不同工况下间接式蓄热器性能的实验研究及分析



赵栋，赵军，高维，安青松

（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津300072）

摘要：当前对于相变蓄热器性能的评价指标主要是蓄放热时间，比较单一，不能全面准确地评价蓄热器性能。本文设计了一种以赤藻糖醇作为相变材料的间接式蓄热器，并通过铜管外加双直肋的手段强化传热。在相变材料内部以及进出口设有热电偶，利用控制变量法，通过改变进口油温以及导热油流量来观测不同工况下蓄热器内部温度的变化以及进出口油温的变化，对不同工况下蓄热器的蓄热效率、放热稳定性进行了分析。为了对蓄热器的充放热性能作出更加全面的评价，对蓄热器进行了分析。结果表明：在流量不变的情况下，随着温度的升高，蓄热效率基本相同，放热稳定性基本一致，效率增加；在温度不变的情况下，随着流量的增加，蓄热效率降低，放热稳定性减弱，效率降低。

关键词：相变；蓄热；传热；间接式；；赤藻糖醇

第一作者：赵栋（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为蓄热技术。联系人：安青松，讲师，博士后，主要研究方向为中低温发电、ORC技术。E-mail anqingsong@tju.edu.cn。

随着国民生活水平的不断提升，人们对于居住环境的舒适度要求不断提高。据资料统计，近年来我国北方地区城镇供暖能耗不断提高，已经占据居民能源消费的较大比例[1]。近些年来，供暖趋势出现了分散性以及南移性。南方以及乡村等无供暖区域，采用电加热或者锅炉进行供暖，由于能源利用率较低，大大增加了能源的消耗。200℃以下的工业余热，因为回收利用技术不成熟，一般都是直接排放，不仅给环境造成危害，而且也是能源的极大浪费。移动蓄热系统利用蓄热技术，将余热存储于装有蓄热材料的蓄热器中，通过交通工具运输到用户侧，克服了热源与热用户之间时间、空间上的不匹配性。移动蓄热技术的核心是相变蓄热技术，高效的蓄热能力是实现移动蓄热工程应用的关键。

对于相变蓄热，国内外的广大学者进行了广泛的研究。相变蓄热领域的一个热点问题就是提高蓄热器的蓄放热效率。具体的研究方向主要分为两个：新型相变材料的研制；热器结构的优化。在材料研制方面，国内外学者进行了大量的研究，包括相变材料微胶囊化[2]、在相变材料里添加高导热物质[3]以及将相变材料与多孔介质合成为定型相变材料[4]。在蓄热器结构方面，通过国内外学者多年的研究，取得一些有效的强化手段。主要包括光管添加肋片[5]、多级蓄热[6]以及直接式蓄热[7]。

当前对于相变蓄热器的性能研究主要是以蓄放热时间作为标准，文献[8-10]针对不同强化换热的手段对蓄热器的蓄放热时间进行了分析。本文作者在前期的研究中以赤藻糖醇作为相变材料，设计并制造了管壳式蓄热器，采用光管加肋的手段对蓄热进行强化。实验发现：通过加肋，蓄放热时间明显缩短[11]。作为相变蓄热装置，蓄放热时间是评价一个蓄热器优劣的关键性因素。除此之外，蓄热过程的蓄热效率，放热过程的稳定性以及蓄热器整体的㶲效率也是评价一个蓄热器优劣的重要因素。而在之前的研究中，很少对这些因素进行分析。本文通过改变导热流体的流量以及温度，对不同工况下的蓄热效率、放热稳定性、总体㶲效率3个方面进行综合分析，从而得出蓄热器的最佳工作工况，为今后蓄热器的实际工程应用提供理论依据。

1　实验装置及方法

实验系统如图1所示，系统主要由余热源、蓄热器、用户端三大部分构成。其中余热源包括一个恒温油箱以及温控装置，用于模拟工业余热；蓄热器内盛装相变材料；用户端由一个水箱及板式换热器构成。蓄热箱体为长方体，如图2所示，长、宽、高分别为600mm×280mm×300mm的长方体，箱体为不锈钢材质。试验中蓄热器水平放置。蓄热器内部管路排布如图3所示，箱体内安装了33根直径12mm、壁厚1mm的铜管，在铜管外侧添加了高30mm、厚度为0.1mm的铜制直肋。箱体底部管子分布较密集，这是因为在熔化过程中，底部的相变材料最难熔化，通过加密底部铜管，加速熔化此区域相变材料。

