潜热型功能流体储热罐蓄热特性实验研究

韩蕊 赵树兴 于云雁 赵晓凯 梁贺斐

天津城建大学能源与安全工程学院

0 引言

在太阳能供暖集热系统中，应用热水储热罐可以弥补太阳能的间歇性、不稳定性，但仍存在蓄热体积大、效率低等问题。因此，近年来为解决热水储热罐的不足，众多研究者开始研究潜热蓄热装置。

潜热型功能流体（LFTF）是由特制的相变材料微粒与单相流体结合而成的一种新型固液多相流体[1]，主要包括相变乳状液和相变微胶囊悬浮液两种，它具有相变潜热大、贮热密度高、性能稳定等特点[2]，是集热量储存与传递、强化传热功能于一体的新型工质[3]。将其作为太阳能供暖集热系统储热罐的循环蓄热工质，在解决传统热水储热罐占地面积大及效率低问题的基础上，还能够提高太阳能供暖集热系统的集热效率。本文旨在针对应用于太阳能供暖集热系统的潜热型功能流体储热罐蓄热特性开展相关实验，为其在太阳能供暖集热系统中的应用提供一定的理论依据。

1 实验设计及相关参数说明

1.1 蓄热工质选用

太阳能热水地面辐射供暖系统宜采用 35～45 ℃供水温度[4]，因此本文选用相变点为 50～65 ℃的相变微胶囊悬浮液作为蓄热工质，其主要成分为水、聚氨酯（壁材）、正构二十八烷（芯材）、乳化剂。采用差式扫描量热分析法（DSC 测试）对其进行热物性测试，参数如表1 所示（表中相变材料的质量分数为相变材料与潜热型功能流体的比例）。

表1 潜热型功能流体热物性参数

1.2 储热罐设计

依据文献[5]，短期蓄热太阳能供热采暖系统每平方米太阳能集热器储热罐容积推荐选用50～150 L/m2；此外，储热罐的高径比（H/D）会直接影响储热罐内温度分布，随高径比的增加，储热罐表面积增大，从而可能降低效率并对自然对流热层造成破坏[6]，所以储热罐高径比一般不超过4。本文结合实验需求设计制作了三个圆筒形立式储热罐，总容积分别为80 L、110 L、140 L，储热罐的高径比设定为 2.8、1.8、1.2，进行其蓄热特性的研究。罐体结构主要包括罐体接管、上盖、底座、把手及外保温等；上盖为半活动型（含3 个热电偶插孔、1 个把手、1 个排气阀）；底座为3 个高度50 mm的小圆柱柱腿；在罐体 2/3 高度处焊接2 个把手；外保温为厚度为30 mm 的聚氨酯保温棉和保温管；罐内设置放热盘管，罐体和放热盘管的材质分别为 304 不锈钢、紫铜，壁厚分别为2.5 mm、1 mm。储热罐结构示意图，如图1 所示，储热罐结构参数如表2 所示。

图1 储热罐结构示意图

表2 储热罐主要结构参数

1.3 实验系统设计

实验系统包括蓄热系统，放热系统和数据采集系统，如图2 所示。

图2 储热罐实验系统图

蓄热系统包括外加热装置，交流调压电源，蓄热水泵，储热罐及管路附件。其中，外加热装置包括加热盘管、伴热带，如图3 所示。根据天津地区实测太阳能辐照量，11月份 8:00-16:00 时段，太阳辐照量最大值为1260 W/m2，本实验设计最大加热功率为1260 W，可通过改变伴热带工作数量和使用交流调压电源实现功率的改变。

图3 外加热装置

为保证蓄热实验顺利进行，使储热罐更快恢复到实验初始状态，实验设计了放热系统。放热系统包括低温恒温槽，放热水泵，冷热水储罐，放热盘管及管路附件，管路附件包括排气阀、球阀、Y 型过滤器等。

数据采集系统由温度采集系统、流量及电能采集系统组成。温度采集系统由热电偶、数据采集仪和 PC机组成。除储热罐进、出口布置4 个温度测点外，罐内布置了24 个温度测点，竖向测温点在罐内8 个不同高度处，每个热电偶高差均为0.11 m，同一高度径向分别设在储热罐中心（中心）、罐中心与放热盘管的中心（左一）、放热盘管与罐内壁的中心（左二）。储热罐温度测点布置如图4 所示。流量及电能采集系统由玻璃转子流量计和电子电量监测仪组成。实验系统主要采集数据包括：储热罐各处蓄热工质温度，储热罐进、出口工质温度，蓄热工质流量，外加热系统的耗电量、功率和电加热时间。

图4 热电偶分布位置图

实验开始前使储热罐内部各处温度均为26 ℃。实验开始后，数据采集仪每 1 min 采集一次温度。每15 min，记录流量计读数。每10 min 记录一次瞬时功率、时长、累计耗电量。当储热罐出口温度达到 60 ℃时，关闭伴热带并记录电量监测仪数据。

