自然對流對低溫肋板式蓄熱器性能的影響

自然對流對低溫肋板式蓄熱器性能的影響

可變傳熱問題包括兩種物理過程：液相區(qū)的自然對稱、兩種藥物密度差引起的體積變化、容器壁和兩種材料之間的熱阻，以及由單一熱傳導過程引起的熱阻。本文采用石蠟(RT@80)作相變材料(PhaseChangeMaterial—PCM),以水作熱載體(HeatTransferFluid—HTF)。對蓄熱器的相變傳熱特性即相變材料的熔化和凝固過程進行了試驗研究。本文詳細介紹了試驗裝置、試驗流程,并對試驗結果進行了分析討論。1蓄熱器試驗材料本文所研究的肋板式相變蓄熱器的結構見圖1。蓄熱器板間肋片組成蜂窩狀結構,具有結構緊湊、換熱面積大及傳熱效率高等優(yōu)點。蓄熱器由上下蓋板、設在上下蓋板之間的隔板、肋片和接管組成,接管和蓋板角孔連接。蓄熱器分兩層,上層用于灌裝相變材料,下層為熱載體的通道,中間為1.1mm厚的隔板,上、下兩層之間相互獨立、互不相通。蓄熱器由鋁合金(3A21)制成,試驗元件的外形尺寸為1500mm×800mm×29mm,內(nèi)部肋片的特征參數(shù)見表1,相變材料的物理參數(shù)見表2。另外,試驗裝置還包括相關的測量裝置,如:壓差計、真空表、數(shù)據(jù)采集儀器等,相關的管道和閥門,灌裝容器、真空泵、離心泵、水箱、T型熱電偶溫控柜等。其中蓄熱器上相變材料側的熱電偶分別布置在熱載體的進、出口處和中間部位。2溫度對蓄熱器的過濾作用試驗分為蓄熱、放熱兩部分,本文采用電加熱的方式對HTF進行加熱,首先對蓄熱器通熱水,蓄熱器中的相變材料RT@80開始熔解,進行蓄熱試驗;待完全熔解后,再對蓄熱器通冷水,RT@80開始凝固,進行放熱試驗,流程見圖2。試驗條件:(1)蓄熱時,水的入口溫度分別取:81、83、85、87、89℃;(2)放熱時,水的入口溫度分別取:71、73、75、77、78℃;(3)水的體積流量為0.705m3/h;(4)將蓄熱器分別按側立和豎立擺放(見圖3和圖4),分別以0°、30°、45°、60°、90°共9種不同的傾角(θ)放置。試驗步驟如下:(1)首先將石蠟RT@80灌裝到蓄熱器PCM側,關閉系統(tǒng)中PCM側的閥門;打開電加熱開關對水箱內(nèi)的水進行加熱,待溫度控制柜的溫度指示80℃左右時,依次打開泵和閥門1,使水箱內(nèi)的水溫均勻并達到蓄熱試驗要求的溫度時,打開閥門2、3,同時關閉閥門1。待蓄熱器熱電偶數(shù)值均大于81.5℃時,蓄熱試驗完成。(2)蓄熱試驗完成后對水箱內(nèi)的水繼續(xù)加熱,當通過蓄熱器出口處的溫度值大于85℃時停止加熱,打開閥門1,同時關閉閥門2、3和離心泵。(3)向水箱內(nèi)注入冷水,打開離心泵,稍微運行一段時間使水箱內(nèi)的溫度分布均勻,觀察控制柜面板的溫度指示,使水溫達到放熱試驗所要求的溫度。(4)打開閥門2、3,同時關閉閥門1,當蓄熱器上的最小溫度值小于75℃時,關閉閥門,放熱試驗完成。(5)改變試驗條件,重復上述步驟得到不同實驗條件下的試驗結果。3試驗結果及分析3.1htc入口溫度的影響圖5～8分別表示不同入口溫度下,蓄熱器側立和豎立時的蓄熱時間。