余熱回收的相變換熱裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行

閆全英， 馬 超， 王 威

（1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100044；2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，北京100190）

0 引 言

我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，能源利用潛力巨大。相變蓄熱技術(shù)是解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配矛盾的最有效手段。由于相變材料相變時(shí)吸收或釋放大量潛熱，且溫度恒定，相變儲(chǔ)能技術(shù)可顯著提高能源利用率，用于工業(yè)余熱回收領(lǐng)域具有廣闊的前景。

陳永平創(chuàng)建了十字分形金屬和雪花換熱器，并進(jìn)行了換熱器內(nèi)PCM融化過(guò)程的理論模型與數(shù)值研究［1］；趙文秀［2］通過(guò)搭建PCM射流破碎實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了直接接觸式蓄熱技術(shù)；張穎［3］設(shè)計(jì)了一種能在太陽(yáng)能供暖中同時(shí)蓄熱放熱的相變裝置；何志興等［4］利用Fluent軟件仿真研究了回收鍋爐煙氣的相變換熱器特性；崔潔等［5］利用ANSYS模擬軟件研究了翅片管式相變儲(chǔ)能換熱器蓄放熱性能，分析了相變材料的相變過(guò)程及傳熱規(guī)律；Guan等［6］通過(guò)Fluent軟件模擬了相變換熱器蓄熱放熱過(guò)程，并實(shí)驗(yàn)證明了相變蓄能換熱器具有更好的傳熱性能；Saydam等［7］設(shè)計(jì)并制作出螺旋盤管式相變換熱器，并研究了不同工況下的蓄熱性能；梁棟等［8］介紹了熱管、相變蓄熱等多種低溫余熱回收技術(shù)中的相變儲(chǔ)能，同時(shí)指出低溫余熱回收領(lǐng)域中相變儲(chǔ)能的作用與應(yīng)用；黃邦［9］研究了相儲(chǔ)能變換熱器的傳熱特性，總結(jié)了換熱器的蓄能過(guò)程和相變材料的相變規(guī)律；李嘉琪等［10］研制了以石蠟作為相變材料的平板熱管式相變蓄熱換熱器，分析了換熱器的蓄熱放熱過(guò)程；仝倉(cāng)等［11］通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了換熱管數(shù)量、布置方式等因素對(duì)多管式相變蓄熱器的換熱影響，并提出提高蓄熱器換熱速率的不同方式；金光等［12］針對(duì)相變材料熱導(dǎo)率低的問(wèn)題，從優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)構(gòu)和相變材料添加劑等方面綜述了相變儲(chǔ)能技術(shù)的新進(jìn)展；孟娟等［13］總結(jié)并分析了相變蓄熱傳熱機(jī)制，研究了強(qiáng)化太陽(yáng)能相變蓄熱的相關(guān)技術(shù)。Wang等［14］通過(guò)CFD模擬了一種新型復(fù)合相變材料的換熱器，研究了入口速度和入口溫度的影響。目前能有效利用間歇性余熱并轉(zhuǎn)化成連續(xù)輸出能源的相變換熱裝置的研究較少。

本文通過(guò)對(duì)比分析與具體計(jì)算，研究并設(shè)計(jì)了能用于余熱回收的套管式相變蓄熱放熱裝置及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)相變換熱技術(shù)在工業(yè)余熱回收利用方面的應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

1 相變蓄熱放熱裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

常見換熱器的類型及其特點(diǎn)如表1所示［15］。通過(guò)分析不同形式的換熱器，從安全性、穩(wěn)定性、成本等方面考慮，為了更好滿足將換熱裝置蓄放熱載體與相變材料進(jìn)行分離的需求，得到較高的傳熱性能，最終選擇套管式換熱器作為蓄熱放熱裝置的結(jié)構(gòu)形式。

表1 換熱器的不同形式及優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 相變蓄熱放熱裝置結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

裝置中所用相變材料選取20%62＃石蠟-80%硬脂酸的混合物，并按15%的比例添加石墨制復(fù)合相變材料［16］，以提高相變材料的導(dǎo)熱性能。裝置所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)位于北京建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)2號(hào)樓308室，該房間熱負(fù)荷1.1 kW，房間內(nèi)無(wú)其他供暖設(shè)備，房間熱負(fù)荷由實(shí)驗(yàn)所用相變蓄熱放熱裝置供給。相變蓄熱放熱裝置結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）裝置中相變材料的填充量G，

