板式相变储能换热器流动与换热性能实验研究

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　板式相变储能换热器流动与换热性能实验研究

　　阮世庭，张济民，曹建光，徐涛，王江(上海卫星工程研究所，上海201109)

　　摘要:为了探究板式相变储能换热器在不同工作状态下的流动与换热性能，以及不同工况下的损失。通过实验研究换热流体的流速、温度以及板式相变储能的摆放位置对相变储能换热器出口温度、换热功率以及效率的影响。实验结果表明，在相变材料融化结束前，进口流体流速高、温度低时，出口流体温度高，进口流体流速低、温度高时，出口流体温度低;当相变材料融化结束后，进口流体流速高、温度低时，出口流体温度低，进口流体流速低、温度高时，出口流体温度高。换热流体温度高、流速低时，效率低;换热流体温度低、流速高时，效率高。相变储能换热器的摆放位置对换热器的流动与换热性能只产生微弱的影响。

　　关键词:相变储能;换热器;实验研究;效率;换热功率

　　中图分类号:TK02文献标识码:A文章编号:1002-6339(2018)03-0229-05

　　Abstract:Inordertoexploretheflowandheattransferperformanceandexergylossofplatetypephasechangeenergystorageheatexchangerindifferentworkingconditions，theeffectsoftheflowvelocityandtemperatureoftheheattransferfluidontheoutlettemperature，heattransferpower，andexergyefficiencyofthephasechangeenergystorageheatexchangerwerestudiedexperimentally.Theexperimentalresultsshowthat，beforethephasechangematerialfinishesmelting，thetemperatureoftheoutletfluidishighwhentheflowrateoftheinletfluidishighandthetemperatureislow;theoutletfluidtemperatureislow，whentheinletfluidflowrateislowandthetemperatureishigh.Andafterthephasechangematerialmelts，thetemperatureoftheoutletfluidislowwhentheflowrateoftheinletfluidishighandthetemperatureislow;theoutletfluidtemperatureishigh，whentheinletfluidflowrateislowandthetemperatureishigh.Whentheheatexchangefluidtemperatureishighandtheflowrateislow，theexergyefficiencyofphasechangeenergystorageheatexchangerislow;whentheheatexchangefluidtemperatureislowandtheflowrateishigh，theexergyefficiencyofphasechangeenergystorageheatexchangerishigh.Theplacementonlyhasaweakinfluenceontheflowandheattransferperformanceofthephasechangeenergystorageheatexchange.

　　Keywords:phasechangeenergystorage;heatexchanger;experimentalresearch;exergyefficiency;powerofheatexchanging

　　现阶段，将相变储能技术与换热技术结合，开发新型相变储能换热器成为研究的热点[]。目前主要采用间壁式换热器作为相变储能换热器形式[2]。按照传热壁面的形状，间壁式换热器可以分为管式换热器、板式换热器、夹套式换热器以及各种异形传热面组成的特殊形式换热器[3]。板式换热器是近几十年来广泛应用的一种新型换热器。它由一系列相互平行、具有强化换热表面的薄金属板相叠而成[4]，具有耐高温高压、耐腐蚀、结构紧凑等优点，在我国得到了很大的发展，在航天上也有广泛的应用。康艳兵等[5]建立了板式相变储能换热器的无量纲传热模型，此模型适用于流体入口流量、入口温度随时间变化和需要考虑入口段效应及添加肋片等情况。刘倩平[6]等通过数值模拟技术研究肋片强化传热相变储能换热器蓄热过程，发现热媒体的温度和相变材料相变点之间的温差越大，肋片的间距越小，热媒体的流速越大，所需要的融化时间越短，传热效果会越好。

