环形相变单元的蓄热装置设计及运行特性

侯普民 茅靳丰 刘蓉蓉 陈飞

（陆军工程大学国防工程学院 南京 210007）

相变蓄热技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，在太阳能利用、建筑节能等领域得到了广泛的应用［1］，而如何实现相变潜热在能量供需间的高效转换成为目前研究的热点。新型蓄热装置是提高潜热蓄放速率的重要途径之一，国内外学者对多种形式的相变蓄热装置的传热特性进行了大量研究。袁艳平等［2-3］研制了一种具有均流结构的相变蓄热水箱，当蓄热单元占比为9.84%时，可比常规蓄热水箱多提供20%温度不低于40℃的热水。崔海亭等［4］设计了球体蓄热单元的圆柱形蓄热器，结果表明换热流体温度升高使蓄热时间减少、蓄热效率增加，流速对于蓄热影响不大。侯普民等［5］建立了防护工程内部相变蓄热水库的实验系统，结论表明相变蓄热水库可节省地下水库体积，延长工程电力保障时间。孔祥冬等［6］设计了一种新型螺旋板式换热器，具有结构紧凑、传热强度高的优点。A.A.Al-Abidi等［7-9］通过在金属壳管中增加翅片以提高整体导热系数，并利用数值模拟研究了轴向翅片的长度、数目、厚度、排列方式等对蓄热器性能的影响。F.Agyenim等［10-11］通过大量实验研究表明长直肋片强化传热的效果要好于其他形式。陈超等［12］利用新型定形板状材料堆积排列直接与换热流体接触构成潜热储热系统，不需要封装，提高了换热效率。张涛等［13］通过在相变蓄热装置内填充泡沫金属以增强传热性能，结论表明使用金属泡沫作为填充材料，整体效果要优于翅片。康艳兵等［14-15］提出了相应的传热模型，可以对系统的多种热性能参数进行分析计算，为蓄热装置的结构优化提供了理论指导。

本文设计了一种环形相变单元的蓄热装置，实验研究了换热流体温度、换热流体流量及不同用水间隔下蓄热装置的运行特性。

1 相变蓄热装置设计及可行性分析

1.1 相变蓄热单元设计

相变单元是蓄热装置的核心，相变单元的结构形式关系到蓄热装置热释放速率。根据文献［16］对环形相变单元的传热特性分析，发现相比于圆柱体相变单元，圆环体单元具有更大的接触面积，换热速率更快。因此，本文选择圆环体相变单元作为蓄热装置的蓄热单元。作为比较，对相同容积的圆柱体单元也一并进行了制作，相变单元结构如图1所示。圆柱相变单元的尺寸为高60 cm，直径6 cm；圆环相变单元具体尺寸为高60 cm，内径3.5 cm，外径7 cm。

用于蓄存太阳能热量的相变材料的相变温度主要介于50～60℃之间［1］，本文选用三水醋酸钠/膨胀石墨复合相变材料作为相变单元填充材料，相变温度为58.1℃，相变焓值为210.7 kJ/kg，导热系数为1.37 W/（m·K）［17］。 不锈钢具有较高的导热系数，且与三水醋酸钠具有较好的相容性［18］，因此本文选取不锈钢作为封装材料。相变单元封装后含相变材料约1.7 L，相变材料重约2.47 kg。

图1 相变蓄热单元结构Fig.1 Structure of phase change heat storage unit

1.2 相变蓄热装置设计

相变蓄热装置结构如图2所示。具体为直径50 cm，高80 cm的圆筒状不锈钢结构，筒体外侧裹有50 mm厚铝箔橡塑海绵。蓄热装置距离上下面10 cm处设有均流板，可以保证相变蓄热装置进出水的均匀性。装置内置21个环形相变蓄热单元，固定在底部均流板板上。蓄热装置距离上下面5 cm处对开设置4个进出水口，通过DN20的不锈钢管与外界连接。

1.3 可行性分析

普通蓄热装置热量储存方式主要为显热，相变蓄热装置内部添加了相变蓄热单元，增加了相变潜热的蓄存，主要包括水的显热、相变材料的显热及潜热3部分。通过比较普通水箱与相变蓄热水箱蓄热量的大小，可对相变蓄热装置的实用性进行可行性分析。计算公式为［3］：

图2 相变蓄热装置结构Fig.2 Structure of phase change heat storage equipment

式中：ΔQ为相变蓄热水箱比普通蓄热水箱增加的蓄热量，kJ；ω为相变材料填充率，为22.3%；ΔT为蓄热温差，ΔT＝Tmax-Tmin，K；Tmax为水箱蓄热最高温度，K；Tmin为水箱初始时最低温度，K。

