热能存储热交换器中使用热管技术的研究(中文版)

1、Energyxxx(2016)1-10热能存储热交换器中使用热管技术的研究AmirAminia,JeremyMillera,HussamJouharab,*a科技中心Spirax-Sarco工程公司.RunningsRoad,Cheltenham,Gloucester,GL519NQ,UKb未来能源研究所,在食物链中使的可持续能源中心办事处（CSEF）,工程学院设计和物理科学,BrunelUniversity,London,UKI,/亠文章信息摘要文章历史：收到20151211收到修改后的版本2016213接受2016215网络上可获取xxx找到一个解决方案来存储工业余热以供未来使用，从而减少

2、能源的使用，已经成为近年来的一个趋势。本文研究了潜热热能存储系统的性能，这种系统是使用一种相变材料在小体积范围内存储或者释放大量的能量，并与显热热能存储系统进行了对比。在这项研究中，通过将嵌入式翅片水热管道装入相变材料当中从而解决了相变材料低导热系数的问题。在这次研究中使用的热管和相变材料槽都是使用316L型不锈钢制成的。这项研究中使用的相变材料是PLUSICES89，它的熔点为89摄氏度，凝固点为77摄氏度。热管的蒸关键词：热能存储（TES）相变材料（PCM）发段是通过冷凝蒸汽流来进行加热的。在蒸发段中吸收的热量然后通过热管的多足翅片式冷凝器被相变材料吸收。PLUSICES89的充电（融化）

3、实验和放电（结晶）实验都进行了。在实验时发现，由相变材料造成的热阻在放电过程中高于充电过程。充电（融化）放电（结晶）导热系数热管©2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。1. 介绍一个高效和具有成本效益的解决方案对于存储工业余热供以后使用，进而提高工业生产过程的能源效率是必要的。TES（热能存储）有储存能量供以后使用的能力,能够提高系统的可靠性和性能,减少可利用能源供应和需求之间不匹配的问题。TES已经以热贮水箱的形式在大多数建筑物中广泛地使用。目前有许多种热能存储系统和能量存储形式，比如显热，潜热，化学，机械和电气类的热能存储系统。然而,由于潜热热能存储系统的储能密度大、存储体积小和

4、温度变化均匀，它已经开始受到越来越多人的欢迎。2. 热能存储系统热能可以以显热或潜热的形式进行存储。显热热能存储系统可以通过提高液体或者固体媒介的温度而不改变它的相态来存储能量。这种热能存储系统相对于它们的体积而言不能存储大量的能量，也不能提供精确的温度控制。显热热能存储系统能存储能量的多少取决于温度的差异，比热和储热媒介的数量1,2。一些常用的储热材料有砖、混凝土、油（如机油）和有机油脂（如乙醇、丙醇、辛烷），然而水被认为是最好的选择之一，这是因为它的可视性、低成本和高比热容的价值。显热热能存储系统的存储容量可以由下面公式得出：*Correspondingauthor.Tel:+44(0)1

5、895267805.E-mailaddresses:Amir.Amini(A.Amini),Jeremy.Miller(J.Miller),hussam.jouharabrunel.ac.uk(H.Jouhara)./10.1016/j.energy.2016.02.0890360-5442/©2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.2O16.02.O89AEnergyxxx(20师-10

6、岡-0请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/10.1016/j.energy.2016.02.089上式中m是储热介质的质量（kg）,Cp是介质的比热容（J/kg.K）,Tf和Ti分别是末温和初温（°C）,Cap是这个温度范围内的平均比热J/kg.K）3。潜热热能存储系统是一个可供选择的热能存储系统,它们利用了相变材料的存储能力；对比于显热存储,当一种材料发生相变时,它能在小体积范围内释放或者储存大量的能量。这些系统提供了存储大量能量的可能性,大约每单位体积能多存储5-14倍的热量,并且几

7、乎能保持恒定的温度,这些是基于相变材料的相变温度。根据不同的应用,一个热能存储热交换器可以使用一种能够在特定的操作温度下熔化和凝固的相变材料。对于这样的温度所选的相变材料会有一个比预期稍微偏高的熔点。当热交换器中熔化的相变材料凝固时,能够将其存储的能量转移回循环流体中最终作为终端应用。潜热热能存储系统能够存储能量的多少由以下公式给出：相变材料能够转变的相态有固-固、固-液、固-气和液-气。在固-固的相态变化中,唯一改变的是材料内部的晶体结构。它们的设计非常灵活以及它们的容器要求也比其它种类的相变材料更低10。然而,它们通常被认为只能提供少量的潜热。另一方面,固-气和液-气相变材料能够存储大量的

