新型相变材料换热器热能储存与释放特性

来源：发布时间：2014-08-04 11:45:36点击率：

　　研究了一种新型相变材料换热器,在其进出口的相应温度测试点布置铜镍合金热电偶,然后分别以不同的流速通入温度各为40℃、16—17℃的热、冷空气流,利用温度测试系统连续测出各测点的温度值。理论分析和实验研究结果验证了该换热器具有良好的热能储存与释放特性:当气流的质量流速分别为0.132,0.096kg/s时,若相变材料的平均初始温度为17.4,17.7℃时,经过910,1030min后该换热器热能储存量各为21056.67, 21014.34kJ;在放热过程中,该换热器出口的气流温度维持在20℃以上的时间各为594,717min。它可用于温室、暖房、空调或工业生产中各种低温热能的回收和利用。

　　关键词:相变材料;CaCl2·6H2O;换热器;热能储存;热能释放;能源回收

　　中图分类号:TQ051.5;TK02　文献标识码:A　文章编号:1005-9954(2008)09-0023-05

　　物质相变过程是一个等温或近似等温过程,相变过程中通常伴随有能量的吸收或释放。相变储能技术则是利用相变材料在其物相变化过程中,可以从环境吸收热(冷)量或向环境释放热(冷)量,从而达到能量的储存或释放的目的,它是提高能源利用效率和保护环境的重要技术[1—2],已在太阳能热利用、电力的“移峰填谷”、余热或废热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域得到了广泛的应用,目前已成为世界范围内的研究热点。在过程工业生产过程中,特别是化学工业生产或其他多种工业生产过程中排放的工业余热或废热大多是间断的或不连续的,为了使这些不稳定的热能得以回收和利用,就可以应用相变储能技术加以解决, 首先利用相变材料将这些热能储存起来,必要时再将储存的能量释放出去,这样既可以降低工业企业的能耗,又可以减少由一次能源转化为二次能源时产生的各种有害物质对环境的污染[5]。因此,本文对新型相变材料换热器的热能储存与释放特性进行了研究,以便为其工业应用提供一定的依据和指导。

　　1　新型相变材料换热器的结构

　　本研究的新型相变材料换热器,其主体为管壳式换热器结构,但壳体为矩形,内装有7排管子且每排由 7根管子组成,整个换热器的所有外表面还安装了厚度为50mm的石棉板作为保温之用;管子的轴线与壳体的轴线垂直,每个换热管内充填了2kg的相变材料 (CaCl2·6H2O);为了使换热管内的相变材料能与流体充分接触,每排管子采用错位排列,其基本参数见表1。

　　2　新型相变材料换热器热能储存、释放过程的理论分析

　　2.1　新型相变材料换热器热能储存过程及储存量的理论分析

　　在新型相变材料换热器中,设质量流速为qm的热气流在换热器的进出口处温度分别为θa,i,θa,o, 热气流流过换热器后使位于第j排换热管内的相变材料(CaCl2·6H2O)由初始温度θj,i上升到终温度θj,o。为了便于分析和计算,特做如下假定:①相变材料的相变温度θm为固定值,且位于两温度值 θj,i和θj,o之间;②每个换热管内充填的相变材料所有物理性能是不变的和相等的;③每一排各管子内充填的相变材料的温度是相同的;④由于所有换热管壁很薄,其所储存的热量忽略不计。基于以上假设条件,可以得到具有n排换热管的整个换热器的热能储存量为:

　　3　新型相变材料换热器热能储存与释放特性的实验测试

　　为了检验这种新型相变材料换热器热能储存与释放的特性和效能,首先对相变材料(CaCl2· 6H2O)和空气的各种热物理性能进行了测试,其实测结果列于表2。然后,分别在该换热器进出口处的相应温度测试点布置铜镍合金热电偶,并将它们连接到CampbellScientific数据记录仪和装有Camp- bellScientific′sPC200W软件的计算机上,热能储存、释放过程的测试系统分别如图1,2所示,其图中所画的箭头方向即为空气流的流程。整个测试的实验程序为:①以不同的流速连续通入温度为40℃的热空气流,通过实验测试系统连续测出各测点热电偶的温度值,所得的实验数据经整理后分别绘于图 3,4(图中I,O分别表示在该换热器进出口测得的数据),使位于换热器出口的换热管中心位置相变材料温度达到39.5℃时整个热能储存过程所用的时间列于表3。②对于已进行过热能储存的该换热器,以不同流速连续通入温度为16—17℃的室外冷空气流,通过测试系统连续测出各测点热电偶的温度值,所得的实验数据经整理后分别绘于图5,6(图中I,O分别表示在该换热器进出口测得的数据), 使位于换热器出口的换热管中心位置气流温度达到 18℃时整个热能释放过程所用的时间列于表4。

