流体温度及流速对铝管内石蜡传热性能的影响.docx

1、第39卷第1期2012年1月Vol.39,No.IJan.,2012华北电力大学学报JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity流体温度及流速对铝管内石蜡传热性能的影响甘雪菲，何正斌，伊松林，张璧光(北京林业大学材料科学与技术学院，北京1灿83)摘要：分析了铝管外换热流像温度及流速时偌管内石靖储放然性能的影响，并通过简化君蜡相变模型,反推得到放热过程中液相石蜻区域半径。结果表明：风速越大，储热时间越短，最短的储然时间为1380s,属于温度为80笆、风速为3m/s的情况；在一定温度下，风速越大，管壁温度下降题快，放然时间越短；通过反推液相区半技发现，政速越

2、小，石蜻凝回越慢.放热结束时的液相区越大；技小液相半径出现在空气温度为80T,风速为1.5m/s的情况下，其依为4.19mm。关键词：相变储格；石蜡；热传导；新固半径中图分类号：QO5I.8+92文献标识码：A文章编号：1007-2691(2012)01-0087-06Theeffectofairtemperatureandvelocityonheat-conductingpropertyofparaffinfilledinaluminumtubesGANXue-fei,HEZheng-bintYISongdin,ZHANGBi-guang(CollegeofMaterialSciencean

3、dTechnologytBeijingForestryUniversity.Beijing1OOO83.China)Abstract:Theeffectofairtemperatureandairvelocityonheattransferperformancewasstudiedinthispaper.Theradiusofliquidzonewasoblainedwithinversemethodbasedonasimplifiedphase-changemodel.Theresultsshowthat：thelargerthewindspeed,thetimetostoreheatiss

4、horter.Theshortestlimeis1380secondswith80Yairtemperatureand3m/sairspeed;Inacertaintemperaturetthelargerthewindspeedtthemorerapidlythetubewalltemperaturedropsandtheshortertheexothermictimeis;Itisfoundfromradiuscalculationthatthelowerthewindspeed,themoreslowlytheparaffinsolidifiesandthelargertheareaof

5、liquidzoneisattheendofexothermicprocess;Theleastradiusofparaffinliquidzoneis4.19mmwith80Yairtemperatureand1.5m/sairspeed.Keywords:phasechangeheatstorage；paraffin;heatconduction;solidificationradius。引言为了使能址在供需上得到较好的匹配，储热系统已经成为能量利用的重点研究对象，在太阳能利用、电力的“削峰填谷”、废热和余热回收等领域口具有广泛应用前景。一般而言，储能系统对能量的作用至少包含两次能虽转换过

6、程，而每一次转换过程都会使能做有所损失或贬值。因此，提高储热系统的能破转换效率，其意义不收稿日期：2011-08-30.矗金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划“木材太阳能F燥相变储热系统特性及优化匹配的研究言而喻。储热材料的种类繁多，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒，无腐蚀等优点其中石蜡类有机物除具有有机化合物的优点外，其相变潜热量大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。然而，与其他材料相比，石蜡作为储热材料最大的不足则是导热性能较差，人们对此展开了大量的研究。文献6基于集总参数法和矩形相变等效比热假设建立了相变材料的相变过程温度模型。文献7

7、对相变潜热随温度变化的变温固液相变过程进行了数值分析计算，并重点分析了相变潜热随温度变化对相变过程的影响。文献【81对石蜡的导热性能进行改进，为石蜡作为储热材料更为广泛的应用提供了实验基础。文献9用导热系数比较高的不锈钢片，铜片和石墨-相变材料复合材料作为添加剂来提高导热流体与相变材料之间的导热系数，结果表明，通过添加剂可以大大缩短相变储热材料的熔化时间和凝固时间。文献10通过金属泡沫来增加石蜡的导热系数，结果表明，在石蜡熔化过程中，金属泡沫可以将传热速度提高一倍。文献11研究了周列壳管式蓄热设备，重点对技术等级石蜡的熔化凝固过程做了相应的传热分析。文献12基于集总参数法和矩形相变等效比热假设

