（动力工程及工程热物理专业论文）整体针翅管式相变蓄热换热器性能实验.pdf

中文摘要 摘要 传统能源储量有限，但是消耗巨大，这要求使用能源应“开源节流”，积极开发 新能源和探索新的节能方法。太阳能作为新能源具有很大的优点，但也存在热流 密度低、间断性的缺点，另外，利用工业余热和废热正成为有效的节能手段，但 却受时效性和空闻性的限制。因此，开发高效的蓄热换熟技术对太阳能利用和节 能减排具有重要的工程实际意义。 近年来，相变蓄热技术及其相关理论已成为研究热点，但主要集中在高温段和 低温段，中温段相变蓄热技术的有关应用受到相当大的限制。本课题在已有理论 和实践的基础上研究中温相交蓄热及强化传热技术，设计和研涮出一种整体针翅 管式相变蓄热换热器，并搭建了测试系统对该蓄热换热器的蓄放热性能进行实验 研究。 本课题以空气为传热介质，分别对相变蓄热换热器进行了熔化和凝固实验，以 研究蓄热换热器在熔化过程和凝固过程中的换热特性和相变材料的蓄放热性能； 改变工质流量和进隧温度，进行实验以考察工况变化对蓄放热性能的影响；分析 研究相变过程中出现的自然对流现象对该蓄热换热器的蓄放热性能和内部温度分 布的影响。研究结果表明： ( 1 ) 相变材料赤藻糖醇熔化温度在1 2 0 1 2 5 范围左右，相变潜热为 3 3 3 k j k g ，凝固时有5 c 1 0 * c 左右的过冷度。 ( 2 ) 当相交材料为固态时换热方式为纯导热，相变时换热方式为导热和自然对 流两种方式，液态时主要为自然对流方式。影响最终换热效果因素包括换热温差、 换热系数和自然对流效应以及其它次要因素。 ( 3 ) 相变蓄热换热器管间工质流动基本均匀，垂直流动方向平面内材料温度分布 均匀。沿工质流动方向，出豳端相交材料完成楣变过糕所需时间比进溺端相变材 料长。 h ) 流量提高，换热量增大，完成楣变过程所需时间减小。空气进口温度提高， 换热量增大，完成相变所需时间减小。 ( 5 ) 针翅管相变蓄热换热器比光管换热器换热效率平均提高了约1 6 ，瞬时换 热功率最大提高4 2 。相交蓄热换热器的主要热阻在空气侧。 关键词：楣变蓄热，针翅管，强优传热，赤藻糖醇 英文摘要 a b s t r a c t t r a d i t i o n a le n e r g yr e s e r v e sa r el i m i t e d ，b u te n e r g yc o n s u m p t i o ni se n o r m o u sa n d i n c r e a s e dc o n t i n u a l l y t h er i g o r o u se n e r g ys t a t u sr e q u i r e se x p l o r i n gn e we n e r g ya n d n e we n e r g y s a v i n gm e t h o d s 。a san e we n e r g y ，s o l a re n e r g yh a sg r e a ta d v a n t a g e s , b u ti t a l s oh a st h es h o r t c o m i n g so fl o wh e a tf l u xa n dd i s c o n t i n u i t y m o r e o v e r , u t i l i z a t i o no f i n d u s t r i a le x h a u s t e dh e a ta n dw a s t eh e a ti sa ne f f e c t i v em e a n so fe n e r g y - s a v i n g ，b u ta l s o b e e nr e s t r i c t e db yt h et i m ea n ds p a c e s o , t h e r ei sag r e a tn e e dt os t u d yo np h a s e c h a n g e h e a ts t o r a g et e c h n o l o g ya n de n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yt od e v e l o ph i g h l y e f f i c i e n th e a te x c h a n g e rw i t hl a t e n th e a ts t o r a g e i nr e c e n ty e a r s ，p h a s e - c h a n g eh e a ts t o r a g et e c h n o l o g ya n di t sr e l a t e dt h e o r i e sh a v e b e c o m et h ef o c u si nt h i sf i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h eh i 球t e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t u r e a r e a b u tt h ep h a s ec h a n g eh e a ts t o r a g et e c h