竇鵬，于強(qiáng)，樊占勝，智瑞平，鹿院衛(wèi)*，吳玉庭，楊桂春

（1.北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 102299）

0 引言

可再生能源的間歇性增加了電網(wǎng)消納的難度，導(dǎo)致部分地區(qū)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。利用蓄熱技術(shù)可以有效解決風(fēng)電和光伏發(fā)電難以并網(wǎng)的問(wèn)題，也可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷［1-2］。利用相變材料的蓄/放熱特性，可實(shí)現(xiàn)夜間低谷電加熱相變材料蓄熱，白天放熱為建筑供暖［3］。

套管換熱器是一種應(yīng)用十分普遍的換熱器形式［4-7］，許多學(xué)者對(duì)套管換熱器的相變蓄/放熱過(guò)程進(jìn)行了研究。Ma 等［8］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓄熱過(guò)程中套管內(nèi)二元碳酸鹽的溫度存在不均勻性，提高進(jìn)口流速與溫度可以提高蓄/放熱性能。Rathod 等［9］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓄熱過(guò)程中套管內(nèi)頂部硬脂酸升溫最快，底部升溫最慢。王藝斐［10］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高換熱流體流量可以增強(qiáng)放熱過(guò)程的傳熱。Hosseini等［11］通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：換熱流體進(jìn)口溫度從70 ℃提高到80 ℃，熔化時(shí)間縮短了37%，理論換熱效率從81.1%提高到88.4%；凝固階段的理論換熱效率從79.7%提高到81.4%。

八水氫氧化鋇（Barium Hydroxide Octahydrate，BHO）是一種蓄熱密度大的相變材料［12-14］，本課題組制備的改性八水氫氧化鋇，其相變起始溫度為78.8 ℃，相變潛熱值為269.2 J/g，最高使用溫度低于100.0 ℃，沒(méi)有過(guò)冷現(xiàn)象。

綜上分析發(fā)現(xiàn)，套管式相變換熱器可以有效實(shí)現(xiàn)放熱，而前人的研究主要針對(duì)石蠟、硬脂酸等有機(jī)材料的相變過(guò)程，以改性BHO 作為相變材料進(jìn)行相變過(guò)程研究還未見報(bào)道。本文以課題組制備的改性BHO 為相變材料，對(duì)其在套管內(nèi)的相變放熱過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其相變過(guò)程中的溫度變化與放熱性能，以獲得改性BHO 在套管內(nèi)的相變放熱特性。

1 試驗(yàn)裝置

套管相變放熱系統(tǒng)包括套管換熱系統(tǒng)、輔助電加熱系統(tǒng)、水路系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 部分，如圖1所示。通過(guò)水泵與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)恒溫水箱中水的釋熱循環(huán)與計(jì)量，溫控器控制電加熱絲溫度，給套管外部一個(gè)恒溫條件，加熱相變材料，完成蓄熱。放熱過(guò)程中，冷流體經(jīng)恒溫水箱泵出，流經(jīng)內(nèi)管，通過(guò)內(nèi)管壁與相變材料完成熱量交換。

圖1 套管相變放熱系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic shell-and-tube phase-change discharging system

套管整體為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)管規(guī)格為?19 mm×1.5 mm，外管規(guī)格為?89 mm×2.0 mm，套管整體高度為400 mm。電加熱器藏于保溫裝置中并包裹整個(gè)套管。外管與內(nèi)管間的殼側(cè)裝有相變材料，換熱流體（HTF）從內(nèi)管底部流入，從上端流出。套管蓄熱單元可存儲(chǔ)4.7 kg的八水氫氧化鋇。液面高度為350 mm。

套管單元物理模型及測(cè)溫點(diǎn)布置如圖2 所示，熱電偶徑向間距為15 mm，軸向間距為100 mm，測(cè)點(diǎn)1，2，3距離內(nèi)管壁10 mm，測(cè)點(diǎn)7，8分別布置在換熱流體的進(jìn)口與出口。

圖2 套管單元物理模型及測(cè)溫點(diǎn)布置示意Fig.2 Physical model of the shell-and-tube unit and thetemperature monitoring point arrangement

2 試驗(yàn)步驟與方法

試驗(yàn)前打開電加熱器，將改性BHO 加熱至完全融化，當(dāng)相變材料逐漸達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，依靠調(diào)節(jié)加熱器設(shè)定溫度，使套管內(nèi)各層溫度基本保持一致，然后關(guān)閉電加熱器開始放熱試驗(yàn)。開啟水泵，從恒溫水槽中抽取恒定溫度的冷卻水進(jìn)入套管，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，使其按照一定的流量進(jìn)入套管，與改性BHO 材料進(jìn)行換熱。由數(shù)據(jù)采集儀獲得套管內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度以及冷卻水進(jìn)出口溫度。試驗(yàn)工況設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置Tab.1 Parameter setting under experiment conditions