　　4　实验结果分析与讨论

　　4.1　新型相变材料换热器热能储存过程及储存量的分析

　　从图3和图4可以看出,由于换热管内的相变材料(CaCl2·6H2O)初始温度均低于其相变温度, 整个热能储存过程及储存量可以分析和总结如下: ①无论气流速度为多少,在通入温度为40℃的热空气流后,该换热器管内的相变材料的温度均随时间的增加而提高,当管内相变材料的温度被加热至其相变温度(约为26℃)时,管内的相变材料要发生相变吸收大量的热能而储热,当换热管内的相变材料全部转化为液相后还可以继续吸收热量而升温, 说明该换热器的热能储存量由显热和潜热2部分组成,根据实测结果得出潜热部分所占的热能储存量比例已近似达到80%。②由于本研究的新型相变材料换热器内装有7排管子且每排由7根管子组成,当热空气的质量流速分别为0.132,0.096kg/s 时,相变材料的平均初始温度分别为17.4, 17.7℃,根据理论计算公式以及表2所列的相变材料(CaCl2·6H2O)的各种热物理性能,可以算出该相变材料换热器热能储存量分别为21056.67, 21014.34kJ。

　　4.2　提高新型相变材料换热器热能储存效果及储存量的措施

　　由于相变材料换热器热能储存是通过该换热器所有换热管内相变材料(CaCl2·6H2O)吸收热气流的热量来实现的,因此,根据前面的理论分析可知, 要提高相变材料换热器热能储存效果和强化相变材料换热器的热能储存性能,可以采取3种措施:①尽可能增加热气流的流速;②提高热气流的初始温度;③延长热气流流过换热器的时间。根据实测结果(表3),当通入该换热器热空气流温度维持不变时,气流的流速越大,气流至管内相变材料的热传递速率越大,整个加热周期所需时间也越短。因此,气流的流速是一个重要参数, 为了使相变材料换热器在同样的条件下储存尽可能多的热能, 的途径就是尽量提高流过该换热器热气流的流速,所以,第1种措施在实际工程应用中应重点考虑。第2种措施———提高热气流的初始温度,由于实际工程中流体的温度主要取决于工况,大多数情况下都是确定的,因此,实际工程应用中是难以实现的。第3种措施———延长热气流流过换热器的时间,这种作法实际也是不可取的,因为表面上好象使相变材料换热器热能储存量有所增加,但却增加了能耗且降低了该换热器热能储存的效率。由于相变材料换热器的热能储存量由显热和潜热2部分组成,并且潜热部分所占的热能储存量比例已近似达到80%,所以, 为了提高其热能储存效率,其时间就是当换热器出口处换热管内相变材料完成了整个相变过程的热能储存对应的时间。例如,根据图3和图4 可知,该分布曲线是由第1段曲线、中间近似水平直线和第2段曲线所组成,显然,该分布曲线的中间近似水平直线和第2段曲线的交点应为时间点,即当热空气的质量流速分别为0.132, 0.096kg/s时,该相变材料换热器热能储存过程所用的时间分别为540,643min。

　　此外,这种相变材料换热器的热能储存量大小还与其结构有关,若工程实际中需增大或减小其热能储存量,则还可以通过改变该换热器的结构、换热管数或尺寸来实现。

　　4.3　新型相变材料换热器热能释放过程的分析从图5和图6可以看出,已有热能储存量Q 的相变材料换热器,其换热管内相变材料(CaCl2· 6H2O)的初始温度接近于40℃,随着温度为 16—17℃的冷空气流连续通入,整个热能释放过程可以分析和总结如下:①无论气流速度为多少, 该换热器各测点在放热过程中的温度变化规律为:换热器进出口处管内外的温度起初都是急剧下降的,其温度变化曲线为陡降的;当温度下降至其相变温度(约为26℃)时,由于管内的相变材料发生相变而释放相变潜热,其温度变化曲线在一定时间内近似为水平直线;只有当所有换热管内的相变潜热全部释放后,管内相变材料和换热器出口气流的温度又会随时间的增加而逐步下降。 ②该换热器换热管内的相变材料在降温过程中会发生相变,由于其相变潜热的热量很大,因此,该换热器出口的气流温度在一定时间内仍能保持恒温,这也是传统管壳式换热器所不具备的、只有这种相变材料换热器结构才具有的重要特征之一。例如,当温度为16—17℃的冷气流的流速分别为 0.132,0.096kg/s时,本实验的相变材料换热器出口的气流温度维持在20℃以上的时间各为 594,717min。③根据前面的理论分析以及实测结果(表4),若该换热器热能储存量Q为一定时,当通入该换热器冷空气流温度维持不变时,气流的流速越大,管内相变材料的放热速率越大,维持该换热器出口气流温度不变的时间也就越短。因此,气流的流速是一个重要参数,为了使相变材料换热器出口的气流温度在同样的条件下尽可能保持时间长一些, 的途径就是尽量降低流过该换热器冷气流的流速。

　　5　结论

　　这种新型相变材料换热器能将温度较高的热流体的热能储存起来,必要时又可释放其已储存的热能,所以,它具有较好的应用前景,主要适用于温室、暖房、空调或工业生产中各种低温热能的回收和利用,也可以应用于需要温度控制或维持一定温度条件的相关领域中。

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