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新型相变材料换热器热能储存与释放特性点击：1907 日期：[ 2014-04-26 22:54:59 ] |
| 新型相变材料换热器热能储存与释放特性 朱孝钦1,杨玉芬1,李淑兰1,陆建生2,孙加林2,N.Ben-Abdallah3(昆明理工大学1.化学工程学院,云南昆明 650224;2.材料与冶金工程学院,云南昆明 650093; 3.FacultyofEngineering,DalhousieUniversity,HalifaxB3J2X4,NovaScotia,Canada)摘要:研究了一种新型相变材料换热器,在其进出口的相应温度测试点布置铜镍合金热电偶,然后分别以不同的流 速通入温度各为40℃、16—17℃的热、冷空气流,利用温度测试系统连续测出各测点的温度值。理论分析和实验 研究结果验证了该换热器具有良好的热能储存与释放特性:当气流的质量流速分别为0.132,0.096kg/s时,若相 变材料的平均初始温度为17.4,17.7℃时,经过910,1030min后该换热器热能储存量各为21056.67, 21014.34kJ;在放热过程中,该换热器出口的气流温度维持在20℃以上的时间各为594,717min。它可用于温室、 暖房、空调或工业生产中各种低温热能的回收和利用。关键词:相变材料;CaCl2·6H2O;换热器;热能储存;热能释放;能源回收中图分类号:TQ051.5;TK02 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2008)09-0023-05物质相变过程是一个等温或近似等温过程,相 变过程中通常伴随有能量的吸收或释放。相变储能 技术则是利用相变材料在其物相变化过程中,可以 从环境吸收热(冷)量或向环境释放热(冷)量,从而达到能量的储存或释放的目的,它是提高能源利用 效率和保护环境的重要技术[1—2],已在太阳能热利 用、电力的“移峰填谷”、余热或废热的回收利用以 及工业与民用建筑和空调的节能等领域得到了广泛的应用,目前已成为世界范围内的研究热点。 在过程工业生产过程中,特别是化学工业生产或 其他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,为了使这些不稳定的热能得 以回收和利用,就可以应用相变储能技术加以解决, 首先利用相变材料将这些热能储存起来,必要时再将 储存的能量释放出去,这样既可以降低工业企业的能 耗,又可以减少由一次能源转化为二次能源时产生的 各种有害物质对环境的污染[5]。因此,本文对新型相 变材料换热器的热能储存与释放特性进行了研究,以 便为其工业应用提供一定的依据和指导。1 新型相变材料换热器的结构本研究的新型相变材料换热器,其主体为管壳式 换热器结构,但壳体为矩形,内装有7排管子且每排由 7根管子组成,整个换热器的所有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,每个换热管内充填了2kg的相变材料 (CaCl2·6H2O);为了使换热管内的相变材料能与流体 充分接触,每排管子采用错位排列,其基本参数见表1。2 新型相变材料换热器热能储存、释放过程的理论 分析2.1 新型相变材料换热器热能储存过程及储存量 的理论分析在新型相变材料换热器中,设质量流速为qm的 热气流在换热器的进出口处温度分别为θa,i,θa,o, 热气流流过换热器后使位于第j排换热管内的相变 材料(CaCl2·6H2O)由初始温度θj,i上升到最终温 度θj,o。为了便于分析和计算,特做如下假定:①相 变材料的相变温度θm为固定值,且位于两温度值 θj,i和θj,o之间;②每个换热管内充填的相变材料所 有物理性能是不变的和相等的;③每一排各管子内 充填的相变材料的温度是相同的;④由于所有换热 管壁很薄,其所储存的热量忽略不计。基于以上假 设条件,可以得到具有n排换热管的整个换热器的 热能储存量为:3 新型相变材料换热器热能储存与释放特性的实 验测试为了检验这种新型相变材料换热器热能储存与 释放的特性和效能,首先对相变材料(CaCl2· 6H2O)和空气的各种热物理性能进行了测试,其实 测结果列于表2。然后,分别在该换热器进出口处 的相应温度测试点布置铜镍合金热电偶,并将它们 连接到CampbellScientific数据记录仪和装有Camp- bellScientific′sPC200W软件的计算机上,热能储存、释放过程的测试系统分别如图1,2所示,其图中 所画的箭头方向即为空气流的流程。整个测试的实 验程序为:①以不同的流速连续通入温度为40℃的 热空气流,通过实验测试系统连续测出各测点热电 偶的温度值,所得的实验数据经整理后分别绘于图 3,4(图中I,O分别表示在该换热器进出口测得的 数据),使位于换热器出口的换热管中心位置相变 材料温度达到39.5℃时整个热能储存过程所用的 时间列于表3。②对于已进行过热能储存的该换热 器,以不同流速连续通入温度为16—17℃的室外冷 空气流,通过测试系统连续测出各测点热电偶的温 度值,所得的实验数据经整理后分别绘于图5,6(图 中I,O分别表示在该换热器进出口测得的数据), 使位于换热器出口的换热管中心位置气流温度达到 18℃时整个热能释放过程所用的时间列于表4。4 实验结果分析与讨论4.1 新型相变材料换热器热能储存过程及储存量 的分析从图3和图4可以看出,由于换热管内的相变 材料(CaCl2·6H2O)初始温度均低于其相变温度, 整个热能储存过程及储存量可以分析和总结如下: ①无论气流速度为多少,在通入温度为40℃的热空 气流后,该换热器管内的相变材料的温度均随时间 的增加而提高,当管内相变材料的温度被加热至其 相变温度(约为26℃)时,管内的相变材料要发生 相变吸收大量的热能而储热,当换热管内的相变材 料全部转化为液相后还可以继续吸收热量而升温, 说明该换热器的热能储存量由显热和潜热2部分组 成,根据实测结果得出潜热部分所占的热能储存量 比例已近似达到80%。