同心套管双程流相变蓄热单元蓄放热特性研究

热能储存是提高能源利用效率和保护环境的重要手段 j。而相变储能元件以其体积小，储能密度大和热惯性小，成为热能储存技术的首眩这种储能方式近年来受到极大的关注，成为 目前的研究热点 J。胡军等以石蜡为相变材料，制作了内通流体螺旋盘管结构的相变储热单元 J，对相变储热单元储热过程进行了传热分析及实验研究，通过对储热过程中相变材料的相变过程分析提出储热器设计的优化方案；陈超等对填充了新型定形板状相变材料的蓄热槽的蓄、放热特性进行了数值计算和实验比较，分析研究了影响蓄收稿日期： 2012-07-20基金项 目： 河北侍育厅自然科学指令性项目(2009430)热槽蓄/放热特性的各种因素 J。崔海亭等设计并搭建了以太阳能为热源的圆柱形蓄热器实验台，将封装了相变材料的蓄热球体放置在蓄热器中，测量蓄热器进出口和蓄热器内第-至七层的热媒温度，分析传热流体进口温度和流量变化对蓄热器性能的影响 J。本文结合前人的工作，提出同心间壁式套管双程流相变蓄热单元结构，设计并搭建相变蓄热装置实验台，选用 JDJN-60型相变材料，对同心套管双程流相变蓄热单元进行蓄放热实验研究，得到相变蓄热单元的蓄放热特性，为工程应用奠定基矗2 相变蓄热单元设计2013年第41卷第 1期 流 体 机 械 692.1 相变材料相变蓄热装置设计的关键技术之-是相变材料的合理选择。相变材料作为蓄热器储存热量的载体，对不同的应用诚和应用目的，应有不同选择。本研究中的相变蓄热装置主要用于太阳能低温水供热系统，经过试验比较，确定选择 JDJN-60型相变材料。其物性参数如下：熔点和凝固点：58-60℃；熔化潜热：262kJ/L；比热：固态1.42kJ/(kg·K)，液态2.08kJ/(kg·K)；导热系数：固态 1.22W/(m·K)，液态0.58W/(m·K)；热物理稳定性：相变过程中无分层与过冷。

2.2 蓄热单元结构设计蓄热装置的结构对其蓄放热特性起到至关重要的作用。由于所选相变材料的导热系数小，传热性能差，为了强化传热，本文设计了同心间壁式套管双程流相变蓄热单元结构，该蓄热单元的主体是三层套管，最内层和最外层是传热流体的通道层，相变材料置于这两层之间。换热流体从内侧圆管流入，流至底部后折流进入外层套管，沿途与相变材料进行热交换。这种结构相当于延长了换热流体通道，使得换热面积大大增加，换热效果有了明显改善。其结构尺寸如图 1所示。

l59入 口t出口相变材传热流体、3 蓄放热试验图 1 蓄热单元结构3.1 试验 系统为了掌握相变蓄热单元的蓄放热规律，测定传热流体进口温度和流量对蓄放热时间的影响，设计了如图2所示的试验系统。

；； i---r -------- . I，r苗单元 囊热器-匕岂 量计循环水泵图2 蓄热单兀试验系统不蒽传热流体的人口温度由电加热器及布置在电加热器前的温控仪来保证，流量根据流量计读数由调节阀门 1来调节。相变材料在蓄放热过程中的温度由连接在数据采集仪上的铜-康铜热电偶进行采集，通过 FLUKE 2460A数据采集器将温度值自动存储于计算机。热电偶用-级标准温度计进行标定，流量计在使用前按出厂说明书要求标定，FLUKE数据采集仪的精度为 ±0.5C。整个蓄热系统共布置温度测点7个，其中蓄热单元内部5个，另两个测点布置在蓄热单元进出口处，用来监测进出口水温。蓄热单元内测点布置如图3所示。

