肖紅升，劉振華

(1.南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)(2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

目前冷能儲存器的結(jié)構(gòu)形式主要有水平管殼式儲熱單元[1]、翅片強(qiáng)化管殼式蓄熱器[2-4]等，但在冷能儲存過程中，流體與相變材料之間的傳熱方式幾乎都是在各種通道或管道中進(jìn)行的強(qiáng)制對流。流體介質(zhì)的流動大多由泵推動。由于傳熱系數(shù)與消耗的泵功率正向相關(guān)，因此研究如何降低泵功率消耗很有應(yīng)用價(jià)值。降膜傳熱是一種被動式傳熱，液體工質(zhì)利用勢能，自動流過管道表面，傳熱過程無需動力。降膜貯存器所需的泵功率遠(yuǎn)小于強(qiáng)制對流貯存器所需的泵功率，是一種合適的冷儲能結(jié)構(gòu)。

水平管外的降膜流動與加熱表面的液膜雷諾數(shù)和固液接觸角大小相關(guān)，隨著液膜雷諾數(shù)Re的增大，液膜的流動形態(tài)依次表現(xiàn)為滴狀流、柱狀流、片狀流。當(dāng)Re<1 000時(shí)，主要流動形態(tài)為柱狀流或滴狀流，降膜流動和伴隨的傳熱很難在時(shí)間和空間上保持穩(wěn)定[5-6]。當(dāng)液膜為片狀流時(shí)，受熱表面完全被降膜覆蓋，降膜厚度決定傳熱系數(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，使管束中的所有管道都有一個(gè)穩(wěn)定的液膜是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)[7]。本文主要介紹一種新型的臥式降膜式蓄冷相變蓄冷裝置。

1 固液相變降膜式冷儲能器的設(shè)計(jì)

1.1 冷儲能器結(jié)構(gòu)

冷儲能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷儲能器的外框?yàn)殚L1 800 mm、高800 mm、寬160 mm不銹鋼箱體，銅管長1 600 mm，外徑14 mm，壁厚0.5 mm。銅管水平放置，管與管之間的水平和垂直距離均為18 mm。液體分布器有一排直徑為1 mm、間隔為2 mm的鉆孔。

1—相變材料；2—熱絕緣材料；3—不銹鋼盒子；4—液體分布器；5—銅管；6—支撐板；7—集水箱

貯存器由3組水平管柱組成，每組管柱由36根長1 600 mm、外徑14 mm經(jīng)親水處理的銅管組成，冷儲能器以水為傳熱流體，Re為100～500。

1.2 銅管的親水處理

水在普通銅管上的固液接觸角為40°～50°，在低雷諾數(shù)區(qū)域很難形成穩(wěn)定的液膜。 在銅管外表面噴涂ECO-D型親水性涂料后，水在銅管表面的固液接觸角降低到5°～10°。 銅管經(jīng)親水處理后，即使液膜雷諾數(shù)小于100，銅管外表面也能被液膜完全、均勻地覆蓋。

圖2 水在銅表面的接觸角

1.3 相變材料(PCM)

管內(nèi)填充相變溫度為20 ℃的固液相變蓄冷材料[8]，相變材料由摩爾比為7∶3的癸酸和月桂酸及摩爾比為8%的油酸在50 ℃恒溫浴中制備。有關(guān)物質(zhì)物性見表1。

表1 癸酸、月桂酸和油酸的物性

2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方式

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖3所示。

1—泵；2—冷凍機(jī)；3—閥；4—高位冷卻水箱；5—渦輪流量計(jì)；6—高位熱水箱；7—電熱水器；8—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；9—電腦；10—液體分布器；11—冷能儲存器；12—集水箱

選擇管束的上管(第1管)、中管(第18管)和底管(第36管)作為測量管。在每個(gè)測量管中插入5個(gè)熱電偶，測量管壁溫度和相變材料中心溫度。試驗(yàn)中以內(nèi)壁溫度替代外壁溫度。