1.4 相关参数说明

实验研究中相关参数说明如下：

1）蓄热时长

蓄热实验开始后，储热罐出口温度达到60 ℃时所需蓄热时间，min。

2）置换周期

蓄热过程，储热罐容积V，蓄热工质流量qV下，蓄热工质循环一周所需时间，计算为：

式中：f为置换周期，min；V为罐内蓄热工质容积，L；qV为蓄热工质流量，L/h。

3）进出口温差

加热管进出口温度差值，如第tmin 进出口温差为第tmin 出口温度减去t-τm in 前的进口温度：

式中：Δt(t)为进出口温差，℃；tout(t)为第tmin 出口温度，℃；tin(t)为第tmin 进口温度，℃。

4）加热功率

储热罐蓄热过程平均加热功率，由蓄热过程耗电量转化为热量后除以蓄热时长计算得到：

式中：P为（平均）加热功率，w；H为蓄热过程外加热耗电量，kWh；tx为蓄热时长，m in。

5）平均温度

实验中，每一高度面平均温度采用径向距离测点温度面积加权平均值，储热罐的同一径向高度面上设3 个不同径向距离测点，某高度面上的平均温度采用该面左一和左二测点的面积加权平均值：

式中：T为某高度面面积加权平均温度，℃；d为储热罐内放热盘管内径，mm；D为储热罐内径，mm；S1为放热盘管内侧包围面积，m2；S2为放热盘管与储热罐内壁包围面积，m2。

2 潜热型功能流体储热罐蓄热特性实验的分析

2.1 加热功率对储热罐蓄热特性的影响

在储热罐容积 60 L，高径比 2.8，蓄热工质流量60 L/h 工况下，分别进行加热功率为 850 W、1040 W、1260 W 的蓄热实验研究。

2.1.1 对罐内温度分布的影响

不同加热功率下储热罐内温度随时间变化曲线及典型高度面温度变化趋势线如图5 所示。

图5 不同加热功率-潜热型功能流体储热罐径向温度随时间变化曲线

实验表明，在蓄热过程中，储热罐内的各高度面温度的变化均为周期性，温度变化的趋势线均呈线性规律。以0.46 m 高度面为例，加热功率越大，储热罐此高度面的面积加权平均的温度越高，整体温度的变化越快。

2.1.2 对储热罐进出口温度及蓄热时长的影响

加热功率对储热罐进出口温度及蓄热时长的影响如图6 所示，蓄热特性参数如表3 所示。实验表明，加热功率增大，储热罐蓄热时长缩短，置换周期数也减少，储热罐置换周期不受影响，计算值为 60 min，而实验中实际置换周期约为 50 min，进出口温度发生变化早于理论时间，表明蓄热过程罐内蓄热工质存在竖向由上至下传热的现象。

图6 不同加热功率-潜热型功能流体储热罐进、出口温度随时间变化曲线

表3 变加热功率-潜热型功能流体储热罐(q=60 L/h)特性参数

2.2 蓄热工质流量对储热罐蓄热特性的影响

在储热罐容积60 L，高径比 2.8，加热功率 850 W工况下，分别进行蓄热工质流量为 60 L/h、77 L/h、94 L/h 的蓄热实验。

2.2.1 对储热罐内温度分布的影响

不同蓄热工质流量下，储热罐内温度随时间变化曲线及典型高度面温度变化趋势线如图7 所示。实验表明：在蓄热过程中，储热罐内的各高度面温度的变化均具有周期性，温度变化的趋势线均呈线性规律。以0.46 m 高度面为例，不同蓄热工质流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，趋势线斜率分别为 0.138、0.143、0.137，即蓄热工质流量越大，储热罐此高度面的面积加权平均温度越高，整体温度变化越快。

图7 不同蓄热工质流量-潜热型功能流体储热罐内径向温度随时间变化曲线

2.2.2 对储热罐进出口温度及蓄热时长的影响

不同蓄热工质流量对储热罐蓄热时长的影响如图8 所示，蓄热特性参数如表4 所示。

图8 不同蓄热工质流量-潜热型功能流体储热罐进、出口温度随时间变化曲线

表4 不同蓄热工质流量-潜热型功能流体储热罐(加热功率840 W)特性参数表

实验表明，蓄热工质流量增大，储热罐蓄热过程加快，蓄热时长缩短，置换周期数增加。此外，在三种流量（60 L/h、74 L/h、88 L/h）下，储热罐实际的置换周期为 50 min、41 min、34 min，温度发生变化早于理论时间，表明蓄热过程罐内流体存在由上至下传热的现象，且蓄热工质流量越大传热现象越明显。