n o l o g yi nm i d - t e m p e r a t u r er a n g eh a sn o t b e e ns t u d i e da d e q u a t e l y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，ap i n f i n - t u b eh e a te x c h a n g e r 州t l ll a t e n t h e a ts t o r a g ew a sp r o p o s e d ，as e to fe x p e r i m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s i g n e dt o r e s e a r c ht h eh e a ts t o r a g e r e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i n * f i n - t u b eh e a te x c h a n g e rw i t h l a t e n th e a ts t o r a g e 。 as e r i e so fs o l i d i f i c a t i o na n dm e l t i n ge x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d ，t os t u d yh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i n - f i n - t u b eh e a te x c h a n g e r 诚也l a t e n th e a ts t o r a g ea n d s t o r a g e r e l e a s ep r o p e r t i e so ft h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l b yc h a n g i n gt h ei n l e tw o r k i n g f l o wr a t ea n dt e m p e r a t u r e ，t h ee f f e c to ft h e s ef a c t o r so ns t o r a g e r e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c s w a si n v e s t i g a t e d 。f i n a l l y ，n a t u r a lc o n v e c t i o ni nh e a tt r a n s f e rp r o c e s sw a sa n a l y z e d 。t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ： 重) p h a s ec h a n g em a t e r i a l sh a s s u c hp r o p e r t i e sm e l tt e m p e r a t u r e ：r a n g eo f1 2 0 12 5 ，l a t e n th e a t ：3 3 3 k j k g ，a n da b o u t5 109 cs u p e r - c o o l i n gd e g r e e 0 ) i np h a s ec h a n g ep r o c e s s , w h e nt h ep h a s ec h a n g em a t e r i a li si ns o l i d - s t a t e ，t h e h e a tt r a n s f e ri sp r e d o m i n a t e db yp u r eh e a tc o n d u c t i o n w h e np h a s e c h a n g e - s t a t ei s o c c u r e d 。t h eh e a tt r a n s f e ri sc o n t r o l l e db yb o t hh e a tc o n d u c t i o na n dn a t u r a lc o n v e c t i o n 。 a n dw h e nt h ep h a s ec h a n g ei sc o m p l e t e da n dt h em a t e r i a li si nl i q u i d , t h eh e a tt r a n s f e r i sp r e d o m i n a t e db yn a t u r a lc o n v e c t i o n h o w e v e r , h e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ， h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h en a t u r a lc o n v e c t i o ne f f e c t , a sw e l la