郑宝晨 使用复合相变材料的相变蓄热器—蓄热器换热蓄热特性研究.docxVIP

中国工程热物理学会传热传质学术会议论文编号：143666使用复合相变材料的相变蓄热器—蓄热器换热蓄热特性研究郑宝晨，李双双，刘振华(上海交通大学 机械与动力工程学院上海 200240)(Tel: 021 E-mail:liuzhenh@sjtu.edu.cn)摘要：本研究提出了一种新型的重力热管式高温相变蓄热器，使用高温金属盐/膨润土颗粒状固液相变材料作为蓄热材料在蓄热器中堆积出多孔质蓄热层。复合蓄热材料中的固液相变材料由两种金属盐混合而成，相变温度在200℃到250℃之间，包裹壁材料是无机膨润土。使用萘作为重力热管式蓄热换热器相变传热工质。在蓄热阶段，萘蒸汽作为热源工质直接在蓄热层中颗粒表面进行冷凝放热将热量传递给蓄热材料储存。同时冷凝水留存在多孔质蓄热层缝隙中。在放热阶段，颗粒蓄热材料放出热量加热留存的液体萘成为萘蒸汽。萘蒸汽上升到蓄热器上部加热冷却表面再次冷凝后滴落回到蓄热层。依靠传热介质的蒸发/冷凝相变传热将热量由蓄热材料传递给冷却管内工质。这一蓄热/放热机理类似于重力热管。不同于以往各类接触式或者非接触式的蓄热器，本蓄热器中蓄热材料与热源/冷源的吸放热以材料表面传热工质汽液相变反复循环的方式实现。这一新颖的设计摆脱了蓄热材料导热系数低和传热面积有限的束缚，将传统蓄热器中蓄热材料与热源/冷源的吸放热过程由导热和对流转换为液膜蒸发和冷凝相变，使得蓄热器的吸放热性能极其出色。本文对此新型蓄热器蓄热/放热性能进行了一些初步的实验研究，在理论上对蓄热/放热过程温度变化、蓄热器各组件蓄热放热功率分配、颗粒材料和传热工质温差以及换热系数进行了简化计算。研究结果表明，在相变蓄热放热阶段蓄热材料和换热介质的温差非常小，温度变化几乎同步，整体系统具备优良的蓄热/放热性能。关键字：相变蓄热器；重力热管式；颗粒0 引言当下化石能源的短缺和环境污染问题越来越严重，能源供给、环境保护和经济发展之间的矛盾也越来越严重。各国纷纷寻找可再生能源作为替代，像太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等[1]。其中，太阳能的热应用以其广泛性、方便性及越来越高的效率成为各国关注的焦点。太阳能的热应用中两个核心元件是集热器和储能系统[2]，而储能系统是否廉价、高效是太阳能热应用能否实现规模化的关键[3]。另外，储能技术在节能和提高能源利用率上发挥着重要的作用，其应用也越来越广泛。Zhou [4]和Pomianowski [5]分别详细地介绍了使用相变材料的储能技术在建筑中的应用。Yau[6]和Oró[7]分别对蓄热技术在冷量存储中的应用进行了总结。Kuravi[8]在他的文章中讨论了集中式太阳能发电厂中热能存储系统的应用和设计。然而，国内外在太阳能热利用中使用的蓄热器结构设计方面的研究一直比较单调，缺乏新意。Farid[9]把蓄热器分为接触式和非接触式两种，其中接触式蓄热器中的蓄热材料和换热工质直接接触，而非接触式是指蓄热材料和换热工质之间有壁面间隔，不直接接触。现在研究较多的是非接触式的蓄热器，基本可以分为3大类：第一类是在大容积的蓄热材料内安放吸热工质流动管道[10-12]；第二类是棒形热管将蓄热材料和工质流动管道连接传递热量[13-14]；第三类是将蓄热材料充填入金属封闭管中，再把金属管沉浸在传热介质中。无论哪种形式，其吸热放热原理方面几乎相同，蓄热材料放热和吸热都要通过金属壁面将热量传递出去，传热面尺寸受限制，蓄热材料内部导热热阻非常大[15]。虽然已有各种强化导热技术手段被提出，如采用各种肋片结构或掺混金属或石墨等高导热系数材料强化蓄热材料内部导热[16-25]，但提高幅度有限，同时又带来储能密度降低等问题。另外，已有文献[26-29]采用数值模拟的方法对于非接触式蓄热器各种结构设计及强化传热方式进行分析，并与实验结果进行对比。结果显示，无论哪种结构设计或者强化传热方式都不能从根本上摆脱蓄热材料低导热系数的影响。接触式的蓄热器研究相对较少，[30-31]采用了蓄热材料和换热工质直接接触的方式，使得换热效率有所提高，但是文章中换热工质依然在蓄热器以外循环，并没有摆脱前面所述结构的束缚。本文在以往研究的基础上，提出了一种新型的重力热管式相变蓄热器，把换热介质萘的蒸发、冷凝及蓄热材料的蓄热、放热整合到同一装置中。蓄热阶段，加热器是热源，蓄热材料是冷源，萘在加热器表面蒸发，通过重力作用上升到蓄热材料层并在蓄热材料表面冷凝。放热阶段，蓄热材料是热源，而冷凝器是冷源，萘在蓄热材料表面蒸发，同样通过重力作用上升到冷凝器端并在冷凝器表面冷凝。整个装置相当于一根重力热管，换热介质在其中依靠汽液相变和重力作用实现热力循环。这一新颖的设计摆脱了蓄热材料导热系数低和传热面积有限的束缚，将传统蓄热器中蓄热材料与热源/冷源的吸放热传递过程由导热和对流转换为液膜蒸发