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本文亮點：1. 設計了基于圓柱形相變單元的儲熱裝置；2. 獲得了儲熱裝置內(nèi)部的溫度演化規(guī)律。
摘 要 水合鹽相變儲熱技術(shù)具有儲熱密度高、成本低等優(yōu)勢，在清潔供暖中具有廣闊應用前景。本研究設計并搭建了以三水合乙酸鈉作為儲熱材料，以圓柱形相變材料封裝單元作為基礎單元的填充床相變儲熱裝置。通過實驗研究填充床儲熱裝置的運行特性，研究了流量和儲熱溫度對裝置的儲釋熱用時、出口溫度、熱效率及儲熱密度的影響。實驗結(jié)果表明：提高儲熱溫度和增大流量可縮短儲熱用時、提升熱效率和儲熱密度。儲熱裝置的熱效率可達94.73%，儲能密度可達71.77 kW·h/m3。
關(guān)鍵詞 無機水合鹽；相變材料；儲熱裝置；填充床
儲熱技術(shù)可將太陽能、電能等以熱能形式進行儲存，具有技術(shù)成熟、壽命長等優(yōu)點，在電力、建筑、工業(yè)等領域得到廣泛應用。基于相變儲熱材料的儲熱技術(shù)為相變儲熱技術(shù)。相變材料在相變過程中以近似恒溫的狀態(tài)完成相變潛熱的積累和釋放，因此相變儲熱技術(shù)具有儲能密度高、恒溫放熱等優(yōu)點。在我國，冬季供暖能源需求季節(jié)性波動是構(gòu)成能源供給、冬季大氣質(zhì)量以及環(huán)境保護較大壓力的重要因素。為了構(gòu)建清潔低碳的區(qū)域能源體系，北方地區(qū)正在積極提升太陽能、風能等可再生資源的占比，全面推進清潔能源供暖，并逐步將建筑能源領域的能源供應由煤炭、天然氣等化石燃料向可再生能源轉(zhuǎn)換。然而，可再生能源存在間歇性和不穩(wěn)定性，導致其供應與需求常常在時間或空間上不一致，大量能源被棄用。相變儲熱技術(shù)可以以熱能形式儲存可再生能源，且滿足建筑用熱的恒溫供熱要求，是降低冬季供暖能耗的有效手段。目前，冬季供暖主要有散熱器供暖、地板輻射供暖和空調(diào)設備供暖等幾種形式。其中，地板輻射供暖相較于其他供暖形式，具有節(jié)能、人體熱舒適性高等優(yōu)點。中低溫相變儲熱技術(shù)的供溫范圍一般在40~80 ℃ ，與供暖場景用熱溫度需求匹配度高。三水合乙酸鈉作為無機水合鹽中低溫儲熱材料，憑借其相變潛熱高、無毒、低腐蝕性、不可燃等優(yōu)點在相變儲熱領域受到了廣泛關(guān)注，其相變溫度為58 ℃，與輻射供暖的用熱溫度相匹配?；谌弦宜徕c的相變儲熱裝置能夠?qū)崿F(xiàn)熱能儲存，并作為供暖熱源，滿足多變的供暖需求。
儲熱裝置作為儲熱系統(tǒng)的核心部分，其種類較多，包括流化床、板式、板翅式、管殼式和填充床，不同類型的儲熱裝置在儲熱性能上存在差異。其中，相變填充床以密閉單元封裝相變材料，形成堆積結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高等優(yōu)勢。在針對中低溫儲熱填充床運行特性的研究中，目前研究者普遍采用球形封裝單元，而封裝材料則主要包括塑料和不銹鋼。實踐證明，在相同運行條件下，基于球形封裝單元的相變填充床儲熱裝置較純水箱存儲更多的儲熱量。