so t h e rs e c o n d a r ya l l a f f e c tt h eg r o s sh e a tt r a n s f e rr a t e p ) t h e a i rf l o wr a t ei nd i f f e r e n tt u b e so fh e a te x c h a n g e ri sa l m o s tu n i f o r m ，a n dt h e i i i 重庆大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ep l a n en o r m a lt ot h ef l o w i n gd i r e c t i o ni su n i f o r ma l s o a | o n g w i t hf l o w i n gd i r e c t i o n ，t h et i m ef o rt h ep h a s ec h a n g em a t e r i a lb e i n gm e l ti nt h e e n t r a n c er e g i o ni ss h o r tt h a nt h a ti nt h eo u t l e tr e g i o n ( 4 ) w i t l li n c r e a s eo ft h ef l o wr a t ea n dt e m p e r a t u r eo f 砒e ta i r ，t h eh e a tf l u x b e t w e e na i ra n dp h a s ec h a n g em a t e r i a li si n c r e a s e d ，a n dt h et i m ef o rt h ep h a s ec h a n g e m a t e r i a lb e i n gm e l tc o m p l e t e d l yi sa l s od e c r e a s e d ( 5 ) c o m p a r e d 淅t ht h ep l a tt u b eh e a te x c h a n g e rw i t hl a t e n tt h e r m a ls t o r a g e ，t h e a v e r a g e dh e a tt r a n s f e re f f i c i e n to ft h ep i n f i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e ri si m p r o v e db y l4 i nh e a ts t o r a g ep r o c e s s ，a n dt h em a x i m i u mh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si m p r o v e db y 4 2 k e y w o r d s ：l a t e n th e a ts t o r a g e ，p i nf m e dt u b e ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，e r y t h r i t o l i v 主要符号表 下标 l n o u t f s 主要符号表 瞬时换热量( 空气的比热容( k j k g k ) 空气密度( k g m 3 ) 空气体积流量( 8 3 h r ) 空气进出口温差( ) 努塞尔数 换热热阻 m 2k w 换热管内径m 空气的导热系数w ( m 目 空气雷若数 空气普朗特数 换热管长径比 管壁处空气粘度n 1 2 s 管内中心空气粘度m u s 金属翅片导热系数，w ( m 2 k ) 相变材料导热系数，w ( m 2 k ) 翅片厚度m 相变材料导厚度m 相变材料热阻m 2k w 传热路径长度m 等效导热系数w ( m 2 k ) 管内气体流速，m s 换热管进口 换热管进口 空气 翅片 v q o p g竹帆如j一形巩办t 0 0 l k v 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的 砸 士学位论文 錾垒盈趣丛搠篓垫望基茎丝堡宝查是我个人在导筛指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：加法 签字日期：加f = 参， 导师签名： 犹炒 签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国 攀 学位论文全文数据库、中国优秀颈士学位论文全文数据痒出版章程( 以 下简称“章程，) ，愿意将本人的醍士学位论文疃锄釜叁翱毯墼丝黑塑搬憨 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中凶博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中图博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：五煎遮 导师签名： 年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书堂亟装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题的提出 能源是人类发展的基础物质条件，已成为影响人类生存和发展的最重要因素。 