改性八水氢氧化钡相变放热特性试验研究

窦鹏，于强，樊占胜，智瑞平，鹿院卫*，吴玉庭，杨桂春

（1.北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124；2.中国寰球工程有限公司北京分公司，北京 102299）

0 引言

可再生能源的间歇性增加了电网消纳的难度，导致部分地区弃风弃光现象严重。利用蓄热技术可以有效解决风电和光伏发电难以并网的问题，也可实现电力系统的削峰填谷［1-2］。利用相变材料的蓄/放热特性，可实现夜间低谷电加热相变材料蓄热，白天放热为建筑供暖［3］。

套管换热器是一种应用十分普遍的换热器形式［4-7］，许多学者对套管换热器的相变蓄/放热过程进行了研究。Ma 等［8］通过试验发现，蓄热过程中套管内二元碳酸盐的温度存在不均匀性，提高进口流速与温度可以提高蓄/放热性能。Rathod 等［9］通过试验发现，蓄热过程中套管内顶部硬脂酸升温最快，底部升温最慢。王艺斐［10］通过试验发现，提高换热流体流量可以增强放热过程的传热。Hosseini等［11］通过数值模拟发现：换热流体进口温度从70 ℃提高到80 ℃，熔化时间缩短了37%，理论换热效率从81.1%提高到88.4%；凝固阶段的理论换热效率从79.7%提高到81.4%。

八水氢氧化钡（Barium Hydroxide Octahydrate，BHO）是一种蓄热密度大的相变材料［12-14］，本课题组制备的改性八水氢氧化钡，其相变起始温度为78.8 ℃，相变潜热值为269.2 J/g，最高使用温度低于100.0 ℃，没有过冷现象。

综上分析发现，套管式相变换热器可以有效实现放热，而前人的研究主要针对石蜡、硬脂酸等有机材料的相变过程，以改性BHO 作为相变材料进行相变过程研究还未见报道。本文以课题组制备的改性BHO 为相变材料，对其在套管内的相变放热过程进行试验研究，分析其相变过程中的温度变化与放热性能，以获得改性BHO 在套管内的相变放热特性。

1 试验装置

套管相变放热系统包括套管换热系统、辅助电加热系统、水路系统及数据采集系统4 部分，如图1所示。通过水泵与玻璃转子流量计实现恒温水箱中水的释热循环与计量，温控器控制电加热丝温度，给套管外部一个恒温条件，加热相变材料，完成蓄热。放热过程中，冷流体经恒温水箱泵出，流经内管，通过内管壁与相变材料完成热量交换。

图1 套管相变放热系统示意Fig.1 Schematic shell-and-tube phase-change discharging system

套管整体为不锈钢材质，内管规格为ø19 mm×1.5 mm，外管规格为ø89 mm×2.0 mm，套管整体高度为400 mm。电加热器藏于保温装置中并包裹整个套管。外管与内管间的壳侧装有相变材料，换热流体（HTF）从内管底部流入，从上端流出。套管蓄热单元可存储4.7 kg的八水氢氧化钡。液面高度为350 mm。

套管单元物理模型及测温点布置如图2 所示，热电偶径向间距为15 mm，轴向间距为100 mm，测点1，2，3距离内管壁10 mm，测点7，8分别布置在换热流体的进口与出口。

图2 套管单元物理模型及测温点布置示意Fig.2 Physical model of the shell-and-tube unit and thetemperature monitoring point arrangement

2 试验步骤与方法

试验前打开电加热器，将改性BHO 加热至完全融化，当相变材料逐渐达到预定温度时，依靠调节加热器设定温度，使套管内各层温度基本保持一致，然后关闭电加热器开始放热试验。开启水泵，从恒温水槽中抽取恒定温度的冷却水进入套管，通过流量调节阀与玻璃转子流量计，使其按照一定的流量进入套管，与改性BHO 材料进行换热。由数据采集仪获得套管内各测点温度以及冷却水进出口温度。试验工况设置见表1。

表1 试验工况设置Tab.1 Parameter setting under experiment conditions

冷流体换热功率计算公式如下

式中：Pf为冷流体换热功率，W；cp为冷却水比定压热容，J/（kg·K）；qm为冷却水质量流量，kg/s；tfi为冷却水进口温度，℃；tfo为冷却水出口温度，℃。

本课题组制备的改性BHO，其相变起始温度为78.8 ℃，相变潜热值为269.2 J/g。本课题组通过同步热分析仪与激光导热仪测试得到改性BHO 的具体热物性，见表2。

