高溫相變膠囊梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

胡茜芮，張朝陽(yáng)，洪芳軍

（1上海交通大學(xué)中英國(guó)際低碳學(xué)院；2上海交通大學(xué)巴黎卓越工程師學(xué)院；3上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

推動(dòng)相變儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展是提高能源綜合利用效率，促進(jìn)電力系統(tǒng)改革與轉(zhuǎn)型，幫助我國(guó)進(jìn)入綠色減碳新時(shí)期的關(guān)鍵舉措之一[1]。隨著各工業(yè)領(lǐng)域的高溫儲(chǔ)熱需求不斷增加，與之相應(yīng)的高效高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究也受到了廣泛的關(guān)注。因此，高溫相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究與應(yīng)用具有不可估量的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)效益，符合我國(guó)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展部署。

梯級(jí)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)是根據(jù)換熱流體在流動(dòng)方向上的溫度變化趨勢(shì)布置具有不同熔點(diǎn)的相變材料以保持近似恒定的傳熱溫差[2]，從而使得整個(gè)傳熱過(guò)程的效率更高。由于相變材料可能存在導(dǎo)熱系數(shù)較低、具有腐蝕性、過(guò)冷度大等問(wèn)題會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的傳熱性能[3-5]，可以選擇將相變材料封裝成膠囊的形式進(jìn)行儲(chǔ)熱[6]。膠囊的表面使相變膠囊與換熱流體之間的傳熱面積大幅提高，膠囊外殼多采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料制成，從多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳熱性能的有效提高[7]。

研究人員針對(duì)各類(lèi)相變梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。Yuan等人[8]對(duì)包含三個(gè)儲(chǔ)熱單元的梯級(jí)高溫相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，相變材料選擇了三種相變溫度不同的三元碳酸鹽。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)總儲(chǔ)熱量和總放熱量比單級(jí)系統(tǒng)分別高出39.51%和35.74%。Peiró等人[9]對(duì)熔點(diǎn)在150～200 ℃的相變材料苯二酚和d-甘露醇所構(gòu)成的單級(jí)和梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明，梯級(jí)相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)相較單一相變材料結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱效率提高了19.36%，這是因?yàn)閾Q熱流體的出口溫度分布會(huì)更加均勻。馬朝等人[10]搭建了相變材料為二元碳酸鹽的高溫套管式梯級(jí)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)，測(cè)試了相變材料的熱物性參數(shù)以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱性能。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在放熱過(guò)程中相變材料存在一定的過(guò)冷現(xiàn)象。由于各處相變材料冷卻速度不同，過(guò)冷度也存在差異，為了提高系統(tǒng)放熱率應(yīng)盡可能避免過(guò)冷現(xiàn)象。同時(shí)在相變材料側(cè)設(shè)置肋片會(huì)有效均勻溫度分布，提高系統(tǒng)平均儲(chǔ)放熱速率[11]。

由于高溫相變膠囊梯級(jí)堆積床儲(chǔ)熱系統(tǒng)投入成本高，設(shè)計(jì)搭建復(fù)雜，運(yùn)行控制難度大，目前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容仍不夠完善，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)各個(gè)工作過(guò)程的溫度變化規(guī)律分析不夠全面。本工作根據(jù)制備的兩種不同相變溫度的相變儲(chǔ)熱膠囊完成設(shè)計(jì)并且搭建了一套高溫相變膠囊堆積床梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，研究了進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)放熱性能的影響，同時(shí)分析了系統(tǒng)的保溫性能。

1 相變材料與膠囊制備

1.1 相變材料選擇

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)儲(chǔ)熱工質(zhì)(氟化物、氯化物、碳酸鹽、硝酸鹽等)是中高溫儲(chǔ)熱工質(zhì)研究應(yīng)用的主要方向，熔化后會(huì)形成傳熱和儲(chǔ)熱能力較好的熔融體，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、工作溫度高、成本低等優(yōu)勢(shì)[12,13]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在高溫下梯級(jí)儲(chǔ)放熱，本工作選擇了兩種相變溫度分別為400 ℃、488 ℃的相變材料，兩種相變材料均由多元碳酸鹽構(gòu)成(下文用PCM400、PCM488 表示)，并對(duì)兩種相變材料進(jìn)行了DSC 測(cè)試和物性參數(shù)表征。相變材料PCM400和PCM488的主要物性參數(shù)如表1所示。

