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毛细管相变蓄热罐性能实验研究

0引言

随着人们对能源重要性的认识，节能问题日益突出，合理利用能源已受到重视。在国家节能减排政策的引导下，太阳能供热技术已得到初步的发展，也得到行业的青睐。但地球表面的太阳能辐射能量密度低，而且还受昼夜交替及天气变化等因素的影响，具有显著的稀薄性、不连续性和不稳定性特点。太阳能辐射的不连续性是太阳能供热技术发展的瓶颈问题。

蓄热技术能够把多余的热量暂存起来以便于在需要的时候加以利用，可有效解决能量供需在时间和空间上不匹配的矛盾，提高太阳能等不稳定能源利用

系统的可靠性。综合比较热能储存方式，

相变蓄热以其储热密度大，蓄热器结构紧凑、体积小、热效率高、吸热放热温度恒定等优点，成为蓄热系统的首选。因此相变蓄热装置成功的研发是太阳能供热技术推广的关键，其中毛细管相变蓄热装置是目前相变蓄能技术研究的热点。

1毛细管相变蓄热罐的结构及相变材料物性

1.1相变蓄热罐的结构

采用有机材料的罐体，用塑料毛细管作为换热

器，制成耐腐蚀、

换热器比表面积超大的相变蓄能罐。蓄能罐主要是由毛细管、相变蓄能材料和罐体构成。其实体图如图1。

图1相变蓄能罐的3D 图

Fig.13D map of phase-change energy storage tank

采用相变材料蓄能的优点是可以将能量(冷或热)

进行储藏、移动和在需要时释放，以解决低能量的制备(发生)和使用之间的时间差问题。

以太阳能为例：在住宅中，日间的太阳能如无法存放，便无法维持夜间的使用需求。如果日间能通过太阳能转化为相变蓄能罐内的热能(热或冷)，便可在夜间几乎免费地使用相变蓄能罐中所储存的能量。

收稿日期：2010-08-12；收稿日期：2010-08-28

*基金项目：

“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAJ03A06)毛细管相变蓄热罐性能实验研究*

魏云霞，李德英

(北京建筑工程学院，北京100044)

摘要：相变蓄热装置是太阳能、工业余热等供热技术推广应用的关键装备。在分析现有相变蓄热装置特性的基础上，提出了毛细管相

变蓄热罐，并结合一种复合型相变蓄热材料，对其热物性进行了测试，结果表明该复合相变蓄热材料符合太阳能供热技术的要求。同时研究了水流量和供水温度对毛细管相变蓄热管性能的影响，得出了最佳流量，为毛细管相变蓄热罐的设计提供了数据支持。

关键词：毛细管；相变蓄能；蓄能罐中图分类号：TU831.4

文献标志码：A

文章编号：1673-7237(2010)11-0049-04

Experimental Research on the Properties of the Capillary Phase-change Material Heat Storage Tank

WEI Yun-xia,LI De-ying

(Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)

Abstract:Phase-change heat storage device is the key equipment for the heating technology ’

s application of solar heating technology,industrial waste,etc.Based on the analysis of the characteristics of the current phase-change heat storage device,the capillary phase-change material heat storage tank is proposed.And with a composite phase change materials,whose thermal properties were tested,the results showed that the composite phase change material meets the requirements of solar heating technology.At the same time,the effect of water flow and temperature to the capillary phase-change material heat storage tank are studied,and the optimum flow is obtained,providing the data support for the design of the capillary phase-change material heat storage tank.

Key w ords:capillary tube;phase change heat storage;heat storage tank

■新能源与绿色建筑

NEW ENERGY &GREEN BUILDING

建筑节能

2010年第11期(总第38卷第237期)

No.11in 2010(Total No.237，Vol.38)doi ：10.3969/j.issn.1673-7237.2010.11.011

1.2

相变材料物性

目前蓄热的方法有3种：显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。

物质在凝固/融化、凝结/汽化、凝华/升华及其他形式的相变过程中都要吸收或放出热量，利用这种原理的蓄热方法即为相变蓄热。虽然液-气和固-气转化时的相变潜热值远比固-液转化时的相变潜热值大，但容积的巨大变化在工程实际应用中存在很大困难，因此，目前的相变蓄热一般指的是固液相变潜热。

本相变蓄热罐在实验中所采用的相变蓄热材料是由几种化学原料配制而成的有机无机复合新材料，无毒，对人体无腐蚀，不腐蚀容器。其物性参数如表1所示。

表1PX-58型相变蓄热材料物性参数Tab.1Parameters of PX-58phase change material PX-58相变蓄热材料特性

数值熔点58℃潜热

244kJ/kg 固体 1.52kJ/(kg ·K)液体 2.20kJ/(kg ·K)固体 1.12W/(m ·K)液体0.58W/(m ·K)液体1480kg/m 3固体

