李南爍，湯梓聰，伍健宜，張錦梁，謝安治，陳觀(guān)生

  (廣東工業(yè)大學(xué)   材料與能源學(xué)院，廣東   廣州 510006)

 

摘要: 翅片盤(pán)管可以強化盤(pán)管外側的換熱. 本文研制了一種翅片盤(pán)管式相變儲熱器, 以石蠟R54為相變材料, 在3組不同 流量工況下, 分別對3種不同翅片間距的儲熱器進(jìn)行了實(shí)驗研究, 分析了其不同工況下的溫度分布和傳熱系數情況, 得 出了該類(lèi)型相變儲熱器的儲熱效率及傳熱系數與流量成正比、與翅片間距成反比的結論.

關(guān)鍵詞: 翅片盤(pán)管；相變；儲熱；石蠟；傳熱

中圖分類(lèi)號: TK124                 文獻標志碼: A                   

An Experimental Research of Heat Transfer of Finned-coil Phase Change Heat Storage Unit

Li Nan-shuo, Tang Zi-cong, Wu Jian-yi, Zhang Jin-liang, Xie An-zhi, Chen Guan-sheng     (School of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract: It is well known that attaching fins on the tube surfaces can enhance the heat transfer into and out of the phase change materials. The results of an experimental study of the thermal characteristics of finned coil latent heat storage unit (LHSU) using paraffin as the phase change material (PCM) are presented. The measurement is carried out under 3 fin pitches and 3 water flow rates in the charging and discharging process respectively. The temperature distribution and heat transfer coefficient in different cases are analyzed. It is concluded that the heat storage efficiency and heat transfer coefficient of this type of phase-change heat storage unit are proportional to the flow rate and inversely proportional to the spacing of the fins.

Key words: finned coil; phase change; heat storage; Paraffin wax; heat transfer

 

全社會(huì )能源需求不斷增加，能源短缺已成為人 類(lèi)面臨的嚴峻問(wèn)題，節能技術(shù)的研究和利用成為支 撐社會(huì )發(fā)展的必要手段[1-3].

在各種節能技術(shù)中，相變儲能技術(shù)得到了較為 廣泛的應用. 電廠(chǎng)排煙廢熱、工業(yè)鍋爐廢熱以及各種

內燃機排氣的廢熱等都可以采用相變儲熱技術(shù)使之

得到有效的利用，從而節省大量的能源[4] . 太陽(yáng)能熱 利用、熱泵制熱等是當前較為成熟的節能技術(shù)，結合 相變溫度為40~60 ℃的低溫相變儲熱技術(shù)則可以使 太陽(yáng)能熱水系統、熱泵熱水系統在生活熱水領(lǐng)域具 有更好的應用前景[5-7].

適用于生活熱水領(lǐng)域的相變儲熱材料主要有石  蠟、醋酸鈉等. 這些材料最大的缺點(diǎn)是導熱系數低，

這也成為它們大規模推廣應用的主要障礙[8] . 為克服 這一障礙，很多研究人員進(jìn)行了大量的工作，包括相 變傳熱強化機理的分析[9-11] 、相變材料導熱系數的提 升等[12-13] ，其中利用各種翅片來(lái)強化儲熱體中相變材 料側的換熱是一種比較簡(jiǎn)單而且有效的做法[14-18].

本研究以石蠟為相變材料，對翅片盤(pán)管式相變 儲熱器進(jìn)行換熱實(shí)驗，得出該相變儲熱器內的溫度 分布及其儲、放熱特性.

1    實(shí)驗裝置

實(shí)驗用的翅片盤(pán)管式相變儲熱器主要由箱體、 保溫層、翅片盤(pán)管、相變材料(Phase Change Material， PCM)等構成，其剖視圖如圖1所示.

基金項目： 國家科技支撐計劃項目(2014BAA01B02)；佛山市順德區產(chǎn)學(xué)研合作項目(2014CXY12)

作者簡(jiǎn)介： 李南爍(1991−)，男，碩士研究生，主要研究方向為相變儲能技術(shù).

通信作者： 陳觀(guān)生(1970−)，男，副教授，主要研究方向為相變儲能及太陽(yáng)能熱利用技術(shù). E-mail：chengs@gdut.edu

1.1   翅片盤(pán)管式相變儲熱器

盤(pán)管為銅管，翅片為鋁片，盤(pán)管與翅片相互垂 直，相變材料填充在翅片管與箱體之間，翅片間距可 調. 實(shí)驗用的翅片盤(pán)管式相變儲熱器詳細參數見(jiàn)表1. 石蠟質(zhì)量為5 070.5 g.