由式（1）可知，相变装置蓄热量的增加量主要与相变材料的占比及蓄热温差有关。引入临界温差的概念［3］，在保持相变材料占比不变的情况下，当相变蓄热水箱的蓄热温差小于临界温差（ΔT＜ΔTi）时，ΔQ＞0，此时相变蓄热水箱的蓄热量大于普通蓄热水箱。由式（1）计算可得本文的临界温差 ΔTi＝2 552.9℃，通常相变水箱的蓄热温差为30～50℃，远小于临界温差值。因此，将三水醋酸钠作为相变蓄热水箱的基质材料是可行的。

2 蓄放热实验

2.1 实验系统

为了分析相变蓄热装置的运行特性，搭建了相变蓄热实验台如图3所示，系统示意如图4所示。实验设备及主要仪器包括：恒温水箱、自制相变蓄热装置、圆环相变蓄热单元、T型热电偶若干（精度为±0.5℃）、热电偶模块及数据采集系统、可编程控制器（PLC）、计算机、阀门、超声波流量计、热水管道泵、自来水系统等。为减少实验过程中的热损失，实验台热循环管路全部采用橡塑海绵作保温处理。

图3 相变蓄热装置实验台Fig.3 Experimental bench of phase change thermal storage device

图4 实验系统示意图Fig.4 Experimental system diagram

2.2 实验方案

通过实验循环系统可以对相变蓄热装置的运行特性进行分析，分为蓄热过程和放热过程两个工况。蓄热时，来自恒温水箱的高温热水由2号进水口进入蓄热装置，自上而下流过相变蓄热单元，释放热量给相变蓄热单元后的低温热水从3号出水口流回热源；放热时，高温热水由4号出水口流到用户末端，低温冷水由5号进水口对蓄热装置进行补水。

实验过程中，需要全程对相变蓄热装置的温度进行实时采集，T型热电偶的测点布置如图4所示。整个蓄热装置高度为80 cm，蓄热装置的4个进出口均布有热电偶，在距水箱底部20、40、60 cm处相变单元的内外分别布置热电偶，可对进出口、相变单元及水箱不同高度处的温度进行记录，3 s记录1次。

3 实验结果及分析

3.1 相变单元性能分析

为分析蓄热单元结构形式对蓄放热速率的影响，对填充相同质量复合相变材料的圆柱与圆环蓄热单元进行蓄放热实验。实验过程中设置循环流量为4 L/min，蓄热流体温度为70℃，放热流体温度为自来水温度。通过热电偶温度采集系统监测蓄热单元上中下3个位置的温度变化情况，当3个测点温度趋于水平时，判定蓄放热过程完成。

1）蓄热性能分析

不同结构形式的相变单元融化曲线如图5所示，通过对圆柱和圆环不同高度温度监测发现，相变蓄热单元呈现上中下的融化规律，一方面由于来自恒温水箱的热水自上而下进入相变蓄热装置，上部水温高于下部水温，另一方面是由于融化过程中的自然对流加快了上部单元的融化。通过融化曲线发现，圆柱蓄热单元的潜热蓄热完成时间为55 min，显热蓄热完成时间为77 min；圆环相变蓄热单元潜热蓄热完成时间为21 min，显热蓄热完成时间为32 min，分别降低了61.8%和58.4%。因此，环形结构单元对于提高蓄热速率效果显著。

图5 不同结构形式蓄热单元融化曲线Fig.5 Melting curves of different structural forms of heat storage units

2）放热性能分析

不同结构形式的相变单元凝固曲线如图6所示。通过凝固曲线发现，圆柱相变单元的潜热释放完成时间约为15 min，显热释放完成时间约为55 min；圆环相变单元潜热释放完成时间约为9 min，显热释放完成时间约为27 min，分别降低了46.7%，50.9%。相比于蓄热时间，凝固时间减少较多，这是由于蓄热时热水温度为70℃，与复合材料的相变温度差值约为11℃，而放热时冷水的温度为10℃，与复合材料的凝固温度差值约为47℃，较大的温差加快了热量的释放速率，使放热时间大大少于蓄热时间。

图6 不同结构形式蓄热单元凝固曲线Fig.6 Freezing curves of different structural forms of heat storage units

3.2 蓄热装置蓄热特性分析

1）流量的影响

（1）常规蓄热

当蓄热装置内不放置相变单元时，蓄热装置在不同流量下的升温曲线如图7所示。由图7可知，当热水循环流量为3、4、5 L/min时，恒温水箱基本能保证热水进水口温度为70℃，可以很好的满足使用要求。当蓄热装置内无相变单元时，蓄热装置的上、中、下及热水回水口测点的温度迅速上升到恒温水箱温度。分析不同流量下的实验数据可知，流量为3 L/min时，常规蓄热完成的时间为54 min，当流量为4 L/min和5 L/min时，蓄热完成时间分别为43 min和37 min，降低了20.4%和31.5%。结果表明，随着热流量的增加蓄热时间变短，原因是由于增加换热流体流量可以增加换热量，提高温度上升速率。