表1 相變材料PCM400和PCM488的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of phase change materials PCM400 and PCM488

1.2 相變膠囊制備流程

本工作選擇304不銹鋼球作為相變膠囊的封裝形式，可以利用其批量生產(chǎn)成本低和導(dǎo)熱系數(shù)較高的優(yōu)勢(shì)，且作為相變材料的包裹材料其具有一定力學(xué)性能以支撐殼體在冷熱流體交替中產(chǎn)生的物理變化以及內(nèi)部相變材料在儲(chǔ)放熱過(guò)程中發(fā)生體積變化帶來(lái)的熱應(yīng)力。

制備相變儲(chǔ)熱膠囊的過(guò)程中首先要加工出相變膠囊的不銹鋼球形殼體，并在頂部開(kāi)一個(gè)用于灌裝相變材料的圓孔，相變材料填充完成后進(jìn)行膠囊的封裝。相變材料受到高溫加熱時(shí)會(huì)由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，因密度減小導(dǎo)致體積膨脹，因此在將相變材料裝入不銹鋼殼體時(shí)需要預(yù)留一定的余量。灌裝相變材料時(shí)先將相變材料加熱成熔融狀態(tài)再進(jìn)行灌裝，設(shè)定膠囊填充率為80%，留有20%的空氣在膠囊內(nèi)部。為了保持高溫相變材料處于熔融狀態(tài)，采用馬弗爐作為完成相變儲(chǔ)熱膠囊內(nèi)部材料灌裝的設(shè)備(如圖1 所示)，并在相變材料灌裝完成后采用焊接的方式密封相變膠囊(如圖2 所示)。相變膠囊制備完成后對(duì)高溫相變膠囊進(jìn)行熱穩(wěn)定性測(cè)試，觀察制成的高溫相變儲(chǔ)熱膠囊是否有泄漏現(xiàn)象。

圖1 馬弗爐內(nèi)加熱灌裝Fig.1 Filling with heat in the muffle furnace

圖2 封裝完成的相變膠囊Fig.2 Encapsulated phase change capsule

1.3 密封性檢驗(yàn)

①將封裝好的相變儲(chǔ)熱膠囊并排疊放在耐高溫支架上；

②將耐高溫支架同相變儲(chǔ)熱膠囊一同放入馬弗爐中，從常溫25 ℃經(jīng)過(guò)60分鐘升溫到500 ℃，保持2小時(shí)；

③待馬弗爐冷卻后，觀察相變儲(chǔ)熱膠囊內(nèi)的相變材料是否流出及高溫相變儲(chǔ)熱膠囊殼體表面的氧化及受損程度。

最終制備完成的兩種相變材料的高溫相變儲(chǔ)熱膠囊的理論儲(chǔ)熱量可由式(1)算出。

其中，前三項(xiàng)表示相變材料的顯熱和潛熱儲(chǔ)熱量，最后一項(xiàng)表示相變儲(chǔ)熱膠囊殼體的顯熱儲(chǔ)熱量。Tini表示相變膠囊的初始溫度，Tm表示相變材料開(kāi)始發(fā)生相變的溫度，Tin表示外界換熱流體帶來(lái)的溫度，?H表示相變材料的相變焓值。

