐內(nèi)上下工質(zhì)混合作用減小，均溫效果減弱。

5）相同實(shí)驗(yàn)工況下，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐所需的蓄熱時(shí)長(zhǎng)比熱水儲(chǔ)熱罐的更長(zhǎng)，說明其蓄熱能力更大。在本實(shí)驗(yàn)工況下，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐較同容積的熱水儲(chǔ)熱罐，其蓄熱能力提高了10.61%。與熱水儲(chǔ)熱罐相比，潛熱型功能流體儲(chǔ)熱罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)豎向溫度梯度較小，分層不明顯，均溫性更好。作為儲(chǔ)熱罐蓄熱工質(zhì)，潛熱型功能流體比水更具優(yōu)勢(shì)。