脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

罗孝学，章学来，华维三，毛发

（1上海海事大学蓄冷技术研究所，上海 201306；2钦州学院海运学院，广西 钦州 535000）

脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

罗孝学1,2，章学来1，华维三1，毛发1

（1上海海事大学蓄冷技术研究所，上海 201306；2钦州学院海运学院，广西 钦州 535000）

为了研究脉动热管对相变蓄热装置传热能力的优化，设计并搭建了脉动热管相变蓄热装置试验台，实验验证相变潜热蓄热量远大于显热蓄热量；在相同工况下改变加热流体流量，流量增大对传热优化有一定作用，但流量不宜过大；调整热源温度，温度越高，相变蓄热过程所需要的时间就越少；与常规铜管进行蓄热实验对比，脉动热管相变蓄热装置在蓄热过程中节省了47%的蓄热时间，同时优化了相变蓄热装置的传热均匀性。实验证明利用脉动热管技术对相变蓄热系统进行传热优化是可行的。

脉动热管；相变；传热；优化；实验

引 言

中国能源资源虽然丰富，但后备储存量不足，而且浪费大、能源效率低，环境污染严重[1]。到2030年，国内能源供应缺口将达到2.5亿吨标准煤，到2050年，其缺口数额将增加到4.6亿吨标准煤[2]。能源问题也是世界各国发展首要考虑的问题，能源新技术的研究是当务之急，因此潜热蓄热技术[3-5]于20世纪70年代在石油危机之后就应运而生，在提高能源利用效率和保护环境方面起到了重要作用[6-7]。潜热蓄热技术利用材料在相变过程中吸热和放热来储存和释放能量，储能密度高，所用装置简单，体积小，而且相变过程是一个近似恒温过程。把相变材料[8-11]应用到蓄热器上是一项很有发展前途的技术。盛强等[12]通过实验验证随着热循环次数的增加，八水氢氧化钡具有较好的热稳定性。华维三等[13]设计了一种具有辅助电加热和均流孔板的水/相变材料复合蓄热式水箱，其中就使用了八水氢氧化钡。毛发等[14]选择八水氢氧化钡作为相变蓄热材料、热管作为传热元件，设计了一套热管式蓄/放热装置，并对不同工况下装置的蓄/放热性能进行了实验研究。Wang等[15-17]对移动蓄热器的经济性和可行性做了分析。脉动热管是日本学者 Akachi[18]在 20世纪 90年代初期提出的一种可用于微小空间、新型高效、具有高热通量的新型传热元件。文献[19-24]对脉动热管与传统热管做了详细的比照，总结脉动热管具有以下优点：①构造简单、节约成本；②管径小、体积也小；③结构多样、适应性能好；④加热方式多样；⑤传热效果好。马永锡等[25]分析了振荡热管内部气液两相系统的受力和传热传质过程。苏磊等[26]分析了回路脉动热管运行稳定性。胡朝发等[27]研究结果表明：液塞在振荡过程中呈现出平衡位置不断变化的往复振荡，单向运动的趋势比较明显，初始压力、管径等因素对液塞的振荡有很大影响。林梓荣等[28]考察了以水为工质，在不同的加热功率和不同的充液率情况下，脉动热管在不同加热方式(垂直底部加热和水平一侧加热)时的热输送特性。

本文选用八水氢氧化钡做相变材料，水为脉动热管工质，设计了脉动热管相变蓄热器，使得相变蓄热器的传热得到优化，并实验研究了脉动热管相变蓄热器的蓄热特性。

1 实验装置介绍

针对实验目的，搭建了用于实验的脉动热管蓄热实验台。此外，还设计制作了脉动热管装置并对试验设备做了保温处理，布置了测温点，对T型热电偶测温线进行了温度校核。

1.1 蓄热实验台搭建

如图1所示，脉动热管蓄热实验台主要由以下几部分构成：脉动热管相变蓄热器、高温硅油加热系统、安捷伦数据采集系统、超声波流量计、计算机以及相关控制阀门。脉动热管相变蓄热器的下端连接高温恒温油浴锅，其中的加热介质为高温硅油。高温硅油经油浴锅流过阀门5进入蓄热器的加热箱，然后从加热箱内的高温硅油通道一边流动一边加热蓄热器内部脉动热管的下部弯头、加热箱箱体以及箱体内部隔板，再从蓄热器的加热箱出油口流出，回到高温恒温油浴锅。

