平板微热管阵列相变蓄热装置蓄/放热性能

刁彦华，汪 顺，赵耀华，李诚展，朱婷婷，康亚盟

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

平板微热管阵列相变蓄热装置蓄/放热性能

刁彦华，汪 顺，赵耀华，李诚展，朱婷婷，康亚盟

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

为提高相变蓄热装置的性能，基于平板热管技术设计了一套相变蓄热装置，将熔点58℃的工业石蜡作为该蓄热装置的蓄热材料，对平板微热管阵列在蓄/放热过程的均温性能、蓄热装置内部石蜡温度变化以及蓄热装置的蓄/放热效率进行实验分析，同时对不同供/取热流体温度和流量的实验条件下蓄热装置蓄/放热特性进行研究.结果表明:平板微热管阵列在蓄/放热过程中性能稳定，蓄热装置蓄/放热效果良好；在供/取热流体流量为2.0 L/min，供热流体温度为80℃，取热流体温度为20℃的实验条件下，计算得到该蓄热装置平均蓄热功率、放热功率分别为662、764 W.

平板微热管；石蜡；相变材料；相变蓄热装置

太阳能因其间断性和不稳定性的特点限制了其应用范围.近年来，广大学者通过各种技术对提高太阳能可靠性进行了大量研究.其中，相变蓄热技术因其具有储能密度高、充释热温度稳定等优点而受到普遍关注，并在很多领域得到了广泛应用.但是大多数常规相变蓄热材料的导热系数比较低，是制约相变蓄热技术发展的主要原因.因此，许多学者通过传热强化技术来解决相变蓄热材料导热系数低的问题.

Shamsundar等［1］设计了管-壳式蓄热装置，并对其蓄/放热过程进行了实验研究.Chiu等［2］设计了一种翅片管式蓄热装置，并对其热性能和传热特性进行了研究.Ismail等［3］设计了一套相变蓄热系统，该系统将充满蓄热材料的球形胶囊放进一个圆筒形储蓄罐，通过载热流体循环从而实现系统的蓄/放热.牛福新等［4］建立了三套管蓄能蓄热装置的数学模型，通过焓法对三套管蓄能蓄热装置蓄热动态特性进行了数值模拟，并对比分析了不同相变层厚度、流体流量以及流体入口温度对其蓄热特性的影响.唐刚志等［5］采用赤藻糖醇作为相变材料，将三维针翅管用作换热元件以强化换热，设计了一套针翅管式相变蓄热实验装置，对相变蓄热装置的蓄/放热特性进行了实验研究，测定了赤藻糖醇的温度分布随时间变化的规律；改变蓄/放热流体工况，分析了流量对换热的影响以及能量随时间变化的规律.

Faghri［6-7］利用微型热管设计了一个小型相变蓄热装置，并以此申请了2个专利.Horbaniuc等［8］建立了一个低熔点温度相变蓄热材料应用于带翅片结构的热管蓄热模型，并对热管翅片周围相变蓄热材料的二维凝固过程进行研究.结果表明:翅片越多，凝固速率越快，同时也可以通过改变翅片的数量来控制凝固时间.王增义等［9］将热管作为换热元件应用于相变蓄热系统中，研制了一套热管式相变蓄热装置，采用石蜡作为蓄热材料，对其蓄/放热过程进行了实验研究.Robak等［10］将热管嵌入到相变蓄热装置中，通过实验研究其蓄/放热过程，并直接与无嵌入热管和用鳍替代热管2种情况进行实验对比.该实验验证了热管对相变蓄热装置换热性能的提高.

平板微热管阵列是一种具有很高传热性能的元件，它可以将大量热量通过很小的截面积远距离传输而无需外加动力，具有其他传热技术不具备的优点:具有卓越的传热效率及可靠性、隔离性，阻力低，体积小，可控制等.因此，本文将传热性能良好的新型平板微热管引入到相变蓄热中，设计了一套以石蜡为相变蓄热材料的平板微热管阵列相变蓄热装置.在不同的实验条件下，对该装置蓄/放热性能进行了实验研究.

