板狀定形相變材料蓄熱槽蓄放熱特性實驗研究

板狀定形相變材料蓄熱槽蓄放熱特性實驗研究

0膜分離劑與熱壓監(jiān)測由于能源和環(huán)境問題日益嚴重，大型能源系統(tǒng)的發(fā)展日益緊迫，而大型能源系統(tǒng)的研究仍有很大的前景。在蓄能系統(tǒng)中,相變材料的潛熱蓄熱具有獨特的優(yōu)點。因其發(fā)生相變時溫度幾乎恒定,且具有很高的相變潛熱,因此,近幾年人們對相變蓄熱進行了大量的研究。相變材料主要包括無機類、有機類和復(fù)合材料三類。無機類主要是水合鹽類,雖然成本較低、貯熱密度大,但有過冷、析晶及對容器腐蝕等缺點。有機類主要為石蠟和脂肪酸等,成本雖然較水合鹽高,但無過冷現(xiàn)象。近幾年,出現(xiàn)了一種新型定形相變材料,這類相變材料與傳統(tǒng)的相變材料不同,發(fā)生相變時形狀保持不變,不需要封裝容器,可以與熱媒直接接觸換熱,傳熱熱阻減小,傳熱效率提高,制造成本降低,而且可以選取不同相變溫度的相變主體,應(yīng)用范圍很廣。國外學(xué)者OsamuMiyatake和YasushiKoito等人對填充了定形相變聚合體(相變溫度95℃,84℃)的蓄熱裝置的熱特性進行了研究。國內(nèi)學(xué)者肖敏等人將石蠟與熱塑彈性體SBS復(fù)合制備了在石蠟熔融狀態(tài)下仍能保持形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變蓄熱材料;秦鵬華、葉宏等對定形相變材料的熱性能及理化特性進行了研究,他們還研究了定形相變材料應(yīng)用于蓄熱地板電供暖系統(tǒng)的熱性能。本文對采用了以石蠟為相變主體、相變溫度在42℃左右的板狀定形相變材料的蓄熱槽的蓄/放熱特性進行了實驗研究,以期為蓄熱槽應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的蓄熱、余熱回收、太陽能利用等領(lǐng)域提供設(shè)計依據(jù)。為了對填充了這種相變材料的蓄熱槽的蓄/放熱特性及其影響規(guī)律進行分析和把握,建立了實驗臺,以水作為熱媒,在改變熱媒的流速、流動方向、蓄熱槽的熱媒進口溫度等實驗條件下,分別考察了蓄熱過程和放熱過程中蓄熱槽的蓄/放熱特性及其影響規(guī)律,現(xiàn)將實驗研究及體結(jié)果分述如下。1試驗平臺的組成和原理1.1相變板及溫度測量實驗臺原理如圖1所示。蓄熱槽的構(gòu)造原理圖和平面布置圖分別如圖2,3所示。蓄熱槽為矩形箱體,相變材料為板狀定形相變材料(簡稱定形相變板),豎直立放在蓄熱槽內(nèi),板間距分別為38,10mm。熱媒——水與定形相變板直接接觸進行換熱。圖3中的“1”,“2”,“5”分別為對應(yīng)處定形相變板的編號。本實驗采用的定形相變板,長、寬都為140mm,厚為5mm。根據(jù)示差掃描熱量計(differentialscanningcalori-metry,DSC)測得材料的相變溫度為42~44℃,相變潛熱量為156kJ/kg;材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.28W/(m·℃)。為了觀察蓄熱槽進、出口流體溫度以及相變材料各測點處溫度隨時間的變化,流體溫度的檢測采用Pt100的鉑電阻,蓄熱槽內(nèi)相變材料的溫度檢測采用T型熱電偶,熱電偶的布置如圖4所示。檢測的溫度通過HP34970A數(shù)據(jù)記錄儀自動儲存在計算機中,測量精度為±0.1℃。蓄熱槽及管道系統(tǒng)均采用橡塑材料保溫。