1.2   實(shí)驗測試系統

通過(guò)管內冷、熱流體(本次實(shí)驗以水作為工質(zhì))與 箱體內石蠟進(jìn)行熱量交換，對翅片盤(pán)管式相變換熱 器的儲熱、放熱特性進(jìn)行實(shí)驗研究. 恒溫水箱保證供 應的水溫度恒定. 實(shí)驗系統圖如圖2所示.

在箱體管槽內布置T型熱電偶溫度測點(diǎn)，如上圖  所示. 其中T1、T5分別為進(jìn)出水管處測點(diǎn)，T2~T4為內  部管路測點(diǎn)，T6~T10為內部石蠟測點(diǎn). 水流量通過(guò)控  制閥門(mén)控制并由渦輪流量計測量(0.667~6.667 L/min， ±0 . 5% R) . 用安捷倫數據采集儀對溫度進(jìn)行數據采集.

相變材料為石蠟RT54，液相密度：780kg/m3，固 相密度：900kg/m3；液相比熱容：2.4 kJ/(kg·K)，固相比 熱容：7.8 kJ/(kg·K)；液相熱導率：0.20 W/(m·K)，固相 熱導率：0.27 W/(m·K)；相變潛熱：170 kJ/kg；凝固溫 度：54 ℃；熔化溫度：52 ℃ . 忽略工質(zhì)溫度變化對熱 物性的影響.

1.3   實(shí)驗過(guò)程

儲熱階段：接通電源，在恒溫水箱中把水加熱到 65 ℃，然后開(kāi)啟數據采集儀，同時(shí)開(kāi)啟循環(huán)水泵，調 節流量控制閥到一定的流量值，進(jìn)行儲熱階段的實(shí) 驗. 當石蠟完全熔化，并且在數據采集儀上觀(guān)察溫度 不再升高時(shí)停止實(shí)驗，儲熱階段實(shí)驗結束.

放熱階段：考慮到儲熱器的最大儲熱量，儲熱階  段實(shí)驗結束后，馬上進(jìn)行放熱階段實(shí)驗. 將另一臺設  定溫度30 ℃的恒溫水箱替換儲熱階段的恒溫水箱， 如圖2所示接入實(shí)驗線(xiàn)路. 調節相同大小的流量值， 進(jìn)行放熱階段的實(shí)驗. 待石蠟完全凝固，并且溫度分  布基本均勻時(shí)停止數據采集，完成放熱階段的實(shí)驗.

2    實(shí)驗結果及分析

對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm和6.5 mm的翅片 盤(pán)管相變儲熱器在水流量分別為 1.0  L/min ， 1.3 L/min及1.6 L/min的情況下進(jìn)行儲、放熱實(shí)驗. 安 捷倫每5 s采集一次數據，記錄每次實(shí)驗流量情況. 忽 略彎管效應和工質(zhì)溫度變化對熱物性的影響，根據 水和石蠟的溫度、水的流量以及傳熱面積等，翅片儲 熱器的傳熱效率Q和傳熱系數k可以通過(guò)式(1)~(4) 計算：

其中c表示儲熱，d表示放熱；ρ為水的密度(g/L)；v為 水的流量(L/min)；Cp為水的比熱容(J·g−1 ·K−1)；A為儲 熱器中管路的傳熱面積(m2)；?tm為儲熱器的對數平 均溫差(℃)，由式(5)~(6)計算：

2.1   溫度分布情況

設定恒溫水箱65 ℃的情況進(jìn)行儲熱實(shí)驗，進(jìn)水 管溫度基本保持恒定. 圖3(a)及圖3(b)分別表示當進(jìn) 水流量為1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及 6.5 mm時(shí)儲熱過(guò)程中石蠟T8測點(diǎn)溫度及出水管T5測 點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn).

由圖3(a)可知石蠟在50~55 ℃的范圍內溫度較 為平穩，局部溫度呈上升趨勢，可知這個(gè)溫度區間為 石蠟開(kāi)始相變的溫度區間. 由圖3(b)看出，在進(jìn)水管溫度恒定情況下，出水溫度的變化過(guò)程與石蠟溫度 的變化過(guò)程基本一致，間距為2.5 mm的儲熱器出水 溫度率先接近進(jìn)水溫度，說(shuō)明翅片間距小儲熱過(guò)程 進(jìn)行得比較快，傳熱能力強.設定恒溫水箱30 ℃的情況進(jìn)行放熱實(shí)驗，進(jìn)水管溫度基本保持恒定.