在冷儲能實(shí)驗(yàn)時(shí)，處在高位的冷卻水箱中的冷水從液體分布器中流出后流入水平管束，然后從水平管束下方流出。當(dāng)?shù)坠芙的こ隹跍囟扰c液體分布器進(jìn)口水溫相等時(shí)，實(shí)驗(yàn)停止。實(shí)驗(yàn)過程中分別用熱電偶測量冷能儲存器進(jìn)出口和管束表面的降膜溫度。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)

3 研究結(jié)果和討論

3.1 單管冷儲能

圖4(a)和(b)顯示了液膜雷諾數(shù)分別為100和400時(shí)，冷儲能過程中管束的頂管平均壁溫和相變材料中心溫度的變化情況。

圖4 冷儲能過程中頂管的溫度變化

在溫和的相變區(qū)域相變材料壁面與中心的最大溫差約為2 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。小直徑容器填充相變材料可以降低相變材料的溫差。對于降膜方式，流體介質(zhì)的泵功耗與容器的大小幾乎沒有關(guān)系。在相變材料體積不變的情況下，同一管束放置在強(qiáng)制對流介質(zhì)中，管徑的減小等效于管數(shù)和流道長度的增加，使得泵功率消耗增加；而對于降膜方式，增加某一排管數(shù)對泵功率消耗幾乎沒有影響。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)水溫度始終保持在10 ℃。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，出水溫度約為12 ℃，很快就達(dá)到10 ℃。對于單管，表面液膜的溫度隨時(shí)間的變化很小。由于單管內(nèi)儲存有少量的相變材料，對液膜溫度影響不大，因此可以假設(shè)壁面附近的液體溫度是恒定的。

增加管束的長度和管束的柱長可增大容器的體積和相變儲存的冷能量，而對傳熱性能和泵功率沒有任何影響，這是本文所設(shè)計(jì)的冷能儲存器的優(yōu)點(diǎn)。

傳熱表面積和傳熱表面的親水性、液膜雷諾數(shù)、管徑和管數(shù)是影響冷藏特性的主要因素，其中在不同的液膜雷諾數(shù)下呈現(xiàn)相近的溫度變化趨勢。在液膜雷諾數(shù)為100時(shí)，液體相變材料的溫度從初始值30 ℃迅速下降，相變材料在此期間不會經(jīng)歷相變過程，溫度以一定的速度快速下降。顯熱儲冷是這一過程的主要形式。相變材料進(jìn)入凝固區(qū)的溫度約為12 ℃。凝固溫度區(qū)間為14～10 ℃，大部分凍結(jié)熱集中在12～10 ℃的溫度區(qū)間。這一階段表現(xiàn)為潛熱和溫度變化緩慢。隨著時(shí)間的推移，相變材料的溫度逐漸接近液膜溫度，直至冷儲能過程結(jié)束。

比較圖4(a)和4(b)可知，管壁溫度和流體介質(zhì)中心溫度在兩個(gè)不同的圖形上對應(yīng)的液膜出口溫度不同。Re=400時(shí)，液膜出口溫度與入口溫度非常接近；Re=100時(shí)，出水溫度比進(jìn)水溫度提高0.5 ℃左右。壁面溫度和相變材料中心溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)圖形中只有很小的差異。對于頂管，不同的液膜雷諾數(shù)，冷儲能過程在10 min內(nèi)完成，單管的液膜雷諾數(shù)影響很小。液膜雷諾數(shù)主要影響后續(xù)管路降膜入口溫度和管束的整體特性。由于冷量一次性利用率低，因此降膜式冷能儲存器必須有足夠長的流道才能滿足要求。

3.2 管束冷儲能

圖5顯示了當(dāng)液膜雷諾數(shù)分別為100和200時(shí)，管束第1、18和36管壁面溫度和相變材料中心溫度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)水和出水的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 冷藏過程中36管束溫度變化趨勢實(shí)測圖

