Mg－Cu－Zn相變儲熱材料充放熱特性研究

程曉敏，陶冰梅，萬清舟，李 翠，李元元

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

20世紀(jì)90年代以來，美國歐盟先后制定了“太陽能熱發(fā)電計劃”，以推動其商業(yè)化進(jìn)程［1－2］。我國也非常注重太陽能的合理利用，在《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中就提到啟動大型光熱電站等多元化的太陽能發(fā)電市場。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有較好的連續(xù)性和穩(wěn)定性［3］，中高溫相變蓄熱系統(tǒng)充放熱時溫度基本不變，且具有相變潛熱大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點［4］。

國內(nèi)外在中高溫相變蓄熱裝置和儲熱技術(shù)方面進(jìn)行了一些研究［5－11］，崔海亭、邢玉明等建立了單管相變蓄熱模型，對熔鹽高溫相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算和實驗研究，通過對相變材料相變過程的分析，提出儲熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和最佳參數(shù)選擇［12－13］。CAO、康艷兵等研究了同心套管的相變儲熱裝置，用數(shù)值模擬和分析解法求解相變傳熱問題［14－15］。SHABGAR等對高溫相變材料傳熱流體之間置入多個熱管后的熔化凝固性能進(jìn)行了數(shù)值計算分析，提高蓄熱裝置熱性能［16］，但對中高溫合金相變蓄熱系統(tǒng)的研究甚少。

筆者在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合前期工作搭建了中高溫蓄熱系統(tǒng)實驗臺［17］，采用Mg－Cu－Zn合金作為相變儲熱材料(PCM)，空氣作為傳熱介質(zhì)(HTF)，對套管式相變蓄熱裝置的充放熱性能進(jìn)行了數(shù)值分析和實驗驗證，并對該蓄熱裝置換熱效率進(jìn)行了評判。該套管式蓄熱系統(tǒng)具有獨立儲存和釋放熱量雙重功能、換熱速率快、蓄熱量大等優(yōu)點，可優(yōu)化間斷性太陽能在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實驗系統(tǒng)和實驗方法

1．1 蓄熱性能評價系統(tǒng)

中高溫儲熱系統(tǒng)的實驗原理圖如圖1所示，儲熱系統(tǒng)主要由儲氣罐、空氣干燥過濾器、空氣預(yù)熱器、加熱器、電控流量調(diào)節(jié)閥、流量指示器、熱電偶、蓄熱裝置、冷凝裝置和計算機組成。其中蓄熱裝置為智能型電爐控制柜控制的非標(biāo)箱式電阻爐，外觀為箱體結(jié)構(gòu)，主要由換熱管道、儲熱材料、保溫材料和箱體等構(gòu)成。

圖1 高溫儲熱系統(tǒng)的原理圖

蓄熱裝置的外觀尺寸為1 100×580×130 mm，換熱管道為均勻分布的3根套管，外管尺寸為φ89×1 430 mm，內(nèi)管尺寸為φ42×1 000 mm，內(nèi)管和外管的鋼管材質(zhì)均為Cr25Ni20。內(nèi)管填充Mg－Cu－Zn合金相變儲熱材料，合金成分:wMg為62．35%，wCu為25%，wZn為12．14%，其余部分為雜質(zhì)，其熱物性參數(shù)如表1所示。外管內(nèi)傳輸傳熱介質(zhì)為空氣，空氣與內(nèi)管外壁進(jìn)行對流換熱，儲熱材料與內(nèi)管內(nèi)壁之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)換熱。在裝置內(nèi)部安裝多個熱電偶(F、E、G位于PCM中點、J位于出口處)，測量蓄熱材料和傳熱介質(zhì)換熱過程中的溫度，由計算機自動采集數(shù)據(jù)，如儲熱和放熱兩個過程中記錄的壓力、流量、時間和溫度等數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)整理并計算，從而對蓄熱系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價。

表1 Mg－Cu－Zn的熱物性參數(shù)

1．2 實驗方法

放熱試驗時，將非標(biāo)箱式電阻爐設(shè)定溫度調(diào)整為600℃±20℃，開始對蓄熱裝置進(jìn)行加熱。當(dāng)裝置內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，停止加熱，打開空氣壓縮機閥門，調(diào)節(jié)空氣流量，向蓄熱裝置內(nèi)送入空氣。選取HTF入口溫度為室溫，流量為105 L/min、125 L/min、145 L/min，PCM初始溫度為500℃進(jìn)行3組試驗。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2．1 數(shù)學(xué)模型

選取單根套管進(jìn)行蓄熱/放熱模擬研究，蓄熱套管物理模型如圖2所示，由于空氣在套管式換熱器中與儲熱材料發(fā)生熱交換后氣體溫度會發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體的相關(guān)物性參數(shù)改變，以現(xiàn)有計算技術(shù)難以精確模擬實際情況，需在誤差允許范圍內(nèi)提出如下假設(shè):①相變材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，不隨溫度發(fā)生變化，各向同性;②傳熱介質(zhì)在管內(nèi)流動只考慮軸向流動;③儲熱介質(zhì)中熱量傳遞以熱傳導(dǎo)為主，忽略液態(tài)蓄熱單元內(nèi)部的自然對流;④相變材料充滿儲熱材料管道的內(nèi)部;⑤儲熱室內(nèi)的保溫性能良好，不考慮換熱過程中流體通過套管與裝置外壁面發(fā)生導(dǎo)熱而造成的熱損失。

