相变储热换热器文献综述

1、相变储热换热器文献综述1引言在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备， 统称为换热器。 它是化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设 备。对于迅速开展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工 厂得建设中，换热器约占总投资的 1020%。 在石油炼厂中， 换热器约占全部工 艺设备投资的 8540%在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如 加热、冷却、蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过 这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。由于使用的条件不同，换热设备乂有各

2、种各样的形式和结构。另外，在 化工生产中，有时换热器作为一个单独的化工设备，有时那么把它作为某一个工艺 设备中的组成局部。其他如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉， 有时在生产中也是不可缺少的。总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的， 任何化工生产工艺几乎都离不开它。2换热器开展历史简要回忆二十世纪 20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换 热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续开展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板 翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典乂制造出第一台板壳式 换热器

3、，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对 新材料料制成的换热器开始注意。60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅 速开展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器， 再加上冲压、钎焊和密封等技术 的开展，换热器制造工艺得到进一步完善， 从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬 勃开展和广泛应用。此外，自 60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热 和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的开展。 70 年代中期，为 了强化传热，在研究和开展热管的根底上乂创制出热管式换热器。 换热器按传热 方式的不同可分为混合式、蓄热式和问壁式三类。节能和环保已经成为当今世界的两大主题，经济高

4、速开展、人口不断增长、 过度开采和能源的利用率过低导致能源供需矛盾越来越大.能源紧缺受到人们越 来越多的关注，能量存储随之引入了人们的生活。近年来，相变储换热器在太阳能利用、工业废热利用及暖通空调蓄冷和蓄热等领域获得了广泛的应用。相变储换热器有多种形式，如管簇式、球形堆积床式和平板式，一些研究者对其热性能进 行了模拟和实验研究。3实验研究的主要成果3.13.1 相变储能材料的导热强化在潜热储热系统中，相变材料通过凝固和溶化有效地储存和释放大量能量。 相变材料的优点是储热密度大，吸热和放热的过程几乎可以在恒定的温度下进 行。但是，一些相变材料特别是石蜡、脂肪酸等有机相变材料导热系数低的 特点往往

5、是制约其实际应用的重要因素。因此，如何提高相变材料的导热性成为 相变材料研究关注的焦点。同济大学材料科学与工程学院的曾亮等人的研究显示了以下几种强化相变 材料传热的方法：3.1.13.1.1 与金属复合提高相变储能复合材料的导热性能金届基主要包括铝基泡沫铝和锐基等，相变储能材料主要包括各类熔融盐 和碱。金届基复合蓄热材料既能兼备固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优 点,乂能克服潜热材料在相变时液固界面处的传热效果差和显热储能材料蓄热量 小及很难保持在一定温度下进行吸热和放热等缺点，从而使之具备能快速放热和 快速蓄热，蓄热量大的特有性能。这些优点使它可以用于贮存太阳热能和工业加 热炉的余热回收

6、等领域，因此有广阔的应用前景。3.1.23.1.2 与陶瓷复合提高相变储能复合材料导热性能陶瓷基相变储能复合材料主要是将相变材料分布于陶瓷基体的超微多孔网 络中，相变材料受热熔化时吸收潜热，而液态相变材料受陶瓷基体毛细张力的作用 不会流出，从而使相变前后维持复合材料原来的形状。陶瓷基相变复合材料是20世纪 80 年代提出的，主要优点有：可供选择的无机盐种类多；可同时利用显热和潜 热,蓄热密度大；无需封装，不存在腐蚀问题；不存在过冷和相别离的问题1。3.1.33.1.3 利用组合相变材料储热系统强化导热利用组合相变材料储热系统也是导热强化的有效手段。浙江大学能源工程系 王剑锋等人的研究显示，在同