根據(jù)實(shí)際制成的相變儲(chǔ)熱膠囊半徑為25.5 mm，膠囊殼體厚度為1.2 mm，相變材料填充量為80%，可以計(jì)算出對(duì)于相變材料為PCM400的相變儲(chǔ)熱膠囊，膠囊殼體質(zhì)量為73.88 g，內(nèi)部相變材料質(zhì)量為102.89 g，根據(jù)式(1)計(jì)算出當(dāng)單個(gè)PCM400 相變儲(chǔ)熱膠囊溫度從25 ℃上升到600 ℃時(shí)，理論儲(chǔ)熱量為139.6 kJ，儲(chǔ)熱密度約為789.7 kJ/kg。對(duì)于相變材料為PCM488的相變儲(chǔ)熱膠囊，膠囊殼體質(zhì)量為73.88 g，內(nèi)部相變材料質(zhì)量為105.78 g，根據(jù)式(1)計(jì)算出單個(gè)PCM488 相變儲(chǔ)熱膠囊溫度從200 ℃上升到600 ℃時(shí)，理論儲(chǔ)熱為139.1 kJ，儲(chǔ)熱密度約為774.2 kJ/kg。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本工作的高溫相變膠囊梯級(jí)堆積床儲(chǔ)熱系統(tǒng)如圖3所示，主要包括風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、高溫空氣加熱器、堆積床儲(chǔ)熱罐和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，換熱流體為空氣。為了準(zhǔn)確測(cè)試高溫相變膠囊梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱性能，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)分工協(xié)作，分別包括：空氣驅(qū)動(dòng)及流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、空氣預(yù)熱和加熱子系統(tǒng)、梯級(jí)相變膠囊儲(chǔ)熱段、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境輔助子系統(tǒng)。該儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)口溫度和空氣的體積流量分別可達(dá)到550 ℃和210 m3/h。

圖3 高溫相變堆積床梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)Fig.3 High-temperature phase change stacked bed gradient heat storage system

實(shí)驗(yàn)臺(tái)子系統(tǒng)儲(chǔ)熱段的部分由儲(chǔ)熱罐和罐內(nèi)堆疊的兩種相變材料的相變膠囊以及輸運(yùn)空氣的管道等組成。空氣管道及儲(chǔ)熱段外部包裹有厚度為400 mm 的石棉保溫層，用于減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的熱損失。儲(chǔ)熱罐體內(nèi)的相變膠囊采用梯級(jí)堆疊的方式堆放在罐體內(nèi)的空氣分配器上，總共堆積13 層，每層為19個(gè)，其中底部6層相變膠囊的相變材料為熔點(diǎn)是400 ℃的PCM400，上面7層相變膠囊的相變材料為熔點(diǎn)是488 ℃的PCM488。罐體內(nèi)相變膠囊堆積狀態(tài)如圖4所示。

為降低不同季節(jié)環(huán)境溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)定一個(gè)高于環(huán)境溫度的初始值作為儲(chǔ)放熱過(guò)程中的儲(chǔ)熱起始溫度和放熱到達(dá)溫度。系統(tǒng)設(shè)定儲(chǔ)熱罐體參考的初始溫度為200 ℃，即首先啟動(dòng)電熱器和風(fēng)機(jī)將儲(chǔ)熱罐系統(tǒng)預(yù)熱到起始溫度，待穩(wěn)定之后再設(shè)定較高的儲(chǔ)熱溫度進(jìn)行儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)不同閥門(mén)的關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱過(guò)程、保溫過(guò)程和放熱過(guò)程三個(gè)功能部分。分別對(duì)應(yīng)圖3中的三條流動(dòng)通路。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)試點(diǎn)分布在系統(tǒng)各個(gè)位置以及儲(chǔ)熱罐內(nèi)，采用數(shù)據(jù)采集儀Keysight 34970A進(jìn)行間隔為20 s的數(shù)據(jù)采集。

圖5 儲(chǔ)熱系統(tǒng)測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the location of the temperature measurement points of the thermal storage system

2.1 儲(chǔ)熱量

對(duì)于整個(gè)高溫相變膠囊堆積床梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)而言，理論儲(chǔ)熱量除了儲(chǔ)熱罐體內(nèi)所有相變膠囊內(nèi)部相變材料的顯熱儲(chǔ)熱量、潛熱儲(chǔ)熱量、相變膠囊殼體的顯熱儲(chǔ)熱量，還包括整個(gè)儲(chǔ)熱罐體部分的顯熱儲(chǔ)熱。由于儲(chǔ)熱罐體內(nèi)裝有相變溫度分別為400 ℃和488 ℃的兩種相變膠囊，所以系統(tǒng)理論儲(chǔ)熱量公式是分段函數(shù)的形式，本工作搭建的高溫相變膠囊堆積床梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)不考慮運(yùn)行過(guò)程中熱量散失的理論儲(chǔ)熱量計(jì)算公式為：