图1　间接式蓄热实验系统

图2　蓄热器箱体示意图（单位：mm）

图3　蓄热器内部管路排布及热电偶分布

蓄热箱体内的温度分布及变化，通过安装在蓄热箱体内部的热电偶获得。在距离进油口100mm的纵截面A—A、箱体中间部分纵截面B—B、距离出油口100mm的纵截面C—C分别布置了热电偶，具体布置情况如图3示。

实验中箱体内添加赤藻糖醇（纯度＞95%）作为蓄热材料。以导热油为传热介质。赤藻糖醇相变点117.7℃，相变潜热339.8kJ/kg。赤藻糖醇相变温度适合于供暖需求，相变潜热较高，化学性质稳定，是一种极具应用前景的中低温相变蓄热材料。

表1赤藻糖醇热物性表

蓄热实验中，见图1，阀门V1～V6打开，导热流体从热源恒温油箱经油泵输送到蓄热箱体进行换热后回到油箱。放热试验中，阀门V3～V10打开，将有两个循环过程同时进行：导热油流经油泵、蓄热箱体换热器的闭路循环；水路循环为水流经水箱、水泵，在换热器与导热油发生热交换后回到水箱。

2　实验结果与分析

实验分别研究了导热油温度恒定为140℃，流量分别为1.5m3/h、2.0m3/h、2.5m3/h、3.0m3/h、3.5m3/h的变流量工况，以及流量恒定为3m³/h，进口油温分别为130℃、135℃、140℃、145℃、150℃的变温度工况。并通过对采集的温度数据进行处理、计算，对不同工况下蓄热系统的蓄热效率、放热稳定性、整体㶲效率进行了对比分析。

2.1蓄热过程蓄热效率分析

相变蓄热器可以看作一个一侧是流动的流体，另一侧是恒温热源的换热器，因此相变蓄热器蓄热效率可以等效为换热器的换热效率[12]。相变蓄热的充热过程实际上就是导热流体将热量传递给相变材料，相变材料再以潜热的形式存储起来，而在相变蓄热的过程中进出口热流体的温差越大，说明热流体传递给相变材料的热量越多，理论上存在一个最佳进出口温差：ΔT=Tinc−Tm，其中Tinc为充热过程进口油温，Tm为相变材料的相变温度。而在实际运行过程中，热流体进出口温差是不可能达到理想最佳工况的，所以定义ζ=(Tinc−Toutc)/(Tinc−Tm)为蓄热效率，其中Toutc为热流体出口温度。这个式子表示的是实际蓄热量与理想最佳蓄热量的比值。实验中对不同温度、不同流量工况下的逐时蓄热效率进行了计算分析，结果如图4、图5所示。

图4　不同温度下蓄热效率的逐时变化

图5　不同流量下蓄热效率的逐时变化

从图4、图5上可以看出，在蓄热开始阶段，因为导热油与相变材料之间的温差极大，主要以显热蓄热为主，所以具有较大的蓄热效率；随着蓄热的进行，导热油与相变材料之间的温差减小，蓄热效率迅速下降，蓄热材料在经历显热蓄热之后开始吸收热量发生相变，在这个阶段蓄热效率基本保持稳定，并处于较低数值。在流量一定、温度增加的情况下，蓄热效率基本相同。而当进口油温一定的情况下，随着流量的增加，蓄热效率会减小，这是因为流量越大，导热油与相变材料之间的换热越不充分，而在小流量情况下，因为导热油与相变材料的接触时间较长，换热充分，所以蓄热效率较高。

2.2流量、温度对于放热过程的影响

高性能的蓄热器应该具有高效、稳定的放热能力，蓄热温度以及放热时导热油的流量对于放热过程的进行存在着一定影响。本实验设计不同蓄热温度以及不同导热油流量的工况，并且对放热过程出口油温的温度变化进行逐时记录。结果如图6、图7所示。

