脈動熱管相變蓄熱器蓄熱實驗分析

盧小輝， 羅孝學， 曹士博， 鄒長貞， 藍廣林， 盧萍麗

(1.北部灣大學 海運學院， 廣西 欽州 535011； 2.鄭州大學 經濟管理學院， 河南 鄭州 451162)

0 引言

能源對于人類社會來說是極為重要的[1]。如今，人類開發利用較多的能源依然為不可再生能源，如石油、天然氣和煤炭等。這便不可避免地引發了能源危機與環境污染等問題，因此，開發可再生能源是一種必要的舉措[2-6]。儲能技術[7-11]可以很好地解決能源供給和需求在時間與空間上的矛盾問題，從而提高能源的利用效率。

隨著全球工業的迅速發展，工業廢熱和余熱存在大量的浪費，而相變蓄熱技術則在這方面提供了一種更為高效、環保和節能的解決途徑[12-14]。然而，常見的相變蓄熱裝置在傳熱性能上普遍不太理想，尚待進一步改進。對蓄熱設備進行強化傳熱已成為國內外的研究重點。脈動熱管(pulsating heat pipe，簡稱PHP)最初是日本的Akachi等[15]提出的一種新型高效的傳熱元件，跟普通熱管傳熱相比，PHP具有經濟適用、可隨意彎曲、構造簡單和靈活的特點,從而可以節省余熱回收時所需要的時間，降低能量損耗，提升效率[12-14]。Goshayeshi等[16]研究了6種納米粒子對閉環脈動熱管的影響，通過對6種納米粒子的考察得知，在相似條件下，傳熱性能的氧化鐵納米粒子的最佳尺寸為20 nm。Wang等[17]研究了充填去離子水和表面活性劑溶液的脈動熱管的傳熱性能，研究結果表明，含有質量0.001%的硬脂酸鈉溶液的磷酸氫鈣表現出比含有去離子水的磷酸氫鈣更好的性能。

提高相變技術中的儲熱能力，一般要解決材料選擇和裝置優化兩個問題。

1 實驗平臺的搭建

搭建的PHP蓄熱過程實驗平臺主要由PHP相變蓄熱器、轉子流量計、超聲波流量計、高溫恒溫油浴鍋、數據采集設備、計算機及閥門組成。PHP相變蓄熱器下方與高溫油浴鍋連接，鍋內的加熱介質為耐高溫硅油，如圖1所示。

圖1 PHP相變蓄熱器放熱實驗臺

1.1 主要儀器

PHP相變蓄熱器實驗平臺的主要儀器型號及測量精度如表1所示。

表1 主要儀器的型號及測量精度

對相變材料Ba(OH)2·8H2O的相變溫度及相變潛熱值的測試，選用德國耐馳公司的DSC200F3型差示掃描量熱儀，其外觀如圖2所示。該產品應用了差示掃描量熱法(differential scanning calorimeter,DSC)，具有極高的靈敏度、較強的穩定性，且具有較寬泛的測量溫度范圍。

圖2 DSC差示掃描量熱儀

1.2 相變材料的選擇

相變材料(phase change materials，PCM)是通過吸收相變潛熱進行蓄熱的材料。由于PCM具有蓄熱密度大、價格低、近似恒溫等優點，使其成為該領域的研究熱點，眾多學者開始重視中低溫相變蓄熱材料的研究。目前，常用的中低溫相變材料見表2。

表2 常用的中低溫相變材料

由表2可看出，與其他中低溫材料相比，Ba(OH)2·8H2O的相變溫度低、潛熱值高，且導熱系數比其它相變材料更高，因此本實驗選用Ba(OH)2·8H2O作為PCM進行蓄熱實驗分析的材料。

1.3 實驗方法

首先，對Ba(OH)2·8H2O做DSC測試，獲得Ba(OH)2·8H2O的相變溫度及相變潛熱值的數據。其次，為了測量設備中材料的溫度變化，在箱體適當位置設置了6個測溫點(如圖3所示)，共上下3排、左右2列。其中，最下端位于PCM中心位置的是測試點1和測點2，這兩個測點能夠被PCM完全浸沒，因此最能反映裝置中材料的溫度變化情況；測點3和測點4為剛剛沒過材料的位置，位于材料溫度變化的臨界位置；測點5和測點6測的是蓄熱器中無材料處(即空氣)的溫度變化趨勢。同時，課題組還在冷卻水的進出口位置及低溫恒溫槽內部安裝了熱電偶。熱電偶測溫線將T型熱電偶不同顏色的兩極焊接在一起，之后插入箱體的測點1位置，并用導熱膠固定，用于研究分析PHP相變蓄熱裝置的蓄熱性能。在蓄熱過程中，通過改變加熱溫度來測試PHP相變蓄熱裝置的蓄熱性能。