冷流體換熱功率計(jì)算公式如下

式中：Pf為冷流體換熱功率，W；cp為冷卻水比定壓熱容，J/（kg·K）；qm為冷卻水質(zhì)量流量，kg/s；tfi為冷卻水進(jìn)口溫度，℃；tfo為冷卻水出口溫度，℃。

本課題組制備的改性BHO，其相變起始溫度為78.8 ℃，相變潛熱值為269.2 J/g。本課題組通過(guò)同步熱分析儀與激光導(dǎo)熱儀測(cè)試得到改性BHO 的具體熱物性，見表2。

表2 改性BHO熱物性Tab.2 Thermophysical properties of modified BHO

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 改性八水氫氧化鋇相變放熱過(guò)程分析

設(shè)置恒溫水箱溫度為20 ℃，通過(guò)流量計(jì)改變冷卻水進(jìn)口流量，研究不同進(jìn)口流量對(duì)改性BHO 相變放熱的影響。圖3 為不同進(jìn)口流量下改性BHO 材料不同測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線。從圖3a可以看出，改性BHO 的放熱經(jīng)歷了3 個(gè)過(guò)程，首先是77～90 ℃的液態(tài)顯熱放熱階段，之后是77 ℃左右的相變放熱過(guò)程，最后是完成相變的固態(tài)顯熱放熱階段。

從圖3a 可以看出，不同位置材料發(fā)生相變的時(shí)間并不相同。從軸向看，最上層的相變材料（PCM）（測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4）相變時(shí)間最短，其次是下層的PCM（測(cè)點(diǎn)1 與測(cè)點(diǎn)6），最后是中間層的PCM（測(cè)點(diǎn)2 與測(cè)點(diǎn)5）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是PCM 的液面與套管頂部留有5 cm 空隙，其中充滿了空氣，放熱過(guò)程中上層的PCM 不僅與HTF發(fā)生了換熱，還與上部的空氣發(fā)生了自然對(duì)流換熱，從而強(qiáng)化了換熱，導(dǎo)致最上層的PCM 最先完成了相變；同時(shí)，由于相變放熱過(guò)程中主要的傳熱方式是導(dǎo)熱，靠近入口端的PCM 與HTF 的溫差大于中間PCM 與HTF 的溫差，所以底層的傳熱效果也要強(qiáng)于中間的傳熱效果。

圖3 不同冷卻水進(jìn)口流量下改性BHO的溫度變化Fig.3 Temperature variation of modified BHO at different inlet flow rates of cooling water

從徑向看，測(cè)點(diǎn)1，6 與測(cè)點(diǎn)2，5 的溫度變化趨勢(shì)與速率大致相同，而PCM 上層測(cè)點(diǎn)3（靠近內(nèi)管側(cè)）的降溫速率要高于測(cè)點(diǎn)4（遠(yuǎn)離內(nèi)管側(cè)），分析其原因可能是PCM 與上層空氣產(chǎn)生了自然對(duì)流換熱。由于靠近內(nèi)管側(cè)的空氣與HTF 發(fā)生了換熱，所以內(nèi)管側(cè)空氣的溫度要低于外管側(cè)的空氣，自然對(duì)流影響強(qiáng)于外管側(cè)，從而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)3 的降溫速率高于測(cè)點(diǎn)4。800 s 左右，PCM 完成液態(tài)顯熱放熱，進(jìn)入相變放熱階段；8 300 s 左右，PCM 完成相變，全部凝固。整個(gè)相變過(guò)程持續(xù)了大約2.1 h。

從圖3b 可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)1，2，5，6 的曲線都出現(xiàn)了明顯的相變平臺(tái)，對(duì)比圖3a 發(fā)現(xiàn)PCM 底層（測(cè)點(diǎn)1，6）的凝固時(shí)間延后了345 s，但PCM 整體凝固時(shí)間縮短了280 s。測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4的曲線并沒(méi)有明顯的相變平臺(tái)，溫度直接降至37 ℃附近，圖3c 也有相同的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的原因可能是溫控器控溫精度不高，導(dǎo)致加熱熔化改性BHO 的過(guò)程中出現(xiàn)加熱溫度高于100 ℃的情況，而高于100 ℃時(shí)BHO的結(jié)晶水會(huì)析出蒸發(fā)從而喪失蓄熱能力，使得上層的PCM 失去相變蓄熱能力，從而導(dǎo)致在溫度曲線上沒(méi)有出現(xiàn)相變平臺(tái)。