7、一储热系统中采用相变温度不同的相变材料合理组 合，可以显著提高系统效率，而且能够维持相变过程相变速率的均匀性。这一特性 对于储热或放热时间有严格限制的储热系统具有重要意义，且适用于工作温度从 几十度到近千度范围的相变材料已有数千种，这为组合相变材料储热的研究奠定 了应用根底。在组合式相变材料储热系统研究中，相变材料的组合方式主要有两 种:一种方式是沿传热流体流动方向分别放置相变温度不同的两种或两种以上的 相变材料储热单元；另一种方式是在同一储热单元内或沿垂直于传热流体流动方 向通过合理组合放置相变温度不同的两种或两种以上的相变材料。还有一种可能的组合方式是这两种方式的组合。在高温储热系统中，特

8、别是储热系统工作温区 较大的高温储热系统，组合相变材料储热系统将表达其独特的应用特色。无论是 哪一种组合方式的研究和应用，都必须获得给定传热流体工作条件下相变材料的 最正确组合方案；或者在给定相变材料组合方案前提下获得传热流体的最正确匹配2。3.23.2 相变储热换热器结构设计本文要讨论的相变储热换热器届问壁式换热器，而问壁式换热器按结构分为 以下几种：一夹套式换热器；二沉侵式蛇管换热器；三喷淋式换热器； 四套管式换热器；五螺旋板式换热器；六板式换热器；七板翅式 换热器；八热管式换热器；九列管式换热器3。化工生产中使用得比拟多的有板式、板翅式、管壳式(列管式)以及热管式换热器。3.2.13.2

9、.1 平板式相变储换热器平板式相变储换热器结构简单，相变容器内部可布置传热管道，可实现同时充 放冷。活华大学张寅平等人建立了分析板式相变储换热器储换热性能的理论模型 采用温度和相变界面交替迭代法进行求解。为描述此类问题的本质，引入量纲一参数，得到了相应的量纲一储换热准那么公式 ，并讨论了加肋片后的强化换热效果 4。3.2.23.2.2 管壳式相变储换热器管壳式换热器的应用已有很悠久的历史。 现在，它被当作一种传统的标准换 热设备在许多工业部门中大量使用， 尤其是在化工、石油、能源等行业中使用更 为广泛。一般来说，管壳式换热器制造容易，生产本钱低，选材范围广，活洗方 便，适应性强，处理量大，工作

10、可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、 传热强度和单位金届消耗量方便无法与板式或板翅式换热器相比，但它由丁具有前述的一些优点，因而在化工石油、能源等行业的应用中仍处丁主导地位。 在换 热器向高温、高压、大型化开展的今天，随着新型高效传热管的不断出现，使得 管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新生命力5。广东工业大学何秀芳等人利用优化设计理论对管壳式相变储能换热器进行 优化设计的方法。以该装置的本钱为优化目标，储热量、放热时间、传热量、加 工和防腐要求作为约束条件，得出了最正确的管子半径、厚度及管子根数。根据优 化设计理论，目标函数可表小为管材和储能材料费用总和的表达式：

11、F=F管+FPCM其中：F管为管材的费用，其值为管材总质量与管材价格的乘积，即M管C管,管材的总质量 M管可表示为 r、a、n 的函数：M 管=兀(r2+&)2-兀 r2Hn P 管FPCM为储能材 料的费用，其值为储能材料总质量与储能材料价格的乘积，即 CpCMMpCM，储能材料 的总质量也可表示为 r 和 n的函数：MPCM=E2HnPpCM。而约束条件有：换热器 储热量、传热量、放热时间、加工及防腐要求、几何约束 6 o3.2.33.2.3 热管相变蓄热换热器为解决工业余热回收中供、需双方在时间、地点、强度等方面的不匹配现象， 上海海事大学蓄冷技术研究所的章学来等人将热管应用丁相

12、变蓄热领域中,设计了热管式相变蓄热换热装置。将实验所得的相变材料运用其中，利用锅炉排放的 烟气作为热源，采用热管作为加热元件，并在烟气段添加环形翅片，加热冷水， 使其成为多功能的节能型热管式相变蓄热换热器。装置不仅有储热、释热的一般 功能，而且还具备取放热同时进行的功能，在此功能下，热源的热量可以瞬时、 有效的传递给进行取热的流体。而被相变材料所吸收的热量仅占很少的局部。 通 过一定工况下的计算说明，约 70%的热量可被传递给取热流体。工作原理:换热器大致分 3 层，第一层冷流体通道，中间为蓄热体空间，第 三层为热流体通道，三层互相独立，互不相通。在热流体通道内有带翅片换热元 件的热管，上面两