目前人类所使用的能源绝大都分是传统的化石能源，这些能源都具有不可再生的 特点，随着人类文明的发展，人类对能源的需求越来越大，这种过度需求将会使 可用的地球能源很快桔竭。另外，在环境方面，由燃烧化石燃料所产生的有害物 质，对大气、水、土壤等环境造成了严重的破坏。 严峻的能源形势要求我们开发新的能源。地球上除了地热能和核能以外，所 有能源均来自于太阳能。与其它能源相比，太阳能具有独特的优点：总量巨大， 取之不尽；使用清洁、无污染，安全方便；不需运输，成本低廉、可再生等。丽 我圜是世界上太阳能资源最丰富的地区之一，全国2 3 以上地区的年日照大于 2 0 0 0 h 。特别是在西藏等西部高原地区，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，年 西照时间在3 0 0 0 h 以上，并且这些地区往往无电霹等基础设旌，因此，太阳能剃 用具有十分广阔的前景。目前太阳能利用主要通过光热转换、光电转换和光化学 转换三种途径。主要方式有太阳能发电和其它如取暖、干燥、单晶硅、多晶硅、 非晶硅光伏发电、太阳能制氢和太阳能发动机等。由于太阳能辐射密度很低，而 且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约， 其辐射强度具有显著的低密度、闻断性和不稳定性，因此不论是太阳能供热或供 电装置，都需要蓄热装置将太阳能储存起来，以实现连续、不间断的供能需求。 目前的蓄热方法有显热蓄热、相变蓄热和化学反应蓄热三种。其中显热蓄热 在实用上存在占地面积大、蓄热温差大等缺点，化学反应蓄热往往技术复杂且使 用不便，相变蓄热是指利用相变物质( p h a s ec h a n g em a t e r i a l ，p c m ) 在凝固，熔化、 凝结气化、凝结升华以及其他形式的相变过程中，都臻吸收或放出相变潜热的原 理柬实现蓄热。两棚变蓄热具有蓄能密度高、蓄热温差变化小等优点。 由于一般适用的相变蓄热材料的热传导系数很低，因此相变蓄热材料的应用 离不开强化传热技术。目前提出的强化传热技术主要在提高相变材料导热系数和 采用强化传热结构两个方向，前者如在相变蓄热材料内添加金属、铝屑或铝片等， 后者如采用肋片管或是针翅镣以及近年来提出的在石墨多孔材料内充灌相变蓄热 材料来强化传热技术和微胶囊技术，都在不同程度上对相变蓄热材料的传热性能 有所提高。但这些强化相变传热措施和技术均存在工艺复杂、成本较高、稳定性 较差等缺点。 重庆大学硕士学位论文 有鉴于此，本课题提出一种新型、高效的整体针翅管式相变蓄热换热器，并 实验研究其相变蓄热换热性能。 1 1 2 研究的意义 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、可再生能源。蓄热器是太阳能利用中不 可或缺的重要组成部分，其性能直接影响到太阳能利用的可靠性和效率。本课题 提出的整体针翅管式相变蓄热换热器适合中温范围( 1 2 0 3 0 0 c ) ，具有广泛的应 用范围和推广使用前景。此外，随着相关领域新兴技术的发展，中温相变蓄热技 术必将在中温太阳能热发电领域得到应用，中高温太阳能热利用技术的研究成果 为中温太阳能热发电提供坚实的基础。在中温范围，可以提供烹饪、蒸煮以及轻工 业中的工艺用热。更低能级的应用可以作为供热、采暖的能源。此外，中温相变 蓄热换热器在能源、化工、食品、暖通等领域均有广泛的应用前景，具有重要的 工程实际意义。 本课题提出的整体针翅管式相变蓄热换热器具有紧凑、高效、经济实用的特 点，丰富了国内在太阳能中温相变蓄热换热领域的应用。本课题通过实验研究， 探讨强化传热技术在相变蓄热换热中的应用，开发新型强化传热结构和相变蓄热 技术，具有重要的学术价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 能源现状 目前人类所使用的能源绝大部分是传统的不可再生的化石能源。自人类全面 进入大工业化时代以来，对能源的需求不断增加。相关资料显示【l 】：2 0 0 5 年世界 一次能源消费量为1 0 5 3 7 1 亿吨石油当量，比上年同期增长了2 7 ，大大高于过 去1 0 年的平均水平；以目前的探明储量和开采速度计算，全球石油储量为1 6 3 6 亿吨，可开采4 0 年；天然气储量为1 7 9 8 3 万亿立方米，可开采6 5 年；煤炭储量 为9 0 9 0 6 4 亿吨，可开采1 6 2 年。另外，由燃烧煤、石油等化石燃料所产生的有害 物质，已经对大气、水、土壤等环境造成了严重的破坏。 我国自改革开放以来经济发展迅速，国民生产总值及一次能源消费均位居前 列，而我国化石能源的人均占有量不足世界平均水平的1 1 0 。最近几年我国局部 地区能源短缺的严峻形势己严重影响了人们的正常生活。另一方面，不合理的能 源消耗结构导致环境破坏严重。2 0 0 5 年我国的能源消费结构中煤炭占总消费量的 6 9 9 ，同时我国是世界最大的煤炭生产和消费国，产量和消费量分别占全球的 3 8 4 和3 6 9 。由煤炭燃烧产生的二氧化硫所造成的污染也日趋严重，成为世界 上二氧化硫排放量最大的国家，国际环境压力越来越大。