（2）相变蓄热

图7 不同流量下常规蓄热升温曲线Fig.7 Temperature curve of conventional heat storage with different flow

当蓄热装置内放置相变单元时，蓄热装置在不同流量下的升温曲线如图8所示。与常规蓄热相比，相变蓄热曲线在初始阶段上升较快，达到相变温度后，开始变得平缓，当相变潜热蓄存结束后，蓄热装置温度快速达到恒温温度。这是因为蓄热单元占据了一定的空间，来自恒温水箱的热水可以更快的到达水箱底部。另外，当达到相变温度后相变材料开始吸热融化，蓄热装置温度保持在一个相对稳定的区间。分析不同流量下的实验数据可知，放置相变单元后蓄热时间明显增加，分别为 107、93、82 min，分别延长了49.5%、53.7%、54.9%。由此可以看出，添加蓄热单元对于提高蓄热装置的蓄热量具有明显作用。

图8 不同流量下相变蓄热升温曲线Fig.8 Temperature curve of latent heat storage with different flow

此外，发现添加相变单元后，蓄热装置的蓄热完成时间随着流量的增加而降低，相比于3 L/min，换热流量为4 L/min和5 L/min时蓄热时间分别降低了13.1%和23.4%，与常规蓄热规律相同。

不同流量下相变装置的蓄热速率及蓄热量如图9所示。由图可知，相变装置的蓄热速率随流量的增加而增大，且在蓄热初期保持较高水平，随着时间的增加先迅速降低再逐渐降低。这是由于蓄热初期进出口温差较大且为显热蓄热，随后进入潜热蓄热阶段，蓄热速率迅速降低，且此时不同流量对潜热蓄热速率影响不大。由上述分析可知，提高流量可以提高显热蓄热及总体蓄热速率、缩短蓄热时间。

图9 不同流量下相变装置蓄热速率及蓄热量Fig.9 Thermal storage rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different flow

2）换热流体温度的影响

为分析换热流体进口温度对蓄热装置运行特性的影响，改变换热流体的进口温度，并保持其他参数不变，热水流量设置为4 L/min。蓄热装置在换热流体进口温度分别为65、70、75℃时的相变蓄热曲线如图10所示。由图可知，换热流体进口温度越高，所需要的蓄热完成时间越短，当换热流体温度为65℃时，相变装置潜热蓄热完成时间为74 min，在70℃和75℃时为58 min和52 min，分别降低了21.6%和29.7%。相变装置在65℃时全部蓄热完成时间为120 min，在70℃和75℃时为93 min和80 min，分别降低了22.5%和33.3%。

图10 不同换热流体温度下相变蓄热升温曲线Fig.10 Temperature curve of latent heat storage with different temperature

不同温度下相变装置的蓄热速率及蓄热量如图11所示。由图可知，相变装置的蓄热速率及蓄热量都随着换热流体进口温度的增加而增大。这是由于提高换热流体进口温度提高了蓄热装置进出口温差，并增加了装置的显热蓄热量，使得总体蓄热量增加。

由此可以得出，提高换热流体温度对于提高蓄热速率、增加蓄热量及降低显热和潜热蓄热完成时间都具有明显作用。

图11 不同温度下相变装置蓄热速率及蓄热量Fig.11 Thermal storage rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different temperature

3.3 蓄热装置放热特性分析

1）连续过程

（1）常规放热

当蓄热装置内不放置相变单元时，保持其他参数不变，设置冷水补水量分别为3、4、5 L/min，不同流量下常规放热降温曲线如图12所示。由图可知，当冷水补水量为3 L/min时，水箱温度由70℃降到40℃时，用时约45 min，当冷水补水量为4 L/min和5 L/min时，水箱温度由70℃降到40℃时，用时分别约为37 min和30 min，降低了17.8%和33.3%。对比不同流量下蓄热装置内温度变化曲线，发现随着冷水补水量的增加，温降曲线变得更陡，温降速率变大。因此，增加冷水补水量可以减少放热时间。

（2）相变放热

当蓄热装置内放置相变单元时，保持其他参数不变，设置冷水补水量分别为3、4、5 L/min，不同流量下相变放热降温曲线如图13所示。由图13可以看出，冷水补水由下至上进入蓄热装置，当装置内温度低于相变温度时，相变单元开始释放潜热，存在明显放热平台，与常规放热相比，蓄热装置内温度曲线由于潜热释放变得平缓，不同高度之间的温度也变的更加均匀。