對(duì)比圖3a，3b，3c 可以發(fā)現(xiàn)，冷卻水進(jìn)口流量為120 L/h時(shí)PCM相變時(shí)間最短，整個(gè)相變過(guò)程持續(xù)了大約1.9 h，并且測(cè)點(diǎn)5的相變時(shí)長(zhǎng)明顯縮短。

圖4為不同進(jìn)口流量下套管進(jìn)出口溫差隨時(shí)間變化的曲線。從圖4a可以看出，放熱開始時(shí)進(jìn)出口溫差最大，為13.3 ℃，之后迅速降至7.0 ℃左右，800 s左右又上升到了8.2 ℃，之后平緩降至3.0 ℃。圖4b，4c也有類似的趨勢(shì)：放熱開始階段，進(jìn)出口溫差曲線產(chǎn)生了一個(gè)尖峰，最大溫差分別為23.7，23.9 ℃；隨后溫差迅速下降，800 s 之后下降趨勢(shì)大大減緩。這是因?yàn)樵谇?00 s，PCM 處于液態(tài)顯熱放熱階段，隨著PCM 溫度的降低，進(jìn)出口溫差也逐漸降低；800 s后，PCM 進(jìn)入相變放熱階段，進(jìn)出口溫差降溫速率減慢。隨著PCM 完成相變進(jìn)入固體顯熱放熱階段，進(jìn)出口溫差從8.2 ℃逐漸降至3.2 ℃。綜合圖4a，4b，4c 可以發(fā)現(xiàn)，PCM 相變放熱過(guò)程中，進(jìn)出口溫差隨著冷卻水流量的增加而減小。

圖4 冷卻水進(jìn)口流量對(duì)套管進(jìn)出口溫差的影響Fig.4 Influence of cooling water inlet flow rates on temperature difference between the inlet and outlet of the conductor tube

在冷卻水流量恒為120 L/h的情況下，調(diào)節(jié)恒溫水箱的溫度分別為20，25，30 ℃。圖5 給出了不同冷卻水進(jìn)口溫度下PCM 各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口水溫的升高對(duì)PCM 相變過(guò)程的影響不大，3 種進(jìn)口水溫下PCM 的相變時(shí)間沒(méi)有太大區(qū)別，約為1.9 h。與圖3 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)3，4 完全沒(méi)有相變平臺(tái)出現(xiàn)。溫控器精度較低導(dǎo)致加熱溫度過(guò)高，PCM 水分蒸發(fā)液面下降。由圖5b可見，初始時(shí)刻測(cè)點(diǎn)3，4 的溫度已經(jīng)升至120 ℃，與加熱溫度同步，此時(shí)測(cè)點(diǎn)3，4 測(cè)量的已經(jīng)不再是PCM的溫度。

對(duì)比圖5a，5b，5c 可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)1，2，5，6 的曲線均在78 ℃左右出現(xiàn)明顯的相變平臺(tái)，進(jìn)口水溫為20 ℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)5 的相變過(guò)程明顯快于其他3 點(diǎn)，而隨著進(jìn)口水溫的升高，測(cè)點(diǎn)1，2，5，6的曲線基本重疊，變化趨勢(shì)一致，表明PCM 各點(diǎn)溫度分布均勻。以上結(jié)果表明，進(jìn)口水溫對(duì)PCM 相變放熱過(guò)程的溫度變化影響較大，進(jìn)口水溫越高，PCM 各點(diǎn)溫度趨勢(shì)越接近，整體溫度分布更均勻。

圖5 不同進(jìn)口水溫下改性BHO的溫度變化Fig.5 Temperature variation of modified BHO with different inlet flow temperatures

圖6 為不同進(jìn)口水溫下的套管進(jìn)出口溫差，對(duì)比圖6a，6b，6c 可知，隨著進(jìn)口水溫的升高，套管進(jìn)出口溫差逐漸降低。

圖6 進(jìn)口水溫對(duì)套管進(jìn)出口溫差的影響Fig.6 Influence of inlet flow temperature on temperature difference between inlet and outlet of the tube

