相變換熱裝置的研究進展與趨勢

俞琴華，毛國群，呂來權

(1.華能(浙江)能源開發有限公司長興分公司，長興 313105； 2.浙江大學，杭州 310027)

0 引 言

隨著全球經濟的發展，人們燃燒了大量的化石燃料，這將進一步加劇溫室效應，今天人們非常關注化石燃料的合適替代品的開發和改進。太陽能和風能是最具有吸引力的可再生能源。然而可再生能源如太陽能和風能等受季節和時間影響較大，有效的熱能儲存對于解決間歇性太陽能等供熱和需求之間的不匹配至關重要[1-2]。一般來說，熱能的儲存形式有三種，即顯熱、潛熱和熱化學儲能。而潛熱儲能技術是最具有潛力的，從能量儲存密度的角度來看[3]，潛熱儲能技術是在恒定溫度下儲存能量[4]，且其可以不斷循環而不受其他條件的限制[5]。潛熱儲能的第一次應用可以在1975年的文獻中找到[6]。

許多學者對潛熱儲存單元在工業中的應用進行了綜述。Nazir等[7]根據相變材料的物理性質，綜述了各種相變材料的應用，說明有機、無機和共晶相變材料的熔點、熱能儲存密度和熱導率是各種熱能儲存應用的主要選擇標準。并詳細討論了通過封裝和納米材料添加劑改善相變材料熱能儲存特性的策略。Lin等[8]綜述了近年來無機相變材料的研究，總結了它們的熱性能，介紹了無機相變材料在換熱裝置以及儲能系統中的一些應用。Wei等[9]通過對現有文獻的分析，評估了相變材料的選擇原則，并介紹和比較了目前流行的用于相變材料的選擇軟件，還對幾種傳熱和性能增強技術進行了綜述。Lokesh等[10]對基于相變材料的換熱裝置設計中需要考慮的各種運行條件和設計參數進行了深入分析討論。本文將從換熱裝置的結構、相變材料、換熱流體和換熱裝置傳熱強化4個方面對PCM換熱裝置的應用研究進行綜述。

1 換熱裝置結構的影響

關于換熱裝置結構對換熱裝置傳熱的影響，Medrano等[11]實驗研究了5個用作潛熱蓄熱系統的小型熱交換器在熔化和凝固過程中的傳熱特性。商用RT35用作PCM，水作為傳熱流體。對各個換熱裝置之間的性能進行比較發現，將PCM埋入石墨基質的雙管換熱裝置的性能最佳。Pahamli等[12]用RT50作為管殼式熱交換器中的相變材料，研究了包括幾何特性(偏心率)和流量(傳熱流體的質量流量和入口溫度)等參數對PCM儲熱過程的影響。結果表明，當同時考慮入口溫度和偏心距時，其對傳熱速率的影響要大于質量流量的影響。Mahdi等[13]通過對三重管中PCM熔化的數值分析研究了多種翅片布置對PCM熔化速率的影響。結果表明，蓄熱單元的下半部分使用長翅片將會加速熔化過程，而在單元的上半部分使用較少且相對較短的翅片可以獲得更好的性能，如圖1所示。Yang等[14]在換熱裝置中設計了不同的翅片間距和位置，以減小熔化過程的不均勻性。通過分析熔化前沿的演變、溫度和速度分布、熔化速率和溫度均勻性，量化了翅片間距和位置對熔化過程熱性能的影響，如圖2所示。Pakalka等[15]通過實驗比較和評估了兩種不同幾何參數的相變銅管換熱裝置的運行情況。

