（热能工程专业论文）中常温相变蓄热的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 自上个世纪7 0 年代能源危机以来，相变贮能的理论与应用研究在世界发 达国家迅速崛起并得到不断发展，其研究和应用涉及材料科学、太阳能、工程 热物理、空调和采暖及工业废热利用等领域。 我国相变贮能的理论和应用研究与西方发达国家相比还相当薄弱。已经出 台的旨在利用“削峰填谷”缓解电网负荷峰谷差过大的峰谷电价分时计价制已 使相变贮能成为研究和应用热点。本文在已有理论和实践的基础上，从以下几 个方面作了较为深入的研究。 全文共分为五个部分，硬脂酸相变过程中热性能的测试与分析、相变蓄热 式电暖器的设计与模拟是本文的重点。首先主要说明了课题研究的背景和意义、 介绍了贮能技术的概念与分类，国内外相变蓄热研究的进展与状况；其次对第 二类边界条件下环形区域内硬脂酸融化问题进行了实验研究。测定了不同热流 密度下径向温度分布曲线及固液相变界面随时间移动曲线，分析了加热棒加热 功率对融化速率的影响。通过比较加入肋片前后的融化时间、界面移动速度， 分析了肋片对于融化过程的强化作用。然后是硬脂酸凝固问题的实验研究，分 析了换热流体进口温度、换热流体r e 数大小对凝固过程的影响，绘制了凝固过 程中热流密度变化曲线，比较了螺旋肋肋宽对强化传热效果的影响。最后从相 ：莲材料的选取到电暖器蓄热与传热的设计计算、电暖器自控电路的设计，以及 电暖器的最终装配，都做了比较详尽的叙述。建立了电暖器流动与传热的简单 数学模型，对电暖器工作过程进行了模拟，并与电暖器的实测结果进行了比较。 关键词：相变蓄热相变材料圆液界面硬脂酸 a b s t r a c t s i n c e e n e r g y c r i s i so c c u r r e di n 1 9 7 0 s ， l a t e n th e a tt h e 咖a l e n e r g y s t o r a g e ( l h t e s ) h a sg a i r l e dm o r ea t t e n t i o n t h a nb e f b r ed u et oi t s b e i n gt h ek e y e l e m e 】1 t oa c c o m p l i s he n e 曙yr e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no fs o l a re n e 唱y ，i n d u s t r i a l w a s t eh e a ta 1 1 do f r p e a ke l e c t r i c 咄 ( ：o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u m r i e s ，i nt h i sa r e a ，c h i n a8 t i uh a sal o n gw a y t o g o i no r d e rt os h mt h ep e a l ( h e a t i n ga 1 1 dc o o l i n gl o a d st oo 辱p e a kh o u r s ，c h j n e s e g o v e m m e n t h a sc a r r i e do u t 也e “p e a ka n do 昏p e a kp r i c e ”p o l i c ya n dr e s e a r c hd b o u t l h t e si sg m d u a l l yb e c o m i n gan e wf o c u sa g a i n b a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h ef o l l o w i n ga s p e c t s a f ci n v e s t 培a t e di nm i st h e s i s 1 1 l e e m p h a s e si n t h i sp a p e r a r et h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so ft h e n n a l c h a r a c ：t e r i s t i c so fs t e a r i ca c i da sp h a s ec h a n g em a t e r i a la j l dt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n o ft kl a 把n t h e a tt h e 衄a 1 s t o r a g e r a d i a t o la tf i r s tt 1 1 e b a c k g r o u l l d a n d s i g n m c a n c eo ft h ew o r ka r em a i n l yi n t r o d u c e d ，a sw e ua sm ec o n c e p ta n dt y p eo f t h e r m a ls t