平板微热管式相变蓄热装置蓄放热特性研究

建筑技术开发　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｄ￣ｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　建筑节能　

Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　第４５卷第１２期　

２０１８￣１ｚ６月　

平板微热管式相变蓄热装置蓄放热特性研究　尤龙飞　（北京工业大学，北京１００１２４）　［摘要］工业石蜡材料具有优良的蓄热性能，但是导热能力不好，为了增强其与流体间的热量交换能力。通过借助平板微　热管阵列出色的导热能力，构思了一类新型相变蓄热设备，并借助试验方法对其性能进行了研究。　［关键词］平板微热管阵列；石蜡；蓄放热　［中图分类号］ＴＵ８３１．６　［文献标志码］Ａ　［文章编号］１００１—５２３Ｘ（２０１８）１２－０１２３－－０２　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｈｅａｔ　Ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　Ｈｅａｔ　Ｒｅｌｅａｓｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ａ　Ｆｌａｔ　Ｐｌａｔｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ｈｅａｔ　Ｐｉｐｅ　Ｔｙｐｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｈｅａｔ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　ＹｏｕＬｏｎｇ—ｆｅｉ　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐａｒａｆｆｉｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｖｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｂｕｔ　ｐｏｏｒ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅｉｒ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ－ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗａｓ　ｃｏｎｃｅｉｖｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆｔｈｅ　ｆｌａｔ　ｍｉｃｒｏ－ｈｅａｔ　ｐｉｐｅ　ａｒｒａｙ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｆｌａｔｐｌａｔｅｍｉｃｒｏｈｅａｔｐｉｐｅ　ａｒｒａｙ；ｐａｒａｆｆｉｎ；ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｈｅａｔ　ｒｅｌｅａｓｅ　

工业石蜡具有很多优点，比如良好的化学稳定性，能长　期保存，并且工业石蜡的熔点低，可经加热融化以多次使用，　并且工业石蜡的价格比较便宜，对人体也没有危害。传热装　置的类型多种多样，其中热管的效率较高，试验中用到的平　板微热管阵列对温度变化反应敏感且能保持温度均匀，以此　为基础设计了试验装置，测试了该装置在不同温度和不同流　速下的性能，可对实际的工业生产起到一定的借鉴作用。　１试验设置　１．１试验装置概况与试验原理　多个微热管阵列按照一定的次序规整地组合起来就构成　了平板微热管阵列，这其中需要有工作介质进行填充。本试　验中设计的试验装置大致由３部分构成，即箱体、石蜡和最　为关键的蓄热单元，传热流体一般选用的是水。蓄热单元是　最为核心的组成部分，由翅片及热管构成，并选用导热性能　良好的硅胶进行连接。试验装置的箱体尺寸大小可根据蓄热　单元的尺寸设定，材质可选用不锈钢这类材料，箱体加工工　艺一般选择焊接工艺，焊接操作简单而且连接的稳定性较强。　收稿日期：２０１８－０２－１０　作者简介：尤龙飞（１９９１一），男，辽宁朝阳人，主要研究方向为建　筑节能／相交蓄能应用。　则通风联动控制系统软件会发出警告，以待相关人员进行判　断。　４．２．２小交通流工况下通风控制方案　在进行通风节能联动设计时，当隧道内部交通数据、环境　参数等都正常时，说明隧道内环境满足正常运营的需求，无　需开启风机。但为了避免风机长期不运行可能出现故障，还　应该还制订定期开机预案，如每周开启１，２组，并轮流开启，　保证其运行时间为ｌＯｍｉｎ。　５结束语　综上所述，随着交通运输业的不断发展，在能源危机日　益加深的情况下，节能环保也已成为隧道设计必须遵循的基　本原则之一。为了满足交通运行的基本需求，公路隧道必须　进行通风、照明联动节能设计，以缓解隧道运营中产生的电　能消耗问题。经过理论研究，以及实际应用证明，通过构建　通风照明的联动控制系统，有效降低公路隧道的运营管理能　为了进一步加强蓄热效果，箱体外可覆以保温材料。　试验的基本原理如下：在蓄热阶段，水作为传热介质，　能够把热量输送到热管蒸发端，这会引起热管中的物质产生　相变化，热量经翅片及热管的作用被储存到石蜡中；放热阶段，　石蜡可发生相逆的相变，热量将沿着相反的路径输送回传热　流体中去，然后加以利用。由于石蜡以不同的相状态存在时，　具有不同的比体积，因此装置中的石蜡不能填充完全，需要　为相变的体积差留下一定的空间。　１．２试验系统及测点布置　试验系统的构成并不复杂，主要有储能装置、数据信息采　集和记录系统、闭合循环路径两条以及一些必要的零件。这　其中较为复杂的是数据信息采集和记录系统，其组成包含了　计算机及一些信息采集设备，如非接触式的超声流量计。试　验系统高温热源是电锅炉，等温循环水为低温热源，蓄热闭　合循环回路设置在蓄热装置下方，取热循环回路设置在蓄热　装置下方。　试验设置可分为蓄热试验、放热试验。在蓄热试验之前，　要注意做好准备工作，蓄热环路要在试验开始前１２ｈ关闭，　取热循环试验开始后，要不间断地使循环水流动，才能保证　取热时石蜡的温度均衡。同样，蓄热试验前也要提前１２ｈ关　闭取热回路，试验时先开启电锅炉进行加热，到达预定温度后，　

