非相變固體蓄熱材料的蓄放熱特性

尹少武，韓嘉維，石永樂，童莉葛，王立

（1 北京科技大學能源與環境工程學院，北京100083；2 北京科技大學冶金工業節能減排北京市重點實驗室，北京100083）

近年來，國家對綠色環保要求不斷提高，選擇蓄熱性能指標良好且性價比高、易獲取的蓄熱材料是當前研究的重要部分。依照儲熱原理，目前的儲熱技術分為相變儲熱、熱化學儲熱和顯熱儲熱三種形式[1]。固體顆粒物顯熱儲熱是指利用儲熱材料自身的高熱容，通過升高和降低材料的溫度來實現熱能存儲與釋放的儲熱技術，具有儲熱方式簡單、成本低、應用廣泛的優點。以顯熱儲熱材料為基礎的顯熱儲熱技術可實現建筑節能和集中供暖的目標[2-5]。

但是，與相變儲熱和熱化學儲熱技術相比，普遍以水、礫石和土壤為儲熱材料的顯熱儲熱技術具有儲能密度小、難以達到控溫目的等缺點[6-9]，嚴重限制了顯熱儲熱技術的應用與發展。選擇耐高溫、密度大、經濟性良好、可以穩定供熱的顯熱儲熱材料是解決上述問題的可行方法。Xu 等[10]以石英巖、高溫混凝土、鑄鐵、碳化硅陶瓷和氧化鋁陶瓷作為固體蓄熱材料，使用單個顆粒內部的溫度分布作為主要評價指標，研究了固體顆粒的種類、粒徑等性質對熔鹽與固體顆粒間傳熱的影響，得出了當粒徑足夠?。ㄐ∮?.9cm）時，粒徑對熔鹽填充床熱性能的影響可以忽略不計等結果。Laing 等[11]研究了在400℃高溫顯熱蓄熱系統中改善儲存材料內部熱傳輸的各種選擇。Ismail 等[12]介紹了適用于顯熱儲熱系統的熱模型的數值研究結果，根據解決特定測試問題所需的計算時間對模型進行了評估，并且分析了模型與顆粒粒徑和孔隙率等重要參數之間的關系。

剛玉球、剛玉砂和氧化鎂都具有耐高溫的特性，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，這些顆粒物都是常見且廉價的材料。每年顆粒物質的生產、加工、儲存和運輸消耗了地球10%的能量[13]。因此，對上述四種材料的蓄放熱特性進行深入研究與使用，可以減少環境污染，在部分解決材料處理問題的同時能夠實現能源轉化與利用，達到節能減排等多種效果。本文對剛玉球、剛玉砂、粉煤灰和氧化鎂四種固體顆粒物進行蓄放熱特性研究，并使用蓄熱密度、綜合換熱系數等參數作為評價指標進行分析，以期尋找到一種蓄熱密度高、可以穩定供熱、經濟性良好的顯熱蓄熱材料，以便為今后顯熱儲熱技術的應用提供一種儲熱材料的選擇方案。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料

剛玉球，河南騰達環?？萍加邢薰咎峁?，粒徑5mm；剛玉砂，河南清泉環?？萍加邢薰咎峁?，4目、8目、36目和200目四種規格；粉煤灰，河南恒盛環保有限公司提供，堆積密度1036kg/m3；氧化鎂，東莞豪圣新材料有限公司提供，堆積密度568kg/m3。

1.2 實驗系統及測試儀器

實驗系統主要由蓄熱裝置、熱水/蒸汽發生裝置、積液罐、換熱埋管、間壁式換熱器、循環泵、散熱器、溫度壓力傳感器、電磁閥、自動控制系統等部件組成，見圖1。蓄熱裝置由蓄熱箱體、6 根加熱棒、50mm 厚保溫棉、2mm 厚不銹鋼板組成，換熱介質為水。管路中設置4支熱電偶用以測量換熱介質及冷卻水進、出口的溫度。實驗中所使用的分析測試儀器見表1。

圖1 蓄放熱特性實驗測試系統示意圖

表1 實驗儀器及用途

1.3 蓄放熱裝置溫度測點分布

為了便于記錄蓄熱體內溫度分布情況，按照距離加熱棒遠近和插入蓄熱體的深度分別在水平方向布置3 行、垂直方向布置3 列共9 個測溫點。TR為加熱棒測溫點，設置在加熱棒上，用于觀察加熱棒表面溫度，避免加熱棒由于積聚溫度過高而燒毀。R為加熱端。測點詳細分布情況如圖2所示。