圖2 蓄熱套管的物理模型

根據(jù)Fluent中Solidification/Melting的基本理論，并采用以上假設(shè)，蓄熱單元數(shù)學(xué)模型可以簡化。用焓的形式來表示導(dǎo)熱控制能量守恒方程:

其中:

式中:ρ為密度;H為比焓;λ為導(dǎo)熱系數(shù);href為基準(zhǔn)焓;h為顯熱比焓;△H為潛熱比焓;Tref為基準(zhǔn)溫度;cp為定壓熱容;L為PCM相變潛熱;β為液相率，在［0，1］之間變化;Tsolidus為PCM固相線溫度;Tliquidus為PCM液相線溫度。

2．2 邊界條件和初始條件

傳熱介質(zhì)與裝有PCM的套管換熱面為耦合邊界，滿足以下3個條件:

(1)溫度連續(xù):

(2)熱流密度:

(3)耦合邊界符合第三類邊界條件:

式中:T為溫度;k為換熱系數(shù);下標(biāo)w、f、p表示壁面、HTF和PCM。

由于儲熱套管外管上下兩個表面是絕熱的，因此邊界條件為:

式中，R為儲熱套管外徑。

在沒有熱量輸入或輸出時，傳熱介質(zhì)區(qū)域與蓄熱材料溫度自動會達(dá)到平衡，因此兩區(qū)域初始溫度相等。初始條件為:

3 實驗結(jié)果與分析

3．1 合金儲熱性能

相變溫度和相變潛熱是相變儲熱材料最重要的熱物性能參數(shù)，分別決定了材料的釋熱溫度和儲熱能力。該實驗采用功率補償型差示掃描量熱儀來測量Mg－Cu－Zn共晶合金的相變溫度和相變潛熱，測試結(jié)果如圖3所示，吸熱相變溫度為452．9～463．0℃，峰值為458．1℃，此時共晶合金開始融化。吸熱相變焓為176．7 J/g，放熱相變起始溫度為440．8℃，放熱焓變值為153．0 J/g。

分析可知，金屬材料中含有大量的自由電子，試樣加熱升溫時，點陣質(zhì)點的振動加劇，且體積膨脹對外做功促使試樣的相變潛熱增加。

圖3 Mg－Cu－Zn合金的DSC曲線

3．2 HTF流量的影響

HTF不同流量下F點溫度隨時間變化的計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比如圖4所示，計算值與實驗值吻合較好，計算值稍低于實測值，誤差最大僅為6%。

在換熱過程中，流量越大，儲熱材料降溫速率越快。流量對相變材料放熱過程影響大，其主要原因是:當(dāng)空氣流量為145 L/min，進(jìn)口溫度為20℃時，根據(jù)公式計算出Pr=0．7，Re=1 567，是流量為105 L/min時HTF雷諾數(shù)的1．4倍，對流換熱系數(shù)較大，換熱能力增強;在潛熱放熱階段，儲熱材料固液相界面漸離內(nèi)管壁面，換熱熱阻逐漸增大，而增大流量使固液相變界面移動速度加快，因此放熱速度加快。

3．3 PCM液相率的變化

在對蓄熱裝置放熱過程的考察和研究中，一般采用可衡量相變速度的PCM液相率來評價蓄熱材料的性能。HTF不同流量下PCM液相率隨時間的變化關(guān)系圖如圖5所示。HTF流量為105 L/min時，要經(jīng)過較長的時間PCM才能完全凝固;當(dāng)HTF流量增加時，PCM凝固所需要的時間減少，當(dāng)流量為145 L/min時，PCM完全凝固僅需75 min。在實際應(yīng)用的規(guī)定時間內(nèi)，增大HTF流量可以加快放熱過程，促使蓄熱裝置熱量迅速釋放從而減少能源浪費。

圖4 不同流量下F點溫度隨時間的變化

圖5 不同流量下PCM液相率隨時間的變化

3．4 HTF出口溫度的變化

在HTF不同流量下進(jìn)行放熱試驗，J點空氣出口溫度與時間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，在開始通入空氣時，空氣與儲熱材料的溫差最大，換熱最快，空氣出口溫度達(dá)到最高;隨著放熱的進(jìn)行，儲熱材料與空氣的溫差減小，空氣出口溫度逐漸降低，在儲熱材料凝固的3個階段，出口溫度呈現(xiàn)陡降－平臺－緩降的變化趨勢。出現(xiàn)平臺的原因是PCM處于相變換熱階段，PCM溫差變化幅度很小，出口溫度穩(wěn)定?？諝獬隹跍囟扰c空氣流量有關(guān)，空氣的流量越小，對流換熱系數(shù)越小，出口溫度越高。