o r a g e t h e nt h et h e 肌a lp e r f o r m a n c eo ft h eu n i ti s m e a s u r e da n dh e a t t r 觚s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f m e n i n gp r o c e s so fs t e a r i ca c i di ss t u d i e du n d e rd i 岱j r e n t h e a tn u xc o n d i t i o n st od e t e h n i n et h ei n n u e n c eo f h e a tn u xo nt h em e m n 碡p r o c e s s a n e wf l ni sd e s i g n e da 1 1 df i x e dt om ee l e c t r i c a lr o dt oe n h a n c et h et h e r n l a lr e s p o n s eo f s 把a r i ca c i da n dt h ei n f i u e n c e so f 也ef i ns i z ea n dd i t c ho nm ee n h a i l c e m e n ta r e s t u d i e da t l d a n a l y z e d t h e f o l l o w i n g i st l l e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s o n s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fs t e a r i ca c i d t h ei n n u e n c e sw h i c hm e i n l e tt e m d e r a t u r ea n d r e y n ( ) l d s n u m b c ro ft h e c o o i i n g w 砷巴rh a v eo n 山es o l i d m c 砒i o n p r o c e s s 盯e p r e s e l l t e d f i g u r e st h a td i s p l a yh o w h e a tn u x c h a i l g ev e r s u st i m eh a sb e e nd r a w na l 】d a n a i y z e d i nt h ee n d ，c h o o s i n gp c m ，d e s i g nc a l c u l a t i o na n da s s e r n b l yo ft h er a d i a t o r a r ed e s c r i b e di nd e t a i l s m a t h e m a t i c a lm o d e l o nh e a tt m s f e ro ft h el h t e sr a d i a t o r i sa t t e m p t e dt oe s t a b l i s h ha l s oe x p l a i n st h er e s u l to f t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc u r v e a c q u i r e db ye x p e r i m e n t a ld a t aa 1 1 dt h eo n ef r o mm o d e l k e yw o r d s ： l a t e n th e a tt h e r m a l e n e r g ys t o r a g e p b a s e c h a n g em a t e a ls o j i d j i q u j d i n t e r f a c es t e a r i ca c i d i l 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题的背景 能源与环境问题是当今世界所面临的两大难题。在我国，随着国民经济的 调整和发展，能源与环境问题愈来愈严重，已经成为制约我国经济发展的瓶颈 n 日题： ( 1 ) 能源消费量的快速增加与环境污染：据统计，从1 9 7 8 年到1 9 9 7 年改革 ，髓女的2 0 年间，能源消费总量大约增加了1 5 倍( 从5 7 1 4 4 万吨标准煤到1 4 2 0 0 0 万砘标准煤) 。不仅如此，由于受自然资源客观条件限制，我国的能源生产 与消费结构极其不合理，煤炭一直占我国能源生产和消费总量的7 5 左右。这 样，一方面能源消费量的增加必然伴随着对环境污染的加重( 众所周知，环境 污染问题的产生大多与用能过程有关) ，另一方面过多地燃用煤炭更使得我国的 环境问题雪上加霜。所以，由于能源的高消费而导致的环境问题愈来愈严重， 受到人们的广泛关注。环境问题已成为当今社会的热点问题，它直接关系到人 类社会的生存和发展。