因此，加大开发利用可 再生能源的力度是一项利国利民的长期战略国策：在长远来看，可以代替传统能 2 l 绪论 源，从根本上解决能源问题。 量。2 。2 太器目畿幂l 用 目前太阳能利用主要有三种途径i l 】：光热转换，光电转换，光合作用和光化 学转换。 所谓光热转换是指将太阳光转换成热能加以利用，主要用于太阳能热发电和 其它如取暖、加热、干燥等，诸如太阳能热发电和太阳能热水器、太阳能温室、 太阳能干燥、太阳能制冷等。目前太阳池、太阳海水淡化浅处于实验阶段。 中国的太阳能热水器技术已相当成熟【2 圳，太阳能热水器已形成行业并保持高 速发展态势，已成为世晃上产销量最大的国家。太阳暖房分主动式和被动式，医 前我国的太阳房正在朝主被动结合式太阳房方向发展。中国的太阳能干燥器技术 已获得了很大的进步。冒前中国研制的太阳能干燥器可以归纳为以下三种类型： 温室型、集热器型和集热温室型。中科院广州能源研究所研制成功了中国首座太 阳能空调热水系统【4 “j 。 太阳能的光能热利用的发电形式主要瑟钥有太阳能烟筒发电、塔式发电、碟式 发电和槽式发电等 所谓光电转换是指将太阳光直接转换成电麓加以利用 3 - - 6 ，蠢前常用的有单晶 硅、多晶硅、非晶硅光伏发电等。 近年来，太阳熊电池得到飞速发矮，2 0 世纪8 0 年代以来，发展为以硫化镐、 砷化掠等新型半导体材料为基础的无机太阳能电池和以份普( 又称都花普) 、酞普及 时绿素等为基材的有机太阳能电池太阳能电池的效率( 即光能转化为电能的比例) 也得到很大的提高，例如单晶硅太阳能电池的效率从最初的6 o 提高到2 4 7 ； 当今世界上光电转化效率最高的当属砷化掠多结太阳能电池，它在特定的阳光条 件下，光电转化效率已高达3 5 o ，并向4 0 。o 的高峰攀升。太阳能电洼广泛 应用于大型公共建筑、交通以及航空航天和通讯行业。 光合作溺和光化学转换是指光合作用把太阳光转换成生物质能储存起来，光 化学转换将光太阳能直接转变成化学能，如太阳能发动机等。 无论是哪种形式的太阳能利用，都受到太阳能能流密度低且受地理、昼夜和 季节等的影响所具有的间断性和不稳定性的限制。在太阳能热利用方面，为了保 持供热或供电装置连续稳定的运行，就需要采用蓄热装置来储存太阳能，在太阳 能不足时蒋释放出来，从而满足连续运行的要求。 1 2 3 蓄热技术 目前主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热或相变蓄热和化学反应蓄热三种 【9 d 2 1 。显热蓄热是利用物质的温度升高来存储热量的。这种蓄热方式在各类蓄热方 式中是最篙单，应用也最广泛。但该方式在实用上存在占地面积大、蓄热温差大等 3 重庆大学硕+ 学位论文 问题。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。发生化学反应时， 可以有催化剂，也可以没有催化剂，这些反应包括气相催化反应、气固反应、气液 反应、液液反应等。这种贮能方式虽贮能密度较大，但往往技术复杂且使用不便。 相变蓄热是利用相变物质( p h a s ec h a n g em a t e r i a l ，p c m ) 在凝固熔化、凝结气 化、凝结升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理。相 变蓄热具有蓄能密度高、蓄热温差变化小等优点。 根据蓄热介质的相变温度高低，相变蓄热又划分为低温( 1 5 - 9 0 c ) 、中温 ( 9 0 一- 5 5 0 ) 以及高温( 大于5 5 0 ) 蓄热三个范围【1 3 。水、石蜡以及无机水合盐 是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，低温潜热蓄热主要用于废热回收、 太阳能储存以及供暖和空调系统。中高温相变材料主要采用中高温熔盐类、混合 盐类和金属及合金等。中高温熔化盐类主要是氟化盐、氯化物、硝酸盐、碳酸盐、 硫酸盐类物质，混合盐类温度范围宽广，熔化潜热大，但盐类腐蚀性严重，会在容器表 面结壳或结晶迟缓。中高温潜热蓄热可用于热机、太阳能电站、磁流体发电以及 人造卫星等方面。中高温相变蓄热具有效率相对较高、运行设备相对紧凑、质量 相对较轻等优点。 蓄热技术的研究应用主要在以下几个领域： 太阳能热储存，太阳能虽然拥有总量巨大等许多优点，但是它同时具有能量 密度低、间断性和不稳定性等缺点。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行， 就需要蓄热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和 生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热 等的太阳能装置都需要储存热能。即使在外层空间，在地球轨道上运行的航天器由 于受到地球阴影的遮挡，对太阳能的接收也存在不连续、间断的特点，因此空间发电 系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。太阳能蓄热技术包括低温和高温两 种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，石蜡以及无机水合盐也比较常 用：高温太阳能蓄热系统大多使用高温熔化盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热 介质。 