當(dāng)儲(chǔ)熱罐體進(jìn)口溫度小于400 ℃時(shí)，

當(dāng)儲(chǔ)熱罐體進(jìn)口溫度大于400 ℃且小于488 ℃時(shí)

當(dāng)儲(chǔ)熱罐體進(jìn)口溫度大于488 ℃時(shí)

其中，Mp400表示儲(chǔ)熱罐體內(nèi)相變材料PCM400的總質(zhì)量，cp400,s、cp400,l分別表示相變材料PCM400 固相和液相的比熱容數(shù)值，?H400表示相變材料PCM400 的相變焓值，Tm400表示相變材料PCM400的相變溫度，Mshell400表示儲(chǔ)熱罐內(nèi)相變材料為PCM400 的相變儲(chǔ)熱膠囊不銹鋼殼體總質(zhì)量，下標(biāo)為488表示相變材料為PCM488的相變儲(chǔ)熱膠囊相關(guān)參數(shù)，mtank為儲(chǔ)熱罐體的質(zhì)量，cp,tank為儲(chǔ)熱罐體材料的比熱容，Tini為儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)定的初始溫度。

如圖6 所示，根據(jù)系統(tǒng)理論儲(chǔ)熱量的計(jì)算公式可以作出當(dāng)系統(tǒng)初始溫度為200 ℃時(shí)隨著高溫相變梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)口溫度的升高理論儲(chǔ)熱量的增長(zhǎng)趨勢(shì)曲線圖。其中，當(dāng)進(jìn)口溫度分別為450 ℃、500 ℃、550 ℃時(shí)系統(tǒng)的理論儲(chǔ)熱量分別為24069 kJ、37927 kJ、42065 kJ。

圖6 系統(tǒng)理論儲(chǔ)熱量Fig.6 Theoretical system heat storage

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差可能來(lái)源為：測(cè)定空氣入口流量的渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差、測(cè)量空氣及相變材料溫度的K型鎧裝熱電偶的測(cè)量誤差和插入深度誤差以及制備相變膠囊時(shí)相變材料的質(zhì)量誤差。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用渦街流量計(jì)JLUGB-DN65(量程50～500 m3/h)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管道內(nèi)的空氣流量進(jìn)行測(cè)定，不確定度為1.0 級(jí)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的K 型熱電偶的允差值為±1.5 ℃，熱電偶插入管道深度誤差為0.02 mm，高溫相變材料的質(zhì)量測(cè)量誤差為±0.02%。根據(jù)下面的誤差計(jì)算公式計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差為1.58%[14]。

此外，本工作所建立的堆積床儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作過(guò)程中牽涉到熱量的吸收和釋放，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分(如儲(chǔ)熱罐體)表面即使包裹了保溫材料，由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行溫度較高(平均運(yùn)行工況在500 ℃)，且占地面積較大(所占空間約為60 m3)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各部分不可避免地與外界進(jìn)行熱交換，且系統(tǒng)內(nèi)放置的熱電偶測(cè)的并不是相變材料內(nèi)部的溫度，而是換熱流體空氣的溫度，從而會(huì)使系統(tǒng)的儲(chǔ)熱量計(jì)算存在偏差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 儲(chǔ)熱-放熱過(guò)程分析