图1 脉动热管相变蓄热器蓄热实验台Fig.1 Schematic diagram of heat storage and heat storage experiment table of pulsating heat pipe phase change heat storage device

装置主要利用脉动热管内充注的工质的相态变化和位置变化来传递热量。本装置将脉动热管的蒸发段作为加热段，其长度为45 mm；将脉动热管的绝热段作为蓄热段，其长度为 120 mm；将脉动热管的冷凝段作为放热段，其长度为45 mm。弯头直径为30 mm，加热段、放热段各14个弯头，共28个弯头，其中放热段有两个弯头各延伸一端出来分别接负压表和抽真空充液接头。脉动热管管壳材料选择紫铜，壁厚1 mm，管径4 mm，工作介质为水，闭式运行。

高温恒温油浴锅可以为蓄热器持续供给恒温的热量。为了测量蓄热器进油口流量，进油口与阀门5之间连接超声波流量计，由阀门5控制流量，超声波流量计对流量大小进行显示。蓄热器上的全部测温点通过T型热电偶连接到安捷伦数据采集仪上，数据采集仪的另一端通过USB数据线与计算机相连，将采集到的温度信号输出给计算机。这些温度信号包括蓄热器正面的6个测温点信号以及进出口水温信号。

1.2 热电偶的布置

如图2所示，为了测量蓄热器中不同位置相变材料的温度变化情况，在蓄热箱上布置了6个热电偶测温点，共3排2列，热电偶在使用之前必须对其用标准热电偶进行校准。上中下的三排测点用来比较垂直位置上的相变材料的温度；左右两列用来比较水平位置上的相变材料的温度，左边一列用来测量靠近蓄热箱壳体一侧的相变材料的温度，右边一列用来测量基本位于蓄热器中间位置的相变材料的温度。布置热电偶测温线时，用点焊机将T型热电偶红、白两极熔在一起后，插入蓄热箱测点盲孔底部，然后用导热胶填满盲孔并固定。

图2 蓄热箱上的主要温度测点Fig.2 Main temperature measuring points on heat storage tank

2 实验结果与讨论

2.1 蓄热过程相变材料的温度变化

图3显示了设定工况为加热流体温度100℃，加热流体流量 0.314 m3·h-1，相变材料质量 2.5 kg时，蓄热过程中相变材料 Ba(OH)2·8H2O各测温点总体温度变化趋势。由图3明显看出测点1、2、3、4的温度变化情况，相变材料的温度变化趋势可明确地分为初期 0～1500 s，固态显热储存；中间1500～3500 s，稳定的相变潜热储存；3500 s以后为相变完全后的液态显热储存 3个阶段。测点 5、6由于在相变蓄热装置中位置较高，2.5 kg相变材料不能完全覆盖住测点5、6，所以这两个测点温度的变化和测点 1～4有所不同，其反映的基本是装置内部空气温度的变化。从蓄热实验开始到Ba(OH)2·8H2O温度到达相变温度以前是Ba(OH)2·8H2O固态显热蓄热阶段。在这一过程中，Ba(OH)2·8H2O的温度随时间变化曲线的斜率较大，相变材料温度升高较快，原因是传热介质与Ba(OH)2·8H2O蓄热材料的温差较大，热通量也大，从蓄热初始温度上升到相变温度，温度上升很快。随着蓄热的进行，Ba(OH)2·8H2O的温度达到相变温度开始熔化，相变材料在熔化的过程中吸收相变潜热，该阶段各点温度基本上不变，温度曲线趋于水平。当Ba(OH)2·8H2O完全熔化后，继续对其加热，Ba(OH)2·8H2O液体进一步吸收热量，温度升高至接近加热流体温度，并且温升速度变快，蓄热形式在该阶段主要以液态显热蓄热为主。