圖1 相變材料的液態分數云圖，研究換熱管上半部分翅片數量的影響

圖2 不同翅片分布的溫度云圖

2 相變材料的影響

關于相變材料對換熱裝置傳熱的影響，Nagano等[16]提出一個相變材料顆粒和空氣之間的直接熱交換系統，相變顆粒由顆粒直徑為1～3 mm的多孔介質和石蠟組成。通過實驗對數值模型進行了驗證，并通過數值分析討論了相變過程中的傳熱系數和相變在系統中完成所需要的時間。Wu等[17]通過實驗研究膨脹石墨石蠟相變材料換熱裝置作為即時空氣源熱泵熱水器冷凝器的可行性，并對膨脹石墨石蠟換熱裝置在不同進水流量下的溫度分布和體積膨脹進行了研究和測試。結果表明，板式換熱裝置與傳統水箱相比，相同性能的板式換熱裝置的體積較小，如圖3所示。Gorzin等[18]對PCM在多管式換熱裝置中的分布進行了數值計算，以減少凝固時間。結果表明，PCM的分布對傳熱的增強非常有效，適當的PCM質量分布可使固化時間減少62%。Lin等[19]研究了癸二酸/膨脹石墨復合材料在雙螺旋盤管換熱裝置中的熱能儲存性能和相變行為，結果表明，采用癸二酸/膨脹石墨復合材料的儲能罐內部溫度分布均勻。還探討了熱流體的流量和入口溫度對儲能效率的影響。Lin等[20]還介紹了一種具有多流動通道的枕板式換熱裝置的新型儲能裝置，三水合醋酸鈉作為相變材料，水作為工作流體。并對潛熱蓄能系統的熱性能包括出水溫度、熱功率和熱效率和傳熱系數進行了評價，如圖4所示。Elsanusi等[21]調研了多種相變材料在水平放置的熱交換器中不同布置方式的融化性能和對熱傳導和自然對流傳熱的影響。數值結果表明在所研究的所有布置中，自然對流對傳熱特性具有顯著的積極影響，并聯布置增強了熱傳導，但抑制了自然對流，而串聯布置顯著增強了自然對流傳熱。

圖3 PCM相變換熱裝置的冷熱流道布置

圖4 枕板式相變換熱裝置

3 熱流體的影響

關于熱流體流量和溫度的影響，Hosseini等[22]結合試驗和數值研究的方法研究了相變材料石蠟RT50在管殼式換熱裝置內部受限熔化和凝固過程中的熱行為和傳熱特性，如圖5所示。試驗結果表明，將HTF的入口溫度提高從70 ℃提高至80 ℃，儲熱和放熱的理論效率分別從81.1%上升至88.4%和從79.7%上升至81.4%。Murray等[23]介紹了一種既能在連續蓄熱模式下工作，又能在同時蓄熱和放熱模式下工作的低功耗蓄熱器。結果發現在加熱過程中，更快的流速導致更短的熔化時間；然而，在放熱過程中，流速不影響固化速度。Ju等[24]以蒸汽為傳熱流體，對充有高溫相變材料的管殼式蓄熱單元的蓄熱行為進行了數值研究。采用焓法建立了二維傳熱模型，研究了相變材料熔化時間、蒸汽向相變材料的蓄熱速率以及蒸汽冷凝隨時間的變化特征。評價了相變材料導熱系數、蒸汽流量和直徑比對蓄熱性能的影響。Gasia等[25]研究了用動態熔融概念在以水為相變材料、甲酸鉀/水溶液為熱流體的圓柱形管式熱交換器中的傳熱效果。動態熔化概念是一種新的傳熱增強技術：在熔化過程用泵對液態PCM進行再循環，并由于強制對流的作用而提高了總體傳熱系數。

圖5 管殼式相變換熱裝置的系統圖

4 傳熱強化的影響

關于相變換熱裝置傳熱強化的影響，Shabtay等[26]比較了兩種提高蠟基相變材料導熱系數的方法，第一種是在相變材料中嵌入改進型銅管/鋁翅片換熱裝置，第二種是將銅管嵌入高導熱性石墨蠟基相變復合材料中。兩種方法的導熱系數提高均在100倍以上，但是第二種方法無泄漏表現且具有靈活性。Pahamli等[27]研究了包括添加納米顆粒和傾斜角在內對相變材料在管殼式換熱裝置中的熔化過程的影響。結果表明，熱傳導在熔化的初始和結尾中占主導地位，隨著過程的進行，自然對流作用在熔化過程中占主導地位。通過增加納米顆粒的質量分數，導熱系數增加，增加傾斜角度會導致PCM更快地熔化，從而縮短總熔化時間。同時添加納米顆粒和增加傾斜角，自然對流和熱導率均得到改善，從而導致NEPCM更好地熔化。Al-Mudhafar等[28]介紹了一種新型的改進型網狀管換熱裝置(如圖6所示)，并對其進行了數值研究，以提高相變材料儲能(TES)系統的熱性能。研究結果表明，與網狀管換熱裝置和三管換熱裝置相比，采用改進的網狀管換熱裝置時，相變材料的凝固過程加快了41%。

圖6 各種熱交換器配置的橫截面積

5 結束語

儲熱技術是一項有前景的資源節約、環境友好技術，近年來備受關注。相變換熱裝置是將儲熱技術應用于工業中的關鍵步驟，所以對相變換熱裝置的性能研究至關重要。本文對相變換熱裝置結構、相變材料、換熱流體和傳熱強化對相變換熱裝置的性能影響進行了綜述。發現以上幾種因素對相變換熱裝置的性能有很大的影響，在未來，可以從這些因素入手，逐漸改進相變換熱裝置，使其在工業中的應用成為可能。