相變儲熱技術及其在內燃機冷起動中的應用

夏 旭 劉伍權 朱 巖 蔣齊秦 伏廣功

（1-陸軍軍事交通學院五大隊研究生隊 天津 300161 2-陸軍軍事交通學院軍用車輛系）

引言

近年來，為了改善內燃機冷起動性能，國內外專家和學者對冷起動過程中的著火過程、燃燒過程及排放問題進行了深入研究，針對導致冷起動困難的主要因素，包括可燃混合氣形成、可燃混合氣燃燒溫度等方面提出了一系列輔助措施。常用的輔助措施包括進氣預熱、安裝電熱塞、安裝燃油加熱器、噴射起動液等。其它輔助措施包括采用低溫燃油、低溫潤滑油、低溫蓄電池等。由于技術水平等多方面原因，這些輔助措施雖然能在一定程度上改善內燃機的冷起動性能，但或多或少存在一些缺點：需要額外消耗燃油或電能；冷起動效果不佳，起動時間較長；起動效果好，但燃燒劇烈易發生爆震，不易控制；輔助設施結構相對復雜，成本較高。

相比于常用的冷起動輔助措施存在一些弊端，相變儲熱技術通過回收內燃機的余熱，代替外熱源預熱內燃機，改善冷起動性能，顯示出廣闊的發展前景。

研究表明，內燃機燃料中，2/3 左右的能量通過廢氣和冷卻液以廢熱的形式釋放到大氣中[1]。目前，學術界針對這部分熱量的回收主要是采用動力渦輪、朗肯循環、余熱鍋爐、熱電發電機等方式轉化為電能。在應用于內燃機冷起動方面，余熱是通過相變儲熱技術，以相變儲熱材料潛熱的形式直接儲存來，利用保溫材料減少熱量的輻射流失。在較低的環境溫度下，內燃機需要暖機和冷起動時，回收余熱后的相變儲熱材料直接釋放熱量，加熱冷卻液，預熱內燃機，改善冷起動性能。相比于其它冷起動措施，相變儲熱技術最大的優勢在于內燃機在較低的環境溫度下需要頻繁冷起動時，通過儲存的內燃機余熱直接快速加熱冷卻液，預熱機體，不消耗額外的燃料，并且不產生任何額外的排放，在一定程度上起到了節約能源和保護環境的雙重作用。

1 相變儲熱技術

早在20 世紀40 年代，Telkes 等人[2]對相變儲熱技術進行了研究。但直到20 世紀70、80 年代的能源危機中，相變儲熱技術才被重視起來，并被廣泛應用于太陽能儲能。自此之后，眾多專家和學者進行了一系列研究來評估相變儲熱系統的整體熱性能，主要包括設計原理、系統和過程優化、瞬態特性和使用性能等。研究范圍集中于特定相變儲熱材料問題的解決以及不同相變儲熱材料特性的研究，成果豐碩。

1.1 相變儲熱材料的分類和選取

儲熱材料按儲熱方式的不同可分為3 大類：顯熱儲熱材料、潛熱儲熱材料（相變儲熱材料）和化學反應儲熱材料。顯熱儲熱材料利用材料自身溫度的變化來回收以及釋放熱量，儲熱密度比較小，雖然材料廉價易得，但在生活和工業中并不常用?；瘜W反應儲熱材料是利用材料進行化學反應來回收以及釋放熱量，反應劇烈不易控制，使用條件要求較高。相變儲熱材料通過固、液、氣三態相變來回收以及釋放熱量，儲熱密度大，溫度區間廣，安全可靠，應用范圍廣?；谏鲜鰞烖c，相變儲熱材料成為儲熱領域研究的重點，并在生活和工業中得到廣泛應用。相變儲熱材料按照不同的劃分方式可以分為不同類型的相變材料。具體劃分如圖1 所示[3]。