Re=100時(shí)，頂管相變材料的中心溫度約在10 min時(shí)接近液膜溫度，冷儲能過程結(jié)束。中管內(nèi)的溫度與液膜溫度約在40 min時(shí)相同。底管達(dá)到液膜溫度大約需65 min。

Re=200時(shí)，頂管相變材料的中心溫度約在10 min時(shí)接近液膜溫度，冷儲能過程結(jié)束。中管達(dá)到液膜溫度約在25 min。底管與液膜在50 min左右達(dá)到同一溫度。

冷儲能過程中所消耗的時(shí)間與雷諾數(shù)之間不存在線性關(guān)系。增大雷諾數(shù)或冷卻水流量不會迅速降低相變材料的溫度。出水溫度的變化曲線在開始部分保持恒定，在17 ℃左右。隨后，出水溫度迅速下降到12 ℃，這是相變溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。然后，出水溫度慢慢達(dá)到10 ℃，即進(jìn)水溫度。

圖6顯示了當(dāng)Re=100、進(jìn)水溫度設(shè)定在10 ℃ 時(shí)，管排數(shù)對末端管內(nèi)相變材料中心溫度的影響。在單管長度、單管直徑和液膜雷諾數(shù)設(shè)定的情況下，管排數(shù)影響蓄冷時(shí)間和相變溫度。

圖6 不同縱向管數(shù)的蓄冷過程中相變材料中心溫度

管排數(shù)越少，冷藏時(shí)間越短，有利于快速冷儲能。小的管排數(shù)可以降低進(jìn)水和出水的溫差。因此，降溫量的一次性利用率低是不可避免的。冷卻水介質(zhì)需要多次循環(huán)使用，不利于整個(gè)系統(tǒng)的效率，通過適量增加管排可以提高系統(tǒng)效率。

圖7為Re=100時(shí)單管相變材料的冷藏量變化情況。在冷儲能過程中，由于液膜與相變材料初始溫差較大，能量傳遞較快，冷儲量增加較快。隨著相變材料溫度的急劇下降，液膜與相變材料之間的溫差逐漸降低。冷藏13 min后保持冷藏量不變，單管熱量約為30 000 J。

圖7 冷儲能過程中單管放熱功率

3.3 重復(fù)性試驗(yàn)

影響相變儲能器性能的一個(gè)重要因素是相變儲能器潛熱的穩(wěn)定性。圖8給出了相變材料在使用10次后的dsc(dsc204f1差示掃描量熱儀)測量結(jié)果。很明顯相變材料的特性幾乎沒有改變。相變材料長期使用后的性能變化在本文未作研究。

圖8 使用10次后相變材料的dsc測量

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型的固液相變降膜式冷儲能器。對相變材料和傳熱流體在冷儲能過程中的溫度和熱量變化進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：

1)與其他采用強(qiáng)制對流傳熱方式的冷藏設(shè)備相比，降膜傳熱具有更好的傳熱性能，傳熱過程中重力起支配作用，所需泵功率消耗較少。

2)對銅管表面噴涂親水涂層后，水在銅管表面的固液接觸角由40°～50°降至5°～10°，即使液膜雷諾數(shù)小于100，銅管表面仍可完全被液膜覆蓋。

3)降膜式冷儲能器設(shè)計(jì)簡單。隨著管的長度和直徑的增加，影響相變材料總質(zhì)量和整體儲存容量的管束柱數(shù)、液膜雷諾數(shù)和管排數(shù)是影響冷藏時(shí)間和儲存效率的主要參數(shù)。管排數(shù)越大，時(shí)間就越長，這兩個(gè)因素之間存在線性關(guān)系。通過調(diào)整管束的列數(shù)或行數(shù)，可以獲得靈活的冷藏量。

4)覆蓋在管壁上的極薄液膜傳熱系數(shù)很大，對相變材料的溫度沒有影響。液膜雷諾數(shù)對單管的冷藏性能幾乎沒有直接影響，而對整束冷藏性能有顯著影響。