余熱回收的相變換熱裝置設計及運行

閆全英， 馬 超， 王 威

（1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京100044；2.中國科學院過程工程研究所，北京100190）

0 引 言

我國工業余熱資源豐富，能源利用潛力巨大。相變蓄熱技術是解決能量供求在時間和空間上不匹配矛盾的最有效手段。由于相變材料相變時吸收或釋放大量潛熱，且溫度恒定，相變儲能技術可顯著提高能源利用率，用于工業余熱回收領域具有廣闊的前景。

陳永平創建了十字分形金屬和雪花換熱器，并進行了換熱器內PCM融化過程的理論模型與數值研究［1］；趙文秀［2］通過搭建PCM射流破碎實驗臺，研究了直接接觸式蓄熱技術；張穎［3］設計了一種能在太陽能供暖中同時蓄熱放熱的相變裝置；何志興等［4］利用Fluent軟件仿真研究了回收鍋爐煙氣的相變換熱器特性；崔潔等［5］利用ANSYS模擬軟件研究了翅片管式相變儲能換熱器蓄放熱性能，分析了相變材料的相變過程及傳熱規律；Guan等［6］通過Fluent軟件模擬了相變換熱器蓄熱放熱過程，并實驗證明了相變蓄能換熱器具有更好的傳熱性能；Saydam等［7］設計并制作出螺旋盤管式相變換熱器，并研究了不同工況下的蓄熱性能；梁棟等［8］介紹了熱管、相變蓄熱等多種低溫余熱回收技術中的相變儲能，同時指出低溫余熱回收領域中相變儲能的作用與應用；黃邦［9］研究了相儲能變換熱器的傳熱特性，總結了換熱器的蓄能過程和相變材料的相變規律；李嘉琪等［10］研制了以石蠟作為相變材料的平板熱管式相變蓄熱換熱器，分析了換熱器的蓄熱放熱過程；仝倉等［11］通過數值模擬的方法研究了換熱管數量、布置方式等因素對多管式相變蓄熱器的換熱影響，并提出提高蓄熱器換熱速率的不同方式；金光等［12］針對相變材料熱導率低的問題，從優化儲能設備結構和相變材料添加劑等方面綜述了相變儲能技術的新進展；孟娟等［13］總結并分析了相變蓄熱傳熱機制，研究了強化太陽能相變蓄熱的相關技術。Wang等［14］通過CFD模擬了一種新型復合相變材料的換熱器，研究了入口速度和入口溫度的影響。目前能有效利用間歇性余熱并轉化成連續輸出能源的相變換熱裝置的研究較少。

本文通過對比分析與具體計算，研究并設計了能用于余熱回收的套管式相變蓄熱放熱裝置及實驗系統，對相變換熱技術在工業余熱回收利用方面的應用具有較好的參考價值和實際意義。

1 相變蓄熱放熱裝置設計

1.1 結構形式選擇

常見換熱器的類型及其特點如表1所示［15］。通過分析不同形式的換熱器，從安全性、穩定性、成本等方面考慮，為了更好滿足將換熱裝置蓄放熱載體與相變材料進行分離的需求，得到較高的傳熱性能，最終選擇套管式換熱器作為蓄熱放熱裝置的結構形式。

表1 換熱器的不同形式及優缺點

1.2 相變蓄熱放熱裝置結構及設計

裝置中所用相變材料選取20%62＃石蠟-80%硬脂酸的混合物，并按15%的比例添加石墨制復合相變材料［16］，以提高相變材料的導熱性能。裝置所搭建的實驗系統位于北京建筑大學實驗2號樓308室，該房間熱負荷1.1 kW，房間內無其他供暖設備，房間熱負荷由實驗所用相變蓄熱放熱裝置供給。相變蓄熱放熱裝置結構尺寸的設計過程如下：

（1）裝置中相變材料的填充量G，

式中：Q為房間熱負荷，kW；T為預設蓄熱時間（s）；H為相變潛熱（kJ/kg）。

（2）填充的相變材料體積V，

式中，ρ為相變材料密度（g/cm3）。

（3）內、外管管徑d1、d2。參考《換熱器設計手冊》中套管換熱器常用內外管管徑標準，結合需填充相變材料的體積和實驗場所等因素，套管式相變換熱裝置的內管選取φ89 mm×2 mm，外管選取φ168 mm×3 mm。換熱器內管中運行的蓄放熱載體為水，內外管間運行介質為所設計選用的復合相變材料。

（4）單管程長度L。相變蓄熱放熱裝置設計為四程管段，單管程長度為

綜上，本實驗系統設計的套管式裝置構造及尺寸如圖1所示。大管為168 mm×3 mm、小管為89 mm×2 mm的不銹鋼管，進出口法蘭接口為DN80，介質A、B分別為水和相變材料。

圖1 套管式相變蓄熱放熱裝置結構圖（mm）

2 實驗系統組成和搭建

實驗系統的主要設備包括套管式蓄熱放熱、循環水泵、熱電偶溫度計、電磁流量計、恒溫水箱、黃銅閘閥、Y形過濾器、電控箱、鋼制柱式散熱器。

2.1 熱電偶溫度計測點布置

本實驗系統共設計了4個測溫點，用于測量相變蓄熱放熱裝置入口及出口水溫，散熱器的入口及出口水溫。

測量相變蓄熱放熱裝置入口及出口水溫，用于計算裝置中相變材料的蓄熱能力；測量散熱器入口及出口水溫可計算散熱器放熱量，以綜合判斷設計實驗系統的換熱能力。同時溫度測點可作為控制設計實驗系統的溫度變量，為后期的相關實驗提供有效的系統表征。