表2 改性BHO热物性Tab.2 Thermophysical properties of modified BHO

3 试验结果分析

3.1 改性八水氢氧化钡相变放热过程分析

设置恒温水箱温度为20 ℃，通过流量计改变冷却水进口流量，研究不同进口流量对改性BHO 相变放热的影响。图3 为不同进口流量下改性BHO 材料不同测点的温度变化曲线。从图3a可以看出，改性BHO 的放热经历了3 个过程，首先是77～90 ℃的液态显热放热阶段，之后是77 ℃左右的相变放热过程，最后是完成相变的固态显热放热阶段。

从图3a 可以看出，不同位置材料发生相变的时间并不相同。从轴向看，最上层的相变材料（PCM）（测点3与测点4）相变时间最短，其次是下层的PCM（测点1 与测点6），最后是中间层的PCM（测点2 与测点5）。出现这种现象的原因可能是PCM 的液面与套管顶部留有5 cm 空隙，其中充满了空气，放热过程中上层的PCM 不仅与HTF发生了换热，还与上部的空气发生了自然对流换热，从而强化了换热，导致最上层的PCM 最先完成了相变；同时，由于相变放热过程中主要的传热方式是导热，靠近入口端的PCM 与HTF 的温差大于中间PCM 与HTF 的温差，所以底层的传热效果也要强于中间的传热效果。

图3 不同冷却水进口流量下改性BHO的温度变化Fig.3 Temperature variation of modified BHO at different inlet flow rates of cooling water

从径向看，测点1，6 与测点2，5 的温度变化趋势与速率大致相同，而PCM 上层测点3（靠近内管侧）的降温速率要高于测点4（远离内管侧），分析其原因可能是PCM 与上层空气产生了自然对流换热。由于靠近内管侧的空气与HTF 发生了换热，所以内管侧空气的温度要低于外管侧的空气，自然对流影响强于外管侧，从而导致测点3 的降温速率高于测点4。800 s 左右，PCM 完成液态显热放热，进入相变放热阶段；8 300 s 左右，PCM 完成相变，全部凝固。整个相变过程持续了大约2.1 h。

从图3b 可以发现，测点1，2，5，6 的曲线都出现了明显的相变平台，对比图3a 发现PCM 底层（测点1，6）的凝固时间延后了345 s，但PCM 整体凝固时间缩短了280 s。测点3与测点4的曲线并没有明显的相变平台，温度直接降至37 ℃附近，图3c 也有相同的现象。出现这种情况的原因可能是温控器控温精度不高，导致加热熔化改性BHO 的过程中出现加热温度高于100 ℃的情况，而高于100 ℃时BHO的结晶水会析出蒸发从而丧失蓄热能力，使得上层的PCM 失去相变蓄热能力，从而导致在温度曲线上没有出现相变平台。

对比图3a，3b，3c 可以发现，冷却水进口流量为120 L/h时PCM相变时间最短，整个相变过程持续了大约1.9 h，并且测点5的相变时长明显缩短。

图4为不同进口流量下套管进出口温差随时间变化的曲线。从图4a可以看出，放热开始时进出口温差最大，为13.3 ℃，之后迅速降至7.0 ℃左右，800 s左右又上升到了8.2 ℃，之后平缓降至3.0 ℃。图4b，4c也有类似的趋势：放热开始阶段，进出口温差曲线产生了一个尖峰，最大温差分别为23.7，23.9 ℃；随后温差迅速下降，800 s 之后下降趋势大大减缓。这是因为在前800 s，PCM 处于液态显热放热阶段，随着PCM 温度的降低，进出口温差也逐渐降低；800 s后，PCM 进入相变放热阶段，进出口温差降温速率减慢。随着PCM 完成相变进入固体显热放热阶段，进出口温差从8.2 ℃逐渐降至3.2 ℃。综合图4a，4b，4c 可以发现，PCM 相变放热过程中，进出口温差随着冷却水流量的增加而减小。

图4 冷却水进口流量对套管进出口温差的影响Fig.4 Influence of cooling water inlet flow rates on temperature difference between the inlet and outlet of the conductor tube

在冷却水流量恒为120 L/h的情况下，调节恒温水箱的温度分别为20，25，30 ℃。图5 给出了不同冷却水进口温度下PCM 各测点的温度变化曲线。从图中可以发现，进口水温的升高对PCM 相变过程的影响不大，3 种进口水温下PCM 的相变时间没有太大区别，约为1.9 h。与图3 对比可以发现，测点3，4 完全没有相变平台出现。温控器精度较低导致加热温度过高，PCM 水分蒸发液面下降。由图5b可见，初始时刻测点3，4 的温度已经升至120 ℃，与加热温度同步，此时测点3，4 测量的已经不再是PCM的温度。

