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组合式相变材料储热换热器的特性实验研究
1.2.于丹 3.曹 勇 3.宋业辉 3.戴立生
(1.北京建筑工程学院,北京100044;2.北京工业大学,北京100022;3.中国建筑科学研究院空气调节研究所,北京100013)
[摘要]本文介绍了一套搭建的储热换热器性能测试装置和数据采集系统,主要研究由ＨＲ 35、月桂酸和ＨＲ 50这3种相变材料组合而成的储热换热器的特性。测试结果表明,与单一相变材料的储热单元换热器相比,组合式相变材料的储热换热器的储热速率有一定的提高。
[关键词]组合式相变材料;储热换热器;储热速率
[中图分类号]ＴＫ513 5 [文献标识码]Ａ
1 引 言
当今在太阳能利用方面,利用太阳能获得生活、供暖所需中高温水的技术已趋成熟。但是太阳能在生活、供暖利用方面存在着一个致命的弱点,即其是一种间歇式能源,太阳辐射受到昼夜、季节以及雨雪天气因素的影响,表现为间断性和不稳定性。解决这一问题的关键在于采用可靠的、性能优良的储热材料,它可以在太阳能可获得期间进行储热,在太阳能间断期,又可将所储热量放出供人们使用。在利用太阳能的供暖方案中,热储存材料、储热方式及其换热系统的选择是非常关键的。
根据相关研究[1 3],理想均匀等速相变能够实现热能的等速率利用,而实现均匀相变的条件是相变温度呈抛物线变化。然而在实际应用中,直接寻找或制造一种相变温度呈抛物线分布的单一相变材料(ＰＣＭ)是十分困难甚至是不可能的,但可通过将若干不同相变温度的材料组合起来,获得相变过程中相变温度近似抛物线分布,从而近似实现热能的等速率利用。相变温度从几十度到近千度范围的相变材料有数千种,这也为组合相变材料的应用提供了必要条件。
根据太阳能集热器所提供的热水温度范围,本文主要研究以ＨＲ 35、ＨＲ 50和月桂酸为相变材料组合的储热换热器的储热特性,并与单一相变材料(ＨＲ 35)的储热换热器进行对比测试,探讨利用现有的3种相变材料合理组合,以实现近似均匀相变的可能性和组合式相变材料储热换热器的储热性能及应用潜力。
2 平板组合式相变材料(ＰＣＭ)均匀相变的理论推导[4]
如图1所示,以无限长平板形相变材料的一维均匀相变传热为例,在恒温边界条件下,为了得到清晰的理论解析解,作如下假定:
1)忽略相变过程中相变材料的显热交换;
2)相变材料的热物性参数恒定不变;
3)相变材料前后的密度和热导率不变;
4)相变材料的相变传热为一维导热;
5)相变材料在给定相变温度下发生相变(忽略相变过程中的过冷);
6)相变材料的相变温度是关于一维坐标的连续函数。
式中ｄｒ′为在微元时间内微元ｄｒ发生相变的部分,ρ、Ｋ、Ｈｌｓ分别为相变材料的密度、热导率和相变热。
根据对称条件和边界条件:
式中Ｔｗ为恒温水箱的出口温度分布。
综合公式(1)～(4),可以得到均匀相变一维平板体的相变温度表达式:
比较式(6)、(7)可知,一维无限长平板ＰＣＭ均匀相变时间可以减少33%。
3 实验研究
3 1 储热换热器和实验装置
为了验证组合式相变材料的均匀相变理论结果,实验选用的3种ＰＣＭ为国产化学试剂,其中ＰＣＭ1和ＰＣＭ3为辽宁抚顺永宁实业有限公司生产的ＨＲ 35和ＨＲ 50,ＰＣＭ2为化学纯月桂酸。经测试得到3种ＰＣＭ的部分热物性参数,如表1所示。
测试所用储热换热器的几何结构如图2所示,该相变储热换热器外部由1个水箱构成,内部填加相变材料,中间由2块薄钢板分隔为3个部分,分别填充3种相变材料。水箱用厚为50ｍｍ的塑胶海绵进行保温,水路在外螺纹铜管中走,在水箱的侧面开3个孔洞,以方便加工完毕后进行相变材料的填充和传感器的布置。温度传感器分别布置在3层腔体中间和底部位置。将ＰＣＭ熔化后分别注入3个夹层内,然后旋紧封口。组合式ＰＣＭ储热换热器单元的3个腔体内分别充注ＰＣＭ1、ＰＣＭ2、ＰＣＭ3,单一ＰＣＭ储热换热器单元的3个腔体内都充注ＰＣＭ1。
测试装置实物照片如图3所示。保温水箱有效容积为200Ｌ,电加热由3组可调电加热器组成,单组最大可调功率为3ｋＷ。热水泵扬程为13ｍ,流量为3 0ｍ3 ｈ,水泵功率为200Ｗ。实验前,启动加热水箱到预定温度。并根据负荷变化情况,通过加热器使水箱温度保持恒定,以定入口水温作为储热条件。各ＰＣＭ的测点和水的温度信号通过Ｋｅｉｔｈｌｅｙ2000数据采集 开关单元进行采集,温度用Ｐｔ100进行测量,并采用Ｌａｋｅｓｈｏｒｅ的恒流电源给温度传感器供电,而后利用ＬａｂＶＩＥＷ编制软件经ＧＢＩＰ接口送入计算机进行数据处理。
3 2 实验结果分析
由于实验选取的3种ＰＣＭ为高分子有机材料,熔化过程在恒温水箱给定温度范围内进行,并且熔化温度范围与相变过程的热流密度有关。图4～7为测试所得的温度分布曲线。对单一ＰＣＭ储热换热器,图4和图6中的Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3分别表示ＰＣＭ1在单元内3个竖向位置的温度分布;对组合ＰＣＭ储热换热器,图5和图7中的Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3分别表示ＰＣＭ1、ＰＣＭ2、ＰＣＭ3的温度分布。试验条件分别为恒定水温58℃流量为1 3ｍ3 ｈ和恒定水温53℃流量为1 0ｍ3 ｈ的2种工况。
根据图4～7的测试结果,对不同的水温工况进行比较。当水温为58℃,流量为1 3ｍ3 ｈ时,单一ＰＣＭ1储热时间为210ｍｉｎ,组合ＰＣＭ储热时间为190ｍｉｎ;当水温为53℃,流量为1 0ｍ3 ｈ时,单一ＰＣＭ1储热时间为300ｍｉｎ,组合ＰＣＭ储热时间为270ｍｉｎ。综合考虑液相显热的储热时间,可以看出:与单一ＰＣＭ1的储热单元换热器相比,组合ＰＣＭ的储热单元换热器的完全相变时间减少,平均相变速率提高了10%～15%。
从实验结果可以得出,不同相变材料的合理组合,可以使相变过程的平均传热温差增加,减少了传热过程的不可逆传热温差,从而使相变传热速率提高,增加了传热效率。值得注意的是,测试所用的3种ＰＣＭ并不完全满足均匀相变的假设条件,适合图2储热单元换热器几何结构的3种ＰＣＭ的最佳选择以及最佳的水温参数和流量有待进一步研究。
4 结 论
实验结果表明,与传统单一相变材料的圆柱型储热单元相比,由ＨＲ 35、月桂酸和ＨＲ 50组合的相变材料储热换热器的储热速率有了一定提高。选择适合的相变材料组合,对太阳能供暖系统优化和安全设计及运行具有较大的意义。
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