因此，解决或控制能源消费过程已是迫在眉睫的硬任务。 ( 2 ) 我国的能源生产( 消费) 严重落后于国民经济的增长，能源消费( 生产) 弹性系数低。据统计，自1 9 8 3 年到2 0 0 0 年的十七年中，我国的能源消费对g d p 的平均弹性指数为o 5 0 ，而2 0 0 0 年和2 0 0 2 年更低，分别为o 2 l 和o 2 5 ，均低 于世界平均水平。这说明，提高用能效率，节约能源，仍然是当前解决我国能 源问题的重要途径之一。 ( 3 ) 太阳能、风能等非连续性新能源开发推广不够，新能源利用的技术层次 低，在新能源的推广利用方面与西方发达国家有着非常大的差距。 欲解决上述能源紧缺、能源消费快速增长与环境污染之间的诸多矛盾，应 从下述三个基本方面入手： ( 1 ) 加强节能工作，发展新的余热利用技术。 ( 2 ) 大力开发利用太阳能、风能、生物能等新洁净能源。 ( 3 ) 最大限度地减少一次能源的直接消费，尤其是直接民用消费，发展商效 经济的干净能源民用技术。 然而，所有这一切都必须以先进的热能储存技术为基础。因此，热能储存 是能源科学的重大问题，开展热能储存技术的研究有着重大的现实意义。 自7 0 年代中期以来，热能贮存技术的研究在热物理、木料和化工界得到了 广泛的关注。这在很大程度上与当时中东产油国使用“石油武器”，使世界上一 些二【业大国重视太阳能利用的研究有关，因为太阳能是一种间断和稳定性差的 能源，研究高效而经济的蓄热技术就占有特别重要的地位f 2 “。 当然，蓄热技术的应用背景很广，远非仅限于太阳能利用。各种企业部门 中凡需大量利用热能的地方，为提高热能的生产和利用效率，利用蓄热装置来 协调热能供求在时间和强度上的不匹配是经济和可行的方法。 由于本课题对于相变过程中的强化传热问题也作了深入研究，因此下面就 来介绍一下强化传热技术的背景。 首先，世界面临着能源短缺的局面。开发新能源和节约能量消耗引起了世 界各国有关部门的普遍关注。设计和制造各类高性能换热设备是经济开发和利 用能源的最主要手段之一。这对于动力、石油、冶金、化工、制冷及食品等工 业部门都有着极为重要的意义。 其次，随着航空、航天及核聚变等尖端技术的发展，各种热设备的工作温 度也在不断提高。为了保证热设备能有足够长的工作寿命和在高热效率下安全 运行，必须可靠而经济地解决高温设备的冷却问题。强化技术在能量系统领域 也很重要，这是由于有时需要在很短的一段时间内从能量循环中放出大量的热。 同样的问题也存在于化学热泵系统。它利用固体与气体间的内热和外热反应， 用固体微粒储能床来提高换热面积。然而，储能床有效热传导系数过低，这个 问题在这些系统的实际应用中是一个主要的障碍。在这个领域，用金属肋片和 金属线作为强化技术都被测试过。 最后，随着巨型计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设 备中的释能密度日益提高，有的竟高达1 0 5 w m 3 以上。电子元件的有效冷却， 是电子设备性能和工作寿命的必要保证。 正是上述因素促使人们对强化传热技术进行极为广泛的研究和探讨，力图 从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量实验资料中总结其规律性，以 便在工业上加以推广应用，并发现新的、更为经济和实用的强化传热技术。从 5 0 年代中期以后，强化传热方面的文献逐渐多了起来。到了6 0 年代，强化传热 研究工作开始大发展，每年都发表七、八十篇报告。进入7 0 年代以后，每年增 加到l o o 多篇研究报告及专利，截至1 9 8 3 年1 1 月底，发表的强化对流换热文 献累计已超过3 0 0 0 篇，其中包括了许多有实用价值的公司专利。现在，强化传 热已成为传热研究和发展中的一个极为重要的组成部分。 1 1 2 课题的意义 蓄热技术的历史源远流长，工业应用就可以追溯到1 9 世纪的蒸汽机时代。 在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调领域中，为了调整热能供应与人 们需求之间的不一致，热能的贮存是极为关键的一环。蓄热方法主要有显热蓄 热、潜热蓄热。所谓显热式蓄热，就是通过加热介质，使其温度升高而蓄热， 也叫“热容式蓄热”，其技术最为成熟，但由于物质显热有限，所以其设备庞大， 成本高，不便于推广民用。潜热蓄热是利用蓄热介质被加热到相变温度，发生 相变时吸收大量相变热而蓄热，它也叫相变式蓄热。物质由固态转变为液态( 熔 解) ，由液态转变为气态( 气化) ，或由固态直接转变为气态( 升华) ，都会吸收 相变热；而进行逆过程时则释放相变热。这是潜热式蓄热所依据的基本原理， 在没有专门说明时，相变式蓄热一般是指固液相变蓄热。潜热蓄热密度高，储 热释热过程温度基本不变，所以相变蓄热系统的效率高，体积小，成本低，便 于推广民用，因而这种蓄热方式近年来在国际上受到极大的关注，成为研究的 热点。 潜热蓄热又可分为高温和中常温两个方向。 高温蓄热主要用于高温( 7 0 0 以上) 热能的储存，主要用来解决太阳能热 动力发电等系统中的能量储存问题。高温蓄热成本高，目前对该技术的研究主 要集中在航空航天领域。 