新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放特性

朱孝欽1,楊玉芬1,李淑蘭1,陸建生2,孫加林2,N.Ben-Abdallah3(昆明理工大學1.化學學院,雲南昆明650224;2.材料與工程學院,雲南昆明650093;3.FacultyofEngineering,DalhousieUniversity,HalifaxB3J2X4,NovaScotia,Canada)摘要:研究了一種新型相變材料

朱孝欽1,楊玉芬1,李淑蘭1,陸建生2,孫加林2,N.Ben-Abdallah3

(昆明理工大學1.化學工程學院,雲南昆明650224;2.材料與冶金工程學院,雲南昆明650093;3.FacultyofEngineering,DalhousieUniversity,HalifaxB3J2X4,NovaScotia,Canada)

摘要:研究了一種新型相變材料換熱器,在其進出口的相應溫度測試點布置銅鎳合金熱電偶,然後分別以不同的流速通入溫度各為40℃、16-17℃的熱、冷空氣流,利用溫度測試系統連續測出各測點的溫度值。理論分析和實驗研究結果驗證了該換熱器具有良好的熱能儲存與釋放特性:當氣流的質量流速分別為0.132,0.096kg/s時,若相變材料的平均初始溫度為17.4,17.7℃時,經過910,1030min后該換熱器熱能儲存量各為21056.67,21014.34kJ;在放熱過程中,該換熱器出口的氣流溫度維持在20℃以上的時間各為594,717min。它可用於溫室、暖房、空調或工業生產中各種低溫熱能的回收和利用。

關鍵詞:相變材料;CaCl2·6H2O;換熱器;熱能儲存;熱能釋放;回收

中圖分類號:TQ051.5;TK02文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2008)09-0023-05

物質相變過程是一個等溫或近似等溫過程,相變過程中通常伴隨有能量的吸收或釋放。相變儲能技術則是利用相變材料在其物相變化過程中,可以從環境吸收熱(冷)量或向環境釋放熱(冷)量,從而達到能量的儲存或釋放的目的,它是提高利用效率和保護環境的重要技術[1-2],已在熱利用、電力的「移峰填谷」、餘熱或廢熱的回收利用以及工業與民用建築和空調的等領域得到了廣泛的應用,目前已成為世界範圍內的研究熱點。在過程工業生產過程中,特別是化學工業生產或其他多種工業生產過程中排放的工業餘熱或廢熱大多是間斷的或不連續的,為了使這些不穩定的熱能得以回收和利用,就可以應用相變儲能技術加以解決,首先利用相變材料將這些熱能儲存起來,必要時再將儲存的能量釋放出去,這樣既可以降低工業企業的能耗,又可以減少由一次能源轉化為二次能源時產生的各種有害物質對環境的污染[5]。因此,本文對新型相變材料換熱器的熱能儲存與釋放特性進行了研究,以便為其工業應用提供一定的依據和指導。

1、新型相變材料換熱器的結構

本研究的新型相變材料換熱器,其主體為管殼式換熱器結構,但殼體為矩形,內裝有7排管子且每排由7根管子組成,整個換熱器的所有外表面還安裝了厚度為50mm的石棉板作為保溫之用;管子的軸線與殼體的軸線垂直,每個換熱管內充填了2kg的相變材料(CaCl2·6H2O);為了使換熱管內的相變材料能與流體充分接觸,每排管子採用錯位排列,其基本參數見表1。

2、新型相變材料換熱器熱能儲存、釋放過程的理論分析

2.1新型相變材料換熱器熱能儲存過程及儲存量的理論分析

在新型相變材料換熱器中,設質量流速為qm的熱氣流在換熱器的進出口處溫度分別為θa,i,θa,o,熱氣流流過換熱器后使位於第j排換熱管內的相變材料(CaCl2·6H2O)由初始溫度θj,i上升到最終溫度θj,o。為了便於分析和計算,特做如下假定:①相變材料的相變溫度θm為固定值,且位於兩溫度值θj,i和θj,o之間;②每個換熱管內充填的相變材料所有物理性能是不變的和相等的;③每一排各管子內充填的相變材料的溫度是相同的;④由於所有換熱管壁很薄,其所儲存的熱量忽略不計。基於以上假設條件,可以得到具有n排換熱管的整個換熱器的熱能儲存量為:

