晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

晨怡热管 http://nx8.net/news/57/ 2006-10-2 1:44:05

日期:2005-12-17 18:59:45 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者：椴木杉 热度：

杨启容¹，孙泽权²，张金翠¹

（1．青岛大学机电学院，山东 青岛266071；
2．重庆大学热能工程学院，重庆400044）

摘 要：通过建立与工业实际相似的加肋同心套管式潜热蓄热器模拟实验台，对潜热蓄热器内通流体时的充热、放热过程进行了实验研究。实验得出了流体的出口温度、充热量和放热量随时间的变化规律。
An experimentalstudy ofthermalstoragefor a circulartubephase change accumulator with heattransferfluidflowinginside

YANGQi－rong1，SUNZe－quan2，ZHANGJin－cui1

（1．College of Mechanical Engineering，Qingdao 
University，Qingdao 266071，China；
2．College of Thermal Engineering，Chongqing
  University，Chongqing 400044，China）

Abstract：This article describesthe phase－change latent heat storage in an experiment device with innerlongitudinalfinnedcasing－pipe thatis similartothe industrialones，and discussestheinfluences offluid velocity，inlettemperature and chargingor dischargingtime on the charging and discharging process．Thenitanalysestherelationship between the out－conditions andthe charging and discharging heat quantity．
Key words：phase change；latent heatstorage；charging；discharging

0 引 言
用相变材料储存能量（或蓄冷），在下述场合下可以大幅度节能或降低耗能费用：用电低谷与用电高峰时段有较大的用电差价；能量的供应因时间不同有较大变化的太阳能、风能和余热等。但是，由于相变材料的传热能力通常较差，所以需要通过优化蓄能装置的结构来强化其蓄能和释能。文献^［1］中明确指出，在众多的强化相变潜热蓄热过程的传热方法中，纵肋片管认为是特别有效而且可靠。文献^［2］中提出了以内纵肋片套管作为相变潜热蓄热器的蓄热单元的构想。目前，国内外对套管式相变蓄热作了一些理论研究^［3～4］，在这些理论模型中，忽略了液相中的自然对流。实际上，自然对流对相变换热的影响很大。对于内纵肋片套管，由于其壁面形状复杂，其温度场变化多为三维不稳定过程，利用一般的数值方法求解，计算量很大，许多情况甚至无法求解。因此，采用实验方法获得内纵肋片套管式相变潜热蓄热 器的充热、放热过程的性能是一种必要的手段和方法。据此，本文采取实验方法来研究其充热、放热性能，为工程设计提供参考。

1 实验系统
实验系统（见图1）主要由一台内纵肋片套管式相变潜热蓄热器、一台蒸汽蓄热器、一个高位水箱、一台温度自动记录仪以及连接管道和附属元件组成。整个管路系统及设备都用玻璃纤维棉或微孔硅酸铝纤维毡进行良好的保温。实验中选取三水醋酸钠（CH3COONa·3H2O）作为相变蓄热材料。这是因为它的相变温度适合于中、低温下蓄热，单位体积蓄热量大，热稳定性好，与管壁相容性好^［5］。据文献^［6］得出的规律和考虑到加工难度，对蓄热器作了优化设计，结果如下：肋片数取4，并呈90°夹角均匀布置在内管外壁上。选取标准无缝钢管作为内管和外管，用薄钢片作肋片。尺寸选取如下：
内管：r_i×δ×l＝12．5 mm×2 mm×750 mm
外管：r₀×δ×l＝34．5 mm×3．5 mm×700 mm
肋片：h×l＝21 mm×690 mm
套管式蓄热单元的换热面形式如图2所示。

2 实验测试技术及主要方法
实验中采用两对铜－康铜热电偶来测试流体进口、出口温度。其一安装在水平方向，另一竖直方向安装。在蓄热器壳体的同一母线上安装了三根等距布置的小铜套管，同时，在每一根小铜套管中又安装了三对等距布置的铜－康铜热电偶，以便测出相变材料的径向和轴向不同点的温度值。
充热和放热过程是非稳态传热过程，即流体出口温度、相变材料的温度都是动态变化的。为了能真实地测得这些温度的瞬时值，实验采用了温度自动记录仪。此记录仪一次能测试40个点，并采用内部自动冷端补偿，每秒可输出10个测点值，并且能同时打印出测试值、测点序号、测试时刻。本实验每次有20个测点，每隔1或2 min记录一次测点值，它们是流体进、出口温度、相变材料的温度、环境温度、壳体保温层外上、中、下三处的散热壁温。
由能量守恒定律及所测得的各处温度值，可计算出不同时刻的充热和放热量：
充热过程：相变材料的蓄热量＋壳体保温层 外的散热量＋蓄热器筒体本身的蓄热量＝热水放热量。放热过程：相变材料的放热量＋蓄热器筒体本身的放热量＝冷水吸热量＋壳体保温层外的散热量。

