板式相变储能单元的蓄热特性及其优化.docx

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1、摘要：本文以板式相变储能单元为研究对象、石蜡作为相变材料，探究了不同单元结构内板式相变储能单元的蓄热过程，综合考虑相变储能单元中热电偶的布置、相变储能单元的宽高比及厚度的影响，对相变蓄热过程的换热效率进行了分析与讨论。结果表明：测点热电偶会加快石蜡熔化过程；液相材料内的自然对流加速了石蜡的熔化进程，使相变储能单元上部区域熔化速率高于下部区域；受浮升力以及换热面积的共同影响，宽高比为3：1的相变储能单元熔化速率最快，宽高比为2：3的储能单元熔化速率最慢；石蜡熔化总时长随厚度的增加呈抛物线形式增长。经济性分析表明，宽高比为3：1、厚度为30mm的相变储能单元为最优结构。关键词：相变储能单元；自然对

2、流；熔化过程；经济性分析近年来，为了弥补能源供需在数量、形态和空间上的差异，相变储能技术被广泛应用于余热回收、采暖空调、电力移峰填谷及太阳能存储等领域，而相变储能单元作为储能系统的关键部件直接影响系统的运行效率，其传热性能与蓄热单元的外形结构息息相关，研究储能单元结构对传热特性的影响将有助于设计更高效的相变储能系统，进而解决能源供需不平衡的矛盾。常用的相变储能单元结构包括板式和壳管式。Vyshak等对比研究了板式和壳管式储能单元内相变材料的蓄热过程，发现板式结构内的熔化时间明显少于壳管式结构内的熔化时间。Fuentes等研究了石蜡类相变材料在板式储能单元内的熔化过程，发现考虑自然对流时，相变材

3、料的熔化热流为纯导热热流的3倍，而液相材料自然对流的作用受多重因素影响，除相变材料自身物性外，主要受边界条件、封装结构和安装倾斜角的影响。Kamkari等发现板式储能单元内竖直热流方向的自然对流强度大于水平热流方向的强度，因此有必要研究板式储能单元的宽高比对蓄热过程的影响。Semma等研究了金属钱在底部加热的板式封装空间内的熔化过程，发现自然对流强度随封装空间有效宽高比的减小而增强，但Qarnia等在研究石蜡在侧面加热的熔化过程时发现自然对流强度随板式储能单元宽高比的减小而减弱。上述研究表明相变储能单元的结构与内部自然对流是影响相变传热效率的两个重要因素，且内部自然对流随储能单元的结构改变发生

4、变化，相变传热过程较为复杂，目前对板式相变储能单元蓄热特性的研究及结构优化仍不完善。为进一步深入研究熔化过程中相变材料的传热特性，本文开展了板式相变储能单元的可视化实验，分析自然对流、热电偶布置、储能单元宽高比和厚度对石蜡熔化过程的影响，为相变储能装置的优化提供理论依据。1板式相变储能单元的换热性能测试实验平台1.1实验材料石蜡具有无毒、无腐蚀性、成本相对较低等优点，被广泛用于相变储能系统。本文采用石蜡的热物性参数见表1,实验所用的相变储能单元采用厚度为2mm的亚克力板制作，其透光率达到92%以上，可方便观测熔化过程中固-液相界面的变化。表1石蜡热物性参数材料名称相变温度/热导率W(mK尸密度

5、kgm7比热容kJ(kgC尸固态液态固态液态固态液态石蜡22.1-32.50.360.168507652.152.301.2实验方案本研究中相变储能单元的熔化实验主要分为A、B两组，两组实验的相变材料种类和体积、边界条件、宽高比和厚度均相同，具体参数见表2；但A组实验采用热电偶和红外热像仪同时测量相变材料熔化过程的温度变化，B组仅采用红外热像仪测温，对比热电偶对熔化传热过程的影响。表2实验方案石蜡质量Zkg边界条件1宽高比2345厚度mm0.63250恒温1:32：33：33：23：120不同宽高比下的相变储能单元尺寸见表3,注入提前加热至50C的液相石蜡，后用橡胶塞密封顶部灌注孔。考虑石蜡熔