耗，减少隧道运营的费用，并延长了灯具以及电源的使用寿命。　从而为实现隧道运营的节能环保开辟了新的途径。　

参考文献　【１】王明年，李琦，于丽，等．高海拔隧道通风、供氧、防灾与节能技　术的发展【Ｊ］．隧道建设，２０１７，３７（１０）：１２０９－１２１６．　［２】吴桂林，肖尧，梁波，等．隧道入口段复合照明节能试验研究　．　地下空间与工程学报，２０１７，１３（３）：８４６－８５０．　［３】洪远泉．隧道灯光照明耗电分析与节能控制系统设计［Ｊ】．公路，　２０１７（９）：２４４＿２４８．　【４］粱波，崔璐璐，陈蔚，等．基于ｓ俨值的隧道蓄反光侧壁材料辅　助节能照明的光学性能试验研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１６（６）：　ｌ９６＿　Ｏ１．　【５】李家龙．公路隧道通风节能技术研究【Ｊ］．重庆：重庆交通大学，　

２００７．　

·１２３·　第４５卷第１２期　２０１８年６月　建筑节能　

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Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

通过调节阀门来控制水流量符合要求，进行水流量调节时要　注意参照超声流量计读取的示数。　试验的具体安排如下，设置３个不同的输入端介质温度，　在同一温度下再设置３个不同的流量速度，以此来分析试验装　置的蓄热性能和放热性能。为了验证试验装置是否具有良好　的可靠性，还需进行重复性试验及单管试验，总体试验次数　为２４次。　试验中温度测量点的布置也是十分关键的，测量点分布　合理才能保证试验测量结果的准确性，试验中蓄热单元的排　列是对称性的，可仅选择３个连续的蓄热单元进行热电阻安　放，由此可得到石蜡相变时相界面的平移速度及温度分布状　况，以ｕ，ｍ，ｄ代表上中下３个区域。根据ＤＳＣ结果可知，石　蜡的融化温度区间和凝固温度区间并不相同，存在一定的重　合，融化温度区间为５１～６７℃，凝固温度区间为４４－５７℃。　２试验可靠性及试验误差分析　选择平面的中间一列测试点为参照，然后进行蓄热试验　和放热试验各３次。通过对各次测试结果的分析，不同测试点　的温度变化趋势基本相同，这就验证了试验系统具有优秀的　可靠性。依据误差传递理论，进行间接测量时产生的误差与　直接测量时产生的误差相关，且与二者之间的函数相关计算　后，得到的误差数值在合理的误差范围内，达到了目标要求。　３蓄热过程分析　３．１平面内石蜡融化状况　石蜡是一种混合物，因而融化是在一定的温度区间内进　行，而不是某一特定的温度点。融化发生时，温度攀升，石　蜡和循环水发生明显热交换的温度区间一般约为３０－５０℃，与　翅片间的热量交换仅以热传导的形式进行。温度达到５１℃时，　石蜡发生相变而融化，因而温度的升高速度降低。当温度升　至５６￣Ｃ时，由于对流换热的影响，升温速度提高，温度达到　６７℃时，石蜡融化完全，相变结束。　３．２石蜡的总体融化状况　前面已经对测试点的温度变化情况进行了试验分析，现　在讨论试验中整体石蜡的融化状况，试验时在Ｕ区域取点６个，　ｍ区域和ｄ区域各取点３个，通过多次测量可以找到相变完成　时对应的测量点，然后把此点当成相变结束的标记。传热介　质在流动过程中温度会降低，所以，ｄ区域的３个测量点的温　度随着与介质输入端距离的增加而下降，但当石蜡完全融化　后，各测量点的温度趋同。　当调大阀门或者提升传热介质温度时，各测量点的升温　速率都在增加，但是增加的快慢不同。阀门调大时，流量在　增加，温度曲线的排列更加集中。当阀门调大到一定程度前，　石蜡不会出现分层融化的情况。　试验中还存在了各平面融化同时发生的现象，这种情况　出现的原因是阀门调的过大，并且传热介质输入端和输出端　的温度差别过小。　