图6　不同蓄热温度下的放热过程出口油温变化

图7　不同流量下放热过程导热油出口温度变化

可以看出，在放热开始阶段，出口油温的温度较高，这时因为在放热初期，相变材料蓄存有一定的显热，这部分显热迅速释放给低温导热油，随着显热的释放，导热油与相变材料之间温差减小，出口温度也急剧下降。出口温度首先下降到一个较低的点，接着缓慢上升直至稳定。出口油温产生拐点，是因为相变材料过冷现象的发生。当流量不变、蓄热温度增加时，由图6可以看出，蓄热温度较高的工况放热时出口油温也较高，出口油温的变化趋势基本相同，这说明蓄热油温的改变，对于蓄热器放热稳定性的影响不大。而当蓄热温度一定，随着流量的改变，出口油温的变化趋势明显不同，如图7所示，随着流量的增加，出口油温达到的最低温度会越低，回复到稳定状态会越困难，而且当导热油流速过大，也会导致出口油温的降低。可见，放热工况下，导热油流量越大，相变材料过冷度对于系统出口油温的稳定性影响就会越严重。综上所述，在实际工程应用中，一定要控制好换热流体的流量，减小过冷度对于系统放热的影响，保持系统稳定、可靠的放热性能。

为了对一个蓄热器进行更为全面、完善地分析，针对所设计的蓄热器在各种工况下的运行情况进行了㶲分析。通过㶲分析，对比不同工况下蓄热器的㶲效率，得出最优的运行工况。针对蓄热器主要有两种㶲分析方法：第一种，（放热过程导热油出口㶲-放热过程导热油进口㶲）/（蓄热过程导热油进口㶲-蓄热过程导热油出口㶲）[13]；第二种，（放热过程导热油出口㶲−放热过程导热油进口㶲）/（蓄热过程导热油进口㶲）[14]。两种㶲分析所选取的㶲基准不同。具体的计算公式如式（1）、式（2）所示。

设计的蓄热器主要用于工业余热的回收，针对本实验，㶲流图如图8所示：高温导热油进入蓄热器，携带大量有效能，这部分有效能定义为进口㶲Einc，在蓄热过程中，主要的㶲损失有导热油与相变材料换热造成的㶲损失Exc，相变材料融化造成的㶲损失Exm，以及导热油流出蓄热器时所携带的㶲损失Eoutc，因为所设计蓄热器主要用途在于工业余热回收，假设经过换热的导热油所携带的㶲不再进行利用，所以将这部分㶲归为㶲损失。

图8　蓄放热过程㶲流图

在放热过程中，主要的㶲损失有低温导热油与相变材料换热造成的㶲损失Exd、相变材料凝固所造成的㶲损失Exs。经过一个完整的蓄放热循环，最后获得的㶲为低温导热油与相变材料进行换热而带出蓄热器的㶲Eoutd−Eind。根据实验情况，选择第二种㶲效率计算方法，见式（3）～式（6）。

系统㶲效率变化如图9、图10所示。

在流量不变、温度升高的工况下，系统的㶲效率随着温度的升高呈现逐渐递增的趋势。在一定温度范围内随着进口油温的增加，蓄热器完成蓄热的时间会显著缩短，相变材料蓄存的㶲可以认为是一定的，所以蓄热时间越短，随高温流体进入蓄热器的㶲越少，蓄热器的㶲效率会越高。当温度不变，流量改变的工况下，随着流量的增加，系统的㶲效率会呈现下降趋势。这是因为，随着流量的增加，导热油与相变材料之间的换热反而会不充分，蓄热时间也不会有显著的减少，但是，随着流量的增加，同样的蓄热时间里随高温导热油进入蓄热器的㶲却会增加，这就导致了蓄热器㶲效率的下降。综上所述，在实际工程中，为了提高蓄热系统的㶲效率，应尽量避免载热流体的流量过大。

图9　不同流量下系统㶲效率

图10　不同温度下系统㶲效率

从蓄热系统的总体㶲分析中可以看出，蓄热系统的总体㶲效率较低。为了对蓄热系统的蓄放热性能作出更为深入的了解，分别对蓄热和放热过程的㶲效率进行了计算、分析，见式（7）、式（8）。式（7）为蓄热过程的㶲效率，式（8）为放热过程的㶲效率。其中Epcm为蓄热结束之后相变材料所蓄存的㶲，见式（9）。

式（9）中，第一项为固态显热所蓄存的㶲，第二项为相变潜热所蓄存的㶲，第三项为液态显热所蓄存的㶲。在这里，环境温度T0为300K，相变材料的初始温度Tini为333K。