圖2 蓄放熱裝置溫度測點布置圖

1.4 實驗及數值模擬方法

1.4.1 蓄放熱特性測試實驗

在正式加熱之前，將蓄熱材料（粉煤灰、氧化鎂、剛玉砂和剛玉球）分別加入蓄熱裝置中。加熱時，換熱埋管不通水，打開加熱開關，設置加熱溫度，通過外加翅片的加熱棒對蓄熱體進行加熱。實驗期間，利用安捷倫數據記錄儀每分鐘記錄一次蓄熱體內除了加熱棒測點以外另9個測點的溫度變化情況，以其平均溫度代表蓄熱體的整體溫度。當這9個測點的平均溫度到達指定的實驗溫度時，記錄加熱時間并關閉加熱開關，加熱過程完畢。

取熱時，開啟電磁閥，積液罐中的水通過電磁閥流入蓄熱裝置換熱器埋管進行換熱。被加熱的水/水蒸氣從埋管出口端流入間壁式換熱器，在其中與冷卻水進行換熱。利用管道中的熱電偶測得換熱介質的進出口溫度，并使用數字流量計測得冷卻水的流量，以此計算換熱器的換熱量。

通過改變材料的種類和孔隙率，重復上述蓄放熱實驗，并導出記錄數據，得到不同蓄熱材料蓄放熱過程中各測點溫度分布。

間壁式換熱器中，冷熱流體分別在固體壁面的兩側流動。通過計算冷卻水帶走的熱量來確定該蓄熱裝置的換熱系數，如式(1)所示。

式中，qm是通過水泵的水流量，m3/h；cp是冷卻水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT1是冷卻水進出口的溫差，℃，h 是換熱系數，W/(m·℃)；A 是換熱面積，m2；ΔT0是由蓄熱裝置產生的水/蒸汽換熱前后的溫差，℃。

蓄熱體的蓄熱密度和蓄熱量由式(2)、式(3)確定。

式中，q 是蓄熱密度，kJ/kg；Q 是蓄熱體的蓄熱量，kJ；m是蓄熱材料的質量，kg；cp,1是蓄熱材料的比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT 是蓄熱體蓄放熱前后的溫差，℃。

1.4.2 數值模擬

為探究蓄熱材料粒徑對蓄放熱特性的影響，使用可以有效分析求解各種復雜流場的商業軟件FLUENT 19.0 進行過程模擬[14-15]。搭建的蓄熱體物理模型如圖3 所示，蓄熱體長440mm，寬200mm，高500mm。加熱棒的直徑為16mm，長為400mm。換熱管直徑為16mm，長約2000mm。蓄熱體外殼、換熱管和加熱棒材料均為不銹鋼，換熱介質為水。蓄熱材料為剛玉砂，粒度由大到小為4 目、8 目、36目、200目。

圖3 蓄熱體整體物理模型

在蓄放熱過程中存在熱傳導與強制對流換熱過程，換熱管內強制對流換熱過程采用k-ε模型方程表示，見式(4)～式(7)。

式中，ε 為湍動耗散率；μ 為換熱流體的動力黏度，Pa·s；ρ 為換熱流體的密度，kJ/m3；ui為平均相對速度分量；ui'為平均相對速度分量的脈動量；xi、xj、xk分別為x、y、z 方向的坐標分量；μt為湍動黏度；t 為時間，s；k 為湍動能；Gk為湍流動能切應力產生項；Gb為湍流動能浮升力產生項；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數；Cμ、σk、σε為常數，分別取0.09、1.0、1.3；Sk、Sε為源項。

將上述模型導入FLUENT進行數值計算，蓄熱過程中，設定加熱棒壁面溫度為800℃，蓄熱體初始溫度為20℃，換熱管壁面和蓄熱裝置殼體均為絕熱，換熱管入口流速為0。放熱過程中，設定蓄熱體內的蓄熱材料溫度為400℃，入口水溫為15℃，加熱棒表面和蓄熱體箱體的壁面絕熱，模擬過程采用有限容積法，時間步長設置為300s。