圖7 是當(dāng)設(shè)定的換熱流體進(jìn)口溫度為500 ℃，進(jìn)口流量為130 m3/h時(shí)儲(chǔ)放熱測(cè)試中儲(chǔ)熱罐中各溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線圖。可以看出高溫空氣流入罐體后儲(chǔ)熱罐內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)急劇上升，接近入口的溫度最先上升，隨著罐內(nèi)高度的降低溫度升高的速度減慢。儲(chǔ)熱過(guò)程中罐體內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)在溫度上升的過(guò)程中均出現(xiàn)了類(lèi)似平臺(tái)的波動(dòng)，其中儲(chǔ)熱罐體下半部分溫度波動(dòng)平臺(tái)較為明顯(圖中圈出部分)，儲(chǔ)熱罐體上半部分溫度測(cè)點(diǎn)(T4、T5)出現(xiàn)平臺(tái)的溫度在近500 ℃，說(shuō)明相變膠囊PCM488 在進(jìn)行相變儲(chǔ)熱，而位于儲(chǔ)熱罐體下部的溫度(T7～T9)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)波動(dòng)小平臺(tái)的溫度點(diǎn)在400～450 ℃，這是由于在此溫度下相變膠囊PCM400內(nèi)部相變材料發(fā)生熔化，利用潛熱進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。但由于插入儲(chǔ)熱罐體的熱電偶測(cè)量的是相變膠囊之間換熱流體空氣的溫度而并不是相變儲(chǔ)熱膠囊內(nèi)部相變材料溫度，所以溫度變化曲線上的平臺(tái)波動(dòng)較小。

圖7 換熱流體進(jìn)口溫度為500 ℃，流量為130 m3/h工況下的溫度變化Fig.7 Temperature variation of heat exchange fluid at 500 ℃ inlet temperature and 130 m3/h flow rate

儲(chǔ)熱過(guò)程結(jié)束后即在相同的流量下進(jìn)行放熱測(cè)試，放熱測(cè)試開(kāi)始時(shí)將加熱器關(guān)閉，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)讓空氣從罐體底部進(jìn)入儲(chǔ)熱罐降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度。隨著放熱過(guò)程開(kāi)始，儲(chǔ)熱罐下層的溫度降低的速率比上層溫度下降的速率更大，80 分鐘后儲(chǔ)熱罐內(nèi)所有溫度測(cè)點(diǎn)的溫度均小于200 ℃，判定為放熱結(jié)束。

3.2 不同進(jìn)口流量和不同進(jìn)口溫度下的測(cè)試結(jié)果

圖8是在系統(tǒng)進(jìn)口溫度為500 ℃的情況下，進(jìn)口流量分別為130 m3/h、170 m3/h、210 m3/h時(shí)儲(chǔ)放熱過(guò)程的測(cè)試結(jié)果。從圖中對(duì)比可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)口流量的增大，儲(chǔ)放熱過(guò)程中出現(xiàn)溫度平臺(tái)的現(xiàn)象變?nèi)?，這說(shuō)明隨著流速的增大，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的溫度非平衡性表現(xiàn)更明顯。同時(shí)，隨著進(jìn)口流量的增加，換熱流體空氣在儲(chǔ)熱罐中的擾動(dòng)增強(qiáng)，與罐中堆積的相變儲(chǔ)熱膠囊換熱更劇烈，儲(chǔ)熱過(guò)程和放熱過(guò)程都變得更快。

圖8 進(jìn)口流量為130 m3/h、170 m3/h、210 m3/h時(shí)儲(chǔ)放熱過(guò)程的測(cè)試結(jié)果(Tin=500 ℃)Fig.8 Test results of storage and exothermic processes at inlet flow rates of 130 m3/h, 170 m3/h and 210 m3/h (Tin=500 ℃)

圖9是在系統(tǒng)進(jìn)口溫度為450 ℃的情況下，進(jìn)口流量分別為130 m3/h、170 m3/h、210 m3/h時(shí)儲(chǔ)放熱過(guò)程的測(cè)試結(jié)果，與圖7 中的系統(tǒng)傳熱特性一致。

圖9 進(jìn)口流量為130 m3/h、170 m3/h、210 m3/h時(shí)儲(chǔ)放熱過(guò)程的測(cè)試結(jié)果(Tin=450 ℃)Fig.9 Test results of storage and exothermic processes at inlet flow rates of 130 m3/h, 170 m3/h and 210 m3/h (Tin=450 ℃)

通過(guò)比較圖8、圖9 中相同進(jìn)口流量不同儲(chǔ)熱溫度的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)口溫度的升高，儲(chǔ)放熱過(guò)程的完成時(shí)間都將變長(zhǎng)。根據(jù)系統(tǒng)總儲(chǔ)熱量計(jì)算公式可知，進(jìn)口溫度升高會(huì)增大總儲(chǔ)熱量中的顯熱儲(chǔ)熱部分，由于系統(tǒng)儲(chǔ)熱總量增大，而系統(tǒng)放熱過(guò)程中的參數(shù)保持不變，進(jìn)氣條件均為室溫下空氣從底部進(jìn)入儲(chǔ)熱罐體帶走儲(chǔ)熱過(guò)程中儲(chǔ)存的能量，所以放熱過(guò)程的完成時(shí)間隨系統(tǒng)進(jìn)口溫度升高而增加。