3.2 套管傳熱性能分析

設(shè)定恒溫水箱溫度為20 ℃，保證冷卻水進(jìn)口溫度不變，調(diào)整流量計(jì)使冷卻水進(jìn)口流量分別為40，80，120 L/h，研究冷卻水進(jìn)口流量對(duì)換熱功率的影響。圖7 為不同冷卻水進(jìn)口流量下，PCM 從開始放熱到結(jié)束，冷流體換熱功率隨時(shí)間變化的曲線。從圖7 可以看出，在前800 s，PCM 處于液態(tài)顯熱放熱階段，此時(shí)熱流體的流量是影響換熱功率的主要因素，流量為120 L/h 時(shí)最大換熱功率可達(dá)3 300 W。隨著PCM 進(jìn)入相變潛熱放熱階段，各流量下的換熱功率均降至500 W 以下，隨著放熱的進(jìn)行而逐漸降低。冷卻水流量為80 L/h 時(shí)相變換熱功率最大，流量為120 L/h時(shí)換熱功率最小。

圖7 不同冷卻水進(jìn)口流量下?lián)Q熱功率與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between heat transfer power and time with different inlet flow rates of cooling water

圖8 為不冷卻水同進(jìn)口流量下，800～8 000 s 內(nèi)PCM 相變過(guò)程的平均換熱功率。通過(guò)計(jì)算得到：進(jìn)口流量從40 L/h 升至80 L/h 時(shí)，平均換熱功率增加了11.6%；進(jìn)口流量從80 L/h 升至120 L/h 時(shí)，平均換熱功率降低了27.8%。分析其原因可能為：3 種流量下?lián)Q熱流體都為層流狀態(tài)，進(jìn)口流量為40 L/h時(shí)管壁與換熱流體的對(duì)流換熱系數(shù)較小，導(dǎo)致?lián)Q熱功率較低；進(jìn)口流量為80 L/h 時(shí)，雖然流量低于120 L/h，但換熱流體留在管內(nèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，延長(zhǎng)了與壁面進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱的過(guò)程，傳熱更加充分。這說(shuō)明該套管單元的最佳冷卻水流量為80 L/h。

圖8 冷卻水進(jìn)口流量對(duì)平均換熱功率的影響Fig.8 Influence of cooling water inlet flow rate on average heat transfer power

設(shè)定冷卻水流量為120 L/h，通過(guò)改變恒溫水箱的溫度來(lái)改變進(jìn)口水溫為20，25，30 ℃，研究不同進(jìn)口水溫對(duì)PCM換熱功率的影響。圖9為不同進(jìn)口水溫下?lián)Q熱功率與時(shí)間的關(guān)系。從圖9 可以看出，進(jìn)口水溫對(duì)PCM 液態(tài)顯熱放熱階段的影響大于對(duì)相變階段。PCM 液態(tài)顯熱放熱階段，換熱功率隨著進(jìn)口水溫的升高而降低，進(jìn)入相變放熱階段后，進(jìn)口水溫升高會(huì)降低換熱功率，當(dāng)進(jìn)口水溫從25 ℃升至30 ℃時(shí)，對(duì)換熱功率影響不大。

圖9 不同進(jìn)口水溫下?lián)Q熱功率與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between heat transfer power and time with different inlet flow temperatures

圖10 為進(jìn)口水溫對(duì)800～8 000 s 內(nèi)PCM 平均相變換熱功率的影響：進(jìn)口水溫為20 ℃時(shí)的平均傳熱功率是25 ℃時(shí)的1.68 倍，是30 ℃時(shí)的1.71 倍。進(jìn)口水溫從20 ℃升至25 ℃，換熱功率下降十分明顯；從25 ℃升高至30 ℃，換熱功率并無(wú)明顯下降，較穩(wěn)定地保持在了107 W左右。這說(shuō)明進(jìn)口水溫的升高會(huì)降低平均換熱功率，但當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，換熱功率會(huì)保持在107 W左右不再繼續(xù)降低。

圖10 進(jìn)口水溫對(duì)平均換熱功率的影響Fig.10 Influence of inlet flow temperature on average heat transfer power

4 結(jié)論

本文以課題組制備的改性BHO 作為相變材料，對(duì)其在套管中相變放熱過(guò)程進(jìn)行了研究。得到了不同工況下PCM 各點(diǎn)的溫度變化規(guī)律及不同工況對(duì)換熱功率的影響。

（1）冷流體進(jìn)口流量對(duì)PCM 相變放熱過(guò)程影響較大，提高進(jìn)口流量可以縮短PCM 相變時(shí)間；進(jìn)口溫度對(duì)PCM相變時(shí)間的影響很小。

（2）冷流體進(jìn)口溫度與進(jìn)口流量都會(huì)影響套管換熱功率。進(jìn)口溫度越高，換熱功率越低；過(guò)低或過(guò)高的進(jìn)口流量都會(huì)降低換熱功率。

（3）本試驗(yàn)范圍內(nèi)，最佳進(jìn)口流量為80 L/h，套管相變放熱最大平均功率為251 W。