圖4(a)及圖4(b)是水流量為 1.6 L/min、翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm時(shí)放 熱過(guò)程石蠟T8測點(diǎn)溫度及出水管溫度T5 隨時(shí)間的變 化曲線(xiàn).從圖4(a) 中可以看出，石蠟的放熱過(guò)程進(jìn)行得比  較快. 在50~55 ℃區間的范圍內溫度較為平穩，儲熱  體處于相變階段；在相變完成后，石蠟迅速被冷卻， 溫度接近管內流體溫度. 由圖4(b)看出，與儲熱類(lèi)似，出水溫度的變化與石蠟溫度的變化保持一致，間距  為2.5 mm的儲熱器率先完成放熱過(guò)程.

2.2   傳熱系數變化情況

圖5 、圖6及圖7分別表示流量為1.0 L/min 、 1.3 L/min及1.6 L/min時(shí)翅片盤(pán)管相變儲熱器儲熱過(guò)程中傳熱系數隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

由圖5~7可看出，在石蠟溫度為50 ℃以下區域， 不同翅片間距的相變儲熱器傳熱系數基本維持在  5~18 W/(m2 ·K)之間；隨溫度及流量的增加，傳熱系數  也相應增大，在進(jìn)入相變階段時(shí)迅速增大，這是因為  早期的儲熱過(guò)程，PCM還未融化，傳熱過(guò)程由熱傳導  起決定作用，進(jìn)入相變階段時(shí)PCM的融化，在管壁上附著(zhù)一個(gè)薄的熔融層，由于浮力作用加劇對流運動(dòng)， 傳熱系數迅速增加，此后隨著(zhù)熔融層的加厚對流受  阻，k值減少，超過(guò)60 ℃后相變完成，逐漸趨于穩定； 在其他參數相同時(shí)，翅片間距較小的儲熱器傳熱系  數更大，翅片間距為2.5 mm 時(shí)，相變過(guò)程進(jìn)行得最快，石蠟熔化速度遠遠高于其余翅片間距下的情況.    圖8 、圖9及圖10分別是水流量為1.0 L/min 、1.3 L/min及1.6 L/min時(shí)翅片盤(pán)管相變儲熱器放熱過(guò) 程中傳熱系數隨石蠟溫度的變化關(guān)系.

通過(guò)圖8~10可以看出，k值從最初的20 W/(m2 ·K)  左右緩慢增加，進(jìn)入相變階段，由于PCM的固化，對  流導熱的綜合作用下，迅速增大到峰值，在52 ℃后， 隨著(zhù)PCM的進(jìn)一步固化，對流作用減弱，k值逐漸減小，在相變結束時(shí)減小到20 W/(m2 ·K)左右. 在溫度50  ℃以下區域，各組不同翅片間距的相變儲熱器傳熱  系數變化比較平穩，并且隨溫度逐漸降低，傳熱系數  也相應地變小，在流量為1.3 L/min和1.6 L/min  時(shí)，傳熱系數基本在10~30 W/(m2 ·K)之間，而流量為  1.0 L/min時(shí)，傳熱系數基本在5~18 W/(m2 ·K)范圍內， 可以看出流量的大小對傳熱系數存在一定影響.

在石蠟溫度為50 ℃~60 ℃區間內，各組翅片盤(pán) 管相變儲熱器的傳熱系數出現峰值，如表2所示.

從表2中可以看出：在同一個(gè)流量下，翅片間距 越小傳熱系數峰值越大；同一翅片間距時(shí)，流量越大 傳熱系數峰值越大；儲熱器傳熱系數最大峰值出現 在翅片間距為2.5 mm、流量為1.6 L/min的情況下.

3    結語(yǔ)

通過(guò)對翅片間距為2.5 mm、5.0 mm及6.5 mm的 翅片盤(pán)管相變儲熱器在水流量分別為1.0 L/min， 1.3 L/min及1.6 L/min情況下的儲、放熱實(shí)驗，簡(jiǎn)單得 出以下結論：

(1) 在同一翅片間距下，水流量越大，儲熱器的 傳熱系數越大，石蠟相變過(guò)程進(jìn)行得越快. 為加大換 熱效率、減小儲熱時(shí)間可以適當增加流量.

(2) 在同一水流量下，翅片間距越小，傳熱器的 傳熱系數越大，石蠟相變過(guò)程進(jìn)行得越快. 在實(shí)際限 定流量的應用中，應選擇較小翅片間距的儲熱器.

