矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置放熱性能試驗(yàn)研究

牛建會 田海川 侯喜英

(河北建筑工程學(xué)院 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置放熱性能試驗(yàn)研究

牛建會 田海川 侯喜英

(河北建筑工程學(xué)院 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

設(shè)計出一套矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置，設(shè)計并搭建相變蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺，采用相變材料CH3COONa·3H2O對其進(jìn)行放熱性能試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：相同溫差下冷流體流量越大，蓄熱裝置的傳熱系數(shù)也越大，且隨放熱過程進(jìn)行下降速率也越緩慢.流量為500 L/h，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)明顯比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)高，但流量為300 L/h和100 L/h時，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)卻比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)低.

蓄熱裝置；相變放熱；傳熱系數(shù)；試驗(yàn)研究

0 引 言

根據(jù)國家能源政策，利用可再生太陽能，在實(shí)施峰谷分時電價的地區(qū)采用太陽能-輔助電加熱蓄熱供熱系統(tǒng)是一種良好的能源利用形式.在這種供熱系統(tǒng)中相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計、相變材料的蓄放熱性能對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義.

胡軍等以石蠟作為相變材料，制作了內(nèi)通流體螺旋盤管結(jié)構(gòu)的相變儲熱單元[1].楊啟容等通過建立與工業(yè)實(shí)際相似的加肋同心套管式潛熱蓄熱器模擬實(shí)驗(yàn)臺，對潛熱蓄熱器內(nèi)通流體時的充熱、放熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[2].陳穎等提出了圓柱形相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)[3].崔海亭等設(shè)計并搭建了以太陽能為熱源的圓柱形蓄熱器實(shí)驗(yàn)臺[4].本文設(shè)計出一套矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置(文中簡稱蓄熱裝置)，設(shè)計并搭建相變蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺，采用相變材料CH3COONa·3H2O對其進(jìn)行放熱性能試驗(yàn)研究.

1 蓄熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)傳熱方程式φ=KFΔt，欲強(qiáng)化蓄熱裝置的傳熱，即提高φ，則需要增大換熱面積，提高傳熱系數(shù)及冷媒與相變材料的溫差.基于此試驗(yàn)改進(jìn)了原有的套筒式相變蓄熱單元結(jié)構(gòu)，采用矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置.該蓄熱裝置的核心是6根薄壁矩形截面金屬管組成的矩形陣列，每根矩形管截面積為95 mm×45 mm，高為1000 mm，內(nèi)部封裝相變材料CH3COONa·3H2O.6根管采用304不銹鋼，呈矩形陣列布置，每相鄰兩根管間距僅為1 mm.冷流體水在6根蓄熱管間壁流過與相變材料換熱.在6根蓄熱管外側(cè)用一個長方體碳鋼外殼將其套住，同時在外殼上包有20 mm厚的橡塑海綿進(jìn)行保溫，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.這種設(shè)計使得蓄熱裝置傳熱面積高達(dá)1705650 mm2，而相同體積下的套筒蓄熱器傳熱面積僅為569753 mm2，即本裝置相比套筒蓄熱器的傳熱面積提高了3倍.

2 相變蓄熱系統(tǒng)

2.1 相變蓄熱系統(tǒng)搭建

相變蓄熱系統(tǒng)主要由三部分組成：熱源：功率為2000 W的電加熱棒為系統(tǒng)加熱，位于循環(huán)水泵出口處，作用是模擬太陽能集熱器，作為蓄熱裝置的熱源；散熱設(shè)備：風(fēng)機(jī)盤管；管網(wǎng)及動力設(shè)備：水管路和水泵，相變蓄熱系統(tǒng)如圖2所示.此系統(tǒng)通過開、關(guān)閥門可以實(shí)現(xiàn)相變材料封裝、預(yù)熱、蓄熱和放熱工況.相變蓄熱裝置放熱時①、④、⑥、⑧關(guān)閉，4、2停止運(yùn)行；②、③、⑤、⑦、⑨開啟，3、5運(yùn)行.

圖1 相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 相變蓄熱系統(tǒng)圖

2.2 相變蓄熱材料

本蓄熱裝置主要用于太陽能供熱系統(tǒng)中，經(jīng)比較選用CH3COONa·3H2O作為相變蓄熱材料，其性質(zhì)見表1.

表1 相變材料特性

2.3 相變放熱試驗(yàn)方案

將相變材料蓄熱到75 ℃和68 ℃，然后分別放熱.控制冷流體進(jìn)口溫度分別為50 ℃、40 ℃，控制冷流體流量為100 L/h、300 L/h、500 L/h，測量蓄熱裝置出口流體溫度，試驗(yàn)對比分析不同相變材料起始放熱溫度和冷流體的進(jìn)口溫度之差(即溫差為(75 ℃-50 ℃)和(68 ℃-40 ℃))及不同冷流體流量對蓄熱裝置傳熱性能的影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

相變換熱過程中，潛熱換熱占主要成分，忽略顯熱對換熱的影響，從熱平衡角度出發(fā)分析傳熱過程.由KFΔt1=mcΔt2=Q又Δt1=t-0.5(to+ti),Δt2=to-ti.其中K-換熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F-換熱器傳熱面積，m2；c-水的比熱，J/kg·℃；m-水的質(zhì)量流量，kg/s；t-相變溫度，℃；to-換熱器出口水溫，℃；ti-換熱器進(jìn)口水溫，℃；Q-換熱器換熱功率，W.

