石蠟螺旋盤管蓄熱器蓄熱和放熱性能的實驗研究

石蠟螺旋盤管蓄熱器蓄熱和放熱性能的實驗研究

0采用管式調(diào)溫型蓄熱器低熱蓄熱裝置的研究是蓄熱技術(shù)的重要組成部分。因為絕大多數(shù)的相變材料其導(dǎo)熱性能差,所以相變蓄熱器有一個傳熱強化的問題需要解決,以保證小溫差快速充熱、放熱。實際應(yīng)用中通常采用的方法是加金屬肋片及采取擴大接觸面積。如把相變材料分裝在小容器內(nèi)以一定的方式排列于蓄熱器中,形成膠囊、圓盤、球、圓柱、周向或縱向翅片管式相變潛熱蓄熱器。Velraj、Jun、Chow等研究發(fā)現(xiàn)通過采用肋片結(jié)構(gòu),或在相變材料中假如金屬顆?；颦h(huán)、碳纖維等高導(dǎo)熱系數(shù)材料,可強化相變材料的導(dǎo)熱性能。Wata-nabe等、Gong等、Wang等通過實驗與分析指出:為了提高傳熱率,利用熔點不同的多種相變材料有一定的作用。張寅平等對采用固—液相變儲熱,利用熱管工作原理即汽—液相變充、放熱的新型汽—液—固儲熱系統(tǒng)進行了實驗研究。石蠟由直烷烴混合而成,分子式為CnH2n+2。隨鏈的增加,融點和融解熱隨之增加,其熔解熱大,但導(dǎo)熱系數(shù)及密度小。針對石蠟導(dǎo)熱系數(shù)小的問題,本文擬采用多層螺旋盤管以增加換熱面積,提高蓄熱器的放熱性能;此外,采用在石蠟中添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶等方法強化石蠟的導(dǎo)熱性能,以提高蓄熱器的蓄熱和放熱能力。1實驗裝置及測點布置石蠟相變螺旋盤管蓄熱器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。蓄熱器主要由電加熱筒和三層螺旋盤管組成。電加熱筒由1mm厚的鍍鋅板煨制而成,在每個加熱筒外均勻繞上ue001φ0.8mm的電加熱絲(外套玻纖管電絕緣)作為加熱源。加熱筒的直徑分別為50、115和190mm。每個加熱筒上的加熱功率按每個加熱筒上加熱的熱流密度相等進行計算,三個加熱筒的電加熱絲串聯(lián)連接,總的電加熱功率為1kW。蓄熱器外絕熱層采用聚氨脂發(fā)泡制成的泡沫塑料作絕熱材料。蓄熱器內(nèi)膽的尺寸為ue001φ265mm×566mm。在內(nèi)膽高度方向的中心位置沿內(nèi)膽的直徑方向安裝有三根銅—康銅熱電偶用于測量蓄熱器內(nèi)溫度,分別距內(nèi)膽軸心距離為38、60和110mm。螺旋盤管由ue001φ10mm×0.5mm的紫銅管繞制而成。三層螺旋盤管串聯(lián)連接,三層螺旋盤管的螺旋直徑分別為80、170、230mm,螺旋盤管的螺旋節(jié)距為16mm。螺旋盤管蓄熱器的總外形尺寸為ue001φ320mm×624mm。圖2為石蠟相變蓄熱器實驗裝置簡圖。在蓄熱過程中,關(guān)斷水箱至蓄熱器的通路,接通電源,由安裝在蓄熱器內(nèi)的電加熱器進行加熱。電加熱功率由調(diào)壓器調(diào)節(jié),由電流計和電壓表分別測量電回路中的電流和電壓,然后計算獲得加熱器的工作功率。蓄熱器內(nèi)的溫度分布分別由安裝在其內(nèi)部的熱電偶測量。當蓄熱完成后,關(guān)斷加熱器電源,然后開啟連通高位穩(wěn)壓水箱的閥門,通入冷水進行放熱性能實驗。實驗中,主要測量蓄熱器內(nèi)溫度分布、水側(cè)進、出口溫度以及水流量等。測溫?zé)犭娕季鶠閡e001φ0.2mm的銅—康銅熱電偶,用多點HP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行溫度測量數(shù)據(jù)的采集。水的體積流量由轉(zhuǎn)子流量計測量,轉(zhuǎn)子流量計在實驗前用稱重法進行了標定。蓄熱實驗過程中,電加熱器功率為1kW;放熱實驗中,冷水的進口溫度為22℃,冷水流量為6L/min。蓄熱器所采用的石蠟熔點為75℃,相變潛熱為250kJ/kg。蓄熱器放熱量及加熱器的加熱功率由下式計算:Q=ρfqVcp(θout-θin)(1)P=I·V(2)式中:qV為水的體積流量,ρf為水的密度,cp為水的比定壓熱容,θout為水的進口溫度,θin為水的出口溫度。I為電流強度,V為電壓。上述公式中流體的物性參數(shù)均以流體的算術(shù)平均溫度為定性溫度。2結(jié)果與分析2.1石蠟加銅粉的溫度分布圖3為蓄熱過程中純石蠟相變螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布。從圖中可看出,當電加熱器加熱初期(66s),蓄熱器內(nèi)的溫度較均勻;隨著加熱時間的增加,蓄熱器內(nèi)的溫度分布不均勻性逐漸增大,表現(xiàn)為一層和二層加熱器間的溫度升高較快,這主要是由于兩個加熱器間的發(fā)熱量較為集中,且向周邊的傳熱較少。到加熱7200s后,蓄熱器內(nèi)測點的溫度均達相變溫度以上,而一層和二層加熱器間的溫度高達近90℃,表明該蓄熱器內(nèi)溫度分布極不均勻,使得局部溫度過熱,一方面降低了蓄熱器蓄熱效率,另一方面使得局部溫度可能超過蓄熱器的工藝溫度要求,影響蓄熱器的推廣應(yīng)用。