1.2實驗臺的熱源實驗過程中,蓄熱工況設(shè)定為:初始溫度37℃、進口水溫47℃,高溫流體在蓄熱槽內(nèi)流過相變材料,直至蓄熱槽內(nèi)的相變材料完全熔解,槽內(nèi)溫度達到設(shè)定值t1(高于相變材料的相變溫度),蓄熱模式結(jié)束;放熱工況設(shè)定為:初始溫度47℃、進口水溫37℃,低溫流體流過初始溫度為47℃的蓄熱槽。實驗臺的熱源為電鍋爐;流量由流量計測量。所有儀器在使用之前都進行了校核。2實驗分析2.1加熱過程2.1.1第一階段:顯熱蓄熱階段,變質(zhì)蓄熱階段在進口水溫47℃、流速u=0.002m/s、空隙率90%、熱水自上而下流過蓄熱槽的實驗條件下,蓄熱槽內(nèi)相變材料各測點溫度(t6,t12)對時間的響應(yīng)如圖5所示。整個蓄熱過程可分為三個階段:第一階段——顯熱蓄熱階段,這個階段的特點是溫升快、蓄熱量小,時間也不太長;顯熱蓄熱階段結(jié)束后,進入第二階段——相變蓄熱階段,這個階段的特點是溫升很小,維持在相變溫度42~44℃范圍,蓄熱量大,蓄熱時間約為第一階段的3倍;相變蓄熱階段結(jié)束后,進入第三階段——過熱蓄熱階段,這個階段的特點是相變材料溫升較大,但蓄熱量小、蓄熱時間較第一階段長。另外,由圖5可見,蓄熱時熱媒上進下出,測點t12處比測點t6處需要更多的時間完成相變蓄熱過程,這主要是因為測點t12靠近蓄熱槽的邊壁,蓄熱槽內(nèi)流場分布不均勻?qū)е滦顭岵壑行膮^(qū)域熱媒與蓄熱體的換熱更好。2.1.2結(jié)果2.1.2.不同流速條件下蓄熱時間的變化以t4測點為例,在進口水溫47℃、空隙率90%、熱媒流速u=0.001,0.002,0.003m/s條件下,由圖6可知,隨著流速的降低,相變蓄熱階段開始的時間明顯推遲,第一階段的時間明顯延長了。第二階段隨著流速的增大,蓄熱時間縮短,但縮短的幅度不大。關(guān)于流速對蓄熱時間的影響需進一步研究。2.1.2.熱媒流動方向的變化對蓄熱時間的影響在進口水溫47℃、空隙率90%的實驗條件下,觀察t12測點,隨著熱媒流速的不斷減小,改變熱媒的流動方向?qū)π顭徇^程的影響越來越顯著。當u=0.003m/s時,熱媒流動方向的變化對蓄熱時間的影響很小(見圖7a);當u=0.002m/s時,熱媒上進下出,所需蓄熱時間比下進上出方式要少(見圖7b);而當u=0.001m/s時,熱媒上進下出,所需蓄熱時間比下進上出方式幾乎少一半(見圖7c)。由以上實驗結(jié)果可知,在蓄熱過程中,熱媒以上進下出方式流過蓄熱槽更符合熱量傳遞的規(guī)律。2.1.2.實驗1蓄熱時間實驗由圖8可知,在流速u=0.005m/s、空隙率70%、熱水自上而下流過蓄熱槽的實驗條件下,隨著流入蓄熱槽的進口水溫的不斷提高,所需蓄熱時間不斷縮短。以實驗A為例,相變溫度區(qū)間為42~44℃,當進口水溫為47℃時,與進口水溫為45℃時相比所需蓄熱時間縮短了近50%;當進口水溫為49℃時,與進口水溫為45℃時相比所需蓄熱時間縮短了近65%;實驗B也反映了同樣的規(guī)律。2.2加熱過程2.2.1不同溫度對放熱放熱量的影響在進口水溫37℃、流速u=0.003m/s、空隙率90%、熱水自下而上流過蓄熱槽的實驗條件下,蓄熱槽內(nèi)相變材料各測點(t6,t12)溫度隨時間的變化如圖9所示。由圖可見,與蓄熱過程類似,整個放熱過程也可分為三個階段,即第一階段——過熱放熱階段,第二階段——相變放熱階段和第三階段——顯熱放熱階段,但放熱結(jié)束的時間明顯比蓄熱要快。筆者認為,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個重要原因是蓄熱工況和放熱工況設(shè)定的初始溫度與進口水溫的溫差雖然一樣,但它們所對應(yīng)的熱媒與蓄熱體之間的傳熱溫差卻不一樣。