图12 不同流量下常规放热降温曲线Fig.12 Cooling curve of Conventional heat storage with different flow

图13 不同流量下相变放热降温曲线Fig.13 Cooling curve of latent heat storage with different flow

分析不同流量下的实验数据可知，放置相变单元后热水供应时间明显增加，补水流量为 3、4、5 L/min时，相变放热热水供应时间分别为75、48、35 min，与常规放热相比，分别增加了 30、11、5 min。由图13（c）可以看出，当冷水补水流量过大时（5 L/min），蓄热装置上部温度很快下降到40℃以下，此时相变单元上部热量并未完全释放；相反，由图13（a）可知，当冷水补水量较小时（3 L/min），相变单元有充足的时间进行潜热释放，但热水供应流量无法满足淋浴用水要求。冷水补水流量为4 L/min时，可延长热水供应时间11 min，约合44 L温度高于40℃的热水。由此可以看出，添加蓄热单元对于提高蓄热装置的蓄热量、减少温度分层具有明显作用，并可有效延长蓄热装置热水供应时间。

不同流量下相变装置放热速率及放热量如图14所示。由图可知，相变装置的放热速率随补水流量的增加而增大，且补水流量为5 L/min的蓄热量小于3、4 L/min的蓄热量。这是由于补水流量过大导致相变潜热无法及时释放。

图14 不同流量下相变装置放热速率及放热量Fig.14 Thermal release rate and capacity curve of latent heat storage equipment with different flow

2）间隔过程

为分析间隔用水过程中相变装置放热特性，设定用水工况分别为间隔5 min和间隔10 min，用水间隔为5 min时适用于一般洗漱条件，用水间隔为10 min时适用于淋浴用水条件。一般民用建筑生活热水用水定额为50～200 L/h［19］，实验过程中设置热水供应流量为4 L/min可满足大部分用水需求。

图15所示为间隔用水过程中相变放热降温曲线。由图15可以看出，相对于连续用水过程，间隔用水过程中蓄热装置存在明显温度波动，且越靠近底部的位置波动越大，间隔时间越长波动越大，整体呈现梯级下降的趋势。这是由于冷水补水首先由下至上进入蓄热装置，下部温度迅速下降，当停止热水供应后，水箱中上部温度较高的热水与底部冷水混合，加上相变材料开始释放潜热，使蓄热装置下部温度升高。随着间隔用水过程的不断进行，蓄热装置上部温度开始时先逐渐降低，最后迅速下降，这是由于初始阶段相变材料开始释放潜热，使蓄热装置温度保持在一定水平，待潜热释放完毕，温度开始迅速下降。当用水间隔为5 min时，蓄热装置热水出水口在40℃以上时间为90 min；当用水间隔为10 min时，蓄热装置热水出水口在40℃以上时间为87 min。除去间隔停止供水时间，可提供40℃以上的热水时间分别为45 min和47 min，可比常规蓄热装置热水供应时间分别延长8 min和10 min。

图15 间隔过程相变放热降温曲线Fig.15 Cooling curve of latent heat storage with interval time

间隔补水过程相变装置放热速率及放热量如图16所示。与连续补水过程相比，总放热量差别不大，但间隔过程放热速率更大，因此可以提供温度更高的热水。

4 结论

本文首先对圆柱和圆环形相变单元的蓄热性能进行了实验分析，并基于圆环形相变单元设计了相变蓄热装置，分析了可行性。通过搭建相变系统实验台，对蓄热装置的蓄放热性能进行了分析，得到如下结论：

图16 间隔过程相变装置放热速率及放热量Fig.16 Thermal release rate and capacity curve of latent heat storage equipment with interval time

1）放热工况：当换热流体流量为4 L/min、温度为70℃时，环形相变单元比圆柱形相变单元的潜热蓄热和显热蓄热完成时间分别减少了61.8%和58.4%；蓄热工况：补水量为4 L/min，温度为自来水温度时，潜热释放和显热释放完成时间分别减少了46.7%和50.9%。环形结构可有效减少蓄放热时间，提高相变材料的蓄放热速率。

2）本文通过分别设置换热流体流量为3、4、5 L/min，换热流体温度为65、70、75℃，研究了不同流量、不同温度下装置的蓄热特性，结论表明：增加换热流体流量和提高换热流体进口温度均可提高蓄热速率、降低蓄热时间。

3）通过设置冷水补水流量分别为3、4、5 L/min，研究了装置的放热特性，结论表明：增加换热流体流量可提高放热速率，但流量过大使相变潜热无法及时释放，流量过小无法满足实际生活用水需求，最终确定适宜的流量为4 L/min，可多提供约44 L温度高于40℃的热水。根据实际生活用水，对间隔用水分别为5 min和10 min两种工况进行了放热实验，同样可以满足用水需求。

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