多孔平行流扁管相变换热单元蓄放热性能实验

多孔平行流扁管相变换热单元蓄放热性能实验

王明阳，刁彦华，赵耀华，王媛媛，杜慧婷，张登科

（北京工业大学  绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，  北京  100124）

摘要： 设计一种由多孔平行流扁管（水流道）和方孔形翅片（填充相变材料）组成的相变换热单元。采用实验方法，对相变换热单元蓄放热性能进行研究。相变换热单元的进出水方式选取下进上出。蓄热实验：进水温度越高，相变材料升温速率越快。增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率有所帮助，但持续增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率的作用不明显。取热实验：进水温度越低，相变材料降温速率越快。增大换热流体质量流量对提高相变材料降温速率作用不大。进水温度一定时，蓄热效率、取热效率均随换热流体质量流量减小而增大。

关键词： 相变蓄热；蓄放热性能；蓄热效率；取热效率

参考文献示例：

王明阳，刁彦华，赵耀华，等. 多孔平行流扁管相变换热单元蓄放热性能实验［J］. 煤气与热力，2025，45（7）：37-42.

1 概述

能源是人类社会生存和发展的物质基础，也是衡量人类文明进步的重要标志。近年来，世界各国的能源消耗量逐年增加，导致温室气体排放量增加。在我国，一方面每年约有50%的工业能耗以余热的形式被高温烟气、高温炉渣等带走并被废弃^[1]，另一方面许多用户还在依靠锅炉供热，这造成了能源浪费和温室气体排放问题^[2]。因此，回收工业余热、提高能源利用率，成为促进双碳目标达成的有效手段。

一般来说，工业余热与用户之间存在时间和地域上的差异，移动蓄热技术成为有效解决这些问题的途径。移动蓄热技术可将工业余热回收储存，输送到附近较为固定的用热场所^[3]。许多学者对移动蓄热技术进行了大量研究，杨波^[4]、李汛等人^[5]搭建了以赤藻糖醇为相变材料的双直肋铜管强化蓄热装置，研究结果表明，自然对流程度随着赤藻糖醇液态比例增大而增大，并加大相变材料的熔化速率。Liu等人^[6]提出了一种新型的梯形翅片用于加速熔化过程，研究结果表明，梯形翅片比直翅片能更好地优化相变材料的熔化通道。Nomura等人^[7-8]搭建了以赤藓糖醇为相变材料并以导热油为传热流体的直接接触的移动蓄热实验装置，用以考察导热油流速和入口温度对蓄热和取热性能的影响。Agyenim等人^[9]提出了以赤藓糖醇为相变材料的同心环形蓄热装置，并在壳侧增加纵向翅片，研究了在蓄热期间装置轴向、径向和角向方向上的温度梯度。研究结果表明，轴向和角向的温度梯度分别为径向的3.6%和9.7%，径向和角向基本为二维传热。

现有移动蓄热技术存在蓄热效率较低、蓄热温差较大、相变材料填充率与蓄热性能存在矛盾等缺陷，使其工程应用受到影响。另外，目前对温度低于100 ℃的工业余热利用较少^[10-11]。

本文设计一种由多孔平行流扁管（水流道）和方孔形翅片（填充相变材料）组成的相变换热单元。采用实验方法，对相变换热单元蓄放热性能进行研究。

2 实验材料和方法

2.1 相变换热单元

多孔平行流扁管相变换热单元（简称相变换热单元）结构见图1。相变换热单元由多孔平行流扁管(简称扁管)及其两侧的方孔形翅片组成，结构见图2。换热流体流经多孔平行流扁管的通道进行换热，换热流体可采取下进上出或上进下出。相变材料装填在两侧的方孔形翅片内，方孔形翅片的上下均使用塑性胶泥进行封堵。

图1    相变换热单元结构

图2    多孔平行流扁管、方孔形翅片结构

多孔平行流扁管的长×宽×厚为600 mm×120 mm×7 mm。在扁管上下区各留85 mm的长度用于稳定换热流体的流动。多孔平行流扁管包含21个独立通道，每个通道内部均有微小翅片。方孔形翅片利用导热硅胶贴在多孔平行流扁管两侧。

实验以水作为换热流体。为了减少相变换热单元热量损失，在相变换热单元外部包裹2层30 mm厚的橡塑珍珠棉，并在珍珠棉外侧包裹20 mm厚的保温塑料板。选取64#石蜡作为相变材料，熔化开始温度为60 ℃，熔化终止温度为64 ℃。1个相变换热单元装入1.333 kg的固态相变材料，相变材料的热物性参数见表1。

表1    相变材料的热物性参数

2.2 实验系统

实验系统见图3。实验对象为1个相变换热单元，图3仅给出了换热流体下进上出的工况。实验系统主要由相变换热单元、换热流体循环系统、数据采集系统3部分组成。相变换热单元：在多孔平行流扁管的通道口焊接铝管，形成换热流体进出总管。换热流体循环系统：主要包括恒温水浴箱（提供温度相对稳定的热水）、电磁流量计、截止阀（V1~V6）。数据采集系统：负责采集恒温水浴箱温度、换热流体质量流量、相变换热单元内部温度、相变换热单元进出水温度。每隔10 s采集1次数据。

图3    实验系统

相变换热单元内部温度测点布置见图4。其中，测点T5~T9用于测量相变换热单元高度方向相变材料温度，测点T7近似位于高度中点。测点T10~T16与测点T7同高度，测点T7、T10、T11用于测量相变换热单元厚度方向相变材料温度，测点T7、T12~T17用于测量相变换热单元宽度方向相变材料温度。测点T1、T2布置在进水管入口，T3、T4布置在出水管的入口，分别测量相变换热单元进出口换热流体温度。