电力调峰及电力余热储存，电力资源的短缺是人类长期面临的问题，但是电力 资源的浪费却非常严重。对于水电站，用电低谷发不出的电能只能通过放水解决。 如我国的葛洲坝水利枢纽工程，其高峰与低谷的发电输出功率分别为2 2 0 万k w 和 8 0 万k w 。蓄热技术仍是目前回收未并网的小水电、风力发电的一个重要手段。 对于火电厂，采用蓄热装置不仅可以经济地解决高峰负荷，填平需求低谷，以缓冲蓄 热方式调节机组负荷更方便。而且可以节约燃料，降低电厂的初投资和燃料费用，提 高机组的运行效率和改善机组的运行条件，从而提高电厂的运行效益和改善电厂的 利用率，降低排气污染，改善环境。对于太阳能电站，蓄热器的放热不仅仅是由于高峰 4 1 绪论 负荷的需要，也可由于供能的不足，或兼而有之；蓄热器的储热不仅仅是由于负荷降 低，也可由于供能过多，或兼耨有之。因此，蓄热不仅削峰，而且填平了低谷。对于核 电站，采用蓄热技术可使反应堆的运行最安全和最经济。对高峰负荷采用核电机 组与蓄能楣结合的形式可以减少单独的高峰负荷机组的需要量，同样还可减少低效 率高峰机组使用的优质燃料。这样核电站可以按基本负荷运行，燃料的温度交变降 到最低限度，对燃料元件的损害就可以降到最低。 工业余热废热储存，嚣前工韭热能储存采用的是荐生式加热炉和废热蓄能锅 炉等蓄能装置。采用蓄热技术来回收储存转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中 的废燕，既节约了能源，又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水酶消耗量。在造 纸和制浆工业中，燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差，采用蓄热装置后，可以提 高其负荷适应能力。在食品工业的洗涤、蒸煮和杀菌等过程中，瞧于负荷经常发生 波动，采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。在采暖系统中热能的生产随需求 的变化要随时调整，因此蓄热的作用显得更加重要。借助蓄热装置，可以降低能量转 换装置以及二次能传输系统的设计功率。在电熟采暖和供应热水的过程中，可以把 用电时间安排到非高峰时期，从而降低运行成本。采用蓄热装置后，不存在部分负荷 运行情况，能量的转换效率提高。 在太空中的应用，蓄热能在太空的利用主要有两种方式：一种是目前普遍采用 的光电直接转换系统，采用太阳能电浊和化学蓄电池来提供稳定的电能；另一种便 是空间太阳能热动力发电技术，先将太阳能转化为热能，再利用热力循环将热能转 化为电能。美国从6 0 年代就开始了吸热蓄热器的研究，g a r r e t t 公司先后设计了3 k w 、1 0 1 5k w 的空间热动力装置，试制了各主要部件，并进行了大量的性能试验。 目前国内外除中温相变蓄热材料和蓄热技术的研究和应用较少外，对低温和 高温相交蓄热技术进行了褶当多的研究，相应的产品与技术也相对比较成熟，且很 多已实现商品化。日前一些新兴的蓄热技术正受到重视，如利用浓度差蓄热的吸 收式热泵又称化学热泵，作为蓄热和低晶位废热升级利溺的有效技术装饕受到人们 的重视。低温蓄热技术尤其是0 c 时的潜热蓄热方法，利用昼间放热、夜间储冰的 0 c 低温潜热蓄热( 储存冰) 技术已成为当前空调李亍业的研究开发热点，并成为重要的 节能手段。高温蓄热方面，人类空间探索规模的不断扩大，必然促进高温相变蓄热 技术不断取得进展。随着纳米技术的发展，将纳米技术与复合相变蓄热材料结合，制 备新型、高效的纳米复合蓄能相交材料。 1 2 4 蓄热材料 相交蓄热材料的种类很多l 搭- 2 3 ，款化学组成来看，可分为无机材料和有机材 料及混和相变材料。从储能的温度范围来看，可分为高温、中温及低温等类型。 按储能过程中材料相变可分为固一液相变材料和雹一固相变材料以及固一气楣变材料 5 重庆大学硕士学位论文 和液气相变材料。其中后两种由于体积变化大等因素不具有实用性。储能材料通 常由多组分构成，包括主储能剂、相变温度调整剂、防过冷剂、促进剂和防相分 离剂等。 无机类p c m 通常包括中低温段的结晶水合盐，中高温段的熔熔盐、金属合金 及其它无机物。结晶水合盐具有储热密度大、导热系数高及相变时体积变化小等 优点，但过冷度大，通常需加成核剂处理。金属及其合金一般导热系数大，且体 积变化率小，但储热密度小且价格不菲。使用较多的主要有碱及碱土金属的卤化 物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐及醋酸盐等。有机类p c m 主要包括低温段 的石蜡和中低温段脂肪酸和其它有机物。石蜡由直链烷烃混合而成，随碳链的增 加熔点和熔解热增加，其优点是熔解热大，一般不过冷、不析出、性能稳定、无 腐蚀性。缺点是导热系数小和密度小。脂肪酸特点与石蜡类似。 混合p c m 主要是有机和无机两种p c m 的混合物。现已发现的p c m 在6 0 0 0 种以上。 固固p c m 具有体积变化小、过冷度小、不析出、热效率高和稳定等优点， 主要包括交联高密乙烯和多元醇等。多元醇之间混合可得到相变温度较宽的混合 p c m ，但多元醇在固固相变温度以上时转变为塑性晶体，易挥发损失。