8、潜热,但是,当它们相变时,它们的体积会发生改变,这引起了大家对热能存储系统中容器容量和其潜在可用性的担忧。固-液相变材料的潜热存储能力比液-气相变材料的弱,但是由于它们的体积变化小,所以被应用于许多的热能存储系统中11-14。相变材料的另一种分类方法是根据它们的性质来分类。更具体地说,相变材料可分为有机的（石蜡或者非石蜡）,无机的（盐水合物或金属）和共晶体（有机-有机,无机-无机,无机-有机）。石蜡有一个很宽泛的温度变化范围,但是由于其昂贵的成本,只有技术等级的石蜡被用作于潜热热能存储系统中的相变材料。化学性质稳定、体积变化小、成本低、可视性以及无腐蚀性是这种技术石蜡的优点。然而,它们的导热系

9、数低,易燃与塑料不兼容,这些因素减少了它们的实际应用15。上式中，m是熔化了的媒介的质量，Ahm是每单位质量的熔化热（J/kg）,绝大多数相变材料是非石蜡类的（如酯类、脂肪酸、醇Tm是相变材料的熔化温度（C）,Csp是初温和熔化温度之间的平均比及甘油醇），因为它们具备各种各样的属性16。基本上,热容（J/kg.K），而Clp则是熔化温度和终温之间的平均比热容（J/kg.K）他们都是易燃的，具有高熔点，低热导率，轻度腐蚀性和潜在3。3. 相变材料相变材料的选择是基于其热物理性质，动力特性和化学性质，以及经济方面的考虑。首先，最重要的因素之一是相变材料的相变温度，它必须符合应用的操作温度的要求。然

10、后，潜热大和密度高的相变材料能够减少热容器的实际大小，而高导热系数将加强充电和放电过程的能量存储。此外，相变材料在相变过程应该保持物理和化学性质方面的稳定以及体积变化小的特点。消除任何过冷的影响是很重要的，因为它可以影响甚至停止适当的传热。最后，相变材料的成本和可用性对于材料的选择也起到了很重要的作用7-9。表格1不同相变材料的熔点和熔化潜热3.相变材料表1）。的毒性。相比于技术等级石蜡，非石蜡类相变材料特别是脂肪酸的主要缺点是它们的成本高。盐水合物被广泛用作相变材料，因为在相变过程中，它们具有高的熔化潜热，高热导率以及微小的体积变化。它的其它特点是无腐蚀性，塑料兼容性和低成本17。盐水合物主

11、要的问题是，它们会出现过冷状态以及它们在熔化过程中不能完全地溶解，随着盐成分在容器底部沉淀，在凝固过程中它们不能与水分子相结合，这些导致了相变材料功效的降低。金属物质不能视为相变材料的最好选择，这是因为它们的重量的缘故。然而，它们具有高的热导率和高的单位体积熔化潜热3。下表提供了一个关于一些最有潜力的相变材料的列表（见种类石蜡非石蜡盐水合物金属共晶体材料熔点熔化潜热53吃zat馆恤c&!&.?*£217W328T244kjM36.?出常kJMD-LanJcAcid26忙UM何恤Capryl口iue40忙通町恤bladicAcid47218JqMAcecimideAl叫

12、：Mi刚吨iO'CWreCi拓HjO37221刚kfi昭NthhmHiC47iSI4/k£NaOHHjO641DC"何恤GaLImmMJH：MH切切Cerobetid70忙ds剛廟4.潜热热能存储系统Energyxxx(2016)1-101-10相变材料只能够存储热能；为了能够将能量从源头传递到相变材料中，再从相变材料传递到负载当中，传热介质与换热器相结合是必要的。因此，任何潜热热能存储系统的基本组成部分是合适的相变材料-根据具体的应用,一个合适的换热装置和容器必须与相变材料的相变相协调。由于能源成本的上升，通过相变材料进行相变蓄热对于建筑物节能、太阳能利用和工业余