对蓄热、放热过程的㶲效率分别计算，结果如表2、表3所示，可见放热过程的㶲效率远远大于蓄热过程。蓄热过程的㶲效率之所以极小，首先与选择的评价标准有关，在此㶲效率评价方法下，蓄热过程的导热油出口㶲被认为是㶲损失，在蓄热过程中，进出口油温相差极小，也就是说，大部分的㶲随着导热油流出了蓄热器。而放热过程的㶲效率为进出口导热油的㶲差与蓄热材料蓄存㶲的比值，进出口导热油温差较大，说明蓄热材料将自身蓄存的大量㶲传递给了导热油。要对蓄热过程的㶲效率进行优化，首先应该强化导热油与相变材料之间的换热，换热越好，进出口油温的差值就会越大，也就是说更多的有效能被相变材料吸收；但是考虑到单级蓄热存在着一个极限出口温度，这就大大限制了蓄热过程的㶲效率提升空间，所以在今后的研究与工程应用中，可以考虑采用梯级蓄热，进一步拉大进出口油温的差值。

表2不同蓄热温度下蓄放热㶲效率

表3不同流量下蓄放热㶲效率

3　结论

（1）在蓄热过程中，蓄热效率随着流量的增加而降低，随着温度的增加基本无变化。

（2）放热过程，导热油流量越大，相变材料的过冷度对于出口油温的影响越大，放热过程越不稳定。

（3）蓄热系统的㶲效率随着载热流体流量的增加而减小，随着蓄热过程进口油温的增加而增大。蓄热器㶲效率较低的原因，一是因为导热油与相变材料之间较差的传热性，二是单级蓄热出口油温的限制。

（4）从蓄热效率、放热稳定性、㶲效率几个方面来看，适当提高蓄热温度有利于蓄热器运行，同时应控制好载热流体的流量，避免流量过大。

在今后的工作中，应深入研究相变材料的最佳蓄热温度。本文实验中，流速全部处于层流区域，而对于紊流区域的蓄放热特性应进一步研究。在实际应用中，可以考虑采用梯级蓄热，进一步提高能源的利用率。

符号说明

Cl——相变材料的液态比热容，kJ/(kg·℃)

Co——导热油比热容，kJ/(kg·℃)

Cs——相变材料的固态比热容，kJ/(kg·℃)

Einc——充热过程进口导热油㶲，kJ

Eind——放热过程进口导热油㶲，kJ

Eoutc——充热过程出口导热油㶲，kJ

Eoutd——放热过程出口导热油㶲，kJ

Epcm——蓄热材料蓄存的㶲，kJ

L——相变材料的潜热，kJ/kg

Mpcm——相变材料的质量，kg

m——导热油质量流量，kg/h D

T——充热过程理论进出口温差，℃

T0——环境温度，℃

Tinc——充热过程进口油温，℃

Tind——放热过程进口油温，℃

Tini——相变材料初始温度，℃

Tm——相变材料相变温度，℃

Toutc——充热过程出口油温，℃

Toutd——放热过程出口油温，℃

Tpcm——充热结束时相变材料的温度，℃

t——时间，s

ε——蓄热器㶲效率，%

εc——充热过程㶲效率，%

εd——放热过程㶲效率，%

ζ——蓄热效率，%

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研究开发

研究开发

Experimental study on thermal storage characteristics and exergy analysis of thermal energy storage container using indirect contact structure under different conditions

ZHAO Dong，ZHAO Jun，GAO Wei，AN Qingsong

（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The evaluation index of the phase change thermal accumulator is charge time and discharge time，but this index is too simple to evaluate the performance of the thermal accumulator comprehensively and exactly.An indirect contact thermal energy storage was designed，incorporating a medium temperature phase change material（PCM），erythritol.Copper tube with double straight fins was chosen to help enhance heat exchange.The temperature and flow rate of heat transfer oil were changed by controlling variables to observe the temperatures of PCM，at the oil inlet and outlet through thermocouples.The charge efficiency and discharge stability of the thermal energy storage were analyzed under different conditions based on the experimental data.In order to make a comprehensive evaluation of the thermal energy storage，exergy analysis was made.At constant flow rate，with the increase of temperature，charge efficiency and discharge stability were almost the same，and exergy efficiency increased.At constant temperature，with the increase of flow rate，charge efficiency，discharge stability and exergy efficiency decreased.

Key words：phase change；thermal storage；heat transfer；indirect contact；exergy；erythritol

收稿日期：2015-01-09；修改稿日期：2015-02-11。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.010

文章编号：1000–6613（2015）08–2967–07

文献标志码：A

中图分类号：TK 02