3 实验结果及数据分析
图3、4分别给出了相同流体流速和进口温度下充热和放热时相变材料径向温度随时间的变化曲线。从图中可见，充热时同一测点相变材料的温度在早期上升很快，在相变温度附近几乎不变，最后上升得越来越慢。相变材料温度的这种变化是由于：早期为显热蓄热阶段，因而单位时间内相变材料温度上升很快；当测点周围相变材料温度达到相变温度时，测点周围将产生自然对流效应，大量的热量被传输给固—液界面，使测点处的相变材料在基本不变的相变温度下发生熔化相变过程；相变完成后，测点处于液态相变材料的包裹之中，自然对流循环把热的液态相变材料由加热面传输到固—液界面，强化了传热，相对来说，传输给测点处的相变材料的热量被减少，亦即是说，自然对流循环在一定程度上削弱了热量在液态层之中的传输。同时，随着充热时间增加，相变材料的温度越来越高，传热温差也越来越小，热量传输渐渐困难。基于上述两方面原因，相变之后，相变材料温度上升越来越缓慢。放热时，早期相变材料温度下降很快，然后几乎不变，最后下降变得缓慢。导致这种变化在于：早期，相变材料的温度高，导热温差大，导热热阻小，导热能力大，故早期的相变材料温度下降很快。而在发生相变时，由于放出大量的相变潜热，其温度基本恒定于相变温度，放热后期，导热温差越来越小，凝固层不断增厚，导热热阻增大，同时，自然对流效应减弱，延长了凝固时 间，所以后期相变材料温度下降趋于缓慢。

图5、6分别表示相同流体流速和进口温度下充热、放热时同一圆周母线上轴向不同点的相变材料温度随时间的变化。从图中可知，充热时沿流体流动方向，轴向温度呈梯度分布，且靠近流体进口处的相变材料温度较高，先发生相变过程。放热时靠近进口处相变材料的温度下降较快，先达到相变过程，沿流体流动方向，轴向温度由低到高变化。图中还表明：在放热过程后期，由于近流体出口处相变材料的温度高于进口端处相变材料的温度，因此其温度相应地下降稍快，使轴向温差越来越小，故相变材料的放热过程是沿着流动方 向推移的。

图7、8分别表示流体流速及进口温度为定值时，放热、充热过程中流体出口温度随时间的变化 曲线。从图中可看出，充热时流体的出口温度在换热早期短时间内上升很快，随着时间的增加，温度上升逐渐变慢。这是由于早期相变材料温度低，与热流体之间的温差大，短时间内传输热量多，且换热为显热，相变材料的温度上升很快，流体的温度随之而变化；随后靠近流体进口处的相变材料开始发生变化，由于发生相变时相变材料温度变化不大，并且随着轴向方向的相变材料不断产生相变，使得传热有效面积越来越小，因此流体的出口温度变化越来越小，逐渐接近进口温度。放热时，流体出口温度的变化是初始时最高，然后下降较快，随着时间的增加，下降逐渐缓慢，曲线变得越来越平坦，最终接近进口温度。这是因为放热开始时，相变材料与流体之间温差大，自然对流的作用强，且凝固层薄，单位时间内传输给流体的热量多，相应地流体温度下降较快，随着时间的增加，流体与相变材料的温度差减小，凝固层较厚，导热与自然对流传热能力逐渐减小，流体出口 温度下降越来越慢。

图9、10给出了相同流体流速和不同进口温度下蓄热器充热、放热量随时间的变化曲线。从图中可以看出，充热、放热过程的热量随时间有类似的变化规律，都是先增加较快，然后曲线变化趋于平缓。这是因为：充热早期，相变材料与热流体之间的温差大，有利于导热；相变发生后，由于液 态区自然对流效应，使固态相变材料能及时吸收相变所需的大量热量，因此热量仍能以较快的速度随时间而上升；在后期，相变材料的温度较高，自然对流虽有一定加强，但因液态区域增大，换热能力减弱；相变完成之后，液体的导热热阻较大，温差越来越小，传热量也小，因此后期曲线趋于平缓。放热过程早期，因相变材料与冷流体之间的温差大，有利于换热；当凝固发生时，凝固层很薄，热阻小，导热能力大，再加上液态区的自然对流效应，使得早期曲线上升较快；后期，因凝固层不断增厚以及自然对流效应不断减弱，使曲线趋于平缓。

图11、12分别给出了不同流体流速相同进口温度时蓄热器充热、放热量随时间的变化曲线。曲线表明，同一时刻，进口温度与相变材料之间温差越大，换热越强，特别是因温差大使自然对流循环更强烈，则单位时间内自然对流循环传热能力大。由前面的分析可知，流体的进口温度越高，则充热过程的各传热环节都得到强化，从而换热量随时间上升越快。
从以上实验结果可以看出，充热、放热过程受到流体的流速、进口温度、充热或放热时间三个参数的综合作用和影响。

4 结 论
a）随着相变的不断进行，传热的有效面积逐渐减小。
b）流体的进口温度一定时，其流速越大，单位时间内充热和放热量越大；流体流速一定时，流体进口温度越高，过程终止越早；流体流速及进口温度都为定值时，在充热和放热早期，充热和放热量随时间的增加而很快增加，在后期它们的增加量越来越小，致使过程终止。
c）应用充热和放热的自然对流机理及传热学理论对上述结果进行分析，认为流体流速、流体进口温度及充热或放热时间三个因素，是通过影响流体与管壁的换热、固态层中的导热及液态相变材料层中的自然对流换热能力，来影响充热和放热量的大小及过程进行的快慢和完善程度的，因此，液态区中的自然对流是不能忽略的。

参考文献
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