圖3 蓄熱箱內布置的測溫點

2 實驗結果與分析

2.1 Ba(OH)2·8H2O的DSC結果及分析

純Ba(OH)2·8H2O的DSC測試結果見圖4。

圖4 純Ba(OH)2·8H2O的DSC測試圖

由圖4可知，純Ba(OH)2·8H2O材料的相變溫度是78.366 ℃，相變潛熱值為285 J/g，與表2中Ba(OH)2·8H2O的參數基本一致，其相變溫度的差異可能是受室溫及材料來源造成的。

2.2 不同溫度時相變材料溫度隨時間變化的分析

圖5～圖7表示的是相變材料Ba(OH)2·8H2O實驗時Ba(OH)2·8H2O的質量均為3.5 kg，流體流量均為0.36 m3/h。在加熱溫度分別為100 、120 、130 ℃時各測點的溫度變化情況。

圖5 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為100 ℃蓄熱時各測點溫度隨時間的變化情況

圖6 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為120 ℃蓄熱時各測點溫度隨時間的變化情況

圖7 相變材料Ba(OH)2·8H2O在加熱溫度為130 ℃蓄熱時各測點溫度隨時間的變化情況

從圖5可以明顯看出，各測點溫度變化趨勢大致相同，測點1和測點2的曲線幾乎相同。由于測點1和測點2完全被PCM所覆蓋，其相變平臺有較為明顯的隨溫度升高而變化的趨勢。相變材料首先進行固態顯熱變化，然后進行固態向液態進行潛熱變化，最后逐步轉化為液態再次進行顯熱變化；測點3與測點4的溫度曲線低于測點1和測點2的原因是：PCM剛剛沒過測點3和測點4，所以升溫速度與測點1和測點2相比較慢；測點5和測點6測的是蓄熱器中空氣溫度的變化，由于未接觸到PCM，因此，溫升速度相對更加緩慢。

對比圖5、圖6和圖7中的Ba(OH)2·8H2O溫度變化曲線可知，隨著溫度的升高，蓄熱時長會逐步減少，而且在整個蓄熱過程中，材料的溫度的變化情況也有所差異，在蓄熱水平方向的測點溫度差也會進一步擴大。因此，溫度的改變對裝置蓄熱過程的影響是極為明顯的。原因是熱源的溫度不斷升高，與所用PCM的相變點溫差越來越大，蓄熱熔化階段中液態的Ba(OH)2·8H2O密度差也會擴大，加重了自然對流情況的發生，從而提高了蓄熱過程中的有效換熱系數，在有效換熱面積不變的情況下，熱流密度會進一步增大，因此可以更快地儲存熱量，縮短蓄熱所需要的時間，以達到減少熱量損耗的目的。

圖8是在100、120、130 ℃加熱時，相變材料Ba(OH)2·8H2O在測點1處的溫度對比曲線。

圖8 不同加熱溫度蓄熱時測點1的相變材料溫度變化對比情況

由于測點1和測點2都被PCM完全覆蓋，最能反映PCM在蓄熱器中的溫度變化情況，因此，筆者選用測點1來進行對比分析。從圖8可以看出：在開始的顯熱階段，當溫度為130 ℃時，在測點1處的加熱溫度曲線的斜率是最大的，溫度上升的速度也極快。這是因為當加熱溫度改變時，單位時間內通過熱端傳遞的熱通量q(即單位時間內在單位截面積上流過的熱量)也會隨之改變，加熱的溫度越高，q也就越大，若經過熱管所傳遞的熱量能夠完全被PCM吸收，那么有公式：

Q=C·m·ΔT

式中，Q為物體吸收和放出的熱量，J；C為比熱容，J/(kg·℃)；m為質量，kg；ΔT為升高或降低的溫度，℃。利用上式可以算出，當m一定時，Q與ΔT成正比，Q越大則溫度差ΔT越大。由圖8可知，隨著加熱溫度逐步升高，相變所需要的時間也在慢慢縮短，這是由于當蓄熱材料的質量一定時，在加熱溫度改變的前提下，蓄熱材料完全相變所吸收的熱量Q總相等，但當熱通量q不同時，加熱溫度越高則熱通量q越大。由Q總=q·B·t得知，當總的傳熱量Q總和換熱器管面積B一定時，熱通量與時間是成反比的。因此，適當調高加熱溫度可以明顯縮短蓄熱時間，進而可減小在蓄熱過程中熱量的損耗。

3 結論

對PHP進行不同加熱溫度條件下的蓄熱實驗分析，首先，對相變材料Ba(OH)2·8H2O進行DSC測試，測得相變溫度為78.366 ℃，相變潛熱值為285 J/g；其次，設定Ba(OH)2·8H2O質量為3.5 kg、流量為0.36 m3/h，對不同加熱溫度下各個測點的溫度情況進行比較，結果表明，加熱溫度為130 ℃時，相變材料的升溫最快，相變時間也最短，最有利于其相變的進行，但是，溫度過高可能產生不安全風險。因此，在保證安全的前提下，可適當地提高加熱溫度，從而縮短蓄熱所需要的時間，減少熱量損耗。根據研究結果，建議加熱溫度為120 ℃。