圖1 相變儲熱材料的分類

相變儲熱材料種類繁多，性能各異，在選擇時需遵循如下標準：化學穩定性好、廉價易得、循環使用期間材料不嚴重劣化、熔化（或凝固）的溫度在適合的范圍內、不腐蝕封裝材料、無毒、不易燃、非爆炸，以確保其使用的安全性[4]。此外，相變儲熱材料在相變過程中應避免發生較大的體積變化，防止加重封裝材料的疲勞，降低使用壽命；結晶速度應盡可能高，以產生足夠的熱回收率；潛熱值和密度應盡可能高，以減少質量和減小體積；導熱性良好，以便熱傳遞更加高效。

在滿足上述標準的同時，結合內燃機余熱溫度的范圍和實際應用情況，儲熱裝置中的材料應選擇固-液相變的中溫相變儲熱材料。滿足這些條件的相變儲熱材料可分為無機、有機、復合等3 大類。其中，無機相變儲熱材料主要是一些結晶水合鹽，這類材料儲熱密度大，導熱性良好，價格廉宜，應用比較廣泛。缺陷是在脫水和結晶過程中存在過冷和相分離現象，降低了儲熱的效果，并且大多數水合鹽具有腐蝕性。其他還有一些熔融鹽，但是因為價格、導熱性、毒性等原因應用并不廣泛。有機相變儲熱材料主要是石蠟和一些脂肪酸類，這類材料化學性能穩定，無毒性和腐蝕性，不存在無機材料的過冷和相分離現象。特別是脂肪酸類材料還具有很好的循環穩定性，能長期應用于熱循環[5]。盡管這類有機材料具有諸多優勢，但因導熱性差、密度小等原因限制了它們的應用范圍。復合相變儲熱材料包括無機物與無機物復合、無機物與有機物復合、有機物與有機物復合等3個類別，這類復合材料能克服單一無機物或單一有機物相變儲熱材料的缺陷，具有良好的儲熱密度、導熱性、循環穩定性。復合相變儲熱材料雖然匯聚了無機和有機材料的諸多優點，但制備程序復雜，對技術手段要求高，而且熱物性參數測量不夠完整，各成分配比規律不夠清楚[6]。鑒于復合相變儲熱材料的這些特點，需要加大研究力度，以促進其在儲熱方面的廣泛應用。目前，國內外專家和學者在研究儲熱裝置的性能時，為了便于分析，通常選用一些熱物性參數相對詳細、相變溫度合適的無機和有機材料。這些相變儲熱材料的熱物性參數如表1 所示[7-10]。

1.2 相變儲熱裝置的結構

由于相變儲熱材料在換熱過程中處于兩相摻雜狀態，熱阻較大，導熱性低，提高相變儲熱裝置的換熱性能，對換熱過程的效率起著至關重要的作用。在確定了材料和體積的儲熱裝置內，增大接觸面積是提高儲熱裝置換熱性能最常用的有效途徑。但儲熱裝置單位體積內接觸面積過大，往往易堵塞，清洗不便，并且對工藝手段要求較高，價格昂貴。因此，在設計儲熱裝置的結構時，要綜合考慮以下各方面的因素：

表1 相變儲熱材料的熱物性參數

1）安全可靠；

2）換熱面積大，傳熱性能好；

3）制造、維修、更換方便；

4）價格合理。

表2 為幾種常見的儲熱裝置結構的優缺點。

其它的儲熱裝置結構有翅片式、蛇形式、U 形管式等，大都是在原有結構的基礎上改良加工，通過增加換熱面積來提高傳熱效率。經實驗驗證，均有效提高了換熱效果。

表2 常見儲熱裝置結構的優缺點

2 相變儲熱技術在冷起動中的應用

1991 年，德國的Oskar Schatz[11]最早提出利用相變儲熱技術把內燃機的余熱應用于解決冷起動問題。后來，俄羅斯、芬蘭等一些高緯度寒冷國家的專家和學者相繼對相變儲熱技術在內燃機冷起動上的應用進行了一系列相關研究。國內對相變儲熱技術的研究起步相對較晚，目前主要應用于太陽能儲能、電力調峰、工業熱能回收利用、空調采暖制冷以及新能源等領域。研究相變儲熱技術應用在解決內燃機冷起動問題方面的國內專家和學者并不多見，成果相對缺乏。