式中：Q為房間熱負(fù)荷，kW；T為預(yù)設(shè)蓄熱時(shí)間（s）；H為相變潛熱（kJ/kg）。

（2）填充的相變材料體積V，

式中，ρ為相變材料密度（g/cm3）。

（3）內(nèi)、外管管徑d1、d2。參考《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中套管換熱器常用內(nèi)外管管徑標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合需填充相變材料的體積和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所等因素，套管式相變換熱裝置的內(nèi)管選取φ89 mm×2 mm，外管選取φ168 mm×3 mm。換熱器內(nèi)管中運(yùn)行的蓄放熱載體為水，內(nèi)外管間運(yùn)行介質(zhì)為所設(shè)計(jì)選用的復(fù)合相變材料。

（4）單管程長(zhǎng)度L。相變蓄熱放熱裝置設(shè)計(jì)為四程管段，單管程長(zhǎng)度為

綜上，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的套管式裝置構(gòu)造及尺寸如圖1所示。大管為168 mm×3 mm、小管為89 mm×2 mm的不銹鋼管，進(jìn)出口法蘭接口為DN80，介質(zhì)A、B分別為水和相變材料。

圖1 套管式相變蓄熱放熱裝置結(jié)構(gòu)圖（mm）

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括套管式蓄熱放熱、循環(huán)水泵、熱電偶溫度計(jì)、電磁流量計(jì)、恒溫水箱、黃銅閘閥、Y形過(guò)濾器、電控箱、鋼制柱式散熱器。

2.1 熱電偶溫度計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，用于測(cè)量相變蓄熱放熱裝置入口及出口水溫，散熱器的入口及出口水溫。

測(cè)量相變蓄熱放熱裝置入口及出口水溫，用于計(jì)算裝置中相變材料的蓄熱能力；測(cè)量散熱器入口及出口水溫可計(jì)算散熱器放熱量，以綜合判斷設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的換熱能力。同時(shí)溫度測(cè)點(diǎn)可作為控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度變量，為后期的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供有效的系統(tǒng)表征。

2.2 電磁流量計(jì)

為了準(zhǔn)確地測(cè)定和調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝了兩個(gè)電磁流量計(jì)，分別安裝在恒溫水箱的出口以及散熱器的出口。系統(tǒng)運(yùn)行前需進(jìn)行流量計(jì)的矯正。

2.3 系統(tǒng)主要設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其他各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行的測(cè)定和調(diào)節(jié)，以研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的傳熱性能，系統(tǒng)中所用到的主要設(shè)備及相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 主要設(shè)備表

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)節(jié)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中恒溫水箱、套管式換熱裝置、管道等均采用橡塑保溫棉進(jìn)行保溫，以減少實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的熱量損失。恒溫水箱、熱電偶溫度計(jì)、循環(huán)水泵均利用電控箱進(jìn)行電路的總控制。

3.1 系統(tǒng)的蓄熱流程

在利用相變材料進(jìn)行蓄熱階段，開啟蓄熱流程，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行蓄熱流程時(shí)，具體操作為：整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)注滿水，將所有閥門關(guān)閉；利用電控箱打開恒溫水箱加熱開關(guān)，加熱水箱內(nèi)的水達(dá)到設(shè)定溫度，用恒溫水箱提供放熱的熱水介質(zhì)；接著打開蓄熱流程圖中的各閥門、泵等設(shè)備開始運(yùn)行。

圖2 蓄熱流程圖

熱水流量的大小通過(guò)閥門的開度來(lái)控制，利用電磁流量計(jì)讀數(shù)。管內(nèi)流體通過(guò)水泵提供動(dòng)力進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)熱水在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因其溫度高于相變材料的相變溫度，相變材料開始吸收熱量逐漸發(fā)生相變，進(jìn)行蓄熱。

每隔2 min采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)利用裝置預(yù)設(shè)的觀察口觀察相變材料的狀態(tài)，當(dāng)填充的相變材料全部熔化為液態(tài)，關(guān)閉總電源，停止實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行并不再記錄電控箱的顯示數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)的放熱流程