對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于在儲(chǔ)熱罐的進(jìn)口和出口處都設(shè)置有熱電偶測(cè)量高溫?fù)Q熱流體空氣的溫度，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中某一工況下每個(gè)時(shí)刻儲(chǔ)熱罐體進(jìn)口和出口的溫度差可以通過(guò)式(6)近似算出不考慮熱量損失情況下儲(chǔ)熱罐某一時(shí)間點(diǎn)的儲(chǔ)熱量。

圖10 是不同工況下系統(tǒng)不考慮熱損失時(shí)總儲(chǔ)熱量的變化，可以看出，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱量受進(jìn)口流量的影響較小，但會(huì)隨著進(jìn)口溫度的升高而增加。在進(jìn)口流量為130 m3/h的工況下，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)口溫度從450 ℃提高至550 ℃時(shí)，儲(chǔ)熱過(guò)程的時(shí)間從89 min 增長(zhǎng)至96 min，增長(zhǎng)了7.9%，總儲(chǔ)熱量從22665.04 kJ增長(zhǎng)至29614.18 kJ，增長(zhǎng)了30.7%。

圖10 不考慮熱損失情況下系統(tǒng)儲(chǔ)熱量Fig.10 System heat storage without considering heat loss

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)完成的9 種工況下的高溫相變膠囊梯級(jí)系統(tǒng)儲(chǔ)放熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果匯總于表2。

表2 儲(chǔ)放熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 2 Storage and exothermic experimental test results

系統(tǒng)的總儲(chǔ)熱量由相變材料潛熱和其他顯熱部分組成，儲(chǔ)熱過(guò)程中儲(chǔ)熱罐體內(nèi)相變材料的液相率可以反映潛熱儲(chǔ)熱量情況。圖11 是三種工況下系統(tǒng)內(nèi)相變材料平均液相率隨儲(chǔ)熱時(shí)間的變化，可以看出，在進(jìn)口流量相同的情況下，當(dāng)進(jìn)口溫度為450 ℃時(shí)，相變膠囊PCM400達(dá)到了相變溫度而相變膠囊PCM488并未發(fā)生熔化，最終相變材料平均液相率約為0.4。當(dāng)進(jìn)口溫度為500 ℃和550 ℃時(shí)，平均液相率數(shù)值均發(fā)生了兩處增長(zhǎng)，這是由于溫度分別達(dá)到了相變材料PCM400 和PCM488 的相變點(diǎn)時(shí)相變材料熔化，進(jìn)口溫度為550 ℃時(shí)兩處液相率增長(zhǎng)均較進(jìn)口溫度為500 ℃時(shí)提前，這是因?yàn)檫M(jìn)口溫度越高，越快發(fā)生相變過(guò)程。進(jìn)口溫度為450 ℃時(shí)儲(chǔ)熱罐體內(nèi)部相變材料平均液相率低于進(jìn)口溫度為500 ℃和550 ℃兩種工況，總儲(chǔ)熱量在平均液相率的影響下也遠(yuǎn)小于進(jìn)口溫度為500 ℃和550 ℃這兩種工況，進(jìn)口溫度為500 ℃工況下總儲(chǔ)熱量較進(jìn)口溫度為450 ℃工況下增長(zhǎng)了21.4%，進(jìn)口溫度為550 ℃工況下總儲(chǔ)熱量較進(jìn)口溫度為500 ℃工況下增長(zhǎng)了7.6%。

圖11 三種工況下系統(tǒng)內(nèi)相變材料平均液相率隨儲(chǔ)熱時(shí)間的變化Fig.11 Variation of the average liquid phase rate of the phase change material in the system with thermal storage time for three operating conditions