6、化时的体积膨胀，在石蜡上方均预留20mm的膨胀空间，其中宽高比指充注的相变材料的宽高比。A组实验中热电偶的具体布置如图1所示，为保证测得数据的准确性，同一测点高度处取两列测点的平均值为该高度下的温度值。石蜡内部和外壁面的温度变化情况采用热电偶测定，每秒采集一次数据；相变储能单元表面温度分布采用红外热像仪测温，每20min采集一次数据，同时记录固-液相界面的位置，直至所有材料完成熔化过程。表3不同宽高比下相变储能单元尺寸宽高比1：32：33：33：23：1宽115163200245345局365265220183135厚2020202020图1热电偶布置（单位:mm）2相变储能单元的蓄能测试实验

7、2.1 相变材料内部温度变化测试开始前将相变材料冷却至12左右，保证熔化测试时所有石蜡均为固相状态。实验开始时，将相变储能单元放置于温度为50的恒温环境室中，A组实验中各测点温度随时间的变化情况如图2所示。在实验测试的前40min内，相变储能单元外壁面温度迅速上升，高温壁面与石蜡之间的热传导使得储能单元内的石蜡温度迅速上升，但受熔化过程石蜡内部热阻的影响，石蜡温度上升速度小于壁面温度上升速度。当相变材料温度上升至25时，石蜡中的各测点温度趋于平稳，石蜡熔化吸收大量潜热；受石蜡等温熔化蓄热过程的影响，外壁面温度上升过程亦趋于平缓,保持与石蜡材料等值的温差逐渐升高。石蜡完全熔化后，液相石蜡材料温度

8、迅速上升吸收和储存显热，逐渐接近各测点对应的壁面温度。60SO100120140160180200220时间Jfnin204060KOI(M)120140160180200220Hfnlmin(c)A3(3：3)(b)A2(2：3)20406080100120140160180200220时间，Inin(d)A4(3：2)kITha-/内内*壁室R20406080100120!40160180200220时间Jminc)A550403020图2蓄热过程各测点温度随时间的变化曲线此外，各测点处对应的相变材料熔化时长如图2所示，其中熔化开始时刻和结束时刻为温度曲线切线交点处对应的时亥各上部测点处的

9、熔化时长均小于下部测点处的熔化时长。如图2(b)中，上部测点熔化时长为97min,而下部测点熔化时长为13Omin。这可能是由于：相变储能单元内顶部预留的20mm膨胀空间中含有空气，加热升温过程中空气温度迅速上升，因其比热容1.01kJ(kgC)小于固相石蜡的比热容2.15kJ(kgC),空气的温度大于固相石蜡的温度，热空气加速了上部固相石蜡的熔化；测试开始时紧贴壁面的固相石蜡熔化，熔化后的液相石蜡温度升高，在温度差和密度差的作用下液相材料上升，加速上部固相材料的熔化；熔化后的液相材料在储能单元上部聚集，并在液相材料内部产生自然对流，进一步加速固-液相界面处固相材料的熔化；液相材料上升时固相材

10、料下沉，下测点处蓄热过程主要以固相材料的导热传热为主，传热速率较低。2.2 相变材料蓄热过程液相率变化由上述热电偶测温曲线的变化规律可知，相同体积的相变材料在不同宽高比的储能单元中的熔化时间各不相同。为探究不同宽高比对石蜡熔化速率的影响，采用绘图软件读取所拍摄照片的直方图数据，并以像素为单位计算不同拍摄时刻下的固相石蜡体积，最终获得石蜡蓄热过程液相率随时间的变化规律。图3为Bl(l：3)储能单元内相变材料熔化过程中相界面与液相率的变化。如图所示，熔化过程中固液相界面呈现从上到下、由外到内的变化规律。储能单元中石蜡的蓄热过程主要分为4个阶段。熔化初期近壁面处石蜡处于固相状态，外部环境热量通过储能