放熱流程如圖3所示，運(yùn)行流程如下：運(yùn)行放熱流程時(shí)，打開電控箱總開關(guān)，將放熱流程中的泵、電磁流量計(jì)、閥門等打開。此時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行的載熱介質(zhì)為散熱器中的循環(huán)水，散熱器出來(lái)的低溫回水進(jìn)入相變蓄熱放熱裝置，回水與相變材料進(jìn)行換熱，相變材料逐漸凝固放出熱量；回水在換熱裝置中吸熱升溫后，進(jìn)入散熱器把熱量放給房間，滿足房間的熱負(fù)荷要求，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 放熱流程圖

此過(guò)程中每隔2 min將電控箱顯示的散熱器入口及出口水溫進(jìn)行記錄，同時(shí)利用換熱裝置預(yù)設(shè)的觀察口觀察相變材料的狀態(tài)，當(dāng)填充的相變材料全部凝固為固態(tài)時(shí)，關(guān)閉總電源，停止實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行并不再記錄電控箱的顯示數(shù)據(jù)。

綜合蓄熱流程與放熱流程形成一個(gè)完整的蓄熱放熱周期，如此即可把間歇性余熱轉(zhuǎn)化為可以連續(xù)輸出的熱量。

3.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析

（1）實(shí)驗(yàn)工況調(diào)節(jié)。對(duì)所設(shè)計(jì)的套管式相變蓄熱放熱裝置與系統(tǒng)，可設(shè)定多種實(shí)驗(yàn)工況對(duì)相變蓄熱放熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究裝置的蓄熱性能和放熱性能以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的換熱傳熱過(guò)程的影響因素等。實(shí)驗(yàn)工況的調(diào)節(jié)有以下3種：①調(diào)節(jié)換熱裝置熱媒介質(zhì)的入口溫度。蓄熱時(shí)將系統(tǒng)流量保持一定，調(diào)節(jié)相變換熱裝置的入口水溫，但要保證水溫設(shè)置高于相變材料的相變溫度。②調(diào)節(jié)換熱裝置熱媒介質(zhì)的入口流量。入口流量的大小可通過(guò)閥門開度調(diào)節(jié)，蓄熱時(shí)保持入口溫度恒定。③調(diào)節(jié)換熱裝置的蓄熱時(shí)間。將入口流量、入口溫度保持一定，改變換熱器的蓄熱時(shí)間。

通過(guò)以上方式的調(diào)節(jié)可研究不同工況下，裝置的蓄熱量、放熱量的變化規(guī)律和相變材料蓄熱和放熱時(shí)間的相互關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差一般分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差等。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，誤差可能來(lái)源于溫度計(jì)、流量計(jì)、系統(tǒng)的熱損失和人為產(chǎn)生誤差等因素。

電磁流量計(jì)和熱電偶溫度計(jì)的精確度、準(zhǔn)確度對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差影響較大，因此在運(yùn)行系統(tǒng)前要進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作安裝與固定。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的工況也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了減少實(shí)驗(yàn)工況的影響，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水箱可用來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。另一方面，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，保證實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的穩(wěn)定和實(shí)驗(yàn)操作人員的規(guī)范性也是極其重要的。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比研究不同形式換熱器的特點(diǎn)，從成本、安全性、穩(wěn)定性、換熱性能等方面綜合考慮，并滿足熱媒介質(zhì)與相變材料在空間上分割的需求，套管式結(jié)構(gòu)作為相變蓄熱放熱裝置是可行的。

（2）根據(jù)相變材料的相變潛熱、密度、設(shè)備蓄放熱量及蓄熱放熱時(shí)間要求及占地幾方面綜合考慮設(shè)計(jì)換熱裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）用于余熱回收的相變蓄熱放熱裝置需要分開設(shè)置蓄熱流程和放熱流程，在有余熱階段，利用蓄熱流程進(jìn)行蓄熱，在無(wú)余熱階段，利用放熱流程滿足熱用戶的用熱需求。

（4）通過(guò)蓄熱流程和放熱流程完成一個(gè)完整周期的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)間歇性余熱轉(zhuǎn)換為連續(xù)熱量的輸出利用。