相变换热装置的研究进展与趋势

俞琴华，毛国群，吕来权

(1.华能(浙江)能源开发有限公司长兴分公司，长兴 313105； 2.浙江大学，杭州 310027)

0 引 言

随着全球经济的发展，人们燃烧了大量的化石燃料，这将进一步加剧温室效应，今天人们非常关注化石燃料的合适替代品的开发和改进。太阳能和风能是最具有吸引力的可再生能源。然而可再生能源如太阳能和风能等受季节和时间影响较大，有效的热能储存对于解决间歇性太阳能等供热和需求之间的不匹配至关重要[1-2]。一般来说，热能的储存形式有三种，即显热、潜热和热化学储能。而潜热储能技术是最具有潜力的，从能量储存密度的角度来看[3]，潜热储能技术是在恒定温度下储存能量[4]，且其可以不断循环而不受其他条件的限制[5]。潜热储能的第一次应用可以在1975年的文献中找到[6]。

许多学者对潜热储存单元在工业中的应用进行了综述。Nazir等[7]根据相变材料的物理性质，综述了各种相变材料的应用，说明有机、无机和共晶相变材料的熔点、热能储存密度和热导率是各种热能储存应用的主要选择标准。并详细讨论了通过封装和纳米材料添加剂改善相变材料热能储存特性的策略。Lin等[8]综述了近年来无机相变材料的研究，总结了它们的热性能，介绍了无机相变材料在换热装置以及储能系统中的一些应用。Wei等[9]通过对现有文献的分析，评估了相变材料的选择原则，并介绍和比较了目前流行的用于相变材料的选择软件，还对几种传热和性能增强技术进行了综述。Lokesh等[10]对基于相变材料的换热装置设计中需要考虑的各种运行条件和设计参数进行了深入分析讨论。本文将从换热装置的结构、相变材料、换热流体和换热装置传热强化4个方面对PCM换热装置的应用研究进行综述。

1 换热装置结构的影响

关于换热装置结构对换热装置传热的影响，Medrano等[11]实验研究了5个用作潜热蓄热系统的小型热交换器在熔化和凝固过程中的传热特性。商用RT35用作PCM，水作为传热流体。对各个换热装置之间的性能进行比较发现，将PCM埋入石墨基质的双管换热装置的性能最佳。Pahamli等[12]用RT50作为管壳式热交换器中的相变材料，研究了包括几何特性(偏心率)和流量(传热流体的质量流量和入口温度)等参数对PCM储热过程的影响。结果表明，当同时考虑入口温度和偏心距时，其对传热速率的影响要大于质量流量的影响。Mahdi等[13]通过对三重管中PCM熔化的数值分析研究了多种翅片布置对PCM熔化速率的影响。结果表明，蓄热单元的下半部分使用长翅片将会加速熔化过程，而在单元的上半部分使用较少且相对较短的翅片可以获得更好的性能，如图1所示。Yang等[14]在换热装置中设计了不同的翅片间距和位置，以减小熔化过程的不均匀性。通过分析熔化前沿的演变、温度和速度分布、熔化速率和温度均匀性，量化了翅片间距和位置对熔化过程热性能的影响，如图2所示。Pakalka等[15]通过实验比较和评估了两种不同几何参数的相变铜管换热装置的运行情况。