13、热回收也是一项重要的技术11,14,15,18。结果，大量的研究集中在了潜热热能存储系统的发展上。一个潜热热能存储系统带有一个热交换器和一组作为相变材多层式的潜热热能存储系统，这种系统有着垂直放置的平行相变材料板，以减少能源供应和需求之间的不匹配问题20。然后，Banaszek等人在一个螺旋热能存储系统中研究了相变材料充电和放电期间的行为21，而一年后，他们开发了这个系统的数值模型，并与之前的实验结果进行了对比22。Ismail和Henriquez提出了储蓄槽的设计，配备有工作流体循环系统，充满相变材料的球形胶囊被安置在槽中23。在相变材料存储或释放热能的过程中自然对流传热现象的存在已经被研究

14、了。Jamal和Baccar数值研究了相变材料-空气热交换器系统中的热传递现象，这个系统中使用了内部和外部都有翅片的管子24。自然对流对相变材料（石蜡niuHiil11HC18）凝固时间的影响和翅片数量对热传递速率的影响已经进行了研究。张等人对一种高性能的相变材料在潜热存储应用时的中心料通道的圆柱形管子在1978年第一次被Shamsundar和Srinivasan提出来19。在1996年，Brousseau和Lacroix介绍了一种4IlI11II丨II三二二u=2二It=二StainlessSteelHeatPipeHeatTransfer&outFluid,inPCMTankART

15、ICLEINPRESSEnergyxxx(20佝1-10-过在高温潜热热能存储系统中使用带有翅片的热管,能量的提取率提高了86%,热管的效率也提高了24%。MaYvnun77288(*C)使得1505.热125管技术使用;相变材料进行热能Pea*He<(rtV)QMCt77.419CC)苗粘:存储是一个很具有吸引力的选择，但75是相变材料的低热导率却是个问题。这是因为当充电或者放电的热量通过换热器的墙壁进入或者流出相变材料时，一层熔化或者凝固的相变材料会覆盖在换热表面上，从而抑制了相变材料和传热流体之间的热传递，这些促进了热能的传送或者;0为了解决上面所讨论的低热导率的问题，各种各样的办

16、法被提出来：将翅片附着在传热壁上,以及将高热导率的金Pea*Heigrt.矶OrW)属颗粒或金属环或碳纤维应叶相变-50料中，这些方法是最65707560859095100105110Temperature(*C)受欢迎的28-32。然而,一个更有效的方案去解决大体积相变材料之间的热传递效率问题就是热管技术的使用。基于热交换器的热管在许多工业领域中扮演着更重要图.3.不同相变材料样品温度对应下热流的DSC测量值。的角色,言，许多科研人员已经进行了环路热管应用的研究。温度进行了研究25。他们报告说，相变材料(RT100)和EG(膨胀石墨)相结合能显示良好的光热性能、良好的热存储/释放能力，并且能

17、增强热导率。张和Faghri26通过使用一个内部翅片管，研究了潜热热能存储换热器中的强化传热。Khalifa等人27通特别是在提高热回收效率、提高商业应用方面的节能以及提高热交换器的热性能。就能源管理和热回收而热管被认为是超级热导体，这是由于它在小的温度梯度下具有高的热传递效率。最简单的热管形式称为热虹吸它们的运作依赖于重力，热量只能从热管的底部传递到热管的顶部。一个热管,允许双向传输热量,称为非毛细热管。图.4.实验装置原理图请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.

18、2O16.02.O89Energyxxx(2016)1-10-热管的主要结构是一个部分充满工作流体的真空管，这些流体以液态和气态的形式存在。下图表示热管的基本操作步骤。热管的底部是蒸发器，热管的顶部是冷凝器。当高温作用在热管的蒸发段，液态形式存在的工作流体蒸发，高速向管道的冷端（冷凝器）流动。一旦蒸气到达冷凝端，蒸气开始冷凝放热。然后液态的工作流体通过重力的影响返回到管道的蒸发部分33。一系列连续的热管组成的结构可以看作一种热回收装置。它的优点是导热系数高,被动,运行可靠,温度分布均匀,成本负担得起以及不需要传统换热器中所需的外部泵系统。能源和成本节约的潜力可以通过合并环绕式处理的热管换热器与

19、常规的除湿装置来实现，Jouhara已经研究了这一问题35。另一项由Jouhara和Meskimmon36开展的项目进行了环绕式热管换热器热力性能的研究，这种换热器用在空气处理单元中用以节约能源。研究着研究了热QuidtGraphWorkingFluid(Water)inletandoutlet图.5.热能存储换热器试验台wThermocoupleIlXTESPCMDATAsupplyFv.terWQ血)F代j17weout(C)F75*arrfwt(kgr)PStearrnpressu(bar)FSiearrntempera("C)厂pressure(bar)g_A(QFs500C

