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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放特性

點擊:1873 日期:[ 2014-04-26 22:54:59 ]
                         新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放特性                朱孝欽1,楊玉芬1,李淑蘭1,陸建生2,孫加林2,N.Ben-Abdallah3(昆明理工大學1.化學工程學院,云南昆明 650224;2.材料與冶金工程學院,云南昆明 650093; 3.FacultyofEngineering,DalhousieUniversity,HalifaxB3J2X4,NovaScotia,Canada)摘要:研究了一種新型相變材料換熱器,在其進出口的相應溫度測試點布置銅鎳合金熱電偶,然后分別以不同的流 速通入溫度各為40℃、16—17℃的熱、冷空氣流,利用溫度測試系統連續測出各測點的溫度值。理論分析和實驗 研究結果驗證了該換熱器具有良好的熱能儲存與釋放特性:當氣流的質量流速分別為0.132,0.096kg/s時,若相 變材料的平均初始溫度為17.4,17.7℃時,經過910,1030min后該換熱器熱能儲存量各為21056.67, 21014.34kJ;在放熱過程中,該換熱器出口的氣流溫度維持在20℃以上的時間各為594,717min。它可用于溫室、 暖房、空調或工業生產中各種低溫熱能的回收和利用。關鍵詞:相變材料;CaCl2·6H2O;換熱器;熱能儲存;熱能釋放;能源回收中圖分類號:TQ051.5;TK02 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9954(2008)09-0023-05物質相變過程是一個等溫或近似等溫過程,相 變過程中通常伴隨有能量的吸收或釋放。相變儲能 技術則是利用相變材料在其物相變化過程中,可以 從環境吸收熱(冷)量或向環境釋放熱(冷)量,從而達到能量的儲存或釋放的目的,它是提高能源利用 效率和保護環境的重要技術[1—2],已在太陽能熱利 用、電力的“移峰填谷”、余熱或廢熱的回收利用以 及工業與民用建筑和空調的節能等領域得到了廣泛的應用,目前已成為世界范圍內的研究熱點。 在過程工業生產過程中,特別是化學工業生產或 其他多種工業生產過程中排放的工業余熱或廢熱大 多是間斷的或不連續的,為了使這些不穩定的熱能得 以回收和利用,就可以應用相變儲能技術加以解決, 首先利用相變材料將這些熱能儲存起來,必要時再將 儲存的能量釋放出去,這樣既可以降低工業企業的能 耗,又可以減少由一次能源轉化為二次能源時產生的 各種有害物質對環境的污染[5]。因此,本文對新型相 變材料換熱器的熱能儲存與釋放特性進行了研究,以 便為其工業應用提供一定的依據和指導。1 新型相變材料換熱器的結構本研究的新型相變材料換熱器,其主體為管殼式 換熱器結構,但殼體為矩形,內裝有7排管子且每排由 7根管子組成,整個換熱器的所有外表面還安裝了厚度 為50mm的石棉板作為保溫之用;管子的軸線與殼體 的軸線垂直,每個換熱管內充填了2kg的相變材料 (CaCl2·6H2O);為了使換熱管內的相變材料能與流體 充分接觸,每排管子采用錯位排列,其基本參數見表1。2 新型相變材料換熱器熱能儲存、釋放過程的理論 分析2.1 新型相變材料換熱器熱能儲存過程及儲存量 的理論分析在新型相變材料換熱器中,設質量流速為qm的 熱氣流在換熱器的進出口處溫度分別為θa,i,θa,o, 熱氣流流過換熱器后使位于第j排換熱管內的相變 材料(CaCl2·6H2O)由初始溫度θj,i上升到最終溫 度θj,o。為了便于分析和計算,特做如下假定:①相 變材料的相變溫度θm為固定值,且位于兩溫度值 θj,i和θj,o之間;②每個換熱管內充填的相變材料所 有物理性能是不變的和相等的;③每一排各管子內 充填的相變材料的溫度是相同的;④由于所有換熱 管壁很薄,其所儲存的熱量忽略不計?;谝陨霞?nbsp;設條件,可以得到具有n排換熱管的整個換熱器的 熱能儲存量為:3 新型相變材料換熱器熱能儲存與釋放特性的實 驗測試為了檢驗這種新型相變材料換熱器熱能儲存與 釋放的特性和效能,首先對相變材料(CaCl2· 6H2O)和空氣的各種熱物理性能進行了測試,其實 測結果列于表2。