3.1 不同流量下蓄熱裝置傳熱性能

冷流體流量的變化影響了流體側(cè)的表面熱阻及換熱器總熱阻，進(jìn)而影響了整個蓄熱裝置的傳熱系數(shù)，水側(cè)流速最高，流體表面熱阻最小，相變蓄熱裝置傳熱系數(shù)最大，且隨著放熱過程進(jìn)行，傳熱系數(shù)下降的也最平緩.圖3中溫差為(75 ℃-50 ℃)，當(dāng)流量為500 L/h時，其水側(cè)流速最高，流體表面熱阻最小，相變蓄熱裝置傳熱系數(shù)最大，高達(dá)141.15 W/(m2·℃)，流量為300 L/h時，傳熱系數(shù)為95.78 W/(m2·℃).隨放熱過程進(jìn)行，其傳熱系數(shù)不斷減小.開始的20 min內(nèi)，流量為500 L/h的傳熱系數(shù)下降了79.54 W/(m2·℃)，而流量為100 L/h時的傳熱系數(shù)下降了91.07 W/(m2·℃)，只有25.45 W/(m2·℃)，而流量為300 L/h時傳熱系數(shù)僅為17.41 W/(m2·℃).當(dāng)放熱過程進(jìn)行60 min時，流量為500 L/h時的傳熱系數(shù)為37.64 W/(m2·℃).

圖3 三種流量下溫差為(75 ℃-50 ℃)時傳熱系數(shù)變化曲線 圖4 三種流量下溫差為(68 ℃-40 ℃)時傳熱系數(shù)變化曲線

圖4中溫差為(68 ℃-40 ℃)，在放熱過程進(jìn)行10 min時，流量為500 L/h時的傳熱系數(shù)為88.48 W/(m2·℃)，比流量為300 L/h時的傳熱系數(shù)高為21.65 W/(m2·℃)，而流量為100 L/h時的傳熱系數(shù)為52.53 W/(m2·℃).過程進(jìn)行40 min時，流量為500 L/h時的傳熱系數(shù)為36.39 W/(m2·℃)，流量為300 L/h時的傳熱系數(shù)為30.01 W/(m2·℃)，而流量為100 L/h時的傳熱系數(shù)為29.45 W/(m2·℃).

3.2 不同溫差下蓄熱裝置傳熱性能

不同溫差下，在過程開始階段傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)出下降速率較快，在進(jìn)行10 min后下降速率變緩.圖5中流體流量為500 L/h，在過程起始階段，溫差對換熱影響不大.在過程進(jìn)行到50 min時，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)明顯比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)大，兩者相差14.22 W/(m2·℃)，隨后兩者下降速率基本相同.

圖6中流體流量為300 L/h，整個放熱過程中溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)小，而隨放熱過程進(jìn)行，傳熱系數(shù)差值逐漸減小.在過程進(jìn)行30 min中時兩者相差21.13 W/(m2·℃)，在過程進(jìn)行50 min中時兩者相差9.47 W/(m2·℃).

圖7中流體流量為100 L/h，過程進(jìn)行到20 min時，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)低于溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)，前者比后者低13.27 W/(m2·℃)，此后的放熱過程中溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)始終低于溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)，放熱到30 min時前者比后者低9.72 W/(m2·℃)，放熱到50 min時前者比后者低10.22 W/(m2·℃).放熱到100 min時，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)為13.78 W/(m2·℃)，溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)為15.33 W/(m2·℃).

圖5 流量為500 L/h不同溫差下傳熱系數(shù)變化曲線 圖6 流量為300 L/h不同溫差下傳熱系數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

圖7 流量為100 L/h不同溫差下傳熱系數(shù)變化曲線

設(shè)計出一套矩形陣列管封裝式相變蓄熱裝置，搭建相變蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn)臺，采用相變材料CH3COONa·3H2O進(jìn)行放熱試驗(yàn)，結(jié)果表明：相同溫差下冷流體流量越大，蓄熱裝置的傳熱系數(shù)也越大，且隨放熱過程進(jìn)行下降速率也越緩慢.流量為500 L/h，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)明顯比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)高，但流量為300 L/h和100 L/h時，溫差為(75 ℃-50 ℃)的傳熱系數(shù)卻比溫差為(68 ℃-40 ℃)的傳熱系數(shù)低.

[1]胡軍,董華,周恩澤,等.螺旋盤管式相變儲熱單元儲熱性能[J].太陽能學(xué)報，2006,27(4):399～403

[2]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(shí)驗(yàn)分析[J].能源工程，2003(6):45～49

[3]陳穎,鄧先和,李筱萍,等.圓柱形相變蓄熱器放熱性能的工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002,19(2):41～45

[4]崔海亭,王振輝,郭彥書,等.圓柱形相變蓄熱器蓄/放熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報，2009,30(10):1368～1372

Experimental Study on Heat-releasing Property of Rectangular Array Tube-encapsulated Heat Storage Device

NIUJian-hui,TIANHai-chuan,HOUXi-ying

(College of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000)

A rectangular array tube-encapsulated phase change heat storage device was designed and a phase change heat storage system was built.Experiment was carried out by using CH3COONa·3h2O as heat storage material to study its heat release property.The experimental results indicated that under the same temperature difference,the greater the cold fluid flow rate is,the greater the heat transfer coefficient of the heat storage device is,and the slower the decline rate with the heat release process is.When the flow rate is 500 L/h,the heat transfer coefficient of(75 ℃-50 ℃)is higher than that of(68 ℃-40 ℃);but when the flow rate is 300 L/h and 100 L/h,the heat transfer coefficient of(75 ℃-50 ℃)is lower than that of(68 ℃-40 ℃).

heat storage device;phase-change heat release;heat-transferring coefficient;experimental study

2016-11-13

河北建筑工程學(xué)院基金項目(編號：QN201404)

牛建會(1981-)，女，碩士，講師，主要研究方向熱泵空調(diào)及節(jié)能技術(shù).

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.019

TU 833+.3

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