脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

卢小辉， 罗孝学， 曹士博， 邹长贞， 蓝广林， 卢萍丽

(1.北部湾大学 海运学院， 广西 钦州 535011； 2.郑州大学 经济管理学院， 河南 郑州 451162)

0 引言

能源对于人类社会来说是极为重要的[1]。如今，人类开发利用较多的能源依然为不可再生能源，如石油、天然气和煤炭等。这便不可避免地引发了能源危机与环境污染等问题，因此，开发可再生能源是一种必要的举措[2-6]。储能技术[7-11]可以很好地解决能源供给和需求在时间与空间上的矛盾问题，从而提高能源的利用效率。

随着全球工业的迅速发展，工业废热和余热存在大量的浪费，而相变蓄热技术则在这方面提供了一种更为高效、环保和节能的解决途径[12-14]。然而，常见的相变蓄热装置在传热性能上普遍不太理想，尚待进一步改进。对蓄热设备进行强化传热已成为国内外的研究重点。脉动热管(pulsating heat pipe，简称PHP)最初是日本的Akachi等[15]提出的一种新型高效的传热元件，跟普通热管传热相比，PHP具有经济适用、可随意弯曲、构造简单和灵活的特点,从而可以节省余热回收时所需要的时间，降低能量损耗，提升效率[12-14]。Goshayeshi等[16]研究了6种纳米粒子对闭环脉动热管的影响，通过对6种纳米粒子的考察得知，在相似条件下，传热性能的氧化铁纳米粒子的最佳尺寸为20 nm。Wang等[17]研究了充填去离子水和表面活性剂溶液的脉动热管的传热性能，研究结果表明，含有质量0.001%的硬脂酸钠溶液的磷酸氢钙表现出比含有去离子水的磷酸氢钙更好的性能。

提高相变技术中的储热能力，一般要解决材料选择和装置优化两个问题。

1 实验平台的搭建

搭建的PHP蓄热过程实验平台主要由PHP相变蓄热器、转子流量计、超声波流量计、高温恒温油浴锅、数据采集设备、计算机及阀门组成。PHP相变蓄热器下方与高温油浴锅连接，锅内的加热介质为耐高温硅油，如图1所示。

图1 PHP相变蓄热器放热实验台

1.1 主要仪器

PHP相变蓄热器实验平台的主要仪器型号及测量精度如表1所示。

表1 主要仪器的型号及测量精度

对相变材料Ba(OH)2·8H2O的相变温度及相变潜热值的测试，选用德国耐驰公司的DSC200F3型差示扫描量热仪，其外观如图2所示。该产品应用了差示扫描量热法(differential scanning calorimeter,DSC)，具有极高的灵敏度、较强的稳定性，且具有较宽泛的测量温度范围。

图2 DSC差示扫描量热仪

1.2 相变材料的选择

相变材料(phase change materials，PCM)是通过吸收相变潜热进行蓄热的材料。由于PCM具有蓄热密度大、价格低、近似恒温等优点，使其成为该领域的研究热点，众多学者开始重视中低温相变蓄热材料的研究。目前，常用的中低温相变材料见表2。

表2 常用的中低温相变材料

由表2可看出，与其他中低温材料相比，Ba(OH)2·8H2O的相变温度低、潜热值高，且导热系数比其它相变材料更高，因此本实验选用Ba(OH)2·8H2O作为PCM进行蓄热实验分析的材料。

1.3 实验方法

首先，对Ba(OH)2·8H2O做DSC测试，获得Ba(OH)2·8H2O的相变温度及相变潜热值的数据。其次，为了测量设备中材料的温度变化，在箱体适当位置设置了6个测温点(如图3所示)，共上下3排、左右2列。其中，最下端位于PCM中心位置的是测试点1和测点2，这两个测点能够被PCM完全浸没，因此最能反映装置中材料的温度变化情况；测点3和测点4为刚刚没过材料的位置，位于材料温度变化的临界位置；测点5和测点6测的是蓄热器中无材料处(即空气)的温度变化趋势。同时，课题组还在冷却水的进出口位置及低温恒温槽内部安装了热电偶。热电偶测温线将T型热电偶不同颜色的两极焊接在一起，之后插入箱体的测点1位置，并用导热胶固定，用于研究分析PHP相变蓄热装置的蓄热性能。在蓄热过程中，通过改变加热温度来测试PHP相变蓄热装置的蓄热性能。