2.1 換熱過程及影響因素

國內外專家和學者通過對儲熱裝置換熱過程的深入研究，探究了影響儲熱和放熱效率的因素。得出如下結論：

1）在換熱過程中，流體和儲熱裝置之間的溫差與換熱效率成正比關系；

2）流體的流速在一定范圍內與換熱效率成正比關系，超過一定限額，作用并不大，反而會增加水泵的負擔；

3）相變儲熱材料的熱物性能和儲熱裝置的結構對換熱效果起著至關重要的作用。

沈衛東等人[12]通過在球囊狀車用儲熱裝置中封裝一根熱電偶，研究了相變過程中材料的流動、儲熱和放熱特性，為修正及優化儲熱裝置提供了可靠數據。結果表明，流體在和相變材料換熱過程中，流體流量越大，達到相變溫度的速度越快，相變總時間越短，并且流體流量大小對儲熱過程的影響幅度大于對放熱過程的影響。但是結論沒有表明流體的流量與換熱速率是否存在最優匹配以及最優匹配值為多少。

高青等人[13]在一種結構簡單緊湊的板式儲熱裝置上利用CFD 模擬的方法，將儲熱裝置與相變儲熱材料耦合，進行儲熱過程三維模擬計算分析，得出了固態顯熱升溫、相變儲熱、液態顯熱升溫和儲熱結束穩定等4 個明顯的儲熱階段。此外，加熱流體的流速增大到一定值時，會與換熱速率趨于平衡，繼續增加流速對儲熱效率基本沒有影響，反而會加大水泵負擔，影響內燃機的正常冷卻降溫。

高淳等人[14]通過比較分析兩種相變儲熱材料石蠟和八水氫氧化鋇在換熱過程中的儲熱和放熱效果，得出結論：相變儲熱材料性能對儲熱裝置的換熱效率和速率起著至關重要的作用。通過對放熱特性的研究，得出放熱強度在前3 min 內處于較高水平，之后便逐漸降低。并且換熱物質之間溫差越大，放熱強度越大。

Francis Agyenim 等人[15]等總結了各種相變儲熱系統的發展，對不同結構的儲熱裝置進行了一系列數值分析和實驗測試，評估了不同參數對儲熱性能的影響。最后通過數值模擬得出了適合換熱的幾何結構為圓柱狀的管殼體。

Dheeraj Kishor Johar 等人[16]等設計了一種用來回收儲存內燃機尾氣熱量的圓柱形儲熱裝置。該裝置的外殼用玻璃棉層和石膏層絕熱，內含38 個封裝相變儲熱材料赤藻糖醇的小圓柱體，小圓柱體四周皆有4 個翅片，用來增強導熱性能。通過對幾組不同功率條件下熱回收效率的對比，得出該裝置熱回收效率在內燃機負荷為4.4kW 時可達到69.53%。在放熱階段，通過鼓風機吹風的方式，得出放熱效率僅為38%，這可能與熱回收的方式有很大關系。此外，在儲熱的同時，該裝置對內燃機的有效熱效率和有效燃油消耗率幾乎沒有影響。

2.2 預熱效果

通過大量的仿真和實驗驗證表明，在一定程度上，相變儲熱裝置能快速加熱冷卻液，有效改善內燃機冷起動性能。具體的預熱效果因相變儲熱材料、儲熱裝置結構、內燃機型號、環境溫度等因素的不同各不相同。

Oskar Schatz 所提出的相變儲熱技術，用水合鹽Ba（OH）2·8H2O 回收儲存冷卻液的熱量，通過絕熱保溫手段，在一天之后，熱量以50～100kW 的初始功率預熱內燃機，并用于冬季玻璃除冰霜，有效提高了車輛的舒適性和安全性。由于加熱功率較高，內燃機可以在30 s 內有效預熱，使車輛在冷起動時CO 排放減少了50%，HC 排放減少了30%[11]。