３．３蓄热功率及其作用　当阀门打开程度一定时，传热介质流量确定，此时提高　输入端口的温度可加大输入输出端的温差，原因是输入端温　度的升高能够强化传热介质与石蜡之间的热交换　如果固定　输入端的温度，此时改变阀门的开启程度能够影响到换热过　程的进行，阀门开的越小流量越小，换热过程就进行的越充分，　输入输出端的温差就越大。　试验发现，在固定输入端温度的条件下，传热介质流量　在不同区间的变化会对蓄热功率产生不同的影响。在石蜡完　全融化后，系统蓄热还有很大的变化余地，试验发现，输入　端流体的温度会对蓄热功率的作用比较明显。　从完成蓄热用时的角度分析，输入端流体的温度的作用　大于流量的作用，从平均功率的角度分析，流量的作用要大　于输入端温度的作用。　·１２４·　４放热过程分析　４．１平面内石蜡凝固状况　传热介质输出端的温度在放热过程中的作用十分明显，　这点与蓄热过程存在着显著区别，输出的传热介质的温度影　响着用户一侧的峰值温度。调大阀门以增加传热介质的流量　可提高系统的功率，但也会造成输出端介质温度的降低，这　种相互限制的关系需在实际应用中加以考虑。为使用户侧获　得峰值温度较高，试验中的阀门的开启程度并不大。　试验发现，当传热介质流入试验装置后，全部测量点的　温度都在下降且降温速率较大，测量点距取热管道越近，降　温则越先发生，测量点距离取热管道越远，降温速率越小。　当温度达到５７℃时，石蜡开始发生相变；４４－５７￣Ｃ，石蜡由液　态逐渐转化到固态，石蜡相变会在翅片上留下薄层，随着相　变的发生，石蜡的体积逐渐减小；４４℃后相变结束，固态石　蜡的传热性能不如液态石蜡好，因此温度降低不如之前明显。　在４４℃时，由于石蜡相变潜热的释放基本结束，温度降低速　率有所增加。　４．２石蜡总体凝固状况　放热研究时，温度范围为４４一一７５℃，从开启放热环路到石　蜡相变完全结束的用时为放热过程的耗时。距传热介质输入　端近的平面，因其与介质间的温度差距较大，因而温度降低　最快，温度变化中没有平台出现。随着与输入端距离的增加，　石蜡和介质问的温差逐渐变小，温度变化中的平台期愈发凸　显。固定输入端的温度不变，调大阀门扩大流量，不同测量　点的温度随时间变化的曲线越来越趋于集中，同时不同测量　点到达液相线的用时在逐渐缩短，整个放热过程结束的耗时　也在不断缩短。石蜡相变过程中相变潜热的释放量可用未释　放潜热量来衡量，调大阀门扩大流量会降低相变潜热的释放。　当固定介质流量不变时，提高输入端温度会延长固态石蜡到　达液相线的用时和相变完全结束的用时。　４．３装置的放热功率和影响　传热介质输入输出端口的温差随介质流量变化会发生明　显的变化，阀门打开程度越大，输入输出端的温差越明显，　而输入端介质温度对温差的影响则不明显。放热初期，放热　功率很大，石蜡温度降低很快，但维持时间短暂，主要原因　是石蜡的热容较小，随着石蜡把热量传递到传热介质，介质　和石蜡间的温差也在缩小，所以放热速率会变小，放热功率　也会减小。输入端介质温度对放热完成耗时的作用强于介质　流量的作用，介质流量对平均功率的影响强于输入端介质温　度的影响。　５结论　本试验设计了一种新型的相变蓄热设备，目的是要强化　石蜡与传热介质间的热交换能力。采用不同的介质流量、不　同的输入端介质温度进行了试验，然后分析了不同试验条件　下的蓄热时间和放热时间、蓄热功率和放热功率及蓄热放热　过程中平面内石蜡和整体石蜡的相变状况。介质输入端温度　高低和介质流量大小会对蓄放热过程产生重要影响。从蓄热　过程分析，介质温度对蓄热用时的作用强于介质流量，对蓄　热功率的作用则相反，但作用效果比较接近；从放热过程分析，　无论是对放热用时还是对放热功率的影响，介质流量的作用　均要高于介质温度的作用。在实际的应用过程中，要合理的　调节介质温度和介质流量，以达到人们期望的效果。