　　近几十年，越来越多的科研人员通过热力学第二定理的分析理论研究相变储能装置性能[7]。如Adebiyi[8]通过热力学第二定律研究了相变储能系统，结果发现，换热流体以相对高的温度在储热过程中持续较长时间后，将产生大量的损失。1实验装置实验装置如图1所示，包括内流体回路系统、外流体回路系统和中间相变储能换热器。其中，中间相变储能换热器为主要研究对象。相变储能换热器由芯体、内回路进出口、外回路进出口和相变材料充装口组成。芯体主要由相变层板、内回路板和外回路板组成，其结构如图2所示。相变材料充装口设置在换热板中间，内外回路进出口斜对角分布。选用正十四烷为充装相变材料，充装量为0.3kg;选用乙二醇水溶液为流体工质;选用不锈钢作为金属材料。相关物性参数如表1所示。

　　2实验步骤

　　实验开始前，先清理实验台。之后，往相变储能换热器中充装相变材料十四烷，充装系统如图4所示，充装过程如下:

　　(1)称量相变储能换热器外壳的重量，并记录;

　　(2)外回路与恒温水槽连通形成回路，通入温度恒为343.15K的热水;

　　(3)关闭阀门-1，打开阀门-2，抽出相变储能换热器中的气体;

　　(4)关闭阀门-2，打开阀门-1，让相变工质正十四烷通入储能换热器，待正十四烷储液箱液面不再发生变化，关闭阀门-1;

　　(5)移除真空泵，正十四烷储液箱及相关管路，并排出储能换热器中热水。待热水排尽后，移除恒温水箱和对应管道;

　　(6)称量储能换热器重量，并与原始重量对比，计算充装相变材料质量。3实验数据误差分析

　　3.1直接测量误差分析

　　安捷伦温度采集仪绝对误差ΔT=0.1K，测温范围T≈10K，则温度测量值的相对误差ΔT/T=1%。

　　LWGY-2转子流量计绝对误差ΔQ=0.003

　　L/min，流量Q≥0.3L/min，流量测量值的相对误差

　　ΔQ/Q=1%。采用安捷伦自带时间记录仪记录时间并测温，故认为时间误差忽略不计。

　　4结果与讨论

　　4.1换热器出口温度分析

　　图5为相变储能换热器内流体回路出口温度在不同工况下随时间变化曲线。从图上可以看出，四种工况下，换热器出口流体温度变化具有相似性。将出口温度变化曲线分为四个阶段:

　　(1)相变材料未融化阶段;(2)相变材料融化阶段;(3)相变材料融化结束阶段;(4)温度趋于稳定阶段，分别对应图中A，B，C，D。

　　5结论

　　本文通过实验探究板式相变储能换热器在不同工作状态下的流动与换热性能，以及不同工况下的损失，分析换热流体的流速、温度以及板式相变储能的摆放位置对相变储能换热器出口温度、换热功率以及效率的影响，得到以下结论:(1)不同工况下换热器出口温度存在较大差别。在相变材料融化结束前，流速高温度低时，出口温度最高，流速低温度高时，出口温度最低。当相变材料融化结束后，流速低温度高时，出口温度最高，流速高温度低时，出口温度最低。(2)对换热器换热功率进行分析，发现换热器中相变材料在相变阶段，换热器换热功率不同，其中，当流量低温差大时，换热器换热功率最大，相变材料吸收的热量最多，相变材料的温升最大，导致换热器出口流体温度最高。

　　参考文献

　　[1]叶为标.热泵相变储能换热器强化传热数值模拟和实验研究[D].广州:华南理工大学，2012.

　　[2]王永川，李建新，陈光明.相变储热预热式热泵热水器节能特性分析[J].太阳能学报，2009，30(1):51-54.

　　[3]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].第五版.南京:东南大学出版社，2014.

　　[4]朱冬生，钱颂文，马小明，等.换热器技术及进展[M].北京:中国石化出版社，2008.

　　[5]康艳兵，张寅平，江亿.板式相变贮能换热器传热模型和热性能分析[J].太阳能学报，2000，21(2):121-127