3、新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放特性的實驗測試

為了檢驗這種新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放的特性和效能,首先對相變材料(CaCl2·6H2O)和空氣的各種熱物理性能進行了測試,其實測結果列於表2。然後,分別在該換熱器進出口處的相應溫度測試點布置銅鎳合金熱電偶,並將它們連接到CampbellScientific數據記錄儀和裝有Camp-bellScientific′sPC200W軟體的計算機上,熱能儲存、釋放過程的測試系統分別如圖1,2所示,其圖中所畫的箭頭方向即為空氣流的流程。整個測試的實驗程序為:①以不同的流速連續通入溫度為40℃的熱空氣流,通過實驗測試系統連續測出各測點熱電偶的溫度值,所得的實驗數據經整理後分別繪於圖3,4(圖中I,O分別表示在該換熱器進出口測得的數據),使位於換熱器出口的換熱管中心位置相變材料溫度達到39.5℃時整個熱能儲存過程所用的時間列於表3。②對於已進行過熱能儲存的該換熱器,以不同流速連續通入溫度為16-17℃的室外冷空氣流,通過測試系統連續測出各測點熱電偶的溫度值,所得的實驗數據經整理後分別繪於圖5,6(圖中I,O分別表示在該換熱器進出口測得的數據),使位於換熱器出口的換熱管中心位置氣流溫度達到18℃時整個熱能釋放過程所用的時間列於表4。

4、實驗結果分析與討論

4.1新型相變材料換熱器熱能儲存過程及儲存量的分析

從圖3和圖4可以看出,由於換熱管內的相變材料(CaCl2·6H2O)初始溫度均低於其相變溫度,整個熱能儲存過程及儲存量可以分析和總結如下:①無論氣流速度為多少,在通入溫度為40℃的熱空氣流后,該換熱器管內的相變材料的溫度均隨時間的增加而提高,當管內相變材料的溫度被加熱至其相變溫度(約為26℃)時,管內的相變材料要發生相變吸收大量的熱能而儲熱,當換熱管內的相變材料全部轉化為液相后還可以繼續吸收熱量而升溫,說明該換熱器的熱能儲存量由顯熱和潛熱2部分組成,根據實測結果得出潛熱部分所佔的熱能儲存量比例已近似達到80%。②由於本研究的新型相變材料換熱器內裝有7排管子且每排由7根管子組成,當熱空氣的質量流速分別為0.132,0.096kg/s時,相變材料的平均初始溫度分別為17.4,17.7℃,根據理論計算公式以及表2所列的相變材料(CaCl2·6H2O)的各種熱物理性能,可以算出該相變材料換熱器熱能儲存量分別為21056.67,21014.34kJ。

4.2提高新型相變材料換熱器熱能儲存效果及儲存量的措施

由於相變材料換熱器熱能儲存是通過該換熱器所有換熱管內相變材料(CaCl2·6H2O)吸收熱氣流的熱量來實現的,因此,根據前面的理論分析可知,要提高相變材料換熱器熱能儲存效果和強化相變材料換熱器的熱能儲存性能,可以採取3種措施:①儘可能增加熱氣流的流速;②提高熱氣流的初始溫度;③延長熱氣流流過換熱器的時間。根據實測結果(表3),當通入該換熱器熱空氣流溫度維持不變時,氣流的流速越大,氣流至管內相變材料的熱傳遞速率越大,整個加熱周期所需時間也越短。因此,氣流的流速是一個重要參數,為了使相變材料換熱器在同樣的條件下儲存儘可能多的熱能,最佳的途徑就是盡量提高流過該換熱器熱氣流的流速,所以,第1種措施在實際工程應用中應重點考慮。第2種措施———提高熱氣流的初始溫度,由於實際工程中流體的溫度主要取決於工況,大多數情況下都是確定的,因此,實際工程應用中是難以實現的。第3種措施———延長熱氣流流過換熱器的時間,這種作法實際也是不可取的,因為表面上好象使相變材料換熱器熱能儲存量有所增加,但卻增加了能耗且降低了該換熱器熱能儲存的效率。由於相變材料換熱器的熱能儲存量由顯熱和潛熱2部分組成,並且潛熱部分所佔的熱能儲存量比例已近似達到80%,所以,為了提高其熱能儲存效率,其最佳時間就是當換熱器出口處換熱管內相變材料完成了整個相變過程的熱能儲存對應的時間。例如,根據圖3和圖4可知,該分佈曲線是由第1段曲線、中間近似水平直線和第2段曲線所組成,顯然,該分佈曲線的中間近似水平直線和第2段曲線的交點應為最佳時間點,即當熱空氣的質量流速分別為0.132,0.096kg/s時,該相變材料換熱器熱能儲存過程所用的最佳時間分別為540,643min。