以錢怡潔和何兆禹的研究為例，他們設計了一臺容積為0.75 m3，理論儲熱量為100.57 MJ的相變儲熱水箱(儲熱材料：石蠟；相變溫度：67~69 ℃)，比較相同運行條件下(0.3 m3/h，釋熱截止溫度67 ℃)的儲熱量，相變儲熱水箱比純水箱多釋放15.55 MJ，相當于傳統(tǒng)水箱理論儲熱量的15.5%。此外，封裝單元尺寸、流量、儲熱溫度等因素也被證實會影響填充床的儲熱性能。Regin的研究表明，當球形封裝單元直徑從60 mm縮小至30 mm，裝置儲熱用時從630 min減少至480 min，減少23.8%。王峰等則研究了流量對儲熱裝置(儲熱材料：石蠟；封裝單元材質(zhì)：聚丙烯；壁厚：1.0~1.5 mm)的影響。其結(jié)果表明，增大流量可縮短儲熱和釋熱用時，當流量從0.1 m3/h提升至0.3 m3/h，儲熱用時減少46%，釋熱用時減少43.4%。Kumar研究了儲熱溫度對儲熱裝置(儲熱材料：相變材料OM48；相變溫度區(qū)間：45~50 ℃)儲熱用時的影響。結(jié)果顯示，提升儲熱溫度可以縮短裝置儲熱用時。當儲熱溫度從60 ℃提升至80 ℃，儲熱用時從153 min縮減至108 min，減少了29.4%。
相較于球形單元，圓柱形單元排布可以實現(xiàn)更高的堆積密度，具有較高的應用潛力。然而，目前基于圓柱形相變單元儲熱裝置的儲釋熱特性研究還相對較少。因此本文設計并研發(fā)了采用圓柱形相變單元作為材料封裝單元的填充床，建立了儲釋熱實驗系統(tǒng)，研究了各種參數(shù)對水合鹽填充床儲釋熱特性的影響。本論文其余部分設置如下：第1節(jié)介紹了填充床儲釋熱特性實驗研究所涉及的實驗裝置、實驗系統(tǒng)、實驗步驟和研究內(nèi)容；第2節(jié)我們獲得了填充床內(nèi)部溫度演化情況，并進一步研究了儲熱溫度和運行流量對填充床儲熱性能的影響；第3節(jié)，對研究結(jié)果進行總結(jié)歸納，并整理成結(jié)論。
1 填充床儲釋熱特性的實驗研究
1.1 實驗裝置
本研究所用圓柱形相變單元，材質(zhì)為304不銹鋼，密封方式為端側(cè)螺紋密封。圖1(a)為封裝單元外形示意圖。封裝單元總長為390 mm，相變單元主體外徑為32 mm，相變單元壁厚為1.7 mm。部分相變單元內(nèi)部含有熱電偶溫度測點，測點位置為單元幾何中心。
圖1 相變材料封裝單元及填充床儲熱裝置示意圖：(a) 相變材料封裝單元；(b) 填充床儲熱裝置三維示意圖；(c) 填充床儲熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖
三水合乙酸鈉主要存在高過冷度和相分離兩個缺點。過冷現(xiàn)象是指相變材料降溫至相變點以下仍保持液態(tài)而不發(fā)生結(jié)晶。三水合乙酸鈉在不添加成核劑的情況下過冷度最高可達88 ℃。相分離是指水合鹽熔化過程中生成的鹽無法全部溶解于其生成的水中，導致固體鹽沉降至底部。相分離造成熔融體系均勻性降低，水合鹽結(jié)晶能力降低。為改善其缺陷，本研究采用十二水合磷酸氫二鈉和羧甲基纖維素鈉分別作為成核劑和增稠劑，以改善三水合乙酸鈉的過冷度和相分離。我們通過熔融攪拌法制備了三水合乙酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和羧甲基纖維素鈉按98∶1∶1質(zhì)量比混合的復合相變材料。此配比下復合相變材料的相變潛熱為268.4 J/g，相變溫度為58.9 ℃，導熱系數(shù)為0.692 W/(m·℃)。由于復合相變材料在此配比下的比熱容尚未見報道，本研究采用差式掃描量熱儀(耐馳，DSC214)對其固體和液體狀態(tài)比熱容進行測量，分別為1.95 J/(g·K) (30 ℃，固態(tài))和3.07 J/(g·K) (70 ℃，液態(tài))。