对比图5a，5b，5c 可以发现，测点1，2，5，6 的曲线均在78 ℃左右出现明显的相变平台，进口水温为20 ℃时，测点5 的相变过程明显快于其他3 点，而随着进口水温的升高，测点1，2，5，6的曲线基本重叠，变化趋势一致，表明PCM 各点温度分布均匀。以上结果表明，进口水温对PCM 相变放热过程的温度变化影响较大，进口水温越高，PCM 各点温度趋势越接近，整体温度分布更均匀。

图5 不同进口水温下改性BHO的温度变化Fig.5 Temperature variation of modified BHO with different inlet flow temperatures

图6 为不同进口水温下的套管进出口温差，对比图6a，6b，6c 可知，随着进口水温的升高，套管进出口温差逐渐降低。

图6 进口水温对套管进出口温差的影响Fig.6 Influence of inlet flow temperature on temperature difference between inlet and outlet of the tube

3.2 套管传热性能分析

设定恒温水箱温度为20 ℃，保证冷却水进口温度不变，调整流量计使冷却水进口流量分别为40，80，120 L/h，研究冷却水进口流量对换热功率的影响。图7 为不同冷却水进口流量下，PCM 从开始放热到结束，冷流体换热功率随时间变化的曲线。从图7 可以看出，在前800 s，PCM 处于液态显热放热阶段，此时热流体的流量是影响换热功率的主要因素，流量为120 L/h 时最大换热功率可达3 300 W。随着PCM 进入相变潜热放热阶段，各流量下的换热功率均降至500 W 以下，随着放热的进行而逐渐降低。冷却水流量为80 L/h 时相变换热功率最大，流量为120 L/h时换热功率最小。

图7 不同冷却水进口流量下换热功率与时间的关系Fig.7 Relationship between heat transfer power and time with different inlet flow rates of cooling water

图8 为不冷却水同进口流量下，800～8 000 s 内PCM 相变过程的平均换热功率。通过计算得到：进口流量从40 L/h 升至80 L/h 时，平均换热功率增加了11.6%；进口流量从80 L/h 升至120 L/h 时，平均换热功率降低了27.8%。分析其原因可能为：3 种流量下换热流体都为层流状态，进口流量为40 L/h时管壁与换热流体的对流换热系数较小，导致换热功率较低；进口流量为80 L/h 时，虽然流量低于120 L/h，但换热流体留在管内的时间较长，延长了与壁面进行强迫对流换热的过程，传热更加充分。这说明该套管单元的最佳冷却水流量为80 L/h。

图8 冷却水进口流量对平均换热功率的影响Fig.8 Influence of cooling water inlet flow rate on average heat transfer power

设定冷却水流量为120 L/h，通过改变恒温水箱的温度来改变进口水温为20，25，30 ℃，研究不同进口水温对PCM换热功率的影响。图9为不同进口水温下换热功率与时间的关系。从图9 可以看出，进口水温对PCM 液态显热放热阶段的影响大于对相变阶段。PCM 液态显热放热阶段，换热功率随着进口水温的升高而降低，进入相变放热阶段后，进口水温升高会降低换热功率，当进口水温从25 ℃升至30 ℃时，对换热功率影响不大。

图9 不同进口水温下换热功率与时间的关系Fig.9 Relationship between heat transfer power and time with different inlet flow temperatures

图10 为进口水温对800～8 000 s 内PCM 平均相变换热功率的影响：进口水温为20 ℃时的平均传热功率是25 ℃时的1.68 倍，是30 ℃时的1.71 倍。进口水温从20 ℃升至25 ℃，换热功率下降十分明显；从25 ℃升高至30 ℃，换热功率并无明显下降，较稳定地保持在了107 W左右。这说明进口水温的升高会降低平均换热功率，但当温度升高到一定程度时，换热功率会保持在107 W左右不再继续降低。

图10 进口水温对平均换热功率的影响Fig.10 Influence of inlet flow temperature on average heat transfer power

4 结论

本文以课题组制备的改性BHO 作为相变材料，对其在套管中相变放热过程进行了研究。得到了不同工况下PCM 各点的温度变化规律及不同工况对换热功率的影响。

（1）冷流体进口流量对PCM 相变放热过程影响较大，提高进口流量可以缩短PCM 相变时间；进口温度对PCM相变时间的影响很小。

（2）冷流体进口温度与进口流量都会影响套管换热功率。进口温度越高，换热功率越低；过低或过高的进口流量都会降低换热功率。

（3）本试验范围内，最佳进口流量为80 L/h，套管相变放热最大平均功率为251 W。