20、O7cfC)FofQFE-500CC)FFGCOFHSOOCQFi-soocoFJ-500fC)FK-1000(C)P1(0FMadenidCC)厂NsiceendCO17Condoutlernp(C)FRef.Inctxn2CC)23/1201407:59:27RedTane24/12/201406:16:47图.6.实时相变材料充电和放电数据Energyxxx(2016)1-10一管效益和通过热交换器的气流速度。换热器的实验研究是在一个改进的内联配置中使用带有翅片的充满水的非毛细热管，这项研究由Jouhara和merchant主持37。实验结果表明显著的能源节省能够通过使用空气-空气热管实

21、现,这是基于换热器在两种不同温度的空气流之间传递热量的结果。Jouhara等人38证明了将基于换热器的热管与空调系统相结合，外部空气能够被冷却和除湿，优于直接将空气供应给房间进行通风。在本文中，通过实验研究了热管技术的使用对加强相变材料在储热方面的应用。这是通过测试结合潜热热能存储换热器和一个带有翅片的、多足的热管的方法来完成的。相变材料在凝固和覆盖过程中造成的热阻也被研究了。据调查研究，相变材料和热管换热系统的使用能够提高能源存储和回收系统的效率和可持续性39-42。6.实验装置和步骤为了进行这项研究，我们构造了一个实验装置，它包括一个储蓄罐，相变材料和一个带有翅片的多足热管。本研究中使用的

22、相变材料是PLUSICES89,使用的热管是由316L型不锈钢制成的，目的是为了防止被盐水合物腐蚀。(B)(C)(E)(F)(G)(D)(H)(I)1£图.7.相变材料融化与带翅片的热管请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.2O16.02.O89ARTICLEINPRESS图.8.热能存储热像图显示热交换器中的温度曲线（部分熔解）。图7、图8和图9图解说明了这些现象。在这次熔解过程中，大约有380kg的相变材料熔化。图6显示了数据记录器记录的数据的趋势。E

23、nergyxxx(2016)1-10一热管是一种具有高效热导率的两相换热设备，通过蒸发和冷凝在一个封闭容器中循环的流体进行传热。在热管中，高温作用在存在工作流体的蒸发部分，将流体从液态转变为气态。然后蒸气向上流动，通过绝热的部分流向冷凝端，在冷凝端冷凝，放出从蒸发端吸收的潜热。图1展示了换热器的CAD绘图。等温过程发生在传热流体和相变材料之间。热管被安装在容器室的底部与传热流体相接触,并延伸至换热器的顶部与相变材料接触，通过分隔板与换热流体室分离。在图2中，热能存储系统的原理图展示出了它的构成成分。图2（1）展示了布满着工作流体线圈的容器，容器顶板安装的热电偶用以监控温度曲线。图2（2）显示了

24、用于传输热量到相变材料的热管，图2（3）显示了装满相变材料的容器，容器上装有玻璃面板用以监视相变过程。图2（4）分别显示了供应蒸气和冷凝液体的进出口。所研究的热能存储系统单元设计成充满着不同的相变材料。相变材料被热管的冷凝端熔化。热管的蒸发部分通过它的蒸发端带走蒸气流冷凝时产生的热量，然后通过它的冷凝端将热量释放到相变材料中去。这些热量然后被释放排出，方法是让水流通过不锈钢线圈与容器室顶部的进出口相连。每个体积单元具有高的传热表面积是必须的，用以确保传热介质周围良好的热交换。图3显示了不同相变材料样品温度对应下热流的DSC（差示扫描量热计）测量值。可以看出，熔化过程发生在90°C左右

25、,结晶过程发生在77C左右。固体的温度低于液体的温度，这是由于凝固的晶体中微弱的平衡造成的，以至于凝固和熔化过程发生在一个很宽的温度范围内。注释显示进出样品的总热量发生在66C至110C的温度范围内。最大峰值，起始和终止位置显示了相变发生时的温度。大约在73C和66C时有一个小高峰，这是预期之外的现象，可能是因为存在杂质、二次相变或者结晶相变的缘故。图4展示了实验装置原理图。图5展示了所研究的热能存储实验台。供应的蒸气通过蒸汽隔离阀，减压阀，温度控制阀，进而调整进气温度和蒸气流量。将冷凝水收集和全部流入至水槽，去加重水槽，从而测量蒸汽流量。水通过循环泵从水箱提供，流量则通过涡轮流量计进行测量。