圖1(b)為填充床三維示意圖。圖1(c)為填充床結(jié)構(gòu)示意圖。填充床內(nèi)部幾何形狀為長方體，床體內(nèi)部長為455 mm，寬為390 mm，高為683.5 mm，相變單元以水平順排的方式堆積在填充床內(nèi)部，相變單元行數(shù)和列數(shù)均為13，單元堆積體的上部及底部均布置多孔板。上部接口(儲熱進口/釋熱出口)和底部接口(儲熱出口/釋熱進口)布置在水箱側(cè)面(同側(cè))。本研究采用橡塑保溫材料[0.043~0.056 W/m·℃)]對儲熱裝置及工作管路進行保溫，填充床保溫層厚度為42 mm，工作管路保溫層厚度為20 mm。
1.2 實驗系統(tǒng)
圖2為中低溫儲熱實驗臺系統(tǒng)圖與實物圖。中低溫儲熱實驗臺系統(tǒng)主要組成部分包括：儲熱填充床、板式換熱器1、板式換熱器2、管道加熱器、水泵、測控系統(tǒng)、熱水箱、冷水箱、備用水箱。實驗分為儲熱過程和釋熱過程。儲熱過程中，儲熱流體經(jīng)水泵從頂部入口流入儲熱填充床。釋熱過程中，釋熱流體經(jīng)水泵從底部流入儲熱填充床。實驗采用數(shù)據(jù)采集儀器(National Instruments)配合熱電偶(Omega，T型熱電偶)實時獲取水箱內(nèi)部溫度狀況，采用2個PT100熱電阻(測溫精度：±0.1 ℃)獲取儲熱裝置進出口溫度，采用渦輪流量計(北京格樂普高新技術(shù)有限公司，LW-10Z1A1WNSR，不確定度1%)實時獲取水箱入口體積流量。
圖2 水合鹽相變儲熱裝置實驗系統(tǒng)圖與實物圖：(a) 儲熱裝置實驗系統(tǒng)圖；(b) 儲熱裝置實驗實物圖
圖3(a)為儲熱裝置內(nèi)部溫度測點布置的整體情況，測點分別布置在上部接口(測點名稱：Tf,up)、下部接口(測點名稱：Tf,down)、相變單元內(nèi)部(5個，測點名稱：Tp1、Tp2、Tp3、Tp4、Tp5)以及流體區(qū)域(5個，測點名稱：Tf1、Tf2、Tf3、Tf4、Tf5)。內(nèi)部含溫度測點的相變單元位置為第7列(中心列)的1、4、7、10、13行。圖3(b)為封裝單元內(nèi)部熱電偶布置情況的示意圖，熱電偶溫度測點位于相變單元的幾何中心。圖3(c)為流體區(qū)域內(nèi)溫度測點布置情況示意圖，流體區(qū)域內(nèi)溫度測點與相變單元內(nèi)溫度測點位于同一徑向平面(以相變單元為軸)，位于菱形孔隙的幾何中心處。
圖3 儲熱裝置儲/釋熱試驗溫度測點布置示意圖：(a) 填充床內(nèi)溫度測點布置整體情況；(b) 相變單元內(nèi)溫度測點位置示意圖；(c) 流體區(qū)域內(nèi)溫度測點位置示意圖
1.3 實驗步驟
下面首先介紹一次完整儲熱/釋熱實驗的實驗流程。床體初始溫度為T1 ℃，蓄熱過程裝置上部流入的儲熱流體溫度為T2 ℃，釋熱過程裝置底部流入的釋熱流體溫度為T3 ℃(本研究中釋熱流體與床體初始溫度相同，T1=T3)：