圖6 不同流量下HTF出口溫度隨時間的變化

3．5 PCM蓄熱量和放熱效率的計算

PCM的蓄熱量和蓄熱裝置放熱效率可由式(11)～式(13)計算求得:

式中:Qa和Qr分別為PCM放熱量和HTF吸熱量;ΔTi為第i根套管PCM開始結(jié)束溫差;P為HTF流量;Ti和To為HTF入口和出口溫度;t為時間。

由圖7可知，HTF入口溫度一定時，增大流量可提高儲熱材料的放熱量，在潛熱放熱階段總放熱量顯著增大。由表2可知，隨著流量增大，蓄熱系統(tǒng)換熱效率卻變差，這主要是由于PCM放熱量不僅與HTF流量有關(guān)，還與其進(jìn)出口溫差有關(guān)。當(dāng)流量為145 L/min時，放熱效率僅為58%，如果再加大流量就不能滿足高效換熱的要求。

圖7 不同流量下PCM放熱量隨時間的變化

表2 蓄熱裝置的放熱效率

4 結(jié)論

(1)Mg－Cu－Zn合金的充放熱性能符合儲熱室溫度要求，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，最大誤差僅為6%，驗證了模型的可靠性和合理性。

(2)傳熱介質(zhì)不同流量的變化對充放熱過程有顯著影響，增大傳熱介質(zhì)流量，換熱量增加，但放熱效率降低，因而應(yīng)該合理選擇空氣流量。

(3)Mg－Cu－Zn合金在釋放潛熱時，空氣的溫度基本保持恒定。采用放熱效率來衡量蓄熱裝置的充放熱性能，有利于確定最佳工藝參數(shù)并優(yōu)化蓄熱系統(tǒng)設(shè)計。

［1］RANNELS J．The DOE office solar energy technologies'vision for advanced solar energy technologies in the new millennium［J］．Solar Energy，2000，69(5):363－368．

［2］TRIEB F．Competitive solar thermal power stations until 2010:the challenge of market introduction［J］．Renewable Energy，2000，19(2):163－171．

［3］宋鴻杰，李亞奇，李亞鵬，等．高溫相變蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．應(yīng)用能源技術(shù)，2012(8):36－41．

［4］CHENG X M，YAO L，LI Y Y．Research on the charge and discharge characteristics of heat storage casing based on air collector［C］∥Conference on China Technological Development of Renewable Energy Source．USA:Scientific Research Publishing，2010:424－433．

［5］AGYENIM F，EAMES P，SMYTH M．Heat transfer enhancement in medium temperature thermal energy storage system using a multitube heat transfer array［J］．Renewable Energy，2010，35(1):198－207．

［6］SAMAN W，BRUNO F，HALAWA E．Thermal performance of PCM thermal storage unit for a roof integrated solar heating system［J］．Solar Energy，2005，74(3):341－349．

［7］HOSHI A，MILLS D R，BITTAR A，et al．Screening of high melting point phase change materials(PCM)in solar thermal concentrating technology based on CLFR［J］．Solar Energy，2005，74(5):332－339．

［8］FRANCIS A，NEIL H，PHILIP E，et al．A review of materials，heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010(14):615－628．

［9］BELEN Z，JOSE M M，LUISA F C，et al．Review on thermal energy storage with phase change:materials，heat transfer analysis and applications［J］．Applied Thermal Engineering，2008(23):251－283．

［10］楊啟容，孫澤權(quán)，張金翠．內(nèi)通流體套管式潛熱蓄熱器充放熱過程的實驗分析［J］．能源工程，2003(5):45－49．

［11］牛福新，倪龍，姚楊，等．三套管蓄能換熱器的蓄熱特性研究［J］．湖南大學(xué)學(xué)報，2011，38(7):69－72．

［12］崔海亭，袁修干，邢玉明，等．高溫相變蓄熱容器的優(yōu)化設(shè)計及參數(shù)分析［J］．太陽能學(xué)報，2003，24(4):513－516．

［13］邢玉明，許昕，袁修干，等．高溫相變單元管蓄熱過程數(shù)值模擬［J］．航空動力學(xué)報，2002，17(2):231－235．

［14］CAO Y，F(xiàn)AGHRI A．A study of thermal energy storage systems with conjugate turbulent forced convection［J］．Journal of Heat Transfer，1992(114):1019－1028．

［15］康艷兵，張寅平，朱穎秋，等．相變蓄熱同心套管傳熱模型和性能分析［J］．太陽能學(xué)報，1999，20(1):20－25．

［16］SHABGAR D H，BERGMAN T L，SHARIFI N，et al．High temperature latent thermal energy storage using heat pipes［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2010(53):2979－2988．

［17］程曉敏，張元杰．基于Al－Si－Cu－Mg－Zn合金的套管式儲熱系統(tǒng)設(shè)計［J］．中國水運，2009，9(12):108－111．