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新型相变材料换热器的研究及其实验
曹赵生1,朱孝钦1,胡 劲2,常静华1,杨玉芬1,全黄河1
(1.昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650224;2.昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明650093)
摘 要：传统的管壳式换热器是冷热两种流体通过管子壁面进行热量传递、使热量由温度较高的热流体传递给温度较低的冷流体的工艺设备,但它仅适用于进行热量交换的场合。为此,研究了一种新型相变材料换热器结构,其整体是以传统的管壳式换热器作为结构基础、管内则充填满相变材料CaCl2·6H2O,一系列实验研究结果表明,这种新型相变材料换热器结构既具有热量交换的功能又具有热能储存的功能,因而,它适用于不仅需要进行热量交换而且还需要将热能储存起来的温室、暖房、工业生产中的余热、废热特别是低品位热能的回收利用,同时还可以应用于热能供应与人们需求之间不一致的场合,如太阳能热利用、采暖和空调领域等。
关键词：相变材料;换热器;热能储存;热能释放;回收利用
中图分类号：TQ051.5;TK02文献标识码:A
文章编号：1001-9731(2009)增刊-0705-04
1 引 言
随着现代工业生产的不断发展,对于能源的需求也越来越大,同时,在工业生产过程中也必定会存在大量的余热或废热,如何将这些热能得以回收与利用,并努力使之实现既节约能源又减少污染的目的,确实是人们一直在研究、探索和致力于解决的问题。还有,在过程工业生产中,特别是化学工业或其它多种工业生产过程中排放的工业余热或废热大多是间断的或不连续的[1],怎样才能将这些不稳定的热能合理地回收和利用,也正逐步成为热能储存技术中的一个重要的研究课题。
2 传统管壳式换热器的结构及其局限性
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备[2],它主要用来将一种流体的热量传给另一种流体的设备,在过程工业生产中由于使用场合、操作条件和物料特性的不同有多种类型和结构,主要有混合式、蓄热式、间壁式3种类型,其中间壁式又以管壳式换热器应用最为广泛,因为它具有适用性广、坚固耐用、密封性较好以及结构简单、易于制造、清洗方便、换热效率较高等特点。传统的管壳式换热器是冷热两种流体通过管子壁面进行热量传递、使热量由温度较高的热流体传递给温度较低的冷流体的工艺设备[3,4],在化工、石油、能源、食品、制药等诸多行业部门都得到了广泛的应用,其结构如图1所示,它是在圆筒形壳体中放置了由许多管子组成的管束,管子的两端固定在管板上,管子的轴线与壳体的轴线平行,通常是在其管程(管内)走温度较高的热流体、在壳程(管外)走温度较低的冷流体,从而使冷热两种流体通过管子壁面实现热量传递的目的,人们对其进行了大量的传热分析与实验研究[5~10],也有了较为成熟的传热理论分析和计算。虽然可以通过强化管程技术(如将光管加工成为螺旋槽纹管、横纹管、缩放管,管内增加插入物或锯齿形翘片或花瓣形翘片)[11]以及强化壳程技术(主要通过改变管子外形或在管外加翘片,改变壳程挡板或管支撑物的形式)[12]使其传热性能和效率得到改善,不过,它仅适用于进行热量交换的场合。然而,太阳能热利用以及多种工业余热、废热特别是低品位热能的回收利用过程中不仅仅需要进行热量交换,而且还需要将热能储存起来,这样传统的管壳式换热器显然也就无法适用了。
3 新型相变材料换热器的结构与实验
3.1 新型相变材料换热器的结构
为了充分发挥传统管壳式换热器的传热效率较高的优势并克服其不适于热能储存的局限性,使其在热能的回收利用过程中可以适用于需要进行热量交换和热能储存的场合,经过几年的探索,我们研究出了一种新型相变材料换热器结构(见图2),其整体以传统的管壳式换热器作为结构基础,但壳体为矩形,内装有7排管子且每排由7根管子组成,整个换热器的外表面还安装了厚度为50mm的石棉板作为保温之用;管子的轴线与壳体的轴线垂直,所有换热管内则充填满相变材料(CaCl2·6H2O);为了使换热管内的相变材料能与流体充分接触,每排管子之间是错位排列的,其结构示意图如图2所示,基本参数见表1。