(3) 忽略輻射的影響，在50 ℃以下范圍內，石蠟 還沒(méi)發(fā)生相變或相變完成，傳熱過(guò)程主要為導熱，傳 熱系數較??；在50~60 ℃范圍內，石蠟融化，對流傳熱 起作用，傳熱系數變化較大；在60 ℃后，石蠟完成相 變，導熱再次起主導效果，傳熱系數變小. 實(shí)際應用 中選擇相變區間跨度大的相變材料有助于增大儲熱器的傳熱特性.

參考文獻：

[ 1 ]    張瑞卿, 周?chē)[波, 饒建業(yè), 等 . 中國分布式清潔能源發(fā)展現狀和展望[J] . 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 13(4): 290-320.ZHANG R Q, ZHOU X B, RAO J Y, et al. Status and out- look of distributed clean energy development in china [J]. Journal of Shenyang Institute of Engineering (Natural Sci- ence), 2017, 13(4): 290-320.

[ 2 ]    PRIETO M M, GONZÁLEZ B, GRANADO E . Thermal performance of a heating system working with a PCM plate heat exchanger and comparison with a water tank [J]. En- ergy and Buildings, 2016, 122: 89-97.

[ 3 ]    郝添翼, 王興昱, 顧姍姍, 等 . 生物質(zhì)電廠(chǎng)節能降耗改造能值分析[J]. 工業(yè)加熱, 2017, 46(3): 61-67.HAO T Y, WANG X Y, GU S S, et al. Energy conservation and energy analysis of biomass power plant [J]. Industrial Heating, 2017, 46(3): 61-67.[ 4 ]    李偉, 李國新. 翅片管簇式相變蓄熱器的實(shí)驗研究[J]. 煤氣與熱力, 2011, 31(9): A09-A11.LI W, LI G X . Experimental study of finned-tube bundle phase-change heat storage device [J] . Gas&Heat, 2011, 31(9): A09-A11.[ 5 ]    閆全英, 王威. 低溫相變石蠟儲熱性能的實(shí)驗研究[J]. 太陽(yáng)能報, 2006, 27(8): 806-810.YAN Q Y, WANG W. Experimental study on the thermal performance of paraffin [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27(8): 806-810.

[ 6 ]    陳梟, 張仁元, 柯秀芳, 等 . 太陽(yáng)能蓄熱石蠟類(lèi)相變材料循環(huán)穩定性[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2009, 26(3): 10- 12.CHEN X, ZHANG R Y, KE X F, et al. Thermal cycling sta- bility of paraffin wax as phase change materials for solar en- ergy storage [J]. Journal of Guangdong University ofTech- nology, 2009, 26(3): 10- 12.

[ 7 ]    吳薇, 陳黎, 王曉宇, 等 . 蓄能型太陽(yáng)能熱泵用復合相變材料熱性能分析[J] . 農業(yè)工程學(xué)報, 2017, 33(13): 206- 212.WU W, CHEN L, WANG X Y, et al. Thermal performance analysis of composite phase change materials for energy storage solar heat pump [J]. Transactions of the ChineseSo- ciety of Agricultural Engineering, 2017, 33(13): 206-212.

[ 8 ]    鐘秋, 張威, 趙春芳, 等. 固−固相變儲熱材料的研究進(jìn)展[J]. 廣州化工, 2016, 44(23): 4-6.ZHONG Q, ZHANG W, ZHAO C F, et al. Research pro- gress on polymer solid-solid phase transition materials for thermal energy storage [J]. Guangzhou Chemical Industry, 2016, 44(23): 4-6.

[ 9 ]    陳亮, 劉道平, 楊亮. 相變儲能過(guò)程傳熱強化技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2017, 36: 291-296.CHEN L, LIU D P, YANG L. Progress of heat transfer en- hancement technology in change energy storage process [J].Chemical Industry And Engineering Progress, 2017, 36: 291-296.

[ 10]    陳穎, 鄧先和, 李筱萍,     .等 圓柱形相變蓄熱器放熱性能的工業(yè)實(shí)驗研究[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002, 19(2): 41- 45.CHEN Y, DENG X H, LI X P, et al. An industrial experi-mental study on heat discharge performance of cylindrical phase-change thermal energy storage [J]. Journal ofGuang-dong University of Technology, 2002, 19(2): 41-45.

[ 11]    張承虎, 孫德興 . 兩側對流條件下平面凍結凝固相變換熱分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報, 2009, 30(1): 76-79.ZHANG C H, SUN D X . Heat transfer analysis of plane freeze phase transition on double-convection condition [J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(1): 76-79.