1　平板微热管阵列相变蓄热装置

本文利用平板微热管阵列元件，设计加工了一套相变蓄热装置，该装置外部尺寸为740 mm×80 mm×460 mm，由3 mm不锈钢板焊接而成.内部有5个相变蓄热单元，每个相变蓄热单元主要由4部分组成（如图1所示）:（a）蓄热箱体；（b）平板微热管阵列（尺寸为710 mm×40 mm×3 mm）；（c）平板翅片（尺寸为164 mm×144 mm×28 mm）；（d）异形管（尺寸为720 mm×110 mm×30 mm）.其中，热管、翅片和异形管均为铝制挤压成型，蓄热箱体由3 mm厚不锈钢板加工制作.热管和平板翅片通过机械连接组成蓄热单元，在热管接触面均涂抹导热硅脂以减少接触热阻.异形管与热管通过机械方式贴合构成蓄/放热流体通道.为了增强熔化过程的自然对流作用，所有平板翅片均竖直安装.考虑石蜡相变的体积膨胀系数，在箱体顶部预留一定的空隙；为减少热量损失，装置外表面覆盖60 mm聚乙烯绝热保温材料.

本文中平板微热管阵列内部所充工质为丙酮，平板微热管阵列由3部分组成，即蒸发段、绝热段和冷凝段；加热段受热后使得内部工质蒸发，蒸气在浮升力作用下进入绝热段和冷凝段，并在冷凝段将热量放出变为液体回流至蒸发段.图1（b）所示平板微热管阵列由吸热段、蓄热段和放热段组成，其工作原理如下:

蓄热时，供热流体流经下部分异型管通道，将热量由供热流体经异型管传至吸热段，液体工质吸热后将热量传至蓄热段，通过翅片将热量不断地传到石蜡中储存起来，从而实现蓄热过程；放热时，取热流体流经上部分的异型管通道，热量由放热段经异型管传至取热流体，将热量不断地从蓄热段传至放热段，从而实现了放热过程.

图2给出了装置内部热电偶布置图，以中间蓄热单元为研究对象，布置了22根K型热电偶用于测量系统温度分布.T1～T6为热管表面温度测点分布，T7～T15为z方向自下而上靠近箱体壁面石蜡温度测点分布，T16～T20为y方向平板翅片两肋之间石蜡温度测点分布；同时为了评价蓄热装置实验过程的漏热量，布置2根热电偶用于测量保温材料内外两侧温度，T19～T20为保温材料内外两侧温度测点分布.

2　实验系统及过程

2.1实验系统

本实验采用熔点为58℃工业石蜡作为相变蓄热材料，石蜡用量为18.7 kg，相变潜热为198.8 kJ/kg，液/固态的导热系数为（0.22/0.27）W/（m· K），比热容为2.66 kJ/（kg·K）.实验系统如图3所示，主要由相变蓄热装置、恒温水浴、增压水泵、阀门、涡轮流量计、Agilent数据采集器和计算机组成.T23～T26为热电阻，用于测量供/取热流体进出口温度.其中，恒温水浴用于提供稳定的冷热源；水泵用于克服供/取热环路阻力；阀门用于调节供/取热流体流量；涡轮流量计用于测量供/取热流体流量.实验系统分为2个环路:供热环路和取热环路.供热环路:由于平板微热管阵列传热的单向性，将供热环路设计为下环路，恒温水浴加热后的供热流体经过水泵加压，流经流量计进入蓄热装置供热通道进口端，由蓄热装置供热通道出口端返回恒温水浴，从而完成供热循环；取热环路:将取热环路设计为上环路，恒温水浴冷却后的取热流体经过水泵加压，流经流量计进入蓄热装置取热通道进口端，由蓄热装置取热通道出口端返回恒温水浴，从而完成取热循环.

2.2实验过程

本部分将重点研究供/取热流体进口温度和流量对蓄热装置蓄/放热特性的影响.实验条件如表1所示.实验将分别研究蓄热过程和放热过程.蓄热过程:首先通过冷热恒温水浴循环，保证初始石蜡平均温度为25℃，将高温恒温水浴调到设定的温度值，然后运行水泵使得供热环路循环，调节阀门控制流量为实验所需设定值，当石蜡平均温度升到70℃时结束实验；放热过程:首先通过冷热恒温水浴循环，保证初始石蜡平均温度为80℃，将低温恒温水浴调到设定的温度值，然后运行水泵使得取热环路循环，调节阀门控制流量为实验所需设定值，当石蜡平均温度降到30℃时结束实验.