8、建立了相变材料的相变过程温度模型。文献13选取壳管式单元体进行传热分析，建立数学模型编制程序选取初始参数进行算法演示，得到石蜡蓄热、放热过程中水流温度-水流经过的管道-时间、水流经单元体管道的换热量-水流经过的管道-时间、石蜡凝固/熔化半径-不同管道-水流循环次数等关系量间的变化曲线，对储热系统的设计起到了很大的指导作用。文献14对不同温度下石蜡的熔化情况进行了研究，得出了石蜡熔化的规律，并提出了改进石蜡导热性的办法，为石蜡作为储热材料更为广泛的应用提供了实验基础。在实际使用时，并不都是大ht石蜡聚集在一处，而是被分散地盛装在小规格的容器中。试验中石蜡装在直径为20mm的铝管中，大量铝管按照一

9、定的顺序排列起来形成储热管束。由于管径较小，铝管的体积限制了石蜡相变时的各种运动。比起大空间下相变过程受对流、固液共存区域移动等的影响，管内相变过程更多地受制于铝管的条件，如铝管厚度、铝管导热性能、管外风速风温等。该系统储热放热是较复杂的热最传递过程，其中涉及到石蜡各相区之间的热传导.石始与铝管壁之间的热传导以及空气与管壁之间的换热。石蜡中心与管壁的温差反映了石蜡管导热性能的好坏，而导热性能则影响着空气与管壁的换热性能。因此本文对石蜡管管壁温度与石蜡中心温度的关系进行了研究，并通过简化相变模型反推了放热过程中液相石蜡的半径，为进一步探索储放热过程中铝管内石蜡的传热性能打下基础，同时给类似的储热

10、系统的设计提供参考依据。1材料与方法1.1试验材料与设备石蜡：54号半精炼石蜡，熔点54潜热r=189kj/kgo铝管：外径20mm,内径18mm,长度240mmo储热单元：将石蜡熔化后灌装于铝管中，单根铝管灌装量为0.04kg,铝管两端用胶塞密封。储放热系统：可控温加热系统，循环风机，热线风速仪，叉排管束（如图1所示，长度285mm,宽度350mm,高度240mm,st=54mm,$2=40.5mm,管排数为7）。数据采集系统：温度传感器TP100热电偶，数字巡检仪，电脑。图1叉4$管束储热系统Fig.1Staggeredtubebankthermalstoragesystem1.2试验方法

11、试验过程中.空气温度分别取607080丁，风速分别取1.5,2,2.5和3m/s,在每个给定的试验条件下，通过传感器实时监控并记录18个测温点（分别是储热系统的进口、出口，各3个;铝管外壁温度4个；管束内部空气温度4个；石蜡中心温度4个）并得到各个测点的平均值。（1）实验步骤储热过程：打开电加热器，加热空气温度至603C,然后调节风机变频器，使60弋的干空气以1.5m/s的风速流过石蜡管束，加热石蜡。当石蜡中心温度升至60丁时，储热完成。（2）放热过程储热完成后立即关闭加热器，打开排气口，将空气热址带走（模拟实际应用，假设热址12经使用)，以使放热过程顺利进行。当储热系统进口温度等于或者大于出

12、口温度时，试验结束，即完成一个放热过程。改变温度及风速条件，重夏上述步骤，直至完成所有实验。2结果与讨论2.1温度与风速对石蜡储放热性能的影响如图2所示，在储热过程中，石蜡前期升温很快，而在大约54T开始，石蜡中心温度呈缓慢上升状态，除了由于石蜡需要吸收大址潜热以外，空气温度与管壁温差的逐渐减少也是导致储热换热效果下降的主要原因之一。在风速为1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的条件下，储热时间分别为4740s,4320s,3860s,3780s,放热时间分别为3120s,2420s,2240s,2200so在放热过程中，风速越大，温度曲线越陡，即石蜡管壁温度以及石蜡中心温度下降越快