近年来高 分子材料已成为该领域的一个研究热点。 美国研制的l i f c a f 2 相变材料已用于空间站太阳能热动力发电系统中阱。2 6 】。 皮启铎研究了用硫酸钠、卤化钙盐溶液作为相变材料来储存太阳能。华中理工大 学等用铝合金相变材料研制出储能式聚光太阳灶。北京航空航天大学主要针对高 温范围，以空间太阳能热动力发电系统吸热蓄热器为研制对象，以高温熔盐 l i f c a f 2 、非共晶熔盐混合物等作为p c m ，熔点高达9 9 0 k 以上 2 7 2 8 】；李爱菊等 研制了硫酸钠氧化硅定形复合蓄热材料，熔点高达8 8 0 k 以上。秦鹏华等应用6 0 # 石蜡和低密度聚乙烯、高密度聚乙烯作为支撑物，研制出了不同的定形p c m ，其 熔点为6 0 - - 6 2 。c t 2 7 1 。对于中温相变蓄热材料的研究和制备的报道则相当少。庄正宁 等通过调整n a o h k o h 混合盐的摩尔组成比，可使其熔点为1 4 5 6 , - - - , 3 1 8 2 ，这样 可根据实际需要，配制相应组分的混合物，但仅局限于部分热物性参数的实验结果 介绍f 2 明；王华等在制备和研究熔熔盐金属基材料、熔熔盐陶瓷高温p c m 时，许多 熔熔盐及其复合p c m 的熔点正好处在中温范围内，但大部分是基于数值模拟研究 的结论。 对相变材料的开发，国外已进入实用阶段，主要用来控制反应的温度，利用 太阳能及储存工业反应中的余热和废热。相变材料有良好的应用前景，但目前还 存在一些有待解决的问题。作为相变材料主要应满足的要求有合乎需要的相变温 度；熔化潜热高；性能稳定，可反复使用；相变时的膨胀收缩性小；导热性好， 6 1 绪论 相变速度快；相变可逆性好；原料价廉易得、无毒、无腐蚀性等。实际中要找到 满足所有这些条件的相交材料是困难的，主要考虑相交温度和相变潜热。 今后的研究方向为选取性能更好的封装容器和载体基质，防止过冷和相分离 的新方法，改善相变材料的导热性能，提高复合材料的性能等。 1 2 5 蓄热器结构及强化传热技术 相变蓄热器结构随应用范围的不同而不同【3 2 1 。一种典型的蓄热器结构如图 所示为空闻太阳能热发电系统的吸热蓄热器结构示意图。结构主要由一个圆柱腔 形吸热器构成，循环工质换热管均匀分布在圆柱腔的内壁，换热管上套装若干个分 离的p c m 容器，高温相交材料封装在容器中。吸热器的两头分别为工质入叠和出 口总管。吸热器的前端为石墨挡板，挡板的中间为入射窗。整个吸热器外面用多层 保温材料绝热。太阳能反射器反射的热流一部分直接入射到换热管的表面；一部分 通过换热管间的间隙经过内壁的高反射内衬反射到换热管的背面；另一部分热流 入射到吸热腔底板。入射到吸热腔的熊量也会有一部分通过入射窗辐射损失。还 有部分能量通过腔壁导热损失。入射热流在换热管轴向分布的不均匀以及工质导 管内壁工质换热的不同使得吸热腔各表面的温度分布是不均匀的，需要通过吸热 腔的辐射热交换计算来确定换热管的实际轴向入射热流分布，进而得到整个吸热器 的传热性能。 盎 羔震 哥储 圈1 1 相变蓄热器结构原理图 f i g u r e 1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fh e a te x c h a n g e rw i t hl a t e n th e a ts t o r a g e 包覆换热管的相变材料容器可采用两种结构形式：同心套管形式。套管的 环形空闻函径向翅片分隔，每个翅片上牙两个孔。制造时先将翅片焊在瘛管上，褥 套上外套管，从端部充灌p c m 后密封。翅片既能强化传热，又能改善空穴分布，防 止啦现热松脱。单个独立的相变材料容器。每个小容器分别套装在工质导管上， 容器与气管的交界面用钎焊连接以减少接触热阻。 另外一种典型的相变蓄热结构是板式或管式 4 3 1 。如图所示，相变蓄热材料充 7 重庆大学硕士学位论文 装在板式或管式容器中，然后装入大的容器中，其间留有空隙通道供传热流体( 用 于加热或冷却p c m ) 流过。罔中的管式相变蓄热器利用了真空管集热技术。板式 或管式相变蓄热器结构简单，适宜于中低温相变蓄热。 侍热流 体入口 栀式容器 蛐m 心) 蚰蛐3 盐盐) 3 ) ) 3 & ；圈噩圈i：哑墨密墨匠卫盈墨翻： ：雹蕊盔口匠盈皿墨盈： h 隧弼蕊h 嚣1 5 广q - l , 喂：l 黑, , 圈, ) ：i 图l2 板式相变蔷热器结构示意圈 f i g u r e l2s c h e m a t i eo f p l a l eh e a l e x c h a n g e r w i t h l a t e n t h e a ts t o r a g e g 葛9 创1 4 p c m 内填充金属环 f g u r e l4p c m f i l l e dw i t hm e t a lr i n g # 黼 体口 圈13 管式相变蓄热器结构示意幽 f i g u m l3s t r u c t a l r eo f p i p eh e a te x c i a i g e t w i t h l a t e n th e a ts r o r a g e 图15 管外p c m 中加翅片 f i g m c l5 0 u t - f i n - t u b eo s e d i n p c m 绝大部分相变蓄热材料的导热系数都相当低，因此，太阳能相变蓄热器必须 考虑强化传热措施以提高蓄热换热效率和速度才能达到实用的目的。