图1 相变材料的液态分数云图，研究换热管上半部分翅片数量的影响

图2 不同翅片分布的温度云图

2 相变材料的影响

关于相变材料对换热装置传热的影响，Nagano等[16]提出一个相变材料颗粒和空气之间的直接热交换系统，相变颗粒由颗粒直径为1～3 mm的多孔介质和石蜡组成。通过实验对数值模型进行了验证，并通过数值分析讨论了相变过程中的传热系数和相变在系统中完成所需要的时间。Wu等[17]通过实验研究膨胀石墨石蜡相变材料换热装置作为即时空气源热泵热水器冷凝器的可行性，并对膨胀石墨石蜡换热装置在不同进水流量下的温度分布和体积膨胀进行了研究和测试。结果表明，板式换热装置与传统水箱相比，相同性能的板式换热装置的体积较小，如图3所示。Gorzin等[18]对PCM在多管式换热装置中的分布进行了数值计算，以减少凝固时间。结果表明，PCM的分布对传热的增强非常有效，适当的PCM质量分布可使固化时间减少62%。Lin等[19]研究了癸二酸/膨胀石墨复合材料在双螺旋盘管换热装置中的热能储存性能和相变行为，结果表明，采用癸二酸/膨胀石墨复合材料的储能罐内部温度分布均匀。还探讨了热流体的流量和入口温度对储能效率的影响。Lin等[20]还介绍了一种具有多流动通道的枕板式换热装置的新型储能装置，三水合醋酸钠作为相变材料，水作为工作流体。并对潜热蓄能系统的热性能包括出水温度、热功率和热效率和传热系数进行了评价，如图4所示。Elsanusi等[21]调研了多种相变材料在水平放置的热交换器中不同布置方式的融化性能和对热传导和自然对流传热的影响。数值结果表明在所研究的所有布置中，自然对流对传热特性具有显著的积极影响，并联布置增强了热传导，但抑制了自然对流，而串联布置显著增强了自然对流传热。

图3 PCM相变换热装置的冷热流道布置

图4 枕板式相变换热装置

3 热流体的影响

关于热流体流量和温度的影响，Hosseini等[22]结合试验和数值研究的方法研究了相变材料石蜡RT50在管壳式换热装置内部受限熔化和凝固过程中的热行为和传热特性，如图5所示。试验结果表明，将HTF的入口温度提高从70 ℃提高至80 ℃，储热和放热的理论效率分别从81.1%上升至88.4%和从79.7%上升至81.4%。Murray等[23]介绍了一种既能在连续蓄热模式下工作，又能在同时蓄热和放热模式下工作的低功耗蓄热器。结果发现在加热过程中，更快的流速导致更短的熔化时间；然而，在放热过程中，流速不影响固化速度。Ju等[24]以蒸汽为传热流体，对充有高温相变材料的管壳式蓄热单元的蓄热行为进行了数值研究。采用焓法建立了二维传热模型，研究了相变材料熔化时间、蒸汽向相变材料的蓄热速率以及蒸汽冷凝随时间的变化特征。评价了相变材料导热系数、蒸汽流量和直径比对蓄热性能的影响。Gasia等[25]研究了用动态熔融概念在以水为相变材料、甲酸钾/水溶液为热流体的圆柱形管式热交换器中的传热效果。动态熔化概念是一种新的传热增强技术：在熔化过程用泵对液态PCM进行再循环，并由于强制对流的作用而提高了总体传热系数。

图5 管壳式相变换热装置的系统图

4 传热强化的影响

关于相变换热装置传热强化的影响，Shabtay等[26]比较了两种提高蜡基相变材料导热系数的方法，第一种是在相变材料中嵌入改进型铜管/铝翅片换热装置，第二种是将铜管嵌入高导热性石墨蜡基相变复合材料中。两种方法的导热系数提高均在100倍以上，但是第二种方法无泄漏表现且具有灵活性。Pahamli等[27]研究了包括添加纳米颗粒和倾斜角在内对相变材料在管壳式换热装置中的熔化过程的影响。结果表明，热传导在熔化的初始和结尾中占主导地位，随着过程的进行，自然对流作用在熔化过程中占主导地位。通过增加纳米颗粒的质量分数，导热系数增加，增加倾斜角度会导致PCM更快地熔化，从而缩短总熔化时间。同时添加纳米颗粒和增加倾斜角，自然对流和热导率均得到改善，从而导致NEPCM更好地熔化。Al-Mudhafar等[28]介绍了一种新型的改进型网状管换热装置(如图6所示)，并对其进行了数值研究，以提高相变材料储能(TES)系统的热性能。研究结果表明，与网状管换热装置和三管换热装置相比，采用改进的网状管换热装置时，相变材料的凝固过程加快了41%。

图6 各种热交换器配置的横截面积

5 结束语

储热技术是一项有前景的资源节约、环境友好技术，近年来备受关注。相变换热装置是将储热技术应用于工业中的关键步骤，所以对相变换热装置的性能研究至关重要。本文对相变换热装置结构、相变材料、换热流体和传热强化对相变换热装置的性能影响进行了综述。发现以上几种因素对相变换热装置的性能有很大的影响，在未来，可以从这些因素入手，逐渐改进相变换热装置，使其在工业中的应用成为可能。