2.3计算方法

2.3.1量纲一参数

由于实验过程存在相变，因此引入Stefan数［11］来评价显热与潜热比值.供/取热流体温度作为Stefan数的评价特征数，可由方程

描述.式中:cp为石蜡比定压热容，kJ/（kg·K）；tm为石蜡熔点，℃；蓄热实验过程中，温度差ΔtSte= tin，hot-tm，℃；放热实验过程中，温度差ΔtSte=tmtin，cold，℃；Δhm为石蜡潜热值，kJ/kg.

由于每次实验进口温度不同，因此Stefan数也不同，图4所示为供/取热流体在不同进口温度下的Stefan数.从图中可以看出，在蓄热过程中，Stefan数随着供热流体进口温度的增加呈现线性递增趋势；而在放热实验中，Stefan数随着取热流体进口温度的增加呈现线性递减趋势.

2.3.2能量存储

蓄/放热过程中，蓄热材料实际蓄热量Qstored可通过方程

描述.式中:m为该装置所储存石蜡质量；cp为石蜡比热，kJ/（kg·K）；tm为石蜡熔点，℃；ti为实验开始时石蜡温度，℃；tf为实验结束时石蜡温度，℃.

表1　实验条件Table 1 Experimental parameters

3　结果及分析

本文采用控制变量法进行实验，供热实验时供热流体温度为80℃，供热流体流量为2.0 L/min；放热实验时取热流体温度为20℃，取热流体流量为2.0 L/min.

3.1热管性能

为了评价平板微热管阵列的性能，图5描述了平板微热管阵列蓄热段沿z方向表面温度随时间分布.从图中可以看出，当实验预热阶段结束后，热管表面温度基本就趋于一致（温差在1℃以内），表现出热管所具有的快速热响应和均温性特征；随着实验的进行，平板微热管阵列的表面温度始终保持一致，说明平板微热管阵列的等温性良好.

3.2能量存储

图6给出了供热流体温度为80℃，流量为2.0 L/min和取热流体温度为20℃，流量为2.0 L/min的实验条件下蓄/放热实验的石蜡实际蓄热量和功率.根据实验数据计算得到蓄/放热实验的蓄热装置中石蜡实际蓄热量分别为5 956、6 190 kJ；蓄/放热时间分别为150、135 min；计算得到该条件下蓄热装置的平均蓄/放热功率分别为662、764 W.由于实验系统材料本身存在一定的热容，在实验计算时并没有考虑系统材料的蓄热量，因此，蓄热装置整体的蓄热量及平均蓄/放热功率应大于该石蜡计算值.

3.3蓄/放热过程石蜡温度变化

图6给出了蓄/放热过程蓄热段沿y方向石蜡温度随时间分布.从图中可以看出，蓄热实验开始时，T16所测热管表面温度迅速升高，由于翅片的强化作用，翅片两肋之间T17～T19所测温度变化趋势相同，其变化速率稍滞后于T16，由于T20测点靠近壁面，因此，温度变化较慢.随着实验进行到120 min时，当距管壁最远处的石蜡发生相变后，整个温度场趋于均匀.放热实验开始时，T16所测热管表面温度迅速降低，由于翅片的强化作用，T17～T19所测温度也快速降低，其变化速率稍滞后于T16，由于T20测点靠近蓄热箱体的内壁面，因此，温度变化较为缓慢.

图7给出了供热流体温度为80℃，流量为2.0 L/min和取热流体温度为20℃，流量为2.0 L/min的实验条件下蓄/放热过程蓄热段沿z方向石蜡温度随时间分布.从图中可以看出:1）蓄热阶段.在初始时间段内，石蜡从热管所吸收的热量主要用于其自身温度的提高，以显热的形式储存起来.进入融化阶段，石蜡在相变过程中需要吸收大量的潜热，所以该阶段石蜡温度随时间的变化缓慢.随着融化过程的进行，石蜡开始融化，熔融状态下的石蜡由于温度不同而出现自然对流.从图中可以看出，60 min后高温熔融状态的石蜡向上运动，使得T15温度迅速升高，温度由上而下逐渐升高，所以蓄热过程中自然对流作用尤为明显.2）放热阶段.在初始时间段内，由于取热流体和蓄热介质存在较大的温差，石蜡和热管管壁温度迅速降低，期间主要为显热放热；当石蜡温度降低到熔点温度时，石蜡开始释放潜热，该阶段温度变化比较缓慢；在整个放热过程中，z方向所有测点的石蜡温度变化趋势基本一致，所以可以看出放热过程中自然对流作用非常微弱.

