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肋板式相变蓄热器蓄热性能的试验研究
吕敏辉 凌祥
(南京工业大学 江苏南京 210009)
摘要：采用萘作为蓄热材料,对其在新型铝制肋板式相变蓄热器中的储、放热过程即内部萘的熔化和凝固过程进行 了试验研究,改变了供、取热流体参数,测定了储、放热过程的时间,分析了热流体的入口温度与流量对蓄热器储、放热过 程的影响。结果表明,新型肋板式相变蓄热器极好地发挥了换热元件的作用,热流体的入口温度与流量对储、放热速率 有重要的影响。
关键词：相变蓄热;萘;肋板式蓄热器;试验研究
中图分类号：TK02 文献标识码：A
1 前言
固-液相变蓄热器通过相变材料(PCM)的熔化、凝固进行能量的储存和释放,因具有体积小、储热密度高等优点而被广泛应用于许多领域,许多学者设计了各种不同结构的固-液相变蓄热器。
早在20世纪80年代,Shamsundar和Sriniva- san设计了壳-管式蓄热换热器,并对其储放能过 程进行了研究[1]。进入20世纪90年代,Banaszek 等人对采用螺旋式结构的储能装置进行了理论和 实验研究[2]。20世纪90年代以后,吕其岗等人 对热管式换热器进行过研究[3]。王增义、刘中良 等人研究了热管式相变蓄热换热器储/放热能过 程中供/取热流体入口温度、流量对蓄热器性能的影响[4]。Bogdan等人对采用热管的相变蓄热换 热器的凝固过程进行了理论计算[5]。Kaygusuz和 Sari等人研究了两个同心环形管中封装PCM(十 二酸和硬脂酸)的热特性,实验得出总放热、蓄热时间与雷诺数、斯蒂芬数的关系[6~9]。申晓亮和王君等人建立了G-M制冷机蓄冷器的物理模型 和数值计算模型,并进行了数值仿真计算,得到了蓄冷器的温度分布规律[10]。周素娟和张小松等 人用Fluent软件对套管型相变蓄热装置的蓄热过程进行了动态模拟,得到了PCM管内不同半径处温度、液体比、热流密度随时间的变化情况[11]。作者采用萘作为蓄热材料,对其在肋板式相 变蓄热器中的储、放热过程即内部萘的熔化和凝 固过程进行了试验研究。本文详细介绍其试验装置、流程,并对试验结果进行分析讨论。
2 试验装置
2.1 肋板式相变蓄热器
图1为肋板式相变蓄热器的结构示意,该蓄 热器由铝合金材料制成,外形尺寸长、宽、高分别 为1500mm×800mm×29mm。
如图2所示,蓄热器由盖板、肋片、封条以及 隔板组成。蓄热器分为两层,上层用于灌装相变 材料,下层为热流体的通道,中间为厚度1.1mm 的隔板。上下两层之间相互独立,互不相通。肋片作为主要的换热元件(如图3),其尺寸如表1 所示。
2.2 试验流程
肋板式相变蓄热器蓄热和放热的试验流程如 图4所示。试验中采用萘作为相变材料,萘的灌 装量为5kg,萘和铝合金3A21的物性列于表2。 试验系统主要由相变蓄热器、水加热装置(带有 蓄水箱)、泵、流量计、压差计以及测温装置组成。 试验中,在相变蓄热器萘层的测温孔1、2、3处(如 图1中的所示)分别插入3支T型热电偶。分别 改变热媒体的入口温度和流量,对蓄热器的蓄热 性能进行试验研究。
3 试验结果与讨论
3.1 温度随时间变化
图5给出了流量为0.222m3/h,热水入口温度为82℃时,蓄热器中3个不同测点处萘的温度 随时间变化情况。在初始时间段内,萘从隔板和 肋片吸收来的热量主要用于其自身温度的提高, 以显热的形式储存起来。肋片起到了强化传热的 作用,所以温度变化较快。进入熔化阶段,萘在相 变过程中吸收大量的潜热,所以该阶段温度升高 较慢。同时,由于入口温度较高,靠近入口处的测 温孔1处温度升高较快,随着萘进入熔化阶段,测 温孔3处的温度趋向一致。
图6给出了流量为0.222m3/h,冷水入口温 度为56℃时,蓄热器中3个不同测点处萘的温度 随时间变化情况。由图可以看出,在很短的时间内,萘的温度迅速降低,入口处测试点1的温度降低的速度比较快,随着萘逐渐凝固,三点的温度趋 向一致。
3.2 入口温度和入口流量对储/放热性能的影响 图7给出了热水入口温度以及入口流量变化 对蓄热时间的影响,萘的起始温度为15.5℃,终 点温度为85℃。由图中可以看出,入口流量越 大,相变蓄热所需要的时间越少。此外,流量由0.222m3/h增大至0.401m3/h时,相变速率提高 明显,当流量从0.401m3/h增大至0.524m3/h 时,相变速率变化不明显。同时,入口温度对相变 速率的影响要大于流量对相变的影响,温度越高, 相变速度越快。温度在82~86℃之间变化时,相 变速度提高较快,温度在90℃以后,变化速率变化明显减慢。
图8给出了冷水入口温度以及流量对放热时 间的影响,萘的起始温度为85℃,为了便于比较, 选择60℃为终点温度比较其放热速率。由图中 可知,入口温度的影响大于入口流量对相变的影 响。当入口温度与熔点温度温差越大,凝固所需 要的时间越少。但是,当入口温度在小于45℃的 范围内变化时,相变的速度变化不明显。
4 结论
(1)肋片在相变蓄放热试验中,拓宽了传热表面积;肋片插入萘中,并将萘分割成若干小块,从而能够将热量快速传给萘,从而强化热量的存 储和释放过程;
(2)热流体的入口流量以及温度是影响本蓄热器性能的两个重要因素,熔化时的相变时间随着入口温度和流量的增大而减少,凝固时间随着入口温度的减小和流量的增大而减少。同时,热流体入口温度的影响要大于热流体流量对储、放热速度的影响;
(3)在蓄热、放热的过程中,相变所需要的时间并不是随着入口温度、入口流量的变化而均匀变化的,而是在一定的范围内变化较快,在一定的范围之外,则变化较慢;
(4)靠近热流体入口处相变速度较快,随着蓄、放热过程的进行,热量的存储和释放的速度逐渐降低,相变材料的温度分布趋向均匀。
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