王永川等人[17]設計了一種內置37 根同心套管的圓柱狀儲熱裝置，封裝硝酸鋰相變儲熱材料，回收儲存汽油機的高溫排氣余熱，改善內燃機冷起動性能。該儲熱裝置在-11℃的環境下保溫8 h 后，采用流量為5 L/min 的循環水介質加熱8 min，內燃機溫度可以上升到60℃左右。在內燃機預熱后啟動的20 s 之內，平均燃油消耗率比不預熱狀態降低了約8.6%。

L.L.Vasiliev 等人[18]在添加鉻鎳的不銹鋼圓柱狀儲熱裝置中，采用多個聚乙烯管膠囊封裝一水合氫氧化鈉相變儲熱材料，儲存冷卻液熱量。該裝置質量為65 kg，儲存熱量14 MJ，在－10℃的環境溫度下，可以使質量為650 kg 的內燃機溫度升高約30℃。通過在寒冷環境下安裝在客車上進行實際運行，證明了該裝置可以有效加熱內燃機水套中的冷卻液，提高了內燃機冷起動性能。但缺少熱量流失和保溫方面的考慮。

M.Gumus 等人[19]在外套為銅的儲熱裝置中，用幾十個銅制膠囊封裝廉價的十水硫酸鈉相變儲熱材料，回收儲存冷卻液熱量。該裝置質量為32.5 kg，儲存熱量2 000 kJ。在保溫12 h 后，加熱內燃機過程中，最大熱效率為57.5%，儲熱和放熱時間分別約為500 s 和600 s。在環境溫度為2℃的條件下，可使內燃機溫度上升17.4℃。在冷起動的200 s 之內，CO 排放減少了64%，HC 排放減少了15%。

Pertti Kauranen 等人[20]采取廢氣余熱回收系統和潛熱儲熱裝置相結合的方式，利用十二水合磷酸三鈉相變儲熱材料回收儲存熱量，用不銹鋼真空杯保溫。經實驗驗證，在室外溫度為-10℃的環境下，冷卻液溫度上升到20℃。車輛附加的加熱器需要200 s，而使用剛充滿的儲熱裝置只需要20 s。相比于附加的加熱器，儲熱裝置在冷起動的20min 內，CO 和HC排放均減少了84%，NOx排放減少了53%。

3 結束語

本文介紹了一種相變儲熱技術，概述了該技術在改善內燃機冷起動性能方面的研究現狀。研究表明，這種相變儲熱技術通過回收內燃機的余熱，能有效改善冷起動性能，具有廣闊的應用前景。為了優化該儲熱裝置的預熱效果，加快在寒冷地區的應用和普及，需要從以下幾個方面進行深入研究。

1）相變儲熱材料循環壽命問題。相變儲熱材料在長期循環使用過程中，儲熱性能會呈下降趨勢。針對這一現象，要抓緊研究儲熱能力強、性能穩定的新型相變儲熱材料。

2）封裝材料與相變儲熱材料相容性問題。抓緊研究導熱性良好、密封性強的封裝材料。

3）儲熱裝置的結構優化問題。在設計儲熱裝置結構時，要權衡利弊，全面考慮不同的結構類型對儲熱裝置換熱效率的影響，設計出與相變儲熱材料最優匹配的儲熱裝置結構。

4）儲熱期間的保溫問題。儲熱裝置在長時間保存熱量過程中，熱量會大量損失在周邊低溫環境中。要采用新型保溫材料或真空絕熱技術，加強保溫效果，減少能量損失。

5）在相變儲熱技術應用于內燃機冷起動的相關文獻中，所研究的環境溫度最低僅為-20℃，這與國家軍用標準所要求的-41℃仍有一定的差距，儲熱裝置在-41℃下的預熱效果有待進一步研究驗證。