3.2 新型相变材料换热器的实验
为了验证这种新型相变材料换热器热传递效果、热能储存与释放的性能,我们进行了一系列的实验研究[1, 13~15]。在图2所示的新型相变材料换热器进出口处的换热管中心位置及其管外安排4个测温点布置铜镍合金热电偶,将各测点热电偶连接到Campbell Sci-entific数据记录仪和装有Campbell Scientific′sPC200W软件的计算机上,并与可调速的风机、带有温度控制装置的电加热器一起通过管路连接成为一个完整的测试系统,热能储存、释放过程的测试系统示意图分别如图3、4所示,其图中所画的箭头方向即为空气流的流程。对于整个测试系统,其实验程序是:(1)选择空气作为流体介质,通过可调速的风机将流过相变材料换热器的气流速度分别调至稳定的不同数值;(2)对应于每一个气流流速,接通电加热器并通过温度控制装置使进入相变材料换热器进口的空气流温度稳定控制在40℃,通过实验测试系统连续测出各测点热电偶的温度值;(3)对于已进行过热能储存的该换热器,直接选择温度为16~17℃的室外冷空气作为流体介质,同理,对应于每一个气流流速,通过测试系统连续测出各测点热电偶的温度值。根据实验测试系统在热能储存、热能释放周期中,连续测出各测点热电偶的温度值,经整理后可以分别绘出在两个不同周期内不同空气流速下,相变材料换热器进出口温度随时间变化的分布图,在此根据文献[1]的实验结果只选择绘出空气的质量流速分别为0.132、0.096kg/s时相变材料换热器进出口温度随时间变化的分布图(见图5~8,图中I、O分别表示在该换热器进出口测得的数据)。
4 结 论
根据新型相变材料换热器热传递、热能储存与释放性能的一系列实验研究结果[1, 13~15],可以得到如下
结论:
(1) 由于管壳式换热器结构本身就能起到热量交换的作用,而换热管内的相变材料在特定的温度(相变温度)会发生物相变化而具有热能储存的功能,因而这种新型的换热器结构能同时具有热量交换和热能储存两个功能。
(2) 新型相变材料换热器的热能储存量包括显热和潜热两部分,根据实测结果得出潜热部分所占的热能储存量比例近似已达到80%。
(3) 由于相变材料换热器热能储存是通过该换热器所有换热管内相变材料(CaCl2·6H2O)吸收热气流的热量来实现的,由于气流的流速是一个重要参数,为了使相变材料换热器在同样的条件下储存尽可能多的热能,最佳的途径就是尽量提高流过该换热器热气流的流速。此外,这种相变材料换热器的热能储存量大小还与其结构有关,若工程实际中需增大或减小其热能储存量,则还可以通过改变该换热器的结构、换热管数或尺寸来实现。
(4) 经过热能储存的相变材料换热器在通入温度低于该换热器管内相变材料(CaCl2·6H2O)的相变转化温度的冷空气流后,该换热器换热管内的相变材料(CaCl2·6H2O)就要释放其已经储存的热能而降温,当温度下降至其相变转化温度(约为26℃)时,此时管内的相变材料(CaCl2·6H2O)发生相变,由于换热管内相变材料的相变潜热的热量很大,因此,该换热器出口的气流温度在一定的时间内仍能保持恒温,这也是传统管壳式换热器所不具备的、只有这种相变材料换热器结构才具有的重要特征之一。
(5) 要提高该换热器在实际应用中热能回收的效果,首先应根据工况中需要回收热流体的温度,合理选择好与之相适应的相变材料;其次,则是根据需要回收的热能量,合理设计好换热器的结构、换热管数,使两者能相匹配。例如,鉴于研究中换热器结构管内充填的相变材料是无机水合盐(CaCl2·6H2O),其相变转化温度为室温,所以它主要适用于温室、暖房、空调或工业生产中各种低品位热能的回收和利用。
总之,这种新型相变材料换热器能将温度较高的热流体的热能储存起来,必要时又可释放其已储存的热能,所以,它具有良好的热能储存与释放特性,既可以应用于各种工业生产过程中存在的余热和废热的储存、回收与利用,也可以应用于热能供应与人们需求之间不一致的场合,如太阳能热利用、采暖和空调领域等。参考文献:
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