以沿流動方向的第一層相變材料作為分析對象。蓄熱工況下,與第一層相變材料進行換熱的流體溫度即進口水溫為47℃,由于相變材料的相變溫度為42~44℃,相變階段的傳熱溫差為3~5℃;而放熱工況下,與第一層相變材料進行換熱的流體溫度進口水溫為37℃,相變材料的相變溫度不變,但這時相變階段的傳熱溫差為5~7℃,是蓄熱工況的2倍左右。因此,即使所設(shè)定的條件相同,由于傳熱溫差的不同也將導(dǎo)致放熱時間明顯小于蓄熱時間。2.2.2結(jié)果2.2.2.流速對顯熱過程的影響在進口水溫37℃、空隙率90%、熱水自下而上流過蓄熱槽的實驗條件下,觀察變化熱媒流過蓄熱槽的流速對放熱時間的影響。由圖10可見,隨著流速的減小,第一階段的顯熱放熱過程稍有減緩,第二相變放熱階段開始的時間稍有推遲,但相變階段時間幾乎沒有變化。關(guān)于流速對放熱時間的影響需要在后期的實驗中進行更詳細的研究。2.2.2.熱媒流動方向?qū)Ψ艧釙r間的影響在進口水溫37℃、空隙率90%的實驗條件下,觀察t12測點溫度隨時間的變化。與蓄熱過程類似,隨著熱媒流速的不斷減小,改變熱媒的流動方向?qū)Ψ艧徇^程的影響越來越顯著。當u=0.003m/s時,熱媒流動方向的變化對放熱時間的影響很小(見圖11a);當u=0.002m/s時,熱媒下進上出所需放熱時間比上進下出方式要少(見圖11b);而當u=0.001m/s時,熱媒下進上出所需放熱時間比上進下出方式幾乎少一半(見圖11c)。由此也說明了在放熱過程中,熱媒以下進上出的方式流過蓄熱槽更符合熱量傳遞的規(guī)律。2.2.2.不同水溫對放熱時間的影響由圖12可知,在流速u=0.005m/s、空隙率70%、熱水自下而上流過蓄熱槽的實驗條件下,降低流入蓄熱槽的進口水溫,所需放熱時間明顯縮短。以實驗A為例,當進口水溫為36℃時,與進口水溫為37℃時相比所需放熱時間縮短了37%;當進口水溫為35℃時,與進口水溫為37℃時相比所需放熱時間縮短了47.5%;實驗B也反映了相同的規(guī)律。3蓄熱性能的應(yīng)用3.1過程顯熱過程與熱媒流速的關(guān)系3.1.1與蓄熱過程類似,放熱過程也有三個階段:過熱放熱階段、相變放熱階段、顯熱放熱階段,但相變材料隨時間變化的溫度曲線(圖9)與蓄熱過程(圖5)有所不同,放熱過程結(jié)束的時間明顯少于蓄熱過程。3.1.2無論是蓄熱過程還是放熱過程,隨著流過蓄熱槽的熱媒流速的減小,最初的顯熱階段時間延長了,而且蓄熱過程較放熱過程更為明顯,但第二相變階段的時間變化不太明顯。3.1.3關(guān)于熱媒在蓄熱槽內(nèi)的流動方向,蓄熱過程宜上進下出,放熱過程則宜下進上出。3.1.4熱媒進口水溫和速度對蓄熱槽的蓄/放熱時間都有影響,但比較而言,進口水溫對蓄/放熱的影響更為顯著。3.2實驗結(jié)果分析對于冬季氣溫較低、濕度較大的地區(qū),空氣源熱泵機組在冬季制熱運行中空氣側(cè)換熱器容易結(jié)霜,需要除霜。當機組在除霜工況運行時,熱泵機組非但不能向室內(nèi)提供熱量,反而會從室內(nèi)吸收熱量,將嚴重影響室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。圖13為某空氣源熱泵機組在低溫、高濕室外環(huán)境下,機組供回水溫度以及風(fēng)機盤管機組出風(fēng)溫度隨時間的變化曲線。由圖可見,在正常供熱工況下,熱泵機組的供水溫度基本穩(wěn)定在45℃左右,但一旦熱泵機組進入除霜工況,熱泵機組的