13、层均为光管，自上而下贯穿 3 个空间，传递热量。通过时间温 度控制器控制烟气热量通过加热翅片管加热相变材料。相变材料发生相变，储存 显热与潜热，通过均布的热管传递到水中，将水加热，相变材料也逐渐发生晶格 变化-凝固，释放所存潜热后其温度开始下降7。I-保温层热管,3 -隔fe.4-导热金福糊片.5 -底部金属更抨蒸一iW变时间控制照,7-珥水U.S -圳气iW隹遍告阀,9 -烟代退口,10-温度时间控制器也水11,温族时丽控独器，13-烟 X 出U J4 - tfl业材料.15 -吹灰遥道换热器结构图3.33.3 有限元仿真分析在换热器设计中的应用广西大学化学化工学院朱志彬等人应用ANSYS

14、软件分别对厚壁圆筒受压情 况、换热器换热过程进行计算模拟，并与理论计算结果进行了比拟讨论。分析结 果说明，ANSY 瑚有很高的计算精度和强大的分析功能，可作为化工机械设计辅助 分析的强有力工具，反映了该软件在化工机械设计中具有广泛的应用前景。ANSY 驱序中的 FLOTRAN CFD 析功能是一个用于分析二维及三维流体流动 场的先进的工具，使用 ANSY 卸用于 FLOTRAN CF龄析的 FLUID 141和 FLUID 142 单元,可对含有多种流体的由固体隔开热交换器进行研究。ANSY 毓体单元能进 行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压 力和通过每个单元

15、的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布 的形显示。另外，还可以使用三维外表效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕 流并包括对流换热效应8。郑州大学郭茶秀等人利用计算流体力学软件FLUENT 凝固/熔化模型对一种相变材料蓄冷球的凝固过程进行数值模拟研究，得到了在第一类边界条件下蓄冷 球凝固过程的温度场分布、相界面移动规律，并分析了凝固时间与壁面温度和球 径的关系。所得到的结论对相变问题的数值模拟以及相变蓄能装置的设计具有重 要的参考价值。他们的研究说明 FLUENT分析相变传热问题中具有独特的优势： 它界面友好，操作方便， 计算简单快捷， 具有强大的前后处理功能， 是进行相变数值

16、 计算的强有力工具 9 。4小结随着现代工业的开展，人们越来越多地关注与可持续开展密切相关的能源 和环境问题。 设法缓解能源供需在时间、地点和强度上的不匹配问题是节能和 环保的有效途径之一。潜热式能量存贮是一种高效的贮能方式，与显热式能量 存贮相比，具有能量密度高和充/释热温度稳定等优点，相关的应用研究已得到 广泛的关注。近代换热器制造加工技术日趋成熟， 将新型相变储热材料与传统换 热器相结合，制造新型相变储热换热设备具有较大开展空间。与传统换热器比，由于要在换热器中添加相变储热材料， 而大多数的相变储 热材料的传热系数低，成为换热器强化传热的“瓶颈。结合本专业特点与优势， 主要从改进结构设计入手，来提高相变储热材料传热系数，降低热阻，从而到达 能量利用率的最优化的目的。随着电脑技术的开展，有限元仿真技术得以更加方便的使用， 结合有限元分析设 计，可以大大降低相变储热换热器设计实验本钱， 加快设计速度，为产品早日投 入市场创造了条件。由于是要投入工程实际中的产品，故还应考虑其生产本钱的经济性，利用最 优化设计原理对换热器结构进行最优化处理。参考文献1 曾亮，周春玉，张东，相变材料导热性能强化的研究进展，材料科学与工程 学报，上海，2021。2 王剑锋，陈光明，陈国邦，欧阳应秀，组合相变材料储热系统的储热速率研 究，太阳能学报，杭州，20