然后,分別在該換熱器進出口處 的相應溫度測試點布置銅鎳合金熱電偶,并將它們 連接到CampbellScientific數據記錄儀和裝有Camp- bellScientific′sPC200W軟件的計算機上,熱能儲存、釋放過程的測試系統分別如圖1,2所示,其圖中 所畫的箭頭方向即為空氣流的流程。整個測試的實 驗程序為:①以不同的流速連續通入溫度為40℃的 熱空氣流,通過實驗測試系統連續測出各測點熱電 偶的溫度值,所得的實驗數據經整理后分別繪于圖 3,4(圖中I,O分別表示在該換熱器進出口測得的 數據),使位于換熱器出口的換熱管中心位置相變 材料溫度達到39.5℃時整個熱能儲存過程所用的 時間列于表3。②對于已進行過熱能儲存的該換熱 器,以不同流速連續通入溫度為16—17℃的室外冷 空氣流,通過測試系統連續測出各測點熱電偶的溫 度值,所得的實驗數據經整理后分別繪于圖5,6(圖 中I,O分別表示在該換熱器進出口測得的數據), 使位于換熱器出口的換熱管中心位置氣流溫度達到 18℃時整個熱能釋放過程所用的時間列于表4。4 實驗結果分析與討論4.1 新型相變材料換熱器熱能儲存過程及儲存量 的分析從圖3和圖4可以看出,由于換熱管內的相變 材料(CaCl2·6H2O)初始溫度均低于其相變溫度, 整個熱能儲存過程及儲存量可以分析和總結如下: ①無論氣流速度為多少,在通入溫度為40℃的熱空 氣流后,該換熱器管內的相變材料的溫度均隨時間 的增加而提高,當管內相變材料的溫度被加熱至其 相變溫度(約為26℃)時,管內的相變材料要發生 相變吸收大量的熱能而儲熱,當換熱管內的相變材 料全部轉化為液相后還可以繼續吸收熱量而升溫, 說明該換熱器的熱能儲存量由顯熱和潛熱2部分組 成,根據實測結果得出潛熱部分所占的熱能儲存量 比例已近似達到80%。②由于本研究的新型相變 材料換熱器內裝有7排管子且每排由7根管子組 成,當熱空氣的質量流速分別為0.132,0.096kg/s 時,相變材料的平均初始溫度分別為17.4, 17.7℃,根據理論計算公式以及表2所列的相變材 料(CaCl2·6H2O)的各種熱物理性能,可以算出該 相變材料換熱器熱能儲存量分別為21056.67, 21014.34kJ。4.2 提高新型相變材料換熱器熱能儲存效果及儲 存量的措施由于相變材料換熱器熱能儲存是通過該換熱器 所有換熱管內相變材料(CaCl2·6H2O)吸收熱氣流 的熱量來實現的,因此,根據前面的理論分析可知, 要提高相變材料換熱器熱能儲存效果和強化相變材 料換熱器的熱能儲存性能,可以采取3種措施:①盡 可能增加熱氣流的流速;②提高熱氣流的初始溫度;③延長熱氣流流過換熱器的時間。 根據實測結果(表3),當通入該換熱器熱空氣 流溫度維持不變時,氣流的流速越大,氣流至管內 相變材料的熱傳遞速率越大,整個加熱周期所需 時間也越短。因此,氣流的流速是一個重要參數, 為了使相變材料換熱器在同樣的條件下儲存盡可 能多的熱能,最佳的途徑就是盡量提高流過該換 熱器熱氣流的流速,所以,第1種措施在實際工程 應用中應重點考慮。第2種措施———提高熱氣流 的初始溫度,由于實際工程中流體的溫度主要取 決于工況,大多數情況下都是確定的,因此,實際 工程應用中是難以實現的。第3種措施———延長 熱氣流流過換熱器的時間,這種作法實際也是不 可取的,因為表面上好象使相變材料換熱器熱能 儲存量有所增加,但卻增加了能耗且降低了該換 熱器熱能儲存的效率。由于相變材料換熱器的熱 能儲存量由顯熱和潛熱2部分組成,并且潛熱部 分所占的熱能儲存量比例已近似達到80%,所以, 為了提高其熱能儲存效率,其最佳時間就是當換 熱器出口處換熱管內相變材料完成了整個相變過 程的熱能儲存對應的時間。例如,根據圖3和圖4 可知,該分布曲線是由第1段曲線、中間近似水平 直線和第2段曲線所組成,顯然,該分布曲線的中 間近似水平直線和第2段曲線的交點應為最佳時 間點,即當熱空氣的質量流速分別為0.132, 0.096kg/s時,該相變材料換熱器熱能儲存過程所 用的最佳時間分別為540,643min。