鋁硅合金相變儲熱裝置保溫結構實驗研究

程子杰，陳觀生，劉良德，毛凌波，羅超鴻，許佳孟，謝 鵬，金 露，譙 耕

（1.廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006；2.全球能源互聯(lián)網歐洲研究院，柏林 10623，德國）

由于不可再生能源的逐漸枯竭與全球變暖的加劇，迫使當前趨勢轉向可再生能源的開發(fā)與利用[1]，而相變儲熱技術是利用可再生能源熱能的最有效的儲熱方式之一[2]。相變儲熱是利用材料相變過程吸收大量潛熱實現在溫度幾乎不變的情況下進行熱能儲存，具有輸出溫度與能量穩(wěn)定并且儲熱密度大的優(yōu)點[3]。相變儲熱應用廣泛，如清潔供暖、光熱電站儲熱、可再生能源消納、電網調峰及余熱回收等[4-9]。相變材料主要有無機鹽、有機物、金屬及其合金等，而中高溫領域研究及應用較多的是無機類中的高溫熔鹽和金屬合金。由于熔鹽的儲熱密度較低，所以目前金屬合金成為人們關注的焦點，尤其是鋁硅合金，具有導熱系數大(100～198 W/(m·K))、儲熱密度高(潛熱達400～500 kJ/kg)以及工作溫度高且穩(wěn)定的特點，其已較好地應用在光熱電站高溫儲熱等領域[10-11]。

保溫材料及其結構直接影響儲熱裝置的儲熱性能。保溫材料類型主要可分為無機及有機保溫材料兩類；結構類型主要有多孔發(fā)泡、真空隔熱及充氣板等。無機保溫材料有巖棉、礦物棉、玻璃棉以及硅酸鋁棉等[12]；有機保溫材料包括聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬質泡沫塑料[13]等，這些保溫材料高溫下導熱系數增長較快，限制了其在中高溫隔熱領域的應用，于是近年來人們將目光投向氣凝膠的研究。對氣凝膠的研究主要集中在氧化物氣凝膠(SiO2、Al2O3、ZrO2等)，炭氣凝膠、碳氣凝膠(SiC、C/SiC等)[14-16]三大類。由于氣凝膠孔隙率高達90%以上，內部氣孔直徑為納米級，減少空氣對流使其具有極佳的隔熱性能[17]，因此常被用于高溫鍋爐、航空航天等高溫領域。為了提高氣凝膠的隔熱性能以及適用性，LATIFI等[18]提出了二氧化硅氣凝膠與纖維復合而成的氣凝膠氈，其具有較好柔韌性及疏水性；而最近ZHANG等[19]提出的聚對苯二甲酰/對苯二胺/聚乙二醇復合氣凝膠不僅很好地降低了導熱，而且利用有機復合材料削弱了輻射換熱，在500 ℃時依然具有優(yōu)越的隔熱性能。

本文中相變材料采用高潛熱、良好導熱性以及優(yōu)越熱穩(wěn)定性的質量分數為12%的鋁硅合金。目前對儲熱裝置的保溫措施一般是直接鋪設保溫材料，如火電廠、蒸汽管道等鋪設較厚的玻璃棉、巖棉等，給設備布置帶來困難。為了讓儲熱裝置在保持較好保溫性能的同時減小保溫材料的厚度，保溫材料的導熱系數越小越好。由于目前針對金屬相變儲熱裝置的保溫性能研究較少，本文利用目前市面上易購買的玻璃棉[20]、氣凝膠[17](600 ℃下導熱系數分別為0.194，0.05 W/(m·K))，提出4種不同保溫結構，即玻璃棉、氣凝膠氈、YUBIGRUND?復合氣凝膠絕熱氈以及真空夾層YUBIGRUND?復合氣凝膠，并對這4種保溫結構進行充熱、取熱及保溫實驗，進行綜合保溫性能對比，確定最優(yōu)保溫結構，為鋁硅合金相變儲熱裝置的推廣應用提供借鑒。

1 實驗裝置及其測試系統(tǒng)