图3 蓄热过程中各测点温度随时间的变化Fig.3 Temperature change of temperature measurement points in process of heat storage

式中，cs为 Ba(OH)2·8H2O 的固态比热容，约1.17 kJ·kg-1·K-1；cl为 Ba(OH)2·8H2O 的液态比热容，约 1.77 kJ·kg-1·K-1；m 为 Ba(OH)2·8H2O 的质量，以加入2.5 kg计算；LPCM为Ba(OH)2·8H2O的相变潜热，277.2 kJ·kg-1；ΔTs为 Ba(OH)2·8H2O 开始加热到发生相变的温差；ΔTl为Ba(OH)2·8H2O结束温度与相变温度的温差。

通过以上各式计算，能看出相变蓄热不但整个蓄热过程温度恒定，而且潜热蓄热量也比显热蓄热量大得多，在装置蓄热中占比达到80%左右，因此潜热蓄热在热量储存方面具有明显的优势。

2.2 不同加热流量下相变材料温度随时间的变化

图4为设定实验工况为加热温度为115℃，相变材料Ba(OH)2·8H2O质量为2.5 kg，高温硅油入口流量分别为0.127、0.228、0.314 m3·h-1，完成3组蓄热实验获取的图像。

由图 4能看出，当加热流体的流量较小时（0.127 m3·h-1）[图 4(a)]，虽然相变材料发生了相变，但相变时间较长。在3500 s左右的时候，6个测温点的温度随时间变化的曲线基本重合，温度大致在78℃附近，之后测点1、2的曲线斜率增大升温加快，而其他测点的曲线斜率变缓，与测点1、2温差增大。测点1、2在3500 s以后温升速率加快的原因是已经完成了相变蓄热过程，相变材料已完全熔化转向液态显热蓄热过程，温升速率加快。测点3～6的曲线斜率变缓的原因是，加热流体流量过小，提供的热量不足使其完全融化而快速进入液态显热蓄热阶段所致。由图 4(b)、(c)可以看出随着加热流体流量的增大，蓄热时间明显缩短，而且相变结束后各个测点的温升曲线逐渐趋于重合。由图4(d)可以看出随着加热流体流量的增加，脉动热管相变蓄热装置内测点1处的升温速度和蓄热消耗时间都有明显变化。由此可见加热流体的流量变化对装置的影响效果是非常明显的，在实际应用中找到合适的流量对于装置的效用发挥非常必要。

图4 流量变化时蓄热过程各测点温度随时间的变化Fig.4 Change of temperature of each measuring point with time during flow rate change

由图 5可以看出：当加热流体的流量由 0.127 m3·h-1提高到 0.228 m3·h-1时，相变材料的完全熔化时间由2835 s减少至1826 s，减少了1009 s；而当加热流体流量由 0.228 m3·h-1提高到 0.314 m3·h-1时，相变材料的完全熔化时间只由1826 s减少到1603 s，只减少了223 s。由此可见流量的增加对相变材料完全熔化消耗时间的影响是逐渐减小的，而且这种趋势非常明显。

图5 相变材料完全熔化时间随加热流体流量的变化Fig 5 Change of melting time of phase change material with heating fluid flow rate

在实验采用的流量下，流速较小，属层流范围，Re=103～2×105，按外掠顺排管束对流换热准则关联式[29]