2.2 電磁流量計

為了準確地測定和調節實驗系統的流量，實驗系統設計安裝了兩個電磁流量計，分別安裝在恒溫水箱的出口以及散熱器的出口。系統運行前需進行流量計的矯正。

2.3 系統主要設備

為了實現本實驗系統對其他各種實驗參數進行的測定和調節，以研究實驗系統的傳熱性能，系統中所用到的主要設備及相關參數如表2所示。

表2 主要設備表

3 實驗系統運行及調節

實驗系統中恒溫水箱、套管式換熱裝置、管道等均采用橡塑保溫棉進行保溫，以減少實驗系統運行時的熱量損失。恒溫水箱、熱電偶溫度計、循環水泵均利用電控箱進行電路的總控制。

3.1 系統的蓄熱流程

在利用相變材料進行蓄熱階段，開啟蓄熱流程，如圖2所示。實驗系統運行蓄熱流程時，具體操作為：整個實驗系統注滿水，將所有閥門關閉；利用電控箱打開恒溫水箱加熱開關，加熱水箱內的水達到設定溫度，用恒溫水箱提供放熱的熱水介質；接著打開蓄熱流程圖中的各閥門、泵等設備開始運行。

圖2 蓄熱流程圖

熱水流量的大小通過閥門的開度來控制，利用電磁流量計讀數。管內流體通過水泵提供動力進行循環。當熱水在管內流動時，因其溫度高于相變材料的相變溫度，相變材料開始吸收熱量逐漸發生相變，進行蓄熱。

每隔2 min采集數據進行記錄，同時利用裝置預設的觀察口觀察相變材料的狀態，當填充的相變材料全部熔化為液態，關閉總電源，停止實驗系統的運行并不再記錄電控箱的顯示數據。

3.2 系統的放熱流程

放熱流程如圖3所示，運行流程如下：運行放熱流程時，打開電控箱總開關，將放熱流程中的泵、電磁流量計、閥門等打開。此時系統中運行的載熱介質為散熱器中的循環水，散熱器出來的低溫回水進入相變蓄熱放熱裝置，回水與相變材料進行換熱，相變材料逐漸凝固放出熱量；回水在換熱裝置中吸熱升溫后，進入散熱器把熱量放給房間，滿足房間的熱負荷要求，如此循環往復。

圖3 放熱流程圖

此過程中每隔2 min將電控箱顯示的散熱器入口及出口水溫進行記錄，同時利用換熱裝置預設的觀察口觀察相變材料的狀態，當填充的相變材料全部凝固為固態時，關閉總電源，停止實驗系統的運行并不再記錄電控箱的顯示數據。

綜合蓄熱流程與放熱流程形成一個完整的蓄熱放熱周期，如此即可把間歇性余熱轉化為可以連續輸出的熱量。

3.3 實驗系統分析

（1）實驗工況調節。對所設計的套管式相變蓄熱放熱裝置與系統，可設定多種實驗工況對相變蓄熱放熱實驗系統進行實驗測試，研究裝置的蓄熱性能和放熱性能以及實驗系統的換熱傳熱過程的影響因素等。實驗工況的調節有以下3種：①調節換熱裝置熱媒介質的入口溫度。蓄熱時將系統流量保持一定，調節相變換熱裝置的入口水溫，但要保證水溫設置高于相變材料的相變溫度。②調節換熱裝置熱媒介質的入口流量。入口流量的大小可通過閥門開度調節，蓄熱時保持入口溫度恒定。③調節換熱裝置的蓄熱時間。將入口流量、入口溫度保持一定，改變換熱器的蓄熱時間。

通過以上方式的調節可研究不同工況下，裝置的蓄熱量、放熱量的變化規律和相變材料蓄熱和放熱時間的相互關系。

（2）實驗數據誤差分析。實驗系統的數據誤差一般分為系統誤差和偶然誤差等。根據本實驗系統的設計，誤差可能來源于溫度計、流量計、系統的熱損失和人為產生誤差等因素。

電磁流量計和熱電偶溫度計的精確度、準確度對于實驗誤差影響較大，因此在運行系統前要進行設備校準，并嚴格按照標準操作安裝與固定。實驗運行的工況也會影響實驗數據，為了減少實驗工況的影響，實驗系統的水箱可用來穩定系統壓力。另一方面，在實驗測試中，保證實驗場所的穩定和實驗操作人員的規范性也是極其重要的。

4 結 語

（1）通過對比研究不同形式換熱器的特點，從成本、安全性、穩定性、換熱性能等方面綜合考慮，并滿足熱媒介質與相變材料在空間上分割的需求，套管式結構作為相變蓄熱放熱裝置是可行的。

（2）根據相變材料的相變潛熱、密度、設備蓄放熱量及蓄熱放熱時間要求及占地幾方面綜合考慮設計換熱裝置的結構尺寸。

（3）用于余熱回收的相變蓄熱放熱裝置需要分開設置蓄熱流程和放熱流程，在有余熱階段，利用蓄熱流程進行蓄熱，在無余熱階段，利用放熱流程滿足熱用戶的用熱需求。

（4）通過蓄熱流程和放熱流程完成一個完整周期的運行，可實現間歇性余熱轉換為連續熱量的輸出利用。