圖4為蓄熱過程中石蠟加銅粉(添加量為石蠟體積的2%)的螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布。可以看出,在添加銅粉后,蓄熱過程中蓄熱器內(nèi)的溫度分布比純石蠟的溫度分布均勻。這主要是因為添加了銅粉后,石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)提高,使得熱量在蓄熱器內(nèi)的擴散能力增強,溫度分布均勻性提高。圖5為蓄熱過程中石蠟加硅粉(添加量為石蠟體積的2%)的螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布。從圖中可看出,在相同加熱時刻,添加硅粉后的蓄熱器內(nèi)溫度分布比添加了銅粉的蓄熱器溫度分布更為均勻。這是由于銅粉的密度(8930kg/m3)遠高于石蠟的密度(920kg/m3),在石蠟內(nèi)的分層現(xiàn)象嚴重,提高石蠟導(dǎo)熱系數(shù)有限。而硅粉的密度為2330kg/m3,且呈粉末狀,更易散布在石蠟內(nèi)。因此,即使硅粉的導(dǎo)熱系數(shù)低于銅粉,其強化石蠟導(dǎo)熱的能力依然要高于銅粉。圖6為蓄熱過程中石蠟加不銹鋼絲帶(帶寬約0.6mm、厚約0.1mm、填充量約為石蠟體積的2%)螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布。從圖中可看出,在相同的加熱時間,石蠟加不銹鋼絲帶的螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布與前三種情況相比,最為均勻。這主要是因為不銹鋼絲帶呈團狀,在蓄熱器內(nèi)更定形,分布更均勻;同時,不銹鋼絲帶彼此相連,從絲帶傳走的熱量更多;因此,對石蠟導(dǎo)熱能力的強化更大,蓄熱器內(nèi)溫度分布更均勻。圖7為蓄熱過程中不同石蠟螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布比較。從中可清楚看出,石蠟加不銹鋼絲帶的蓄熱器具有最均勻的相變蓄熱介質(zhì)溫度分布。2.2不同蓄熱器內(nèi)溫度分布圖8為放熱過程中純石蠟相變螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布。從圖中可看出,當放熱初期(240s),蓄熱器內(nèi)溫度分布極不均勻,隨著放熱的進行,蓄熱器內(nèi)石蠟的溫度降低,溫度分布逐漸趨于均勻。這是因為,在放熱初期,蓄熱器內(nèi)石蠟處于過熱階段,由于是顯熱改變引起的放熱,蓄熱器內(nèi)因換熱的非均勻性造成的溫度分布不均勻性更明顯。當石蠟開始凝固時,蓄熱器內(nèi)相變溫度趨于定值,且潛熱放熱量遠大于顯熱放熱量;因此蓄熱器內(nèi)的溫度分布逐漸均勻。圖9～11分別為石蠟添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶的螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度分布圖。從這些圖中可看出,石蠟加不銹鋼絲帶的螺旋盤管蓄熱器內(nèi)溫度最為均勻;主要原因是不銹鋼絲帶對石蠟導(dǎo)熱性能的強化最大,其次是石蠟加硅粉和石蠟加銅粉,其規(guī)律與蓄熱時蓄熱器的溫度分布變化規(guī)律相類似。2.3不同放熱時間對石蠟與水出口溫度的影響圖12為石蠟相變螺旋盤管蓄熱器在進口水溫為25℃、水流量為6L/min的條件下的出口水溫隨時間的變化規(guī)律。從圖中可看出,隨著放熱時間的增加,蓄熱器的出口水溫降低。在放熱初期,由于石蠟與水的傳熱溫差大,石蠟放熱量大,溫度下降快;隨著放熱時間增加,石蠟的溫度降低,石蠟與水的溫差減小,放熱速率降低,水的出口溫度下降減緩,至300s后,水出口溫度變化非常緩慢。從圖中還可看出,純石蠟蓄熱器的出口水溫下降最快,石蠟添加銅粉的蓄熱器次之,石蠟添加硅粉的蓄熱器出口溫度略高于石蠟添加銅粉的蓄熱器;而石蠟加不銹鋼絲帶的蓄熱器出口水溫最高。這是因為石蠟加不銹鋼絲帶對石蠟的導(dǎo)熱性能強化最大,傳熱系數(shù)隨之增大;使得蓄熱器內(nèi)溫度分布更均勻,蓄熱器內(nèi)石蠟的熱量釋放更均勻,在同樣石蠟與水的溫差下釋放的熱量更多;因此出口水溫最高。同理,石蠟加硅粉、石蠟加銅粉以及純石蠟的蓄熱器的出口水溫依次降低。經(jīng)測量和計算,蓄熱器釋放的熱量大約為加入熱量的80%,其主要原因是散熱損失和蓄熱器溫度分布不均以及部分顯熱未能釋放。3不銹鋼絲帶+硅粉體系在蓄熱過程中,隨著加熱時間的增加,蓄熱器內(nèi)的溫度分布不均勻性逐漸增大。純石蠟蓄熱器內(nèi)溫度分布不均勻性最為嚴重。當添加銅粉后,石蠟導(dǎo)熱性能得到強化,溫度分布趨于均勻。而添加硅粉后,由于其密度較銅粉更接近石蠟,分層問題得到緩解,溫度分布更為均勻。不銹鋼絲帶具有連續(xù)結(jié)構(gòu)和形狀定形等