图 3 温度测 点布置3.2 试验方案考虑到蓄热装置实际使用情况，针对所设计的蓄热单元，确定蓄放热试验方案。

(1)蓄热试验中传热流体入口温度分别设定为70℃、75C、8O ，流量设定为 100L/h、200L/h、300L/h，运用完全试验法进行 9组蓄热试验；(2)放热试验中传热流体入口温度分别设定为40℃、45℃、50℃，流量设定为 100L/h、20oL/h、3001Mh，运用完全试验法进行 9组放热试验；每组试验重复3次，取平均值作为测量结果，以提高试验测量精度。

70 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，20134 试验结果分析4.1 蓄热试验4.1.1 相变材料熔化曲线图4给出了传热流体人口温度为7&C、流量为 200L/h工况下相变材料的熔化曲线。

80餐ss0 200U'j'lh](rain)图4 PCM温度随时l司变化曲线由图4可以看出：所有测点温度随时间的变化趋势基本-致。蓄热开始阶段，温升较快，但持续时问较短，蓄热量不大；当各点温度上升到接近55%时温升变缓，材料开始熔化，吸收大量潜热。

随着熔化过程的进行，在管壁和固相介质问出现液相层，产生自然对流作用，在浮升力的影响下液相材料上升，固相材料下降，使得垂直高度上方的测点 1处温度急剧上升。而由于蓄热单元底面与传热流体直接接触 ，-定程度上抑制了材料分层 ，使得位于蓄热单元下部的测点 3的温度较测点 2要高。但是随着材料熔化数量的增加，自然对流作用加强，测点 2温升加快 ，在熔化后期两点温度趋于-致；材料发生相变后，各测点处温度 出现了不同程度 的跳跃，离受热面距离最远的测点 2在 290min左右温度上扬，温升加快 ，此时可以认为相变材料已经全部熔化，进入液态显热蓄热阶段。

4.1.2 相变界面移动规律相变材料在熔化过程中，相界面是不断移动的。通过对蓄热单元内径向测点温度的分析，可以看出相界面移动的规律。图5给出了传热流体为70C、200L/h的工况下蓄热单元内径向各测点处温度的变化曲线，图中横坐标为测点距蓄热单元中轴线的距离。从图可看出，靠近传热流体入口最近的测点4最先熔化，仅用 10min就达到了相变温度。测点 5次之，用时约 30min。而位于中心位置处的测点2温度最低，约200min时才达到相变温度，并且在相变开始以后温度仍然保持- 定的速度上升，而不像靠近传热流体通道的测点有较明显的恒温过程。这说明相界面由两侧向中间移动，对中问界面层两侧材料同时向其传热，该位置处界面几乎全部吸收传递来的热量，所以温度-直呈上升趋势。

lIJ 45 U轴线距离(mm)图 5 相变过程径向测点温度变化曲线从图5还发现，随着时间的推移，材料两侧的温度分布曲线斜率逐渐变校这是由于材料熔化之前热传递以导热方式进行，开始熔化之后出现了液相区产生自然对流强化了换热，在熔化后期，液相区范围逐渐增大，浮升力对换热过程的影响越来越大，自然对流成为占主导地位的换热方式，使得相变介质的有效导热系数增大，所以材料内径向温度梯度越来越校4.1.3 传热流体进口温度的影响图6表示传热流体流量为200L/h时，进口温度变化对蓄热过程的影响。

80， 、 巴5530时fl](min)图6 不同进口温度下测点2处材料温度变化曲线从图可看出：随着流体温度的增加，蓄热时间不断减少▲ 口温度为 70%时，材料完全熔化约需250min，而进 口为 80c时仅用 150min相变材料就基本全部熔化∩见 ，传热流体进 口温度越大，越有利于各传热环节的强化，特别在熔化后期，进 口温度增大，温度场温差越大，越易推动熔化过程的进行，所 以造成蓄热过程的差异很明显。