2.3 高径比对储热罐蓄热特性的影响

在储热罐容积60 L，蓄热工质流量60 L/h，加热功率850 W 工况下，分别进行高径比为1.2、1.8、2.8 的蓄热实验。

2.3.1 对罐内温度分布的影响

不同储热罐高径比下，储热罐内温度随时间变化曲线及典型高度面温度变化趋势线如图9 所示。实验表明：在蓄热过程中，储热罐内的各高度面温度的变化均具有周期性。以0.35 m 高度面为例，储热罐高径比越大，储热罐同一高度面上整体温度的变化越快。

图9 不同高径比-潜热型功能流体储热罐内温度随时间变化曲线

当储热罐出口温度达到60 ℃时，将储热罐内各高度面加权平均温度做罐内二维温度分布图如图10 所示。实验表明：三种高径比储热罐（1.2、1.8、2.8）的竖向最大温差分别为 4.0 ℃、4.3 ℃、4.9 ℃，即高径比越大竖向最大温差越大，上下温度分层现象更明显，蓄热量越大。随高径比的增大，蓄热过程中罐内上下工质混合作用减小，均温效果减弱。

图10 不同高径比潜热型功能流体储热罐-罐内温度分布图

2.3.2 对储热罐进出口温度及蓄热时长的影响

不同储热罐高径比对储热罐进出口温度及蓄热时长的影响如图11 所示，蓄热特性参数如表5 所示。实验表明，蓄热过程，随储热罐高径比的增加，相同蓄热时间对应的储热罐出口温度降低，储热罐的蓄热时长增大，置换周期数增多。

表5 不同高径比潜热型功能流体储热罐(q=60 L/h，P=850 W)特性参数表

3 潜热型功能流体储热罐和热水储热罐蓄热特性对比分析

两种储热罐蓄热均在容积 60 L、高径比 2.8、蓄热工质流量60 L/h、加热功率850 W 工况下进行实验研究和对比分析。

3.1 储热罐内蓄热工质温度分布对比

将两种蓄热工质储热罐储热罐内不同高度面径向面积加权温度值做出罐内二维温度分布图，如图12所示。实验表明，储热罐出口温度达 60 ℃时，潜热型功能流体储热罐和热水储热罐竖向最大温差分别为4.9 ℃和7.2 ℃，温度梯度分别为6.3 ℃/m 和9.4 ℃/m，表明：与热水储热罐相比，潜热型功能流体储热罐内竖向最大温差和温度的梯度较小，分层不明显，均温性更加好。

图12 两种蓄热工质储热罐-罐内温度分布图(出口温度达60 ℃时)

3.2 储热罐蓄热工质进出口温度及蓄热时长对比

储热罐蓄热工质进出口温度及蓄热时长对比如图13 所示，蓄热特性参数如表6 所示。实验表明，两种储热罐的进出口温度随蓄热时间增长均呈周期性增长，进出口温度变化的趋势线均呈线性规律，以出口温度为例，两种储热罐温度变化趋势线的斜率分别为0.12736、0.13741，潜热型功能流体储热罐的斜率偏小，说明其整体温度变化相对热水储热罐较缓慢。实验中，潜热型功能流体储热罐所需蓄热时长更长，蓄热量更多，表明潜热型功能流体储热罐单位体积的蓄热能力更大，在此实验工况下，潜热性功能流体储热罐的蓄热能力与热水储热罐相比提高了 10.61%。

图13 两种蓄热工质储热罐-进出口温度随蓄热时间变化曲线

表6 两种蓄热工质储热罐蓄热特性参数对比表

4 结论

本文主要针对太阳能供暖集热系统潜热型功能流体储热罐，对其蓄热特性及其影响因素开展了相关实验研究并与热水储热罐对比分析，主要结论如下：

1）在蓄热过程中，储热罐内的各高度面温度温度的变化均具有周期性，温度变化的趋势线均呈线性规律。实验中，储热罐的出口温度发生变化早于理论时间，表明罐内流体存在由上至下传热的现象。

2）对于同一储热罐，加热功率增大时，储热罐蓄热时长缩短，但蓄热时长缩短的幅度逐渐减小，相同置换周期内，储热罐内工质温升加快，蓄热过程所需的置换周期数在减少。

3）对于同一储热罐，蓄热工质流量增大时，蓄热工质的置换周期缩短，储热罐蓄热时长缩短，但缩短的幅度逐渐减小，置换周期数增加。

4）对于同一储热罐，储热罐高径比增大时，储热罐蓄热时长增大，相同蓄热时间对应的储热罐出口温度降低，罐内蓄热工质竖向最大温差加大，罐内上下温度分层现象更明显，蓄热量增大；罐内上下工质混合作用减小，均温效果减弱。

5）相同实验工况下，潜热型功能流体储热罐所需的蓄热时长比热水储热罐的更长，说明其蓄热能力更大。在本实验工况下，潜热型功能流体储热罐较同容积的热水储热罐，其蓄热能力提高了10.61%。与热水储热罐相比，潜热型功能流体储热罐内蓄热工质竖向温度梯度较小，分层不明显，均温性更好。作为储热罐蓄热工质，潜热型功能流体比水更具优势。