（1）實驗前期準備：利用循環(huán)系統(tǒng)及管道加熱器，將熱水箱內(nèi)水溫加熱至約T2-5 ℃。設置加熱器出口溫度為T3 ℃，利用泵將水從冷水箱抽出，通過加熱器將水溫控制在T3 ℃，進入儲熱裝置以實現(xiàn)儲熱裝置均溫初始化。冷水從儲熱裝置排出后與板式換熱器換熱，溫度降至約T3-3 ℃返回冷水箱。(換熱流體工作路徑：①—③—④—⑨—⑦—⑧。)
（2）儲熱實驗：儲熱流體(熱水)從熱水箱流出，經(jīng)泵、管道加熱器(加熱器控溫在T2 ℃)，從水箱上部入口進入儲熱裝置，以實現(xiàn)儲熱裝置的熱量存儲。隨后，儲熱流體從水箱底部流出，返回熱水箱。(儲熱流體工作路徑：②—③—⑥—⑦—⑨—⑤。)
（3）釋熱過程：釋熱流體(冷水)從冷水箱流出，經(jīng)泵、管道加熱器(加熱器控溫在T3 ℃)，從水箱底部入口進入儲熱裝置，以實現(xiàn)儲熱裝置的熱量釋放。隨后，釋熱流體從水箱頂部流出，經(jīng)過板式換熱器降溫后，返回冷水箱。(釋熱流體工作路徑：①—③—④—⑨—⑦—⑧。)
為了研究儲熱溫度和流量對填充床儲釋熱表現(xiàn)的影響，本文設置了儲熱溫度為60 ℃、65 ℃和70 ℃的3種工況(流量為16 L/min，床體初始溫度為30 ℃)。輻射式供暖以4口分水器為主，配合12 mm內(nèi)徑加熱管，加熱管內(nèi)推薦流速為0.25~0.6 m/s，供水總流量范圍在7 L/min至16.28 L/min之間，因此本研究設置了流量為8 L/min、12 L/min和16 L/min的3種工況(床體初始溫度為30 ℃，儲熱溫度為70 ℃)。本研究對比了不同工況下填充床儲熱過程和釋熱過程的出口溫度表現(xiàn)，并通過比較儲熱過程充入熱量、釋熱過程釋放熱量、熱效率以及儲熱密度完成對不同工況下填充床儲熱表現(xiàn)的評估。
參考文獻[10]，定義量綱為1截止溫度DTC*和DTD*如式(1)和式(2)所示：
式(1)和式(2)中，Tcharge為儲熱過程入口溫度；Tdischarge為釋熱過程入口溫度(床體初始溫度)；Tp1為最頂層單元內(nèi)測點溫度；Tp5為最底層單元內(nèi)測點溫度。為保證儲熱裝置儲/釋熱過程完整，DTC*和DTD*設置為0.99。以床體初始溫度30 ℃，儲熱溫度為70 ℃為例，儲熱過程中，Tp5達到69.6 ℃時，儲熱過程結(jié)束。
各指標的計算方法如下所示：
2 結(jié)果與討論
本節(jié)首先對儲/釋熱過程中填充床內(nèi)部溫度演化情況進行討論，而后研究了儲熱溫度和運行流量對儲熱裝置整體性能的影響。
2.1 填充床內(nèi)部溫度演化規(guī)律
在初始溫度30 ℃、儲熱流體70 ℃、流量12 L/min的實驗工況下，對填充床內(nèi)部相變單元及流體區(qū)域溫度演變情況進行了分析討論。圖 4展示了不同高度處相變單元在儲熱/釋熱過程中溫度變化情況。圖4(a)為儲熱過程中不同高度處相變單元的溫度表現(xiàn)，相變單元在升溫過程中溫度表現(xiàn)可分為3個階段：固體顯熱吸熱主導的升溫階段，固液轉(zhuǎn)變主導的恒溫階段(熔化-相變)和液體顯熱吸熱升溫階段。從圖4(a)可以看出，位置較高的相變單元率先完成了固-液轉(zhuǎn)變。這是因為儲熱過程中，儲熱流體自上而下流動，位置較高的相變單元優(yōu)先與儲熱流體換熱，且此位置儲熱流體溫度較高。