對模型中各測點溫度進行跟蹤測量，記錄蓄熱體換熱過程，得到不同蓄熱材料蓄熱體溫度場分布和換熱特性。計算處理后得到不同材料蓄熱密度和綜合換熱系數。

2 實驗結果與討論

2.1 材料種類的影響

2.1.1 溫度分布

選取粉煤灰、剛玉砂、氧化鎂、剛玉球作為蓄熱材料進行實驗，通過計算各測點平均溫度作為控制溫度的標準，發現對于不同蓄熱材料，蓄熱體內溫度分布的均勻性不同。不同蓄熱材料蓄熱溫度隨時間的變化如圖4所示。

由圖4可知，由于蓄熱體內孔隙中的熱空氣上升，使得蓄熱體中上部溫度較高，而蓄熱體底部形成了低溫區，均熱速度較緩。并且在相同堆積體積下，剛玉球比其他蓄熱材料的平均換熱系數大，能夠將對流換熱得到的熱量快速傳遞給相鄰剛玉球，故在相同蓄熱條件下，同一測點附近剛玉球蓄熱體中溫度最高。此特性也有利于加熱棒熱量的釋放，避免加熱棒因溫度積聚而導致損毀或減少使用壽命。

圖4 不同非相變固態蓄熱材料蓄熱溫度-時間曲線

2.1.2 蓄熱時間和蓄熱密度

蓄熱材料蓄熱性能與蓄熱溫度有關，蓄熱溫度越低，蓄熱體蓄熱量越小，則無法滿足持續充足供熱的要求；蓄熱溫度越高，蓄熱體蓄熱量越大，則要求設備管道和圍護結構所使用的材料耐熱性更高。綜合實際需要，選擇蓄熱溫度為300～400℃。當設定蓄熱體初始溫度為20℃、蓄熱溫度為300℃時，不同蓄熱材料蓄熱時間如圖5所示。

由圖5可見，剛玉球和剛玉砂能夠在3.5h內完成平均溫度為300℃的蓄熱過程，氧化鎂、粉煤灰的蓄熱時間較長。剛玉球（砂）結構致密，熱量能夠快速地在其中傳遞，而氧化鎂粉末結構蓬松，孔隙率大，大量空氣填充在氧化鎂粉末中，造成熱導率急劇下降。粉煤灰在高溫加熱過程中，雜質性狀發生改變，形成堅硬片狀燒結物和塊狀聚合物，燒結物附著在加熱棒表面，增加了額外的熱阻，阻礙了熱量的傳遞，如圖6所示。

圖5 不同非相變固態蓄熱材料蓄熱時間

圖6 粉煤灰多次蓄放熱后性狀變化

由于剛玉球粒徑規則，密實度好，孔隙率小，經過Hot Disk熱常數分析儀分析得知剛玉球比熱容最大，為1.52kJ/(kg·℃)。在體積相同的蓄熱體內，蓄熱材料比熱容越大，蓄熱密度越大。計算得到蓄熱溫度為300℃，即蓄熱溫升為280℃時，剛玉球蓄熱密度為425.6kJ/kg。不同蓄熱材料蓄熱密度如表2所示，但文獻[16]中所報道的氧化鎂與氧化鋁的比熱容均為1.00kJ/(kg·℃)，經計算這兩種材料在蓄熱溫升為280℃時的蓄熱密度均為280.0kJ/kg，這是由于本文與文獻[16]中材料的堆積密度不同而導致的。

表2 不同種類蓄熱材料蓄熱密度對比

2.1.3 溫降速率

如圖7 所示，在蓄熱溫度300℃放熱實驗中，剛玉球溫降速率最大，氧化鎂溫降速率最小。其原因是靠近換熱管壁的剛玉球通過導熱將熱量傳遞給管內流體，遠離換熱管壁的剛玉球通過對流換熱將熱量傳遞給靠近換熱壁面的剛玉球，依次換熱。但遠離換熱管壁的氧化鎂由于孔隙率較大，無法快速將熱量傳遞給靠近管壁的氧化鎂，造成換熱管壁附近形成低溫區，在其余蓄熱體內，大部分區域熱量堆積，故平均溫降速率最小。