中常温潜热蓄热的温度范围主要集中在2 0 0 以下的低温方向，由于可以 直接用于民用，具有非常巨大的社会效益和市场潜力，因此近几年来，世界各 国均投入人力物力开展这方面的研究，并取得了重大进展。 但是，由于潜热蓄热本身的特点所决定，中常温潜热蓄热技术的研究至今 仍然是一个世界难题，以下几个关键技术与科学问题是制约其进一步的发展的 瓶颈： ( 1 ) 寻找经济实用、性能稳定、相容性好且无毒副作用的相变材料 理想的相变材料应该有高密度、高比热、高热传导、统一的相变温度、较 小的体积变化率、很小的过冷度等优点。然而，实际上很难找到这么一种能够 满足以上所有条件的相变材料。在很多情况下，采用一些技术手段可以改善某 些不尽理想的性质。例如，将成核剂加入到成核性很差的相变材料中可以减小 过冷度。从热传递的观点来看，相变材料应该有较大的热传导系数来满足换热 器所需的传热系数。热传导性的促进剂过去常用于具有低导热系数的相变材料 上。 被经常作为蓄热研究用的相变材料是石蜡。虽然石蜡在低于1 0 0 时是最有 用的相变材料之一，但它的热传导性很低，对于石蜡，许多研究者用肋片、蜂 窝、多孔介质等用来强化传热。 硬脂酸的应用已有1 5 0 年左右历史。最初是用于制造蜡烛，以后，随着石 油工业的发展，蜡烛主要用石蜡制造，但硬脂酸的用量并没有减少。由于硬脂 酸无毒、无味、熔点高、流动性好，具有可塑性、润滑性等特点，因此在许多 工业部门得到越来越多的应用，成为用途目益广泛的轻工、化工原料。硬脂酸 ( c 1 8 h 3 6 0 2 ) 融点一般在7 0 左右，有较大的融熔潜热，在经过长时间的释放热 循环后不会有明显的降性，适合用于家用蓄热系统。但是，与其它有机相变材 料一样，硬脂酸的导热系数也很低，只有o 2 w m ，一般很难满足蓄热系统的 换热要求，因此对其相变过程中传热性能的研究有着非常重要的意义。 ( 2 ) 液- 固、固液相变传热强化技术 固液相变( 融化与凝固) 传热过程在各种工业工程和现代科学技术中有着 重要应用。在相变蓄热技术、太阳能等可再生能源的开发利用技术以及铸造、 食品加工等过程中，固- 液相变传热过程的强弱往往对整个过程起着决定性的作 用，对固一液相变过程进行有效控制和强化是这些工艺过程中的关键技术。所以， 对固液相变传热过程的研究引起了人们广泛的兴趣。人们已经提出的方法主要 有加入铜等高导热系数金属做成的金属粉末、金属网、金属纤维p c m ( p h a s e c h a n g em a t e r i a l s ：相变材料，以下简称p c m ) 复合材料以及各种肋化表面等。所 有这些方法仍然处在探索阶段，距实际应用仍然有相当大的差距。 ( 3 ) 潜热蓄热过程的数学物理模型及其计算机数值模拟技术 p c m 在蓄热系统中储热释热过程的数学模型及其数值计算技术是潜热蓄 热技术研究的另一个热点问题。一方面因为全面准确的数学模型及数值计算技 术是蓄热系统工程设计与系统优化的要求，另一方面也是因为p c m 的相变换热 过程非常复杂，涉及到导热、对流甚至辐射等多种换热模式，对于多组分p c m ， 还会涉及非常复杂的化学、晶体物理学和化学热力学问题。所以，对该问题进 行深入研究，不仅是发展潜热蓄热技术的需要，而且还必然拓宽传热传质学的 研究范围，深化传热传质理论，形成新的学科交叉点。此外，多组分p c m 在相 变过程中其温度是变化的，存在着复杂的传质过程和由固液密度差而产生的形 状无法提前预测的非均匀空穴，还有形状和位置都未知的复杂移动边界。所以， p c m 储热、释热过程的数学模型及其数值计算技术也引起了人们广泛的兴趣。 但目前对这类问题还没有较好的解决办法。 因此，现在的中常温相变蓄热研究主要就集中在以上几个方面。解决其中 的任何一个问题都需要大量的研究工作，本课题的工作之一是对于硬脂酸这种 相变材料的物性及传热特性的研究。 研制相变蓄热电暖器是本课题的另外一个重要内容。 应该说，建设扬水电站和压缩空气蓄能电站是缓解电力负荷峰谷差的较理 想途径，因为基于热力学的观点，电能和位势能都是高级能。这方面，原苏联 的经验十分成功。但建造此类电站耗资大、历时长，且受地理条件限制。在很 多国家，政府的电力部门为缓解电网峰负荷峰谷差过大，确保高效稳定用电， 大多采用昼夜电价分计制，旨在鼓励用户在夜间负荷低谷期贮能，将贮存的能 量在次日白天使用。这种方法既有利于电站进行负荷的峰值调整，保证发电设 备高效运行，又可使用户节省电量，是一种用户和电力公司都乐意接受的政策。 在这种政策的鼓励下，相变蓄热电器的研究，开发和推广就具有非常重大 的意义： ( 1 ) 若是在用户端大规模地采用蓄热能力大，效率高的相变蓄热电器，可以大 大减少局域锅炉房的建设，使热源全部由燃烧效率高的电厂来提供，节约了能 源，减少了环境污染。 ( 2 ) 现在的燃油，燃气锅炉初投资高，运行费用更高并且有安全问题，相比之 下，利用低谷电的蓄热电锅炉则弥补了以上缺点。 ( 3 ) 现有的电热取暖器、电热水器加热功率都较大，且不具有蓄热功能。当一 栋楼或一个居民区较多人同时使用此类电器后，常出现电路负载过重、使用区 域电压过低、影响电器正常使用的问题，且电路中电流较大，使用很不安全， 对实行电网峰谷电价分计制的地区，其运行费用也较高。而使用相变蓄热电器， 可以采用小功率加热，使加热时间贯穿整个低谷电价时段，消除安全隐患，减 少电费开支，又因其具有高的蓄能密度，可以节约宝贵的房屋空间。 