其中0°、30°、45°、60°、90°為圖3和4中的傾角的數(shù)值。(1)在蓄熱的初始階段以熱傳導為主要傳熱方式,隨著傳熱的進行逐漸變?yōu)闊醾鲗Ш蛯α鲹Q熱并重的傳熱方式;當HTF的入口溫度接近PCM的相變溫度時,熱傳導的“動力”不足,傳熱速率相對較慢。隨著溫度的增高,隔板和肋片表層的液態(tài)RT@80膜厚度增高的速率越來越快,使得自然對流出現(xiàn)的時間越來越早,傳熱速率加快;蓄熱時間隨著HTF入口溫度的增加而逐漸縮短。因此,自然對流對蓄熱速率的影響隨著HTF的入口溫度的升高而增大。同樣,在放熱工程中,在HTF的入口溫度接近于PCM相變點溫度時,同樣由于熱傳導的“動力”不足,傳熱速率比較慢,使得隔板和肋片表層的固態(tài)RT@80層厚度增加緩慢。自然對流對放熱速率的影響很小,逐漸降低HTF的入口溫度蓄熱器的放熱時間也逐漸變短。(2)在HTF相同的入口參數(shù)下,蓄熱器平放時的蓄/放熱時間最長,且隨著傾斜角度的增加蓄/放熱時間逐漸減少。因為水平放置時蓄熱器中PCM側通道的高寬比相對較小,通道的絕對高度也很小,導致自然對流的空間較小,使自然對流的強化傳熱效果有限。逐漸增大傾斜角度時,內(nèi)部通道的高寬比逐漸增大,在重力作用下,加之肋片對邊界層的破壞使得PCM側的流場更加復雜,使得自然對流對相變換熱的強化效果也逐漸增強。3.2蓄熱器和放熱時間的關系圖9和圖10分別表示將蓄熱器側立和豎立放置的傾角為30°和60°時的蓄、放熱時間。圖中ML30°和SL30°分別表示蓄熱器側立30°時的蓄、放熱時間,ML60°和SL60°分別表示側立60°時的蓄、放熱時間;MH30°和SH30°分別表示豎立30°時的蓄、放熱時間,MH60°和SH60°分別表示豎立60°時的蓄、放熱時間。結果表明:(1)當蓄熱器的擺放方式和傾角相同,且HTF的入口速度相同、入口溫度與PCM主體的溫差相同時,蓄熱器的蓄熱時間要比放熱時間長,即蓄熱速率比放熱速率慢。(2)在蓄熱過程中,下面靠近隔板的PCM首先熔化,由于密度差異,使得已經(jīng)熔化的PCM向上運動,未熔化的PCM向下運動,可以達到強化傳熱的效果。而在放熱過程中,下面靠近隔板的PCM首先凝固,在沒有流動的前提下,固-液間的溫度差異并不能起到很好的強化傳熱效果。由于石蠟在凝固過程中產(chǎn)生較大的體積變化,使其有脫離容器壁的趨勢,正是由于在肋片和隔板附近的PCM的“脫離”使得傳熱過程變得更加復雜,因此在相變過程中,由于RT@80的熔化、凝固的機理不同,使得自然對流對蓄熱和放熱過程中產(chǎn)生的強化效果不同,進而使得蓄熱器的放熱速率大于蓄熱速率。4石蠟結合溫度場對蓄熱器傳熱性能的影響(1)蓄熱器豎立放置時的蓄/放熱時間最短,側立放置時次之,水平放置時最長;隨著蓄熱器傾斜角度的增大,蓄熱器的蓄/放熱速率逐漸增加;在一定的操作溫度范圍內(nèi),隨著傳熱溫差的增加,自然對流對蓄熱器傳熱的強化效果明顯增強,相變傳熱速率明顯加快。(2)在該新型肋板式相變蓄熱器的特定結構下,由于石蠟在熔化和凝固過程中的傳熱機理不同,使自然對流對蓄熱器的蓄/放熱過程的強化效果不同,在相