13、，并R放热时间越短。(a)风速为1.5m/s/S间时/S何时(d)风速为3m/s(b)风速为2m/s(c)风速为2.5m/s石耕中心管壁il度空代温度ffl2空气温度60T不同风速时石心放热曲钱TheheatnloragrandreleasecurveofparalTinwith60Xairtemperature于一致。虽然由于石蜡释放大所潜热，使得放热8070605040302080，3020观察图3储热过程可以发现.在空气温度为807060504。3020(a风速为1.5m/s(b)风速为2m/$石蜡中心管壁温度(c)风速为2.5m/s空代温度20/S间时(d)网速为3m/s图3室气温度7

14、0T不同风速时石蜡储放热曲线Fig.3Thehealstorageandreleasecurveofparaffinwith70XairtemperatureFig.2由传热学知识可知，空气横掠管束的换热过程中，空气与管壁的温差是影响换热效果的关键因素之一。在其他条件一定的情况下.空y与管壁间的温差越大，换热效果越明显，即换得的热最更多。在储热过程中，空气与管壁的温差随着储热的进行而逐渐减小，空气温度基本决定了石蜡储热最终温度。在放热过程中，空气与管壁的温差起初较小，然后逐渐增大，在放热即将结束时乂逐渐减小。石蜡中心与管壁在储热过程中温差不大，而在放热开始时立即产生温差，并迅速增大，在放热即将

15、结束时温差缩小，二者温度趋期间管壁与空气的温差增大，促进换热，但是管壁温度曲线并不似石蜡温度曲线那样具有孤度,并FL比起石蜡中心与空气的温差，可见损失不少。由此可知，热量从铝管外传递至石始中心,其传热过程是较为顺利的，而当热址从石始中心要:传递到铝管外则有一定的困难。随着温度升高，储热时间逐渐缩短。图3中，在70龙储热温度，风速为1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的条件下，铝管石蜡的储热时间分别为3000s,2720s,2520s,2280s,放热时间分别为3680s,3040s,2480s,2340so70龙的条件下，管壁温度与石蜡温度温差较空气为60T条件下的温差有明显增大，并

16、且随着风速增加，管壁温度更接近于空气温度。可以知道，在该条件下，石蜡与管壁的热传导效果不如空气与管壁的换热效果，铝管温度受空气温度以及风速等管外因素影响更甚。由于该放热过程前期是显热释放，图3中石蜡中心温度的线的弧度更好地反映石蜡释放潜热的相变过程。比较图3(a)至图3(d)可以看出,图3(a)中的石蜡中心温度曲线的孤度最为明显,说明石蜡在释放潜热时，其热最并没有及时传递到铝管外，而是停留在中心处，使得石蜡中心长期地维持较高的温度。低风速使得石蜡管束储热系统在空间上换热更均匀，但是换热效果较差。如图4,在80Y储热温度，风速为1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的条件下，铝管石蜡的W

17、807060504030201003-号(a)风速为(b)风速为2m/s(c)风速为2.5m/s(d)风速为3m/s石姑中心一1?壁温度空气温度图4空气温度80T不同风速时石蜡储放热曲线ThehealKtorageandreleasecurveofparaffinwith80TairtemperatureFig.4储热时间分别为1760s,1860s,1700s,1380s,放热时间分别为3820s,3060s,2660s,2480s。相比低温储热，高温储热的温度曲线对石蜡吸收潜热时的反映较不明显。并且管壁与石蜡中心温差较小。可以认为该温度下，石蜡管储热的导热性能较好。图4(a)为所有试验的放

18、热过程中，唯一能明显看到管壁温度曲线呈现弧度，与石蜡中心温度曲线相似。由此可知，就本实验而言，风速为1.5m/s,初始换热空气温度为80勾条件下，石蜡与铝管的放热导热性能最佳。另外，比较60T,7080七的放热曲线可以知道，换热空气初始温度越高，停止放热时石蜡中心的温度越低，即有效放热温度区间更长°如在风速为2m/s条件下，60P的放热区间为57.9341.55无，80无的放热区间为77.4038.053C。2.2利用简化模型反推凝固半径将铝管内石蜡看作圆筒的稳定导热，由于铝管K度L=240mm与外径d=20mm之比大于10,近端处轴向温度变化忽略不计，温度只沿半径r方向变化，整个放