图4    相变换热单元内部温度测点布置

2.3 实验参数设定

蓄热实验：打开阀门V1、V4、V5、V6，利用低温恒温水浴箱的低温水，使相变换热单元的初始温度达到20 ℃。然后关闭阀门V1、V4，打开阀门V2、V3，利用高温恒温水浴箱的高温水（75 ℃）作为相变换热单元进水，进行蓄热实验。

取热实验：打开阀门V2、V3、V5、V6，利用高温恒温水浴箱的高温水，使相变换热单元的初始温度达到70 ℃。然后关闭阀门V2、V3，打开阀门V1、V4，利用低温恒温水浴箱的低温水（20 ℃）作为相变换热单元进水，进行取热实验。

2.4 蓄热效率、取热效率

3 相变换热单元性能分析

3.1 进出水方式

蓄热、取热实验相变换热单元初始温度及进水温度不变。蓄热实验换热流体质量流量为1.5 kg/min，取热实验换热流体质量流量为1.0 kg/min。蓄热、取热实验换热流体均分别采取上进下出、下进上出时进出水温差随时间的变化分别见图5、6。为方便分析，本文将取热实验进出水温差的绝对值称为取热实验进出水温差。由图5、6可知，蓄热、取热实验的进出水温差均随时间延长而减小。无论蓄热实验，还是取热实验，下进上出方式的进出水温差均更大。因此，相变换热单元的进出水方式选取下进上出。

图5    蓄热实验换热流体分别采取上进下出、下进上出时进出水温差随时间的变化

图6    取热实验换热流体分别采取上进下出、下进上出时进出水温差随时间的变化

3.2 相变材料熔化与凝固

蓄热实验相变换热单元初始温度及进水温度不变，换热流体质量流量为1.5 kg/min，进出水方式为下进上出。由于测点T5位于相变换热单元最上端，有因相变材料填充不足导致测点不能反映相变材料温度的风险，因此在统计数据时将测点T5的测量结果剔除。

蓄热实验竖直方向相变材料温度随时间变化见图7。由图7可知，蓄热实验相变材料温度随时间延长而升高。由温度曲线可知，蓄热过程分为3个阶段：开始阶段热量以显热形式储存，传热方式以导热为主，温度曲线的斜率很大。当温度达到熔化开始温度后相变材料开始熔化，该阶段热量主要以潜热形式储存，温度曲线变化幅度很小。相变材料相变完成后，热量仍以显热形式储存，与相变过程相比，温度曲线有较大幅度的上升，但幅度小于开始阶段。

图7    蓄热实验竖直方向相变材料温度随时间变化

取热实验相变换热单元初始温度及进水温度不变，换热流体质量流量为1.5 kg/min，进出水方式为下进上出。取热实验竖直方向相变材料温度随时间变化见图8。由图8可知，取热实验相变材料温度随时间延长而降低。与蓄热实验温度曲线相似，取热实验温度曲线经历了显热放热、潜热放热、显热放热。

图8    取热实验竖直方向相变材料温度随时间变化

3.3 进水温度的影响

将测点T6~T9、T14~T17的平均温度作为相变换热单元内相变材料平均温度。蓄热、取热实验相变换热单元初始温度不变，换热流体质量流量均为1.5 kg/min，进出水方式为下进上出。蓄热、取热实验不同进水温度相变材料平均温度随时间的变化分别见图9、10。由图9可知，蓄热实验，进水温度越高，相变材料升温速率越快。由图10可知，取热实验，进水温度越低，相变材料降温速率越快。

图9    蓄热实验不同进水温度相变材料平均温度随时间的变化

图10    取热实验不同进水温度相变材料平均温度随时间的变化

3.4 换热流体质量流量的影响

蓄热、取热实验相变换热单元初始温度及进水温度不变，进出水方式为下进上出。蓄热、取热实验不同换热流体质量流量相变材料平均温度随时间的变化分别见图11、12。由图11可知，蓄热实验，增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率有所帮助，但持续增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率的作用不明显。由图12可知，取热实验，增大换热流体质量流量对提高相变材料降温速率作用不大。

图11    蓄热实验不同换热流体质量流量相变材料平均温度随时间的变化

图12    取热实验不同换热流体质量流量相变材料平均温度随时间的变化

3.5 蓄热效率、取热效率

蓄热、取热实验相变换热单元初始温度及进水温度不变，进出水方式为下进上出。蓄热、取热实验在不同换热流体质量流量下的蓄热效率、取热效率见表2。由表2可知，进水温度一定时，蓄热效率、取热效率均随换热流体质量流量减小而增大。这是由于换热流体质量流量越小，与相变材料换热时间越长，换热越充分，相变换热单元的蓄（取）热效率越高。

表2    蓄热、取热实验在不同换热流体质量流量下的蓄热效率、取热效率

4 结论

① 相变换热单元的进出水方式选取下进上出。

② 蓄热实验：进水温度越高，相变材料升温速率越快。增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率有所帮助，但持续增大换热流体质量流量对提高相变材料升温速率的作用不明显。

③ 取热实验：进水温度越低，相变材料降温速率越快。增大换热流体质量流量对提高相变材料降温速率作用不大。

④ 进水温度一定时，蓄热效率、取热效率均随换热流体质量流量减小而增大。

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（本文责任编辑：贺明健）

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