11、单元壁面传至固相石蜡，紧贴壁面的固相石蜡熔化并在壁面处形成一层液相石蜡薄膜，该层薄膜黏附在储能单元壁面上，该过程持续20min;固.液相界面正视图为标准矩形，四个矩形角均为90。直角；由于固态石蜡的热导率较小，加之液相薄膜形成的热阻，该阶段熔化速率较小，以导热为主。随着熔化的进行，液相石蜡逐渐增多，靠近壁面处的液相石蜡温度迅速升高，密度减小,在固相材料和液相薄膜之间开始上升流动；受液相材料流动的影响，固-液相界面上部直接逐渐变为带一定弧度的拐角。同时，高温的液相石蜡聚集在储能单元上部，减小了顶部膨胀空间内空气与石蜡之间的传热温差，削弱了顶部空气对石蜡熔化速率的影响。该阶段为自然对流主导阶段，加

12、快了石蜡的熔化，此过程持续至12Omin。在120180min时段，随着石蜡的进一步熔化，相界面顶部拐角弧度进一步变大。此过程中固、液石蜡出现了明显分层，温度梯度逐渐减小，自然对流作用减弱，熔化速率减小，该阶段为自然对流减弱阶段。180min后为熔化末期，此时段液相石蜡占据大部分储能单元区域，传热温差小且固相材料和液相材料的接触面积逐渐减小，熔化速度减慢，该阶段以导热为主。100120140160180200I）各时刻相界Il正视图（b）不同时刻下的液相率图3B1（1：3）在不同时刻下的相界面正视图及液相率2.3 热电偶对相变材料蓄热过程的影响实验采用的热电偶为铜-康铜组成的T型热电偶，虽表面

13、包有绝缘层，但金属材质的热电偶因其导热性能优越，温度上升较快，实验观察到紧贴热电偶的相变材料出现局部优先熔化现象，如图4所示。为探明热电偶对相变材料蓄热过程的影响，本文设置B组对照实验，但仅采用红外热像仪测量储能单元表面温度变化。由图4可知在同一时刻下，B组测试中的固相石蜡体积比A组测试中的石蜡体积大约49cm3,即A组中实验中的石蜡熔化速度较快，即热电偶加速了石蜡的熔化过程。不同宽高比下相变储能单元A、B两组实验中石蜡完成熔化过程需要的时长见表4,不同结构下A组完成熔化所需的时间均小于相同条件下B组完成熔化所需的时间，平均减少约13mino图4宽高比为3:2的相变储能测试时刻为120min的

14、相界面位置对比表4A、B两组实验石蜡完成熔化过程所需的时长宽高比热电偶1：32：33：33：23：1A组熔化历时min有210230220210190B组熔化历时min无2202502302252002.4储能单元不同宽高比对蓄能过程的影响不同时刻下的液相率如图5所示，在相同体积的情况下，不同宽高比相变储能单元内材料完成熔化过程所需时间从短到长依次为B5（3：1）、Bl（l:3）、B4（3：2）、B3（3：3）和B2（2:3）。宽高比相反的B5（3：1）和Bl（l：3）相比，B5储能单元中材料熔化所需的时间更短，这是由于B5的底面积较大，液相材料上升导致固相石蜡沉至容器底部，加速底部固相材料的

15、熔化，同理可知B4储能单元中材料熔化速度大于B2储能单元中的熔化速度。Bl（l：3）储能单元与B3（3：3）储能单元相比，熔化时长较短，由于在相同体积的情况下，Bl储能单元的表面积最大，B3的表面积最小，因此Bl储能单元中材料熔化速度较快。此外，熔化过程中由密度差和温度差产生的浮升力随储能单元高度的增大而增大，储能单元越高浮升力越大，即液相材料内的自然对流传热作用越强，故BI储能单元内的熔化速度大于B4储能单元内的熔化速度。不同宽高比的储能单元内石蜡完成熔化过程需要的具体时长见图5,其中B5（3：1）储能单元内材料完全熔化所需时间最短为200min,B2（2：3）储能单元内材料完全熔化所需时间最长为时间min图5不同宽高比的相变单元液相率随时间变化2.5储能单元不同厚度对蓄能过程的影响上述实验结果表明宽高比为3：1的相变储能单元内石蜡熔化速度最快。为了进一步探究储能单元结构对石蜡熔化快慢的影响，设计相变材料质量相同、宽高比为3：1、厚度不同的相变储能单元，具体的相变储能单元参数见表5。表5不同厚度相变储能单元结构尺寸编号ClC2