因此，較高位置的相變單元能夠更快完成固-液轉(zhuǎn)變。圖4(b)為釋熱過程中，不同高度處相變單元的溫度表現(xiàn)，相變單元在降溫過程中溫度表現(xiàn)可分為3個階段：液體顯熱吸熱主導的升溫階段，固液轉(zhuǎn)變主導的恒溫階段和固體顯熱釋熱階段。從圖4(b)可以看出，位置較低的相變單元在較短時間內(nèi)完成凝固過程。這是因為釋熱過程中，取熱流體自下而上流動，位置較低的相變單元優(yōu)先與取熱流體換熱，且此處位置釋熱流體溫度較低。因此，較低位置的相變單元能夠更快完成凝固過程。
圖4 豎直方向相變單元儲/釋熱過程中溫度變化情況(12 L/min)：(a) 儲熱過程；(b) 釋熱過程
圖5展示了流體區(qū)域內(nèi)不同高度處在儲/釋熱過程中的溫度變化情況。圖5(a)為儲熱過程中不同高度處流體區(qū)域的溫度表現(xiàn)。從圖5(a)可以看出，水箱不同高度處的溫度均隨儲熱過程逐漸升高，同一時刻下，測點位置越高溫度越高。最頂層溫度測點在最短時間內(nèi)升溫至70 ℃附近。最底層溫度測點的溫度依次經(jīng)歷迅速升溫、較快速升溫和平緩升溫3個階段。圖5(b)為釋熱過程中不同高度處流體區(qū)域溫度表現(xiàn)，可以看出水箱不同高度處的溫度均隨釋熱過程逐漸降低，同一時刻下，床體內(nèi)位置越低溫度越低。最底層溫度測點在最短時間內(nèi)降溫至30 ℃。最頂層溫度測點溫度走勢依次經(jīng)歷迅速降溫、較快速降溫和平緩降溫3個階段。從圖5(a)和(b)可以看出，在儲熱和釋熱過程中，測點位置的高低與溫度變化的平緩段特征有著密切的關(guān)系。具體而言，測點位置越低，在儲熱過程中的平緩升溫段特征越明顯；而測點位置越高，在釋熱過程中的平緩降溫段特征越顯著。這主要是因為相變材料在凝固和熔化過程中會恒溫吸熱或放熱，流體換熱量隨橫掠單元數(shù)增加而增大。除此之外，從圖5可以看出，釋熱過程用時小于儲熱過程，這是因為相變材料熔點為58.9 ℃，儲熱過程中，儲熱流體為70 ℃，流體與相變材料熔化界面換熱溫差最大為11.1 ℃，釋熱過程中，取熱流體為30 ℃，流體與相變材料凝固界面換熱溫差最大為28.9 ℃，換熱溫差越大，熱傳遞效果越好，用時越短。
圖5 豎直方向流體區(qū)域儲/釋熱過程中溫度變化情況(12 L/min)：(a) 儲熱過程；(b) 釋熱過程
2.2 儲熱溫度對填充床儲熱性能的影響
圖6展示了儲熱溫度分別為60 ℃、65 ℃和70 ℃情況下，填充床儲/釋熱過程出口溫度表現(xiàn)，所有工況流速均為16 L/min，床體初始溫度均為30 ℃。圖6(a)為儲熱過程中，不同儲熱溫度下，填充床出口溫度隨時間的變化情況。可以看出，隨著儲熱溫度的提升，床體儲熱用時明顯縮短。儲熱溫度為60 ℃、65 ℃和70 ℃的工況，儲熱用時分別為17648s、8298s和6123s。儲熱溫度從60 ℃增加至65 ℃和70 ℃，儲熱用時分別減少了53%和65%。當儲熱溫度為60 ℃時，熱流體與相變材料固液界面間換熱溫差較小，因此儲熱功率較低，用時較長。當儲熱溫度提高后，換熱流體與相變溫度溫差增大，同時強化了內(nèi)部熔化區(qū)域的自然對流，儲熱進程加快，儲熱用時縮短。