目前为止， 提出了很多相变蓄热材料强化传热的方法。常用的方法有相变蔷热材料内添加金 属、翅片管、添加铝屑或铝片等，还有一种方法是将相变蓄热材料灌注在金属多 孔层中以增大介质中的热传导性能。最近几年，有研究者提出在石墨多孔材料内 呻；i挂鏊=j整蠢l j i；) 1 绪论 充灌相变蓄热材料来强化传热。常用的相变蓄热强化换热技术如图所示。最近也 有采用微胶囊相变蓄热材料制备蓄热换热器的技术，其主要目的是增大换热面积。 这两种蓄热换热方式虽然都能较大提高蓄热换热性能，但较高的初投资成本限制 了其推广应用。 由于热管具有优良的热传导性能，相变蓄热器强化传热结构中也有采用热管 技术的m 】。热管分为三段，靠近腔口的一段为吸热段，该段在热管上没有任何附 加物。中部为储热段，在储热段的热管上套以多个分离的环型截面的相变蓄热材 料( p c m ) 容器，相变材料封装在容器内。由于在吸热段和储热段中间有隔板， 在日照期只有吸热段能接受到太阳辐射热流。此时吸热段成为热管的蒸发段，而 储热段和换热段成为冷凝段，提供热量熔解p c m 和加热流体。在阴影期，吸热段 除有少量通过腔口的辐射热损失外，基本处于绝热状态，储热段则由冷凝段转变 为蒸发段，换热段仍为冷凝段，此时p c m 凝结放热仍有热量提供给换热段，使得 空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。热管的这一特殊结构决定了热管具有较 高的传热能力、良好的等温性和热流密度变换的能力。由于p c m 不直接接收太阳 能，所以吸热器的直径能被减到最小。由于空间热动力发电介质温度较高，热管 工作温度一般在5 0 0 以上，高温热管内工作介质为金属钠。但高温热管的成本一 般较常温热管高。 图1 6 热管强化相变蓄热换热技术 f i g u r e l 6ak i n do f h e a tp i p eu s e di nl a t e n th e a ts t o r a g et oe n h a n c eh e a tt r a n s f e r 9 晕庆人学硕l j 学位论文 譬叠 彝鬻曝薹：i 幽17 机加i 二维翅片强化传热管 f i g u r e l7s t r u c t u r eo f ap i n - f i n - t u b eu s e d i nh e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t 廖光压等早在上个世纪9 0 年代取得了表面强化传热j 维针翅管设计和加工的 专利技术，现已实现t 业化生产，并在余热回收、传热强化等领域得到广泛的应 用。如图所示为在机械加工的铜质三维针翅管，其具有1 0 倍左右的扩展表面比， 翅片高度可以达到2 0 m m 左右，用于相变蓄热结构中将有显著的强化传热效果。 1 3 课题研究的内容和目的 131 研究目的 针对传统的相变莆热强化传热技术存在工艺复杂、成本较高的缺点，本课题 拟采用二维整体针翅管强化柏变蒂热材料的传热，提出种整体针翅管式中温相 变蓄热换热器结构，并建市实验台测试浚蓄热器的蓄、放热性能，研究影响换热 性能的各种因素，并比较分析光管和针翅管相变蓄热器的莆放热特性。 l3 2 研究内容 为研究相变蓠热换热器的授热特性和实际使用性能，奉课题实验研究内容如 f ： 实验测试整体纠翅管式中温相变蓄热换热器的的蓄、放热过程，对比分析 光管和整体针翅管相变蓄热换热器的蓄、放热特性； 通过改变工质流量和温度以考察运行工况条件对蓄、放热性能的影响规律； 分析蓄热换热器内的温度场以考察自然对流对相变过稗中实际换热特性的 影响研究整体针翅管相变芾热换热器性能的影响因素和机理。 2 光管相变薷热器蓄放热性能实验 2 光管相变蓄热器蓄放热性能实验 2 。l 实验准备 2 1 1 实验目的 相变蓄热具有储能密度大、过程中温度变化小的优点，在太阳能利用、工业 废热利用、负荷调峰等领域具有很好的应用前景。本文提出整体针翅管式中温相 变蓄热换热器，并同时设计了一套尺寸和结构完全相同的光管相变蓄热换热器， 以耀于比较分析两者的换热性能，本章首先对光管蓄热换热器的相变换热性能进 行测试和分析，再研究工况改变对换热性能的影响。 2 1 。2 实验系统 系统组成 图2 1 为光管相变蓄热换热器实验系统原理图。系统中泵l 起着输送传热 工质空气的作用，通过塑料软管与手动球阀联接；手动球阀2 安装在转子流量 计的入口，一是用于保护流量计，二是用于调节空气流量；玻璃转予流量计3 用于监测空气的流量，系统巾按照要求采用垂直安装；加热器4 在熔化时起着 对空气的加热作用，用于模拟太阳辐射热流；调压器4 用于调节加热器的功率， 实现不同的空气入掰湿度；设备6 是实验本体，帮相变蓄热换热器，内部装光 管，管间充装相变材料赤藻糖醇。熔化时，空气由加热器加热，热空气流经换 热器内的光管，空气热量通过管壁传递给相变材料，以潜热和少量显热的形式 储存于相变材料中，相变材料的熔点在1 2 0 左右。 实验主要部件分别介绍如下： 1 ) 换热蓄热器 换热蓄热器结构见图2 2 和图2 3 ，蓄热器整体外形为长方体箱体，总长 5 0 0 m m ，截面为边长1 5 5 m m 的正方形，由厚度为5 m m 的钢板焊接悉成，外部采 用石棉保温，保温层厚约为4 0 m m