由式(4)可知，传热系数与流速的0.63次方呈正比，而当管径等条件不变时，流量越大流速也越大，即随着流量的增加，传热系数也增加，但是传热系数增大的幅度随着流量的增加而减小。因此，综合考虑经济、安全、管理等各种因素，蓄热装置加热流体的流量大小对于蓄热装置蓄热有最佳值，不是流量越大越好，建议不要随便增大流量，因为增大流量强化传热的效果随着流量增大慢慢没那么显著，但是增大流量会让装置消耗泵功的趋势加快，而且会增加操作人员的管理难度，安全性降低。

2.3 不同加热温度下相变材料温度随时间的变化

图6是设定实验工况为高温恒温油浴锅的加热流体流量为 0.314 m3·h-1，相变材料 Ba(OH)2·8H2O的质量为2.5 kg时，改变高温硅油入口加热温度，分别为100、115、130℃，完成3组蓄热实验获得的图像。对比图6(a)～(c) Ba(OH)2·8H2O温度变化曲线可以知道，随着加热温度的升高，固态显热蓄热和潜热蓄热阶段的蓄热时间明显减少，由2500 s（100℃）显著缩短到1000 s（130℃），时间缩短了60%。而且在蓄热过程中，相变材料温度的分布也变得不均匀，蓄热器内底部水平方向测点 1、2的温差逐渐增大，由此可见加热温度的变化对蓄热器蓄热过程的影响很大。原因是由于热源的加热温度提高，与相变材料的相变点的温差加大，蓄热熔化过程中液态的 Ba(OH)2·8H2O密度差也增大，加强了自然对流，提高了蓄热过程中的有效传热系数，在有效换热面积不发生变化的条件下，热通量进一步增大，这样可以更快地储存热量，从而缩短了蓄热所需要的时间。

图6 不同热源温度蓄热时各测点温度随时间的变化Fig.6 Change of temperature of measurement point with time in heat storage of different heat source

图6(d)是加热温度分别为100、115、130℃时，相变材料Ba(OH)2·8H2O在测点1处的温度对比曲线。从图中可知：在初始阶段，当加热温度为 130℃时，测点1处温度曲线的斜率最大，温升最快，耗时最少。这是因为当加热温度不同时，单位时间内通过热端传递的热通量q不同，加热温度越高q越大，假设通过热管传递的热量完全被相变材料吸收，由Q=cmΔT可知，当m一定时，Q与ΔT呈正比，Q越大则ΔT越大；其次从图6(d)中可知，随着加热温度的升高，相变所需时间缩短。因为在蓄热材料量相同、加热温度不同的条件下，蓄热材料完全相变所吸收的热量Q总相同，但热通量q的大小不同，加热温度越高q越大。由Q总=qAt可知，当Q总、A一定时，q与t呈反比。因此在安全许可的条件下，适当地调高加热温度，能大大缩短蓄热的时间。

2.4 常规铜管和脉动热管相同工况下对比

设定工况为高温恒温油浴锅的温度 100℃，高温硅油入口流量 0.314 m3·h-1，Ba(OH)2·8H2O 质量为2.5 kg。为了研究脉动热管在蓄热过程中对传热优化的程度，先对常规铜管蓄热装置做加热实验，结果如图7(a)所示，再对同工况下脉动热管蓄热装置做加热实验，结果如图7(b)所示，图7(c) 为常规铜管和脉动热管两种情况下测点1处温度随时间变化的曲线。

图7 不同热管下各测点温度的变化Fig.7 Change of temperature of measuring point in different condition