19、热过程视作一维热传导，其等温面是与管壁同轴的圆柱面。把铝管石蜡分为3大部分，七为石蜡液相区半径,I为铝管内径，r,-r,为石蜡固相区，心为铝管外径，L为铝管壁厚，如图5。在放热过程中，随着石蜡放热凝固，石蜡的液相区将逐渐减小，视模型液相区各处温度与液相区中心，即石蜡中心温度相同。图5铝带内石蜡模型Fig.5ThemodelofparafGnfilledinaluminumtube根据稳定导热公式(1)反推液相区半径,从而可以得到铝管石蜡放热过程中，石蜡的凝固状态。Qn=;(1)frifi,r,式中：a为石蜡放热的热流最，叩遥为铝管长度,m；T,为石蜡中心温度，K；7为铝管外壁温度，K；k、为固

20、相石蜡导热系数，“/(mK)；奶为铝管的导热系数少为所求石蜡液相区半径，mm；弓=9mm为铝管内径；6=10mm为铝管外径。所求石蜡液相区半径结果如图6所示。从计算结果图6可以看到，石蜡最终没有完全凝固。01000200030004000时间/s01000200030004000时间/sEE0*12S:S*§04.区S海01000200030004000HM/S(c)温度为80C风速LSm/s风速2.0m/s风速2.5nVs“风速3.0m/s图6石蜡液相区半径Fig.6TheradiusofparafGnliquidzone当放热结束后取出石蜡管观察，中心呈松软的熔融状，可见石蜡仍储

21、有少部分热量不能释放出来。石蜡释放潜热时，液相区半径以较慢的速度减小，当潜热释放结束后，石蜡急速凝固，液相区半径急剧减小。最小半径值为4.19mm,出现在空气温度为80X：,风速为1.5m/s的情况下，与石蜡管放热导热性能达到最佳时的条件相符。这是因为风速越小，石蜡凝固越慢，凝固越充分，与之前提到的，低风速下石蜡导热更稳定均匀相吻合。并且由前面对空气温度的分析比较可知，空气初始温度越高，停止放热时石蜡中心温度越低，故石蜡凝固越多，液相区半径越小的低温条件较高温条件换热更不充分，由于在液相区半径较大的情况下换热已经停止，导致石蜡残留的热传较多，在实际应用中应尽域避免热量的浪费。从石蜡液相区初始半

22、径的数值变化以及放热终了时液相区呈现熔融状态等可以知道，在简化的模型中计算难免存在一些误差。为了建立精确的相变模型，不仅要考虑固液共存区域，同时仍需要考虑中空现象。因为铝管内石蜡凝固时，受管壁影响，固态石蜡附着在铝管内壁，中心呈窝状下陷，这就容易导致中间形成空洞，实际情况将更加复杂。3结论(1) 空气温度越高，风速越大，则储热换热效果越好，储热所需时间越短，最短的储热时间为1380s,属于温度为80无、风速为3m/s的情况。低温储热更能反映石蜡吸收潜热的情况。(2) 在一定温度下，风速越大，放热时间越短。管壁温度下降越快，温差增大，可换得热扯更多。较低的风速，对于石蜡管束储热系统，在空间上换热

23、更均匀，热量的释放也较为缓慢，但是容易导致热量集中在石蜡中无法被换取出来，造成能量的浪费。(3) 通过反推半径发现，风速越小，石蜡凝固越慢，放热结束时的液相区越大，最小液相半径出现在空气温度为80T,风速为1.5m/s的情况下，其值为4.19mm。该方法推算石蜡凝固半径对建立精确的相变模型具有一定的参考价值,对在实际中影响甚至控制放热过程有一定的指导意义。参考文献：1王守涛.蓄能式空调系统中有机相变材料的研究D.大连：大连海事大学，2008.2MondalS.Phasechangematerialsforsmarttextiles：AnoverreviewJ.AppliedthermalEng

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