圖7 不同蓄熱材料放熱過程

2.1.4 綜合換熱系數

在實驗中蓄熱體平均溫度低于180℃時蓄熱體換熱管進出口溫差小于1℃，認為蓄熱體此時無法再產生連續足量的蒸汽向外供熱。根據供熱時長、換熱平均溫差可計算得到不同蓄熱材料供熱量與蓄熱體的綜合換熱系數。粒徑較大的剛玉球比剛玉砂能夠提供更多的熱量，綜合換熱系數與蓄熱密度都為最大。因為由粉煤灰、氧化鎂所填充的蓄熱體綜合換熱系數小，熱量無法在蓄熱體內及時傳遞，故分別供熱120min 和60min 后換熱進出口溫差小于1℃，此時換熱管不能再產生足量的蒸汽。不同蓄熱材料放熱進出口溫差見圖8，不同蓄熱材料供熱時間和綜合換熱系數見表3。

圖8 不同蓄熱材料放熱進出口溫差

表3 不同蓄熱材料供熱時間與由其填充的蓄熱體綜合換熱系數

2.2 材料粒徑的影響

為了探究材料粒徑對蓄放熱特性和綜合換熱系數的影響，選取粒徑標號分別為4目、8目、36目、200 目的4 種剛玉砂進行實驗探究。將不同粒徑剛玉砂依次填充入實驗裝置進行實驗，為減小測量誤差，實驗3次計算其平均質量，得到不同粒徑剛玉砂的堆積密度。使用Hot Disk熱常數分析儀測得不同粒徑剛玉砂自然堆積情況下的熱導率和孔隙率，如圖9所示。

圖9 不同粒徑剛玉砂性能

2.2.1 溫度分布云圖

蓄熱過程結束后用紅外線熱成像儀對蓄熱體上表面進行熱成像，蓄熱體溫度分布云圖見圖10。結果顯示，剛玉砂粒徑越小，溫度分布越不均勻，在加熱棒遠端的蓄熱體上層表面和加熱棒之間出現明顯低溫區，粒徑越大，低溫區分布越小。原因是此區域內的剛玉砂只能通過導熱方式從高溫區剛玉砂獲得熱量，但大量空氣填充在孔隙當中，增加了傳熱熱阻，熱量無法迅速傳遞，故導致低溫區的出現。

圖10 蓄熱體蓄熱溫度紅外分布圖

2.2.2 蓄熱時間和蓄熱密度

隨著剛玉砂粒徑的增大，堆積密度增大4%～25%，同時自然堆積熱導率也會增加，導致蓄熱時間縮短。由于堆積密度越大，材料的致密性越好，故單位體積內蓄熱量隨之增加，蓄熱密度隨粒徑增加而增加4%～6%。實驗得到不同粒徑剛玉砂蓄熱至平均溫度400℃的時間如圖11所示，蓄熱密度如表4所示。

圖11 不同粒徑剛玉砂蓄熱時間

表4 不同粒徑蓄熱材料蓄熱密度對比

2.2.3 溫降速率和綜合換熱系數

如圖12 所示，蓄熱溫度400℃放熱實驗中，4目剛玉砂溫降速率最大，200目剛玉砂溫降速率最小，通過計算得到4 目剛玉砂綜合換熱系數為0.887W/(m·℃)，較8 目剛玉砂增加26.2%。由于靠近換熱管壁的4目剛玉砂熱導率高，通過導熱能將熱量快速傳遞給管內流體，而其余粒徑剛玉砂熱導率相對較低，無法快速將熱量傳遞給管內流體，換熱管壁附近會形成低溫區，故導致放熱180min后，36 目剛玉砂、8 目剛玉砂蓄熱體平均溫度分別比4目剛玉砂蓄熱體平均溫度高出36%和28%，說明4目剛玉砂換熱效果最佳。測量計算得到蓄熱材料供熱時間與換熱系數見表5。

圖12 不同粒徑剛玉砂放熱過程

表5 不同粒徑剛玉砂供熱時間與由其填充的蓄熱體綜合換熱系數

2.3 非穩態法蓄放熱過程特性模擬

為驗證不同粒徑蓄熱材料對蓄放熱特性和綜合換熱系數的影響，設置模擬過程。模擬過程中設置的測點位置如圖13所示。

圖13 模擬溫度監測點分布示意圖

以36 目剛玉砂蓄熱過程為例，當平均蓄熱溫度達到400℃時，蓄熱體加熱棒附近測點溫度最高，而距加熱棒較遠的位置和蓄熱裝置壁面附近仍存在低溫區域，具體溫度分布如圖14 所示。隨著剛玉砂粒徑從200 目增大至4目，剛玉砂的堆積密度及其堆積熱導率逐漸增加，因而平均蓄熱溫度達到400℃時所需的蓄熱時間逐漸縮短，如圖15所示。