由图7(a)可以看出，常规铜管将测点1处加热到85℃所需要的时间为7600 s，除了与测点1同处水平位置的测点2在此时也达到85℃外，测点3～6的温度最高只有75℃，因为测点1、2同处底层相同水平位置，这一方面证明此时只有底层的相变材料完全熔化，而中间以及顶部的相变材料还没有完全熔化；另一方面看到测点 5、6的温度明显偏低，证明相变蓄热器内整体温度偏低，主要因为没有脉动热管的脉动传热，导致对相变蓄热器内整体温度影响不够，使得相变蓄热器内整体温度偏低。由图7(b)可以看出，在脉动热管的脉动作用下将测点1同样加热到85℃所需要的时间仅需4000 s，时间比常规铜管少了47%，并且此时测点 3～6的温度也均大于等于85℃，整个蓄热器内部相变材料温度均匀，证明相变材料已经完全熔化，处于液态的显热蓄热阶段，测点 5、6的温度明显高于相变材料的温度，证明脉动热管不只是单纯导热传热，其发挥了脉动传热优势，对装置内的传热有明显优化。由图 7(c)可以看出，脉动热管蓄热器内测点 1的升温速度明显加快、蓄热时间明显减少，可见脉动热管的传热能力比常规铜管的传热能力强很多，脉动热管内工质的气液相变和往复振荡完成了脉动热管的高效传热，蓄热时间大大减少，节省了47%的时间。同时装置内温度场明显改善，脉动热管传热均匀性优势也明显体现出来。

3 结 论

采用脉动热管技术优化蓄热装置的传热能力，设定几种工况进行对比实验，得出以下结论。

（1）蓄热过程中相变材料温度变化趋势明确分为初期固态显热储存；中间稳定的相变潜热储存和完全相变后的液态显热储存，装置有明显相变蓄热过程，且相变潜热蓄热量占蓄热总量80%左右。

（2）实验工况下加热流体流量在 0.228 m3·h-1下比较合适，建议不要随便增大，因为一方面增大流量强化传热效果逐渐减弱，另外小流量可以有效节约泵功和保证操作人员安全。

（3）随着加热温度升高，固态显热和潜热蓄热阶段的蓄热时间由 100℃时的 2500 s显著缩短到130℃的1000 s，蓄热时间缩短了60%。因此在安全许可的条件下，适当调高加热热流温度，可以大大缩短相变蓄热装置的蓄热时间。

（4）脉动热管蓄热装置蓄热工况下，相比常规铜管达同样蓄热效果，耗时节省了47%，脉动热管优化传热的效果明显，同时脉动热管传热均匀性要优于常规铜管，整个装置内部的温度场明显改善。可见脉动热管型相变蓄热装置很有发展前途。

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Experimental analysis on heat storage of pulsating heat pipe phase change heat accumulator

LUO Xiaoxue1,2, ZHANG Xuelai1, HUA Weisan1, MAO Fa1
(1Cool Storage Technology Institute, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2School of Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, Guangxi, China)

To research actual effect of heat transfer enhancement on pulsating heat pipe of phase change heat storage device, a pulsating heat tube type phase change heat storage device was designed and set up. The phase change thermal storage device has obvious phase change heat storage process; latent heat of phase change heat storage capacity is much greater than the sensible heat storage. Heating fluid flow increases under the same conditions have a role about the heat transfer enhancement, but the flow is not too large. Adjust the heat source temperature, the higher the temperature, the less time required for the phase change heat storage process.Compared with conventional copper tube, the heat storage device of pulsating heat pipe has saved 47% of the heat storage time in the process of heat storage and the heat transfer uniformity of the phase change heat storage device is optimized. It is verified that the heat transfer enhancement of the heat storage system is feasible by using pulsating heat pipe technology.

pulsating heat pipe; phase change; heat transfer; optimization; experiment

date:2016-09-18.

ZHANG Xuelai, xlzhang@shmtu.edu.cn

supported by the Key Project of Shanghai Municipal Education Commission (12ZZ154), the Graduate Innovation Fund of Shanghai Maritime University(2014ycx051) and Shanghai Science and Technology Commission Project (16040501600).

TK 02

A

0438—1157（2017）07—2722—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20161297

2016-09-18收到初稿，2017-03-14收到修改稿。

联系人：章学来。

罗孝学（1978—），男，博士研究生。

上海市教委重点项目“利用相变蓄热余热回收的移动供热关键技术研究”（12ZZ154）；上海海事大学研究生创新基金项目“太阳能高效双温相变集热器理论和实验研究”（2014ycx051）；上海市科委项目（16040501600）。