纵然社会需求使得相变蓄热产品有着非常诱人的前景，中常温相变蓄热的 研究却无法低成本产业化，过低的导热系数是束缚其进一步发展的瓶颈。所以 对相变传热强化技术进行深入的研究，不仅具有重要的理论意义，而且有着重 大的现实意义。 1 2 国内外的研究现状 国外 近年来对于有机相变材料的物性及传热特性研究，土耳其的a h m e ts a r i ，和 k a i i l n k a y g u s u z 做了大量实验工作。他们通过d s c ( d i 腩r e n t i a ls c a n n i n g c a l o l j m e t r y ：差示扫描量热，以下简称d s c ) 分析及充放热实验分别对棕榈酸吼 肉豆蔻酸【6 】、月桂酸f 7 1 等其他酸类有机物进行了研究，分析了这些酸类有机物的 融化和凝固过程，绘制了大量物性曲线。 对于相变蓄热充放热过程的强化方式的研究已有大量的文献发表，很多研 究者把加装不同形状的肋片作为一种效率较高的强化方式来研究，做了大量实 验和哩论工作。 ：；p a i t o w 在1 9 8 1 年就进行了加纵肋竖直圆管内的p c m 凝固过程的实验研 究婵1 ，他指出当温度低于熔点时，主要传热方式是导热，加肋后和加肋前凝固 导热系数比要小于加肋管与不加肋管的面积比，温度在熔点以上时，占主导地 位的传热方式是自然对流，这时的传热系数比等于面积比。 1 9 8 2 年s m i t h 和k o c h 用有限差分法对加肋大平板侧的相变导热过程进行 了数值计算一j 。 s a u e r 【1 0 】描述了外部融化与内部凝固同时进行的潜热蓄热，即系统是由两个 同心圆管套装在一起形成的，p c m 充满内外管所包围的环形空间，冷流体流过 内管的内侧，热流体则冲刷外管的外侧，肋片均匀分布在p c m 区域。 e r e i ( 1 1 a r 实验研究了一种对于熔融p c m 的强化传热方法】：在上下两个等 温平板间加装纵肋，这样不仅提供了导热强化的途径，并且促进了自然对流。 融化区的照片显示：在纵肋附近引发的浮升流体使得p c m 融化的速度加快了。 p a d m a n a b h a n 和心i s h n am u n l l y 【1 2 j 分别在绝热管与等温管之间的环形槽道 里加装矩形肋与环形肋两种肋片，进行测量与参数分析，在所得结果基础上又 提出了求解凝固速率的公式。 l a c r o i x 对p c m 在壳侧，传热流体在管内的管壳式储热单元进行了数值模 拟i i ，对于不同的管径、流体速度和进口温度，实验数据与数值计算的结果互 相得到了验证。 除了管板的肋化之外，其它强化技术也已有很长的研究历史。 在熔融的p c m 中均匀散布具有高导热系数的物质颗粒1 1 4 】，是s i e g e l 早在 1 9 7 7 年做的工作，他给出了三种几何布置中p c m 凝固的一维分析解：大平板 侧，管内，管外。他指出虽然传热系数得到了提高，但由于颗粒的加入，蓄热 能力也随之减少，对于三种布置来说强化效果由强到弱依次是管内、管外、大 平板侧。 s t o v a l l 和m i m i l l i i l 5 j 测试比较了三种提高导热系数的方法，第一种是加入网 状金属，第二种是用由s s 3 0 4 制成的肋片替代5 5 0 的p c m ，第三种是散入 熔融的锂泥。 j u nf u k a i 和m a k o t ok a n o u t 等人对碳纤维的强化性能做了研究【1 6 】，他们在 盛有石蜡的圆管中散乱的加入碳纤维，进行测试；在同一根管中放入碳纤维做 成的刷子，纤维指向与热流方向一致，结果发现后者的强化效果明显强于前者。 2 0 0 0 年k e n d a l lt h a r r i s 用焓分析法建立数学模型对多孔介质中的相变过程 进行研究【l ”，得出预测相变程度随时问变化的方法。 另外，一些相变蓄热产品已经在国外市场上出现，图1 1 是德国o i s b e r 2 公 司利用低谷电蓄热的电暖器的照片。 图1 1 德国o l s b e r g 公司研制的蓄热电取暖器 f 训一1ak i n do f e l e c t r i c a ls t o r a g er a d i a t o rf r o mo l s b e r g ，g e n t l a n y 国内 我国贮能相变材料的理论和应用研究与发达国家相比还比较薄弱。主要工 作如下： 重庆大学张洪济教授对相变热传导进行过系统研究”。 华中理工大学陈文振教授等对水平矩形管、圆管、椭圆管中p c m 的接触融 化问题进行了研究【1 9 j 。 中国科技大学的陈则韶教授对p c m 潜热测定做了系统化的研究【2 。 张寅 平教授等在共晶p c m 熔点及其融解热的预测方面、在堆积床相变换热器性能研 究方面、在蓄热相变材料制备及改善相变材料导热性能方面进行了一些工作 1 2 1 。2 4 1 ，并申请了“速冷保温容器”、“相变恒温取暖器”等多项专利。 另外，我国许多地方已实施利用“削峰填谷”缓解电网负荷过重、峰谷负 荷差过大的电价昼夜分计制，使相变贮能成为研究和应用热点。