2013年第4l卷第 1期 流 体 机 械 714.1.4 传热流体流量的影响 时间。

图7给出了传热流体温度为75C时，流量变化对蓄热过程的影响。 70.08O，、 530035.OO 225 450时间(min)150 300时间(min) 图 8 凝固过程纵向测点温度变化曲线图7 不l司流量 F测点 2处材料温度变化曲线从图可以发现，随着流量的增加，蓄热时间也在减少，但减少不明显。究其原因：不管在哪种工况下，内管流动均已进入紊流区，故改变其流量对传热影响不大；对于外管，由流体外掠圆管对流换热可知，雷诺数在 40～4000之间，对流换热系数与雷诺数的 0.466次幂成正比 ，故影响也较校另-方面，尽管外管流动未进入紊流区，其与管壁形成的对流换热系数不大，但是与导热系数很低的相变材料相 比，其所造成的换热热阻是很小的。所以流量的增加对显著加快蓄热过程的进行，300IVh工况材料的熔化时间比 lOOL/h工况只提前了约30min，这意味着流量增加了，水泵功耗增大了，却不能有效地改善传热系数，加快蓄热过程，因此在实际应用中应该综合考虑能耗与系统效率的最优匹配。

4.2 放热试验4.2.1 相变材料凝固曲线图8，9给出了传热流体人口温度为40℃、流量为 200L/h工况下相变材料的凝固曲线。由图可看出：曲线变化同蓄热过程相类似，在初始阶段温降曲线斜率大，随着冷却过程的进行，斜率逐渐变校并且从径向测点温度变化图中还发现，靠近冷流体壁面的材料层大约50min就完成了凝固过程，之后热量只能通过导热的形式传到冷流体，故后期温度变化极缓慢，而位于中心处的材料层(测点 1、2、3)的温度曲线-直维持-定斜率下降，其原因主要是内部材料很长-段时间内-直保持熔化状态，存在自然对流使得有效导热系数增加。并且 ，自然对流引起的循环流动也减小了纵向测点之间的温差，即自然对流使材料内部温度均匀化，这有利于材料稳定放热，延长了放热0 225 450时I(min)图9 凝固过程径向测点温度变化曲线4.2.2 流体进口温度及流量的影响70，- 、 面 5赠40时日J(min)图 10 不同进 口温度下测点 2处材料凝固曲线756O赠45O 225 450时间(min)图 11 不同流量下测点 2处材料凝固曲线5 - - 赠7 5 4 - -越赠72 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013图10，11分别给出了传热流体进口温度和流量变化对相变材料放热过程的影响。从图可以发现，同蓄热过程相类似，随着进口温度的降低和流量的增加，材料的放热速率有所增加，但进口温度变化的影响要远大于流量影响。并且，不论在哪种工况下由于材料有效导热系数和换热温差的减小，后期的放热进行很缓慢，使得放热时间远大于蓄热时间。

5 结论(1)本文针对太阳能低温水供暖系统，提出并设计了同心套管双程流相变蓄热单元，这种结构中传热流体流程长，换热面积大，换热效果好，能较好的满足对太阳能蓄热的需要；(2)材料相变过程大致可以分为 3个阶段，显热阶段、潜热阶段和显热阶段，所采用的JDJN- 60型相变材料没有固定熔点，其相变过程发生在-个较长的温度范围内；(3)蓄放热过程中，液相材料的 自然对流不可忽略，并且自然对流对蓄放热过程的影响有所不同。蓄热过程中，自然对流存在加速换热，使蓄热时间减少；而放热过程中，自然对流使相变区域内部温度均匀化，温度梯度减少，放热时间延长；(4)传热流体进口温度和流量变化对蓄放热过程均有影响。蓄热过程中，随着进口温度和流量的增加，蓄热时间不断减少，但流量影响明显小于进口温度影响。故在实际应用中为了减少泵功，建议根据实际需要选择小流量。