3.4供/取热进口温度对蓄/放热过程的影响

为了评价供/取热流体进口温度对蓄/放热过程的影响，图8给出了供/取热流体流量均为2.0 L/min时T20温度随时间的变化.从图中可以看出，蓄热过程开始阶段，由于石蜡处于固体状态，石蜡侧存在较大的热阻，因此，在该阶段供热流体入口温度对换热的影响不明显，T20温度变化过程近似相同；当石蜡开始熔化后，石蜡侧换热逐渐增强，随着供热流体进口温度的增加，T20温度随时间变化速度加快，温升呈现更快、更高趋势.对于放热过程中液态显热和潜热的释放阶段，石蜡与取热流体之间的换热主要取决于石蜡侧的放热能力，因此，该阶段取热流体入口温度对石蜡温度变化的影响并不明显，当石蜡凝固进入固态显热释放阶段后，取热流体入口温度对T20测点温度变化影响逐渐增大，使得温降呈现速度更快且温降幅度更大的趋势.

3.5供/取热流体流量对蓄/放热过程的影响

图9给出了供热流体温度为80℃和取热流体温度为20℃时不同供/取热流体的流量对T20温度随时间变化的影响情况.可以看出，在设定的实验条件范围内，石蜡测点T20的温度会随着供热流体的流量增加而升高，随着取热流体的流量增加而降低，但是流速对蓄/放热的影响效果均不明显.主要是因为在蓄/放热的过程中，石蜡侧的热阻在整个换热过程中起决定性作用，圆管内流速的增加引起的对流换热系数的变化对总传热过程影响很小，因此，流速的影响不明显.

4　结论

1）蓄/放热实验中，平板微热管阵列运行高效且稳定.

2）蓄热过程中自然对流比较显著，但对放热过程的影响极其微弱.同时在特定的实验条件下，该蓄热装置中石蜡实际蓄热量分别为5 956、6 190 kJ，蓄/放热时间分别为150、135 min，并且平均蓄热功率和平均放热功率分别为662、764 W.

3）供/取热流体温度对蓄/放热过程有一定的影响，蓄热时间随着供热流体温度的升高而减少，放热时间随着取热流体温度降低而减少，而供/取热流体流量对蓄/放热过程的影响不是很强烈.

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（责任编辑 梁 洁）

Charging/Discharging Performance of Flat Micro-heat Pipe Array Thermal Storage Device

DIAO Yanhua，WANG Shun，ZHAO Yaohua，LI Chengzhan，ZHU Tingting，KANG Yameng
（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to improve the performance of phase change heat exchanger，this paper designed a flat micro-heat pipe array thermal storage device which paraffin was used as the heat storage phase change material.The thermal homogeneity of flat-micro heat pipe array was analyzed by experiments，the paraffin temperature distribution within the heat storage device and the charging/discharging power of the thermal storage device，and the charging/discharging heat transfer process of the thermal storage device under different inlet temperatures and flow rates for the cold/hot heat transfer fluid（HTF）were studied by experiments.Experimental results show that the performance of the flat micro-heat pipe array is steady and efficient during charging/discharging process，and the average charging power and the average discharging power of thermal storage unit are approximately 662 W and 764 W under the experimental conditions which the cold/hot HTF is 2.0 L/min，hot HTF temperature is 80℃and cold HTF temperature is 20℃.

flat micro-heat pipe array；paraffin；phase change material；thermal storage device

TK 02

A

0254-0037（2016）10-1552-08

10.11936/bjutxb2015090022

2015-09-10

北京市教育委员会科技计划面上资助项目（KM201510005022）

刁彦华（1973—），男，副教授，主要从事强化传热技术方面的研究，E-mail:diaoyanhua@bjut.edu.cn