圖14 36目剛玉砂蓄熱過程溫度分布云圖

圖15 不同粒徑剛玉砂模擬蓄熱時間

隨著粒徑的增大，蓄熱時間會縮短。因為換熱導管內的流體初始的溫度為常溫，從進口到出口不同位置的流體加熱換熱時間不一樣，故離出口越近的流體換熱時間越短，溫度越低。當進口處的流體流到出口處時，由于蓄熱體的溫度在下降，水蒸氣的出口溫度也在下降，導致水蒸氣出口溫度先上升后下降，如圖16所示。

圖16 實驗裝置模型放熱過程換熱管出口溫度

如圖17 所示，放熱模擬過程中蓄熱體的溫度下降速率隨粒徑增大而增大，但蓄熱體余留的熱量較多，無法及時用于供熱。這是由于水的比熱容較大，并且在換熱管內水的對流換熱強烈，剛玉砂熱量傳遞速度小于水帶走熱量的速度，故而使得大量熱量殘留在蓄熱裝置中。蓄熱體放熱過程溫度分布云圖如圖17(a)所示。

圖17 實驗裝置模型放熱過程蓄熱體溫度

模擬過程驗證了前述實驗結果的正確性：①對比圖10 和圖14 可知，在加熱棒遠端的蓄熱體上層表面和加熱棒之間都出現了明顯低溫區，說明實驗所得蓄熱體內部的溫度分布是正確的；②如圖11和圖15所示，實驗過程和模擬過程中，4目、8目、36目、200目四種不同粒徑的剛玉砂達到平均蓄熱溫度400℃的蓄熱時間分別為357min、370min、385min、470min和358min、369min、378min、420min。并且模擬過程得到的隨著粒徑的增大，蓄熱時間會縮短的結果，與前述實驗中得到的粒徑越大，綜合換熱系數越大，均熱速率越高的結果一致。

3 結論

通過對粉煤灰、氧化鎂、剛玉砂、剛玉球4種非相變材料進行蓄放熱特性實驗，并改變剛玉砂的粒徑大小和孔隙率進行實驗和模擬分析，得到如下結論。

（1）通過實驗發現，與其他三種材料相比，剛玉球的蓄熱密度更高，分別是粉煤灰、氧化鎂和剛玉砂的1.65倍、1.74倍和1.11倍，剛玉球填充的蓄熱體綜合換熱系數最大，為0.689W/(m·℃)。此外剛玉球還具有結構致密、熱導率高等優點，能夠連續提供3h 左右充足的蒸汽源，可以作為一種良好的蓄熱材料進行應用。

（2）剛玉砂粒徑對蓄熱體內的溫度分布和蓄熱密度有較大的影響。粒徑越小，溫度分布越不均勻，粒徑越大，低溫區面積越小。隨著剛玉砂粒徑的增大，堆積密度隨粒徑增加4%～25%，蓄熱密度隨粒徑增加4%～6%。400℃放熱實驗中，4 目剛玉砂溫降速率最大，綜合換熱系數為0.887W/(m·℃)，比8 目剛玉砂綜合換熱系數增加26.2%。大粒徑剛玉砂熱導率高，蓄熱時間短，蓄熱密度大，蓄熱均勻，綜合換熱系數高，能夠提供持續充足的蒸氣源，可以進行蓄熱應用。

（3）模擬得到的蓄放熱特性與材料特性和孔隙率的關系符合實驗結果，模擬計算驗證了實驗結果的正確性。為增強剛玉砂換熱強度，提高蓄熱材料蓄熱密度，建議對蓄熱裝置做如下優化：將小粒徑剛玉砂與大粒徑剛玉砂進行摻混，進一步減小其孔隙率，提高堆積密度，使單位質量固體材料的蓄熱能力得到提升；對蓄熱材料進行物理壓縮，增加材料密實度，增大換熱接觸面積，可以提高綜合換熱系數。

綜上所述，可以將剛玉球和大粒徑剛玉砂作為蓄熱材料加以利用，為供熱系統充當必要的熱源，實現熱量高密度集中蓄熱，節省費用，有利于解決能源轉化與利用、能量調峰與輸配等問題。