集中空调和热 泵系统要求与之相匹配的p c m 贮冷热系统，这使得我国近期内p c m 的应用研 究主要集中在与之相应的p c m 的材料选配及性能改善、相变蓄热器的设计和性 能优化、整个系统的设计和性能优化方面【2 5 引】，此外，利用相变材料研制节能 建材和构件、开发新型日用品也是今后相变材料应用研究的一个重要方向。 圈1 2 是国内一家公司的相变供热蓄能系统。图1 3 是由张寅平等人发明 的种相变蓄热式电热水器( 专利申请号：9 5 2 5 0 2 1 5 1 ) 。它包括有带温控或时 8 控开关的电加热器、盛水容器及进出水管，其特征在于，它还包括一个盛装有 高温相变材料的隔热容器，所述电加热器的加热段伸入该容器，所述高温相变 材料包围在电加热段的周围。在该容器内还设有一根换热水管，该换热水管的 一端伸出容器外与进水管接通，另一端敞口，伸入到盛水容器内腔的近底部。 当电加热器与电源接通时，电热段的升温使高温相变材料融化，热量以相变潜 热形式蓄积；到需用热水时，先打开换热水管进水阀，冷水进入换热水管，融 化的高温相变材料使水沸腾，形成高温蒸气并进入盛水容器，以凝结方式加热 由另一进水管进入盛水容器的冷水，由于换热水管及盛水容器的两个进水管道 都开通，冷水源源不断进入容器，故其出水口持续有热水流出，直至关闭进水 阀或高温相变材料的温度不能使换热水管内的冷水加热为蒸汽为止。 小结 作者通过阅读大量文献得知，对于硬脂酸这种融点合适，蓄热能力较大的 相变材料，国内外的d s c 分析及较全面的传热特性研究还不是很多，因此本文 的重点就放在硬脂酸相变过程的传热特性研究上。 另外国内外对于相变过程传热强化的实验研究多停留在加入高导热系数金 属线、颗粒或肋片，通过提高平均导热系数来强化传热过程。但我们知道，对 于相同体积的蓄热容器来说，加入这些金属物质，势必会影响总的蓄热能力。 本课题强化传热研究部分采取了不同的方法，那就是在螺旋肋片材料用量确定 之后改变肋片的螺距，以期在不减少蓄热能力的同时增加肋片的强化效果。 最后，虽然现在已经有很多相变蓄热产品问世，但是都存在体积过大、供 暖不足、操作不方便的缺点，且封装的相变材料价格昂贵，不利于市场化。针 对这些问题，我提出了自己的设计方案：采用廉价的石腊作为相变材料；一改 过去整体封装的模式，进行分管封装，改善了相变过程的传热系数，弥补了石 腊导热系数较低的缺点；加装全自动温控装置，实现智能化；加装风机，增强 换热。 喜来水 a ) 系统示意图 生活水 b ) 主机照片 图1 - 2 分散式相变供热蓄能系统示意图与照片 f i g l _ 2d i s 蚋b u t i n gt h e m a ls t o r a g es y s t e mu s i n gp c ma ss t o m 薛m e d i a 弄 暖 一 哿界一f：、。 。 夏能热鬟一 雨蓄供装一 l 一隔热攫；2 一真交桶；3 一承辫；4 一迸球换热管；5 一电加热船 6 一隔热层 7 一淋浴器；8 一蒸汽沸水出口；9 一连水阍 图卜3 相变储能式热水器 f 培1 3e 1 e c t r i c a ls t o r a g ew a t e r h e a t e ru s i n gp c m 1 3 主要研究内容 本课题的主要任务是对硬脂酸相变过程中传热的强化技术进行理论与实验研 究，希望对我国的相变传热研究及相变蓄热产品开发提供一些有价值的数据。 同时，争取开发成功一种相变蓄热电取暖器。于是，论文的重点内容包括： ( 1 ) 硬脂酸融化过程传热特性的实验研究 ( 2 ) 硬脂酸凝固过程传热特性的实验研究 ( 3 ) 相变蓄热电暖器的设计与装配 ( 4 ) 相变蓄热电暖器的测试与数值模拟 第2 章硬脂酸融化过程中热物性及传热特性的实 验研究 2 1 融化实验的准备工作 2 1 1 实验目的 由于相变材料的融化过程会吸收大量热量且保持恒温，所以在废热利用， 设备冷却等领域有很广泛的应用。但是废热吸收及设备冷却过程要求热量必须 以很快的速度被吸收并储存起来，热流密度一般较大，而相变材料的导热系数 一般都比较低，因此探索并研究相变材料在融化过程中的传热特性及强化传热 方式就显得尤为重要。本章对于恒热流密度下硬脂酸融化过程做了全面的分析， 这包括：测试硬脂酸的融化曲线，分析热流密度和相变蓄热管的放置方式对整 个融化过程的影响，比较加入螺旋肋后硬脂酸融化速度的变化。 2 1 2 实验系统 如图2 一l 所示，实验装置包括相变材料管、电加热棒、安培表、电压表、 交流稳压器和保温层等。数据采集装置包括t 型热电偶、h p 数据采集仪、p i i i 电脑。不锈钢管内径为4 6 m m ，长5 5 0 m m 。电加热棒与不锈钢管同心，加热棒 的直径为1 9 7 m m ，加热部分长为5 5 0 m m ，贯穿整个不锈钢管轴心。四个热电 偶在距不锈钢管底端2 5 5 c m 的同一截面上按径向分布，距圆管轴心的距离分别 为1 0 m m 、1 4 3 3 m m 、1 8 6 6 m m 和2 3 m m 。保温材料发泡聚氨脂的导热系数为 o 0 2 6w m ，所加保温材料使散热损失控制在1 之内。强化实验中，螺旋肋 直接焊接在加热棒上。 