1.1 鋁硅合金相變儲熱裝置

如圖1所示，本文測試的鋁硅合金相變儲熱裝置主要由相變材料、電加熱棒、U型換熱管、銅質強化換熱管、儲熱體、保溫層、儲熱體外殼構成。儲熱體與外殼是由316不銹鋼制成的兩個圓桶，其直徑和長度分別為Φ200 mm×280 mm和Φ320 mm×490 mm，其厚度分別為4，2 mm。U型換熱管空氣進出口段直徑45 mm，中心距115 mm，厚度2 mm。銅質強化換熱管由直徑和長度為Φ10 mm×300 mm的脫氧銅管加工而成，其管壁厚度為1 mm，其功能為通過加大換熱面積來強化換熱。真空夾層寬度10 mm，夾層內絕對氣壓為695 Pa。

圖1 金屬相變儲熱裝置結構圖Fig.1 Structural diagram of the metal phase transition heat

兩根1 kW的電加熱棒埋入相變材料中，相變材料為質量分數12%的鋁硅合金，其物性參數見表1。儲熱體內殼中充裝18.9 kg的鋁硅合金溶液，且液面距離內殼封蓋的內壁20 mm。保溫層側面厚度60 mm，底部厚度80 mm，頂部厚度130 mm。該裝置蓄熱時通過電加熱棒將電能轉化為熱能儲存在相變材料中，取熱時作為換熱介質的空氣通過U型換熱管與儲熱體換熱，由此完成整個裝置的蓄熱與取熱。

表1 鋁硅合金的物性參數表Table 1 Parameters of aluminum-silicon alloy

1.2 實驗測試系統(tǒng)

為研究在使用4種不同保溫結構的條件下該儲熱裝置的保溫性能，搭建如圖2的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)主要包括儲熱裝置、風機、電動調節(jié)閥、渦街流量計及數據采集系統(tǒng)等測試器材。渦街流量計測量出口流量Qout。為使流量測試精確須在渦街流量計前布置1.5 m長直管道。通過變頻器與閥門實現出風溫度與取熱功率的平衡。

圖2 實驗裝置測試系統(tǒng)圖Fig.2 Test system diagram of the experimental device

儲熱裝置測試的熱電偶分布如圖2所示，在儲熱體內布置2支K型熱電偶tpc,1、tpc,2，分別測相變材料不同區(qū)域溫度；儲熱體外2支T型熱電偶ttop、ts分別測量外殼側面、頂部溫度；熱電偶tin、tout測試進風溫度、出風溫度。

1.3 實驗方法與步驟

本實驗地點在廣州，測試時間在2020年10月到2021年3月之間，每次測試時環(huán)境溫度(28±2) ℃。對采用4種不同保溫結構的儲熱裝置分別測試其保溫性能，其保溫方案詳見表2。整個保溫性能測試的實驗過程分為3個階段：充熱階段、取熱階段、保溫階段。因為儲熱體內殼為316不銹鋼，其熱阻遠小于保溫材料，可以認為儲熱體溫度近似等于相變材料的平均溫度t。

表2 保溫方案Table 2 Insulation scheme

充熱、取熱階段實驗：由于鋁硅合金超過620 ℃時較容易引起熱腐蝕[21]，若因腐蝕穿孔引起鋁硅合金溶液漏出儲熱體外殼將造成嚴重事故，所以設定儲熱裝置儲熱區(qū)間為100～600 ℃。設定充熱功率為2 kW，充熱完畢后立即開始取熱功率為2 kW的取熱實驗，這樣完整的充、取熱過程為一個工作周期，重復上述實驗10次。

保溫階段實驗：進行100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600 ℃共11組保溫實驗，將補熱量除以保溫時間就得出11個不同溫度點處耗散功率，以上每組實驗各重復10次。

信息技術教育教學應用意識不夠強 很多青年教師沒有切實地把信息技術運用到實際教學環(huán)境中，沒有引導學生主動利用信息技術工具進行學習[2]，是因為他們參加信息技術教育應用培訓較少，對于信息技術認識不足，從而導致教學應用意識不強。

2 保溫性能數據分析

一個工作周期的理論儲熱效率可表達為

式中：Qc為充熱過程中總充熱量，kW·h；Qs為儲能材料蓄熱量，kW·h。

儲能材料蓄熱量可表達為

式中：m為儲能材料質量，kg；t0、tf及tsf為起始加熱溫度、停止加熱溫度及相變溫度，℃；Cs、C1為儲能材料固相比熱容、液相比熱容，kJ/(kg·℃)；r儲能材料相變潛熱，kJ/kg。