图3 蓄热箱内布置的测温点

2 实验结果与分析

2.1 Ba(OH)2·8H2O的DSC结果及分析

纯Ba(OH)2·8H2O的DSC测试结果见图4。

图4 纯Ba(OH)2·8H2O的DSC测试图

由图4可知，纯Ba(OH)2·8H2O材料的相变温度是78.366 ℃，相变潜热值为285 J/g，与表2中Ba(OH)2·8H2O的参数基本一致，其相变温度的差异可能是受室温及材料来源造成的。

2.2 不同温度时相变材料温度随时间变化的分析

图5～图7表示的是相变材料Ba(OH)2·8H2O实验时Ba(OH)2·8H2O的质量均为3.5 kg，流体流量均为0.36 m3/h。在加热温度分别为100 、120 、130 ℃时各测点的温度变化情况。

图5 相变材料Ba(OH)2·8H2O在加热温度为100 ℃蓄热时各测点温度随时间的变化情况

图6 相变材料Ba(OH)2·8H2O在加热温度为120 ℃蓄热时各测点温度随时间的变化情况

图7 相变材料Ba(OH)2·8H2O在加热温度为130 ℃蓄热时各测点温度随时间的变化情况

从图5可以明显看出，各测点温度变化趋势大致相同，测点1和测点2的曲线几乎相同。由于测点1和测点2完全被PCM所覆盖，其相变平台有较为明显的随温度升高而变化的趋势。相变材料首先进行固态显热变化，然后进行固态向液态进行潜热变化，最后逐步转化为液态再次进行显热变化；测点3与测点4的温度曲线低于测点1和测点2的原因是：PCM刚刚没过测点3和测点4，所以升温速度与测点1和测点2相比较慢；测点5和测点6测的是蓄热器中空气温度的变化，由于未接触到PCM，因此，温升速度相对更加缓慢。

对比图5、图6和图7中的Ba(OH)2·8H2O温度变化曲线可知，随着温度的升高，蓄热时长会逐步减少，而且在整个蓄热过程中，材料的温度的变化情况也有所差异，在蓄热水平方向的测点温度差也会进一步扩大。因此，温度的改变对装置蓄热过程的影响是极为明显的。原因是热源的温度不断升高，与所用PCM的相变点温差越来越大，蓄热熔化阶段中液态的Ba(OH)2·8H2O密度差也会扩大，加重了自然对流情况的发生，从而提高了蓄热过程中的有效换热系数，在有效换热面积不变的情况下，热流密度会进一步增大，因此可以更快地储存热量，缩短蓄热所需要的时间，以达到减少热量损耗的目的。

图8是在100、120、130 ℃加热时，相变材料Ba(OH)2·8H2O在测点1处的温度对比曲线。

图8 不同加热温度蓄热时测点1的相变材料温度变化对比情况

由于测点1和测点2都被PCM完全覆盖，最能反映PCM在蓄热器中的温度变化情况，因此，笔者选用测点1来进行对比分析。从图8可以看出：在开始的显热阶段，当温度为130 ℃时，在测点1处的加热温度曲线的斜率是最大的，温度上升的速度也极快。这是因为当加热温度改变时，单位时间内通过热端传递的热通量q(即单位时间内在单位截面积上流过的热量)也会随之改变，加热的温度越高，q也就越大，若经过热管所传递的热量能够完全被PCM吸收，那么有公式：

Q=C·m·ΔT

式中，Q为物体吸收和放出的热量，J；C为比热容，J/(kg·℃)；m为质量，kg；ΔT为升高或降低的温度，℃。利用上式可以算出，当m一定时，Q与ΔT成正比，Q越大则温度差ΔT越大。由图8可知，随着加热温度逐步升高，相变所需要的时间也在慢慢缩短，这是由于当蓄热材料的质量一定时，在加热温度改变的前提下，蓄热材料完全相变所吸收的热量Q总相等，但当热通量q不同时，加热温度越高则热通量q越大。由Q总=q·B·t得知，当总的传热量Q总和换热器管面积B一定时，热通量与时间是成反比的。因此，适当调高加热温度可以明显缩短蓄热时间，进而可减小在蓄热过程中热量的损耗。

3 结论

对PHP进行不同加热温度条件下的蓄热实验分析，首先，对相变材料Ba(OH)2·8H2O进行DSC测试，测得相变温度为78.366 ℃，相变潜热值为285 J/g；其次，设定Ba(OH)2·8H2O质量为3.5 kg、流量为0.36 m3/h，对不同加热温度下各个测点的温度情况进行比较，结果表明，加热温度为130 ℃时，相变材料的升温最快，相变时间也最短，最有利于其相变的进行，但是，温度过高可能产生不安全风险。因此，在保证安全的前提下，可适当地提高加热温度，从而缩短蓄热所需要的时间，减少热量损耗。根据研究结果，建议加热温度为120 ℃。