此外,這種相變材料換熱器的熱能儲存量大小還與其結構有關,若工程實際中需增大或減小其熱能儲存量,則還可以通過改變該換熱器的結構、換熱管數或尺寸來實現。

4.3新型相變材料換熱器熱能釋放過程的分析從圖5和圖6可以看出,已有熱能儲存量Q的相變材料換熱器,其換熱管內相變材料(CaCl2·6H2O)的初始溫度接近於40℃,隨著溫度為16—17℃的冷空氣流連續通入,整個熱能釋放過程可以分析和總結如下:①無論氣流速度為多少,該換熱器各測點在放熱過程中的溫度變化規律為:換熱器進出口處管內外的溫度起初都是急劇下降的,其溫度變化曲線為陡降的;當溫度下降至其相變溫度(約為26℃)時,由於管內的相變材料發生相變而釋放相變潛熱,其溫度變化曲線在一定時間內近似為水平直線;只有當所有換熱管內的相變潛熱全部釋放后,管內相變材料和換熱器出口氣流的溫度又會隨時間的增加而逐步下降。②該換熱器換熱管內的相變材料在降溫過程中會發生相變,由於其相變潛熱的熱量很大,因此,該換熱器出口的氣流溫度在一定時間內仍能保持恆溫,這也是傳統管殼式換熱器所不具備的、只有這種相變材料換熱器結構才具有的重要特徵之一。例如,當溫度為16—17℃的冷氣流的流速分別為0.132,0.096kg/s時,本實驗的相變材料換熱器出口的氣流溫度維持在20℃以上的時間各為594,717min。③根據前面的理論分析以及實測結果(表4),若該換熱器熱能儲存量Q為一定時,當通入該換熱器冷空氣流溫度維持不變時,氣流的流速越大,管內相變材料的放熱速率越大,維持該換熱器出口氣流溫度不變的時間也就越短。因此,氣流的流速是一個重要參數,為了使相變材料換熱器出口的氣流溫度在同樣的條件下儘可能保持時間長一些,最佳的途徑就是盡量降低流過該換熱器冷氣流的流速。

5、結論

這種新型相變材料換熱器能將溫度較高的熱流體的熱能儲存起來,必要時又可釋放其已儲存的熱能,所以,它具有較好的應用前景,主要適用於溫室、暖房、空調或工業生產中各種低溫熱能的回收和利用,也可以應用於需要溫度控制或維持一定溫度條件的相關領域中。

符號說明:

cp,cp,a相變材料和氣流的平均比熱容,kJ/(kg·℃)hm單位相變材料質量的溶化熱,kJ/kg

mj換熱器第j排管內相變材料的質量,kg

n換熱管的排數

Q,Q′,Q″換熱器熱能儲存量、熱氣流提供的熱量和冷氣流吸收的熱量,kJ

q,q′熱能儲存、釋放過程的熱傳遞速率,kJ/s

qm氣流的流速,kg/s

t氣流流過換熱器的時間,s或min

θa,i,θa,o氣流流過換熱器進口、出口處的溫度,℃

θj,i,θj,o位於第j排換熱管內的相變材料的初始溫度、熱氣流流過換熱器后其上升的溫度,℃