实验所用相变介质为分析纯硬脂酸( c 1 8 h 3 6 0 2 ) ，用d s c 进行的三次重复测 试如图2 2 所示，图中升温曲线下的面积为硬脂酸的融化潜热，所作直线与升 温曲线的切点( 即起始点) 为硬脂酸的熔点，由图可知，所用硬脂酸的融化潜热 约为2 2 4 3k j ，k g ，熔点约为6 7 7 。图中纵轴单位是m w m g ，为1 秒内l 毫克 硬脂酸的吸放热量。 实验仪器 h p 3 4 9 7 0 a 数据采集仪，显示精度：o 1 电容储能式点焊机( 北工大材料学院连接学科部) 6 1 4 - d7 k v a 电子交流稳压器 接触调压器( 北京双龙调压器厂) 调压范围：o 2 5 0 v ；精度等级o 5 交直流电表( 哈尔滨电表仪器厂) 交流电调节范围：o 5 a ；精度等级0 5 a ) 实验装置连接示意图 b ) 相变材料管内部结构图 1 h p 数据采集仪2 电压表3 电流表4 相变材料管外套管5 交流稳压器6 p i i i 电脑7 玻璃转子流量计8 自吸泵9 低温水浴1 0 电加热棒1 1 附着热电偶的聚四 氟乙烯棒 图2 1 融化实验系统示意图 f i g 2 _ ls c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ea p p a r a t u s d t 9 2 0 8 型数字万用表( 深圳f u k e 仪器有限公司) 精度等级：士0 5 酸性丽烯酸脂胶粘剂 聚匹氟乙烯棒 测量范围为0 1 5 0 i i l i n 的游标卡尺 p i i 】电脑 保温材料聚乙烯( 导热系数o 0 2 6 w m ) 2 2 融化实验的实验过程 首先将硬脂酸充入加热棒与不锈钢管之间的环形槽道内，考虑硬脂酸的受 热膨胀，预留1 0 的空间。然后用2 6 的水冲刷相变材料管，直至管内相变材 料达到温度均匀，再将交流稳压器、电压表、安培表、数据采集仪和电脑依次 接好，然后打开电源开始加热。当最外边的热电偶t 1 达到8 0 时停止采集和 加热。采集仪的扫描频率为3 分钟次。环境温度尽量维持恒定，管外为自然对 流，因此散热损失可以通过计算得出。在实验过程中加热管的功率变换通过调 压器来实现。结果分析中所提到的热流密度都是指加热棒外壁的热流密度。 图2 - 2 硬脂酸的d s c 分析图 f i g 2 2d s ca n a l y s i sd a t af o rs t e a r i ca c i d 2 2 1 实验台的搭建 ( 1 ) 加工相变材料管 交由加工厂加工，包括加工相变材料管，相变材料管的法兰头套，密封件 等。( 见附录1 ) ( 2 ) 制作铜一康铜热电偶 将铜丝与康铜丝分别穿入不同颜色的塑料套管( 这样做是为了防止金属丝 表面的绝缘漆被磨损，导致短路) ，用电容储能式点焊机制作t 型热电偶( 铜一康 铜热电偶) 4 支。 ( 3 i 封装硬脂酸 将固定好热电偶的聚四氟乙烯载件、底盖拧好，加热棒放入相变材料管中 心卡住( 相变材料管底盖上铣有凹槽) ，使管与加热棒形成环形槽。往环形槽内 注入液态硬脂酸0 8 1 k g ，至其冷却后安装法兰头套。在组装好的相变材料管外 敷设2 0 c m 保温材料( 聚乙烯) ，放置在实验台架相应位置。 ( 4 ：)连接仪表 依图2 一l 所示连接交流稳压器、电流表、电压表、数据采集仪、电脑。由 于线路较多，在开始实验之前，要反复检查，防止短路。 做肋片强化实验时，需在( 3 ) 之前将肋片焊在电加热棒上，重复其它步骤。 2 2 2 数据的采集 每次实验开始之前，要先调节调压器，选定并记录电加热棒两端电压的大 小。然后接上电源，开始采集数据。实验过程中，每隔5 分钟测量一次电压值 与电流值， 用以计算电加热棒实际的加热功率。要尽量保持室内温度( 即不锈 钢管外界温度) 恒定或者变化幅度小。 待未加肋片的几组实验做完后，将相变蓄热管拆开，把肋片焊在加热棒上。 重复其它步骤。 2 2 3 实验数据的误差分析 1 加热功率0 的误差 加热功率q 是用电流i 乘以电压u 计算的。于是加热功率q 的测量误差型 q 可用下式计算， 塑：堕里 q ju 电流表量程为5 a ，精度为0 1 ，于是电流测量的最大误差为 田= 5 o 1 = 0 0 0 5 a 电压表量程为3 0 0 v ，精度为0 1 ，于是电压测量的最大误差为 砌= 3 0 0 0 1 2 0 3 v 实验中，最小工作电流为o 3 a ，最小电压为3 0 v 。这样加热功率的测量误 差约为： 罟= 1 0 ( 等+ 蜘_ 2 7 2 温度测量的误差 温度测量误差主要包括热电偶标定误差、仪表显示误差。 本实验中所使用的热电偶是由标准温度计进行标定的，它的标定误差为 甄2 0 0 1 测温仪表为h p 3 4 9 7 0 a 数据采集仪，其读数可精确到0 1 即：砚= o 1 这样，温度测量可能产生的误差砑约为： 田= 咒+ 皿= o 1 1 3 长度测量的误差 本实验所使用的游标卡尺测量范围为0 1 5 0 m m ，测量精度为o 0 2 m m 。 实验中，两个热电偶间的最小距离为4 3 3 m m 。于是，长度测量的最大相对 误差为： 鲁= 1 0 0 学= o 9 2 3 融化实验结果分析 2 3 1 不同加热功率时的硬脂酸融化过程曲线分析 图2 3 ，图2 4 ，图2 5 表示的是不同加热功率下硬脂酸的温度随时间变化 曲线。