圖6(b)為釋熱過程中，不同床體溫度下，填充床出口溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，隨著釋熱過程發(fā)展，不同工況下的填充床的出口溫度逐漸接近，并以相近溫度完成后續(xù)釋熱過程。3種工況下，儲熱裝置釋熱用時幾乎相同。主要由于釋熱過程中單元內(nèi)部自然對流較弱，換熱由熱傳導主導，因此釋熱用時幾乎相同。圖7對比了不同入口溫度下填充床的儲熱性能。從圖中可以看出，儲熱裝置的儲熱量、釋熱量、熱效率以及儲能密度均隨儲熱溫度的升高而上升。隨著儲熱溫度升高，熱效率從89.69%提高至94.37%，儲熱密度從58.3 kWh/m3增加至71.77 kWh/m3。可以看出，更高的儲熱溫度得到更高儲熱量的同時，縮短了儲熱用時，減少了散熱能量損失，因此熱效率和儲熱密度均提高。
圖6 不同儲熱溫度下儲熱裝置儲/釋熱過程出口溫度表現(xiàn)：(a) 儲熱過程；(b) 釋熱過程
圖7 儲熱裝置在不同儲熱溫度下的性能
2.3 流量對填充床儲熱性能的影響
本小節(jié)展示了流量為8 L/min、12 L/min和16 L/min情況下填充床儲/釋熱過程出口溫度，其中床體初始溫度為30 ℃，儲熱溫度為70 ℃。圖8(a)為儲熱過程中，不同流速下，填充床出口溫度表現(xiàn)。從圖中可以看出，隨著流量的增加，填充床儲熱用時縮短。當流量從8 L/min增加至16 L/min，儲熱用時從9000 s縮短至6123 s，減少了32%。圖8(b)為釋熱過程中，不同流速下，填充床出口溫度表現(xiàn)。從圖中可以看出，隨著流量的增加，填充床的釋熱用時從4018 s縮短至3122 s，減少了22%。圖9為流量對填充床儲熱性能的影響。從圖中可以看出，儲熱裝置的儲熱量、釋熱量、熱效率以及儲能密度均隨流量的增加而增加。3個工況的熱效率均高于90%，其中運行流量為16 L/min的工況熱效率高達94.73%。3個工況的儲熱密度均高于68 kWh/m3，其中運行流量為16 L/min的工況儲能密度為71.77 kWh/m3。這主要是由于流量增加導致流體與外壁面間換熱得到增強，同時耦合內(nèi)部熔化傳熱的強化，儲釋熱用時縮短。同時向環(huán)境散失的熱量減少，提高了熱效率和儲熱密度。
圖8 不同流量下儲熱裝置蓄釋熱過程中出口溫度：(a) 儲熱過程；(b) 釋熱過程
圖9 儲熱裝置在不同流量下的儲熱表現(xiàn)
3 結(jié) 論
本文開展了圓柱體水合鹽相變材料封裝單元有序堆積形成的相變儲熱裝置的實驗研究，研究了流量和儲熱溫度對儲熱性能的影響。研究結(jié)果表明：
（1）本研究獲得了儲/釋熱過程中填充床內(nèi)部溫度變化情況。在儲熱過程中，熱流體自上而下流動加熱相變單元，單元內(nèi)相變儲熱材料沿流動方向依次經(jīng)歷固態(tài)顯熱升溫、固液恒溫相變和液態(tài)顯熱升溫3個階段，上部單元先于底部單元完成熔化。在釋熱過程中，冷流體自下而上流動冷卻相變單元，沿流動方向依次經(jīng)歷液態(tài)顯熱降溫、固液恒溫相變和固態(tài)顯熱降溫3個階段，底部單元先于上部單元完成凝固。相變材料在凝固過程中無明顯過冷現(xiàn)象，具有較好的相變動力學特性。
（2）提高儲熱溫度和增大流量均可縮短儲熱時長，同時提升填充床儲熱裝置的熱效率及儲能密度。當流速為16 L/min,儲熱溫度為70 ℃時(床體初始溫度30 ℃)，儲熱裝置的熱效率可達94.73%，儲能密度可達71.77 kWh/m3。