一個工作周期的實驗測得儲熱效率可表達為

式中：Qc為充熱過程中總充熱量即測得的充電量，kW·h；Qr為取熱量，kW·h。

取熱階段實驗所測的取熱量依據公式為

式中：Qr為取熱量，kW·h；qr為單位時間內空氣流量，m3/h；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；tin、tout為U型管進、出風溫度，℃；τ0、τ1為取熱起始、終止時間。

3 實驗結果及其分析

3.1 600 ℃保溫結果分析

圖3 保溫過程中外殼溫度與耗散功率的變化Fig.3 Insulation process enclosure temperature and dissipation power changes

3.2 各溫度點下保溫耗散功率結果及分析

分別在采用4種不同保溫方案情況下進行11個溫度點的保溫實驗，其耗散功率隨儲熱體溫度的變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出，方案D的耗散功率明顯低于其他方案，保溫效果顯著。在低溫情況下，4種保溫方案之間的耗散功率差異較小，但這差異隨著儲熱體溫度升高而不斷增大。究其原因，一方面是在200 ℃以下時，4種保溫材料的導熱系數差異和換熱動力溫差較小，導致耗散功率差異不明顯；另一方面是雖然保溫材料的導熱系數會隨著保溫溫度的升高而不斷增大，但是不同保溫材料的導熱系數增長幅度亦有不同。實驗表明，在100 ℃時，4種保溫方案的耗散功率差異較小，方案A為42.1 W，方案D為24.6 W，相差17.5 W；而在儲熱體溫度達到600 ℃時，耗散功率差值高達438 W，其中，方案A為589 W，方案D為151 W。

圖4 儲熱體溫度對耗散功率的影響Fig.4 Effect of heat storage temperature on the thermal insulation effect

3.3 儲熱效率結果及分析

儲熱效率定義為儲熱裝置一個工作周期內取熱量與充熱量之比。利用式(3)、(4)測得取熱量并求出儲熱效率記為實驗測得值ηtest，利用式(1)、(2)算出儲熱效率記為理論計算值ηtheory，并作圖5進行對比分析。4種保溫方案的理論值分別為0.68，0.89，0.91及0.97，實測值分別為0.64，0.85，0.88及0.94，實測值略低于理論值，分別相差0.04，0.04，0.03及0.03。從上述數據可以知道方案D保溫效果最好，其一個工作周期取熱效率最高，方案B、C次之，方案A最差。

圖5 保溫結構對儲熱效率的影響Fig.5 Influence of thermal insulation structure on heat storage

4 結語

本文對采用4種不同保溫結構的儲熱裝置進行保溫性能的實驗研究，對解決高溫相變儲熱裝置保溫問題提供了保溫效果最優(yōu)的方案即真空夾層加復合氣凝膠。詳細如下：

(1) 采用方案A即玻璃棉時，保溫效果不佳，其外殼溫度最高為91.5 ℃，耗散功率最高為589 W，儲熱效率為0.64。

(2) 采用方案B即氣凝膠氈時，保溫效果較方案A有顯著的提高，其外殼溫度最高為54.5 ℃，耗散功率最高為364 W，儲熱效率為0.85。

(3) 采用方案C即YUBIGRUND?復合氣凝膠時，保溫效果較方案B稍好，外殼溫度最高為51.0 ℃，耗散功率最高為325 W，儲熱效率為0.88。

(4) 采用方案D即YUBIGRUND?復合氣凝膠真空夾層時，較其他3種方案保溫效果大幅提升，外殼溫度最高僅為41.2 ℃，耗散功率最高為151 W，儲熱效率達到0.94。

(5) 方案D保溫性能遠勝于其他3種方案，尤其是在高溫隔熱領域效果顯著，可以大大緩解鋁硅合金相變儲能裝置熱量損失的問題，可以優(yōu)先選用，但該方案也存在真空夾層加工工藝復雜及成本較高的問題；方案C的綜合性能最為接近方案D，同時其結構及加工工藝較為簡單，可以作為備選方案。