由图可以看出：开始由加热棒传给硬脂酸的热量被硬脂酸以显热形式储 存起来，温度不断升高直至达到熔点，当热电偶t 4 温度达到熔点时，我们认为 总融化过程开始。在融化开始前的一段时间内传热方式为纯导热，而硬脂酸是 导热系数很低，所以靠近加热棒的硬脂酸温升都比较快。在融化过程中固液界 面吸收的热量等于其自身吸收的潜热加上沿径向往外层界面导出的热量，三者 大小的不同，会导致各点温度的变化规律不同。例如，最外层t 1 的温度在融化 开始后仍然保持速度缓慢的攀升，而不像t 4 有特别明显的恒温过程，这是因为 t l 外层基本绝热，t 1 处界面吸收的热量几乎全部用来变成潜热。另外，t l 与 t 4 温差随时间不断变化，其规律为先增大后减小，在总的融化过程中存在一个 最大值，如图2 5 ，在2 4 分钟时t 1 与t 4 间的温差最大为2 0 。 时间( m i n ) 图2 3 硬脂酸融化过程中径向温度随时间变化曲线，3 9 2 w m 2 f 唔2 3t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nw i t ht i m eo f s t e a r i ca c i da td i 髓r e n tr a d i a lp o s i t i o n s ，3 9 2 w m 2 时间( m i n ) 圈2 4 硬脂酸融化过程中径向温度随时间变化曲线，8 8 2 w m 2 f l g 2 - 4t b m p e r a t u r ev a r i a t i o nw j t ht i m eo f s t e a d ca c i da td i f f b r e n tr a d i a lp o s i t i o n s ，8 8 2 w m 2 时同( m i n ) 图2 5 硬脂酸融化过程中径向温度随时间变化曲线，1 5 5 8 w ，m 2 f i g2 5t b m p e r a t u r ev a r i a t i o nw i t ht i m eo f s t e a r i ca c l da td i f f 色r e n tr a d i a ip o s i t i o n s ，1 5 5 8 w ，m 2 2 3 2 不同时刻径向温度分布 图2 6 ，图2 7 ，图2 8 是融化过程中不同时刻时温度沿径向的分布曲线。 融化过程没有开始之前，径向温度梯度比较大；加热时间越长，径向温度分布 曲线的斜率就越小，直至最后斜率几乎为o 。这是因为当t 4 处达到熔点后，融 化过程开始，液相区开始产生自然对流，硬脂酸内部的传热过程就同时有导热 与自然对流两种机理完成，且随时间的推移，固液界面往外扩展，这种自然对 流逐渐占主导地位，直至硬脂酸完全融化【3 2 1 。 距离f m m ) 图2 * 6 硬脂酸融化过程中不同时刻径向温度分布图，3 9 2 w m 2 f i g 2 6t e m p e r a t u r ep 呻m ed u r i n gm e l t i n go fs t e a r i ca c i d ，3 9 2 w m 2 径向距禹( m m ) 图2 7 硬脂酸融化过程中不同时刻径向温度分布图，8 8 2 w m 2 f i g 2 7t e m p e r a t u r ep r o n l ed u f l n gm e l t i n go f s t e a r i ca c i d ，8 8 2 w m 2 作为初步近似，忽略液态区的对流作用”1 ，按傅里叶导热定律得出式( 2 1 ) ： a 7 1 q 1 一一 西2 耐五7 ( 2 1 ) 所以由图2 6 我们可以看到，因为半径的增大，曲线在固态区域的斜率要 明显小于液态区域的斜率。1 3 8 分钟时的曲线显示的是完全融化的温度分布，各 点的温度已非常接近，说明自然对流作用不能忽略。 径向距离( m m ) 图2 8 硬脂酸融化过程中不同时刻径向温度分布图，1 5 5 8 w ，m 2 f i g 2 _ 8t b m p e r 砒u r ep r o n l ed u r i n gm e l t i n go f s t e a r i ca c i d ，1 5 5 8 w m 2 2 3 3 、热流密度对融化过程的影响 图2 9 ，图2 。1 0 分别是9 分钟，5 1 分钟时硬脂酸在不同热流密度下的径向 温度分布。由图可以看出，9 分钟时3 条径向温度分布曲线斜率相差比较大，加 热棒壁面处热流密度为3 9 2 w m 2 时曲线斜率最小，1 5 5 8w m 2 时曲线斜率最大， 这是因为9 分钟时，硬脂酸还没有开始融化，b f 比较小，这里 b f = ( r 2 a ) ( 1 口)( 2 2 ) 而5 1 分钟时，因为已经融化的硬脂酸内产生自然对流，减小了管内侧的传热热 阻，使温度分布更加均匀，三条曲线斜率间的差别明显减小。 u v 剖 蜩 毪回炬禹( m m ) 图2 9 硬脂酸在不同热流密度下的径向温度分布比较，9 分钟时 f i g2 - 9c o m p a r i s o no f t h er a d i a l t e m p e r a t u r ed i s 倒b u t i o n su n d e rd i f r e