26、组件单元主要由供应的用于致动器的压缩空气推动。所有的测量变量均使用数据记录器进行记录。7.结果和讨论7.1.充电（熔化）过程热管影响到了多种固体/液体界面的形状、数量和传播。这是因为在热管温暖腿部的前部发生了二次熔化。这些“腿”给熔融的相变材料提供了通路,它的密度低于固体,目的是为了流向储蓄槽的顶部和向下传播熔化过程。他们也提供二次自然对流。请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.2O16.02.O89ARTICLEINPRESSEnergyxxx(2016)1-10

27、一图.10.相变材料凝固过程7.2.放电（结晶）过程来自热能存储换热器实验台的水泵已经被利用，以确保一个稳定和精确的供给流量。所有的放电测试都在24°C的温度下和5.5L/min的流量下进行了。测试进行过程中,每个放电阶段持续大约6小时。照片（图10：第一次50分）是在实验过程中拍的。相变材料在换热器线圈表面周围和沿着管道开始凝固。盐水合物通过一个先进的和不可逆的过程改变了溶液的热能存储性能。他们是盐和水的化合物。在充电和放电过程中，重的盐沉积在溶液底部，影响了偏析的形成。进行了相变材料中存储能量（通过使用蒸气作为传热流体的热管在放电和充电的总期间提供的能量）的比例的计算，发现它大概

28、是27%。通过优化换热器，可以使这个比例进一步提高到50%左右。在放电的情况下，复杂的冻结现象曾被观察到。这些现象和测量值可以作为指导开发一个模型，用来模拟在实验室和大型系统中的放电和充电过程。实验结果说明,由相变材料造成的热阻在放电阶段比在充电阶段的大。这可以用这一事实解释：放电阶段冷的传热表面上的凝固物在装有水的线圈和固体/液体界面之间形成了一层隔热屏障。与此相反，在相变材料熔化过程中熔化的相变材料经历了自然对流，与热的传热表面很接近，从而促进了热管表面和固体/液体界面之间的热传递。因此，在放电过程表现良好的设计，预期在充电过程也能够运行得令人满意。图12显示了两个充电阶段和三个放电阶段。

29、第一个充电阶段（1）在开始的180min中，能量在相变材料中快速地积累，直到相变材料变成液体，这时它的温度大约90。第二个充电阶段（2）与液体相变材料稳态的传热速率有关。第一个放电阶段（1）是相变材料温度从98C到89°C（相变材料的熔点）急剧降低的阶段，这一阶段释放显热。第二个放电阶段（2）持续150min,与相变发生时潜热的释放有关；第三个阶段（3）与两相液体/固体释放存储在相变材料的显热有关。图13显示了17小时内，在充电和放电过程中,容器内不同位置处的温度变化。这是相变材料低热导率和相变材料在熔化和凝固过程中热传递的结果。在充电过程中，Time,minutes图.11.充电和

30、放电过程相变材料中能源的存储与释放。请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.2O16.02.O89宀；Energyxxx(2016)1-108070Meltingpoint10（i）/4060120180240300360420480540600660720780840900960Time,minute；PhaseChangeTwophaseLiquid/Solido£60后记2LiquidChargingDischarging图.12.在加热和冷却过程中相

31、变材料的温度变化（使用蒸气作为导热流体）的热能存储系统与不同的相变材料可能会与此不同。这项观察和实验数据可以作为大型系统的发展的指导。这项工作由SpiraxSarco工程公司资助。引用1 LaneGA.太阳能蓄热:潜热材料，卷1.佛罗里达州博卡拉顿:CRC出版社,1983年。2 Dincer.在建筑中的热能存储系统和应用.能源建设2002;34:377-88./10.1016/s0378-7788（01）00126-83 SharmaA,TyagiVV,ChenCR,BuddhiD回顾相变材料的热能140FGH存储和应用.可持续能源增长.2009;13:318-

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36、使用的翅片应该尽可能的薄，有尽可能大的传热面积，从而将工作相变材料在存储箱中所占的体积损失最小化。由于先进的翅片技术的形成，这是可行的。适当的存储系统的设计必须考虑适当的材料特性,资源的可获取性,所需的存储率和所需的能量存储能力；系统可能只是实时地设计成最佳使用。应该指出的是，图11所示的特点是适用于此原型的，其它不同设计请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源（20佝,http:/dx.doi.Org/1O.1O16/j.energy.2O16.02.O89Energyxxx(2016)1-10一Energy2012;99:513-33.ht

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