[ 12]    陳文振, 劉鎮, 陳志云, 等 . 水平圓管內相變材料接觸熔化分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報, 2007, 28(4): 437-440.CHEN W Z, LIU Z, CHEN Z Y, et al. Contact melting ana-lysis of phase change material inside a horizontal cylindrical tube [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(4): 437-440.

[ 13]    CHEN H T, CHIU Y J, LIU C S, et al. Numerical and exper-imental study of natural convection heat transfer character-istics for vertical annular finned tube heat exchanger [J]. In-ternational Journal of Heat & Mass Transfer, 2017, 109:378-392.

[ 14]    夏莉, 張鵬, 周圓, 等. 石蠟與石蠟/膨脹石墨復合材料充放熱性能研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報, 2010, 31(5): 611-614.XIA L, ZHANG P, ZHOU Y,  et al .  Study  on the charging/discharging characteristics of paraffin and paraffin/expanded graphite composite material [J]. Acta En-ergiae Solaris Sinica, 2010, 31(5): 611-614.

[ 15]   張黎, 柯秀芳. 摻雜對相變材料導熱系數的影響[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 27(4): 39-41.ZHANG L, KE X F . The effect of doping on the thermal conductivity of phase change materials [J] . Journal of Guangdong University of Technology, 2010, 27(4): 39-41.

[ 16]    冷光輝, 曹惠, 彭浩, 等 . 儲熱材料研究現狀及發(fā)展趨勢[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2017, 6(5): 1059- 1072.LENG G H, CAO H, PENG H, et al. The new research pro-gress of thermal energy storage materials [J]. Energy Stor-age Science and Technology, 2017, 6(5): 1059- 1072.

[ 17]    KONG Y Q, YANG L J, DU X Z, et al. Impacts of geomet-ric structures on thermo-flow performances of plate fin-tubebundles [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2016,107: 161- 178.

[ 18]    KIM Y, KIM Y. Heat transfer characteristics of flat platefinned-tube heat exchangers with large fin pitch [J]. Interna-tional Journal of Refrigeration,2005, 28(6): 851-858.

[ 9 ]    REN W, BEARD R W . Consensus seeking in multiagent systems under dynamically changing interaction topologies [J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2005, 50(5):655-661.

[ 10]    WANG Z X, DU D J, FEI M R. Average consensus in direc-ted networks of multi-agents with uncertain time-varying delays [J] . Acta Automatica Sinica, 2014, 40(11): 2602-2608.

[ 11]    蔣方翠. 具有非對稱(chēng)通信時(shí)滯和切換拓撲的高階多智能體系統的一致性[J]. 系統科學(xué)與數學(xué), 2015, 35(3): 258- 269.

JIANG F C. High-order consensus for multi-agernt systems with switching topologies and asymmetric communication delays [J]. Sys Sci & Math Scis, 2015, 35(3): 258-269.

[ 12]    林茜, 吳曉鋒 . 時(shí)滯多智能體系統關(guān)于參考狀態(tài)的信息一致性[J]. 系統工程學(xué)報, 2010, 25(6): 841-846.LIN Q, WU X F . Consensus in multi-agent systems with delayed communication and reference state [J]. Journal of Systems Engineering, 2010, 25(6): 841-846.

[ 13]    宋莉, 伍清河 . 具有多時(shí)變時(shí)滯的多智能體系統在切換拓撲下的平均一致性[J]. 控制與決策, 2013, 28(12): 1811-1816.SONG L, WU Q H. Average consensus of multi-agent sys- tems with multiple time-varying delays and switching topo- logies [J]. Control and Decision, 2013, 28(12): 1811- 1816.

[ 14]    高慶文, 樊春霞, 韋慶陽(yáng). 具有隨機時(shí)延的多智能體系統的一致性研究[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展, 2013(10): 52-55.      GAO Q W, FAN C X, WEI Q Y. Research on consensus of multi-agent system with random time-delay [J]. Computer Technology and Development, 2013(10): 52-55.

[ 15]    ZUO Z, WANG C, DING Z. Robust consensus control of uncertain multi-agent systems with input delay: a model re- duction method[J]. International Journal     Robustof & Non- linear Control, 2017, 27(5): 1874- 1894.

[ 16]    DING Z. Consensus control of a class of Lipschitz nonlin-ear systems [J] . International JournalControl, 2014,of        2372-238287(11):.

[ 17]    ARTSTEIN Z. Linear systems with delayed controls: A re-duction [J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1982, 27(4): 869-879.

[ 18]    KWON W H, PEARSON A E. Feedback stabilization of lin-ear systems with delayed control [J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1980, 25(2): 266-269.