3.3 空氣預(yù)熱器節(jié)能能力分析

空氣預(yù)熱器是高溫相變膠囊堆積床儲(chǔ)熱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高溫空氣余熱利用的重要設(shè)備。高溫空氣加熱器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中消耗功率最大的設(shè)備，通過(guò)預(yù)熱器將儲(chǔ)熱系統(tǒng)排出廢氣的余熱與進(jìn)入空氣加熱器前的室溫空氣進(jìn)行熱量交換，提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的能量利用效率和節(jié)能性。為了更直觀地對(duì)空氣預(yù)熱器的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣預(yù)熱器冷側(cè)出口溫度數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境溫度可以計(jì)算出在采用了空氣預(yù)熱器的情況下所節(jié)省的用于加熱空氣的能量。根據(jù)式(7)可以算出在空氣加熱器工作期間(儲(chǔ)熱過(guò)程結(jié)束前)系統(tǒng)總共節(jié)省能量62375.48 kJ。

空氣預(yù)熱器的換熱效率可以通過(guò)計(jì)算冷熱端換熱流體空氣進(jìn)出口的溫度來(lái)計(jì)算得到，假設(shè)預(yù)熱器的流量都是串聯(lián)相等，則預(yù)熱器的效率計(jì)算公式為：

其中，Tin-hot表示空氣預(yù)熱器熱側(cè)的進(jìn)口溫度，這里取儲(chǔ)熱罐底部測(cè)溫點(diǎn)T9的溫度數(shù)據(jù)，Tout-hot表示空氣預(yù)熱器熱側(cè)的出口溫度，這里取儲(chǔ)熱系統(tǒng)的尾氣溫度T10的溫度數(shù)據(jù)，Tin-cold是實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境溫度，這里取管路入口處渦街流量計(jì)的溫度數(shù)據(jù)。圖12 是進(jìn)口溫度500 ℃，進(jìn)口流量170 m3/h 工況下空氣預(yù)熱器冷熱側(cè)溫度變化圖，經(jīng)計(jì)算，空氣預(yù)熱器換熱效率為80.6%，能量利用效率較高，符合余熱利用的原則。

圖12 空氣預(yù)熱器冷熱側(cè)溫度變化Fig.12 Air preheater cold and heat measurement temperature change

4 結(jié)論

本工作設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)高溫相變膠囊梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱罐內(nèi)梯級(jí)排布相變溫度為400 ℃和488 ℃的兩種不銹鋼殼體相變膠囊，系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度為550 ℃，最大運(yùn)行流量為210 m3/h。實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論如下：

（1）儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)間受入口溫度和流量影響較大，高溫度(550 ℃)低流量(130 m3/h)的工況下將近100 min，低溫度(450 ℃)高流量(210 m3/h)的工況下約60 min；相較而言系統(tǒng)各工況的放熱時(shí)間表現(xiàn)更加均勻穩(wěn)定。

（2）儲(chǔ)熱系統(tǒng)的總儲(chǔ)熱量受進(jìn)口流量的影響不大，但隨著進(jìn)口溫度升高而增加。系統(tǒng)進(jìn)口流量增加，系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱時(shí)間由于換熱效果更劇烈而縮短，但隨著進(jìn)口流量的增加，儲(chǔ)放熱時(shí)間縮短效果并不均勻。儲(chǔ)熱罐體內(nèi)相變材料的平均液相率會(huì)影響系統(tǒng)總儲(chǔ)熱量的大小，進(jìn)口溫度越高，相變過(guò)程越徹底，儲(chǔ)熱量越大。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要調(diào)節(jié)合適的系統(tǒng)進(jìn)口溫度和進(jìn)口流量以更經(jīng)濟(jì)的方式提高系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱性能。

（3）考慮到實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用中，高溫相變梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)所儲(chǔ)存的熱量并不一定立刻被釋放使用。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的能量利用效率，應(yīng)盡可能提高系統(tǒng)保溫性能，做好保溫措施減少高溫儲(chǔ)放熱過(guò)程中散失熱量，同時(shí)設(shè)置空氣預(yù)熱器進(jìn)行系統(tǒng)余熱回收可以有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)廢熱的再利用。