②由于本研究的新型相变 材料换热器内装有7排管子且每排由7根管子组 成,当热空气的质量流速分别为0.132,0.096kg/s 时,相变材料的平均初始温度分别为17.4, 17.7℃,根据理论计算公式以及表2所列的相变材 料(CaCl2·6H2O)的各种热物理性能,可以算出该 相变材料换热器热能储存量分别为21056.67, 21014.34kJ。4.2 提高新型相变材料换热器热能储存效果及储 存量的措施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,因此,根据前面的理论分析可知, 要提高相变材料换热器热能储存效果和强化相变材 料换热器的热能储存性能,可以采取3种措施:①尽 可能增加热气流的流速;②提高热气流的初始温度;③延长热气流流过换热器的时间。 根据实测结果(表3),当通入该换热器热空气 流温度维持不变时,气流的流速越大,气流至管内 相变材料的热传递速率越大,整个加热周期所需 时间也越短。因此,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,所以,第1种措施在实际工程 应用中应重点考虑。第2种措施———提高热气流 的初始温度,由于实际工程中流体的温度主要取 决于工况,大多数情况下都是确定的,因此,实际 工程应用中是难以实现的。第3种措施———延长 热气流流过换热器的时间,这种作法实际也是不 可取的,因为表面上好象使相变材料换热器热能 储存量有所增加,但却增加了能耗且降低了该换 热器热能储存的效率。由于相变材料换热器的热 能储存量由显热和潜热2部分组成,并且潜热部 分所占的热能储存量比例已近似达到80%,所以, 为了提高其热能储存效率,其最佳时间就是当换 热器出口处换热管内相变材料完成了整个相变过 程的热能储存对应的时间。例如,根据图3和图4 可知,该分布曲线是由第1段曲线、中间近似水平 直线和第2段曲线所组成,显然,该分布曲线的中 间近似水平直线和第2段曲线的交点应为最佳时 间点,即当热空气的质量流速分别为0.132, 0.096kg/s时,该相变材料换热器热能储存过程所 用的最佳时间分别为540,643min。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。4.3 新型相变材料换热器热能释放过程的分析 从图5和图6可以看出,已有热能储存量Q 的相变材料换热器,其换热管内相变材料(CaCl2· 6H2O)的初始温度接近于40℃,随着温度为 16—17℃的冷空气流连续通入,整个热能释放过 程可以分析和总结如下:①无论气流速度为多少, 该换热器各测点在放热过程中的温度变化规律 为:换热器进出口处管内外的温度起初都是急剧 下降的,其温度变化曲线为陡降的;当温度下降至 其相变温度(约为26℃)时,由于管内的相变材料 发生相变而释放相变潜热,其温度变化曲线在一 定时间内近似为水平直线;只有当所有换热管内 的相变潜热全部释放后,管内相变材料和换热器出口气流的温度又会随时间的增加而逐步下降。 ②该换热器换热管内的相变材料在降温过程中会 发生相变,由于其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。 例如,当温度为16—17℃的冷气流的流速分别为 0.132,0.096kg/s时,本实验的相变材料换热器 出口的气流温度维持在20℃以上的时间各为 594,717min。③根据前面的理论分析以及实测结 果(表4),若该换热器热能储存量Q为一定时,当 通入该换热器冷空气流温度维持不变时,气流的 流速越大,管内相变材料的放热速率越大,维持该 换热器出口气流温度不变的时间也就越短。因 此,气流的流速是一个重要参数,为了使相变材料 换热器出口的气流温度在同样的条件下尽可能保 持时间长一些,最佳的途径就是尽量降低流过该 换热器冷气流的流速。5 结论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,它具有较好的应用前景,主要适用于温室、 暖房、空调或工业生产中各种低温热能的回收和利 用,也可以应用于需要温度控制或维持一定温度条 件的相关领域中。符号说明:cp,cp,a 相变材料和气流的平均比热容,kJ/(kg·℃)hm单位相变材料质量的溶化热,kJ/kgmj 换热器第j排管内相变材料的质量,kgn 换热管的排数Q,Q′,Q″ 换热器热能储存量、热气流提供的热量和冷气流吸收的热量,kJq,q′ 热能储存、释放过程的热传递速率,kJ/sqm 气流的流速,kg/st 气流流过换热器的时间,s或minθa,i,θa,o 气流流过换热器进口、出口处的温度,℃θj,i,θj,o 位于第j排换热管内的相变材料的初始温度、热气流流过换热器后其上升的温 度,℃θm 相变材料的相变温度,℃参考文献:[1] 张东,周剑敏,吴科如.相变储能材料的相变过程温度模型[J].同济大学学报,2006,34(7):928-932.[2] 林怡辉,张正国,王世平.复合相变蓄能材料的研究进展[J].新能源,2000,22(7):35-38.[3] NALLUSAMYN,SAMPATHS,VELRAJR.Experimen- talinvestigationonacombinedsensibleandlatentheatstoragesystemintegratedwithconstant/varying(solar) heatsources[J].RenewableEnergy,2007,32(7): 1206-1227.[4] MILLSA,FARIDM,SELMANJR,eta.lThermalcon- 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