此外,這種相變材料換熱器的熱能儲存量大小 還與其結構有關,若工程實際中需增大或減小其熱 能儲存量,則還可以通過改變該換熱器的結構、換熱 管數或尺寸來實現。4.3 新型相變材料換熱器熱能釋放過程的分析 從圖5和圖6可以看出,已有熱能儲存量Q 的相變材料換熱器,其換熱管內相變材料(CaCl2· 6H2O)的初始溫度接近于40℃,隨著溫度為 16—17℃的冷空氣流連續通入,整個熱能釋放過 程可以分析和總結如下:①無論氣流速度為多少, 該換熱器各測點在放熱過程中的溫度變化規律 為:換熱器進出口處管內外的溫度起初都是急劇 下降的,其溫度變化曲線為陡降的;當溫度下降至 其相變溫度(約為26℃)時,由于管內的相變材料 發生相變而釋放相變潛熱,其溫度變化曲線在一 定時間內近似為水平直線;只有當所有換熱管內 的相變潛熱全部釋放后,管內相變材料和換熱器出口氣流的溫度又會隨時間的增加而逐步下降。 ②該換熱器換熱管內的相變材料在降溫過程中會 發生相變,由于其相變潛熱的熱量很大,因此,該 換熱器出口的氣流溫度在一定時間內仍能保持恒 溫,這也是傳統管殼式換熱器所不具備的、只有這 種相變材料換熱器結構才具有的重要特征之一。 例如,當溫度為16—17℃的冷氣流的流速分別為 0.132,0.096kg/s時,本實驗的相變材料換熱器 出口的氣流溫度維持在20℃以上的時間各為 594,717min。③根據前面的理論分析以及實測結 果(表4),若該換熱器熱能儲存量Q為一定時,當 通入該換熱器冷空氣流溫度維持不變時,氣流的 流速越大,管內相變材料的放熱速率越大,維持該 換熱器出口氣流溫度不變的時間也就越短。因 此,氣流的流速是一個重要參數,為了使相變材料 換熱器出口的氣流溫度在同樣的條件下盡可能保 持時間長一些,最佳的途徑就是盡量降低流過該 換熱器冷氣流的流速。5 結論這種新型相變材料換熱器能將溫度較高的熱流 體的熱能儲存起來,必要時又可釋放其已儲存的熱 能,所以,它具有較好的應用前景,主要適用于溫室、 暖房、空調或工業生產中各種低溫熱能的回收和利 用,也可以應用于需要溫度控制或維持一定溫度條 件的相關領域中。符號說明:cp,cp,a 相變材料和氣流的平均比熱容,kJ/(kg·℃)hm單位相變材料質量的溶化熱,kJ/kgmj 換熱器第j排管內相變材料的質量,kgn 換熱管的排數Q,Q′,Q″ 換熱器熱能儲存量、熱氣流提供的熱量和冷氣流吸收的熱量,kJq,q′ 熱能儲存、釋放過程的熱傳遞速率,kJ/sqm 氣流的流速,kg/st 氣流流過換熱器的時間,s或minθa,i,θa,o 氣流流過換熱器進口、出口處的溫度,℃θj,i,θj,o 位于第j排換熱管內的相變材料的初始溫度、熱氣流流過換熱器后其上升的溫 度,℃θm 相變材料的相變溫度,℃參考文獻:[1] 張東,周劍敏,吳科如.相變儲能材料的相變過程溫度模型[J].同濟大學學報,2006,34(7):928-932.[2] 林怡輝,張正國,王世平.復合相變蓄能材料的研究進展[J].新能源,2000,22(7):35-38.[3] NALLUSAMYN,SAMPATHS,VELRAJR.Experimen- talinvestigationonacombinedsensibleandlatentheatstoragesystemintegratedwithconstant/varying(solar) heatsources[J].RenewableEnergy,2007,32(7): 1206-1227.[4] MILLSA,FARIDM,SELMANJR,eta.lThermalcon- ductivityenhancementofphasechangematerialsusingagraphitematrix[J].AppliedThermalEngineering, 2006,26(14):1652-1661.[5] 崔海亭,袁修干,侯欣賓.蓄熱技術的研究進展與應用 [J].化工進展,2002,21(1):23-25. 
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