1450kg/m 3

图2为采用差示扫描量热法(Differential Scan-ning Calorimetry ，简称DSC)对相变材料测试的测试曲线。

图2PX-58相变材料的DSC 测试曲线Fig.2DSC testing curve of PX-58phase-change materials

2毛细管相变蓄能罐运行机理

2.1太阳能供热系统介绍

为了更好地研究太阳能供热技术的毛细管相变蓄能罐性能，搭建了毛细管相变蓄能罐供暖实验台，其系统流程，如图3。实验台包括风冷热泵冷热水机组、电热锅炉、自控表、过滤器、蓄能罐、风机盘管、循环水泵、膨胀罐、压力表、温度计、热量表、电表以及管道和各种阀门等。另外还购置了数据采集仪和相关设备。

图3毛细管相变蓄能罐供暖示意图

Fig.3The schematic of the capillary phase change energy storage tank in

the heating

2.2毛细管相变蓄热罐蓄放热机理

毛细管中通入热水，利用毛细管流量大，温差小及相变材料的相变特性，在某一温度下，相变材料由固态变为液态，使热能转化为潜热储存起来；当用户需要热能时，在蓄能罐中的毛细管中通入温度较低的热水，相变材料与毛细管中的冷水发生传导和对流换热，相变材料由液态变为固态，从而达到用户用热的要求。

其中热源端可以在电低谷时段将电能转化为相变材料的潜能储存起来，待电网高峰负荷时停止加热，利用储存的热能为用户供热；或将太阳能、工厂排

出的废热、

地热等转化为相变材料的潜热储存起来。在用户末端只需要一套能量释放系统，如常规的风机盘管，或毛细管平面空调系统。用户只需将蓄能罐接到末端系统上，便能很方便地获取冷/热量。其中毛细管末端为蓄能罐放热末端的最佳选择，它具有如下优点：

(1)夏季不需低温冷冻水，冬季不需高温热水。夏季供水温度15～17℃，冬季毛细管供给28～32℃热水。

(2)高标准的人体舒适感，由于毛细管辐射空调系统采用辐射供冷，可提供极佳的热舒适度，即使在得热量高的房间也无吹风感；使室内垂直温差可下降到3℃；送风采用全新风方式，提高了室内的空气品质。

(3)由于水管末端基本不占用吊顶空间，因而可降低房间层高要求，从而大大节省建筑投资。毛细管空调系统还具有安装方便、快捷、经济性好等优点。

(4)低运行费用，较高的冷水温度允许采用多种形式的冷源，在一年的某部分季节，制冷机可以不运行，还可以利用冷却塔进行自然冷却；由于水的高热值和高密度，只需耗费很少的水泵能量，冷量就可以运输至目的地。与常规的空调系统比较，可以节省风机能耗，减少空调系统的峰值用能。

(5)毛细管辐射空调系统即可用于夏季的空调，也可用于冬季的采暖，这弥补了置换通风只能制冷而不能制热的缺点。

3毛细管相变蓄能罐释放热能特性的实验测试

3.1蓄能罐蓄放热试验台的设计

要进行的蓄能罐的蓄放热特性实验，就必须给蓄

用户侧

储能装置

热源侧

太阳能

毛

细管相变蓄能罐

毛细管辐射板

4060

温度/℃

54321D S C /(m W /m g )

放热方向面积：242.1J/g

起始点：55.8℃

[1]

比热

导热系数

密度

3.2蓄能罐放热参数的测试

按图4搭建试验台，蓄能罐的几何尺寸为600mm ×600mm ×1180mm 。装入罐的相变材料质量为146.7kg 。环境温度为(17±2)℃。通过Agilent 数据采集仪全程记录相变材料和流体在蓄放热过程中的

温度值。针对同一种工况进行反复蓄放热实验，

以提高实验数据的可靠性，同时以此判断相变材料的稳定性能。通过手动调节阀门，控制进出蓄能罐的流体流量，观测流体流量改变后相变材料和流体的温度与时间的变化，记录相变材料的放热时间，分析流量与相变材料放热时间的关系。

由于毛细管末端系统供水温度在28～30℃之间，所以，当蓄能罐出水温度小于28℃时即为放热停止。图5为放热过程中流量为0.03m 3/h 时，蓄能罐的出回水温度及环境温度随时间的变化曲线。

从图5中可以看出，开始放热时，温度较高，接近相变材料温度，这是因为毛细管管内的水经相变材料长时间加热的缘故。在放热前期，出水温度变化较快，然后缓慢，这是由于放热的前期是利用相变材料的显热来加热毛细管内的水，而后是利用相变材料的潜热

来加热热水。

在后期潜热放尽，利用显热加热，而显热比潜热少得多，因此，后期出水温度下降较快。

图5放热过程流量为0.03m 3/h 时温度随时间变化曲线

Fig.5The temperature versus time curve when the water flow at 0.03m 3/h

in the discharge process

放热过程稳定后，回水温度波动不大，回水温度的大小受风机盘管的换热性能和环境温度影响；在保持环境温度基本不变时，回水温度变化不大，且随着时间的变化，出回水温差逐渐减小。从图5还可以看出，回水温度与环境温度的变化极为一致，这说明环

050100150200250300350400450500550600

时间/min

60555045403530252015

温度/℃

流量为0.03m 3/h

环境温度回水温度供水温度

能罐提供低温冷源和高温冷源。当高温热媒体流经蓄能罐时，热媒体就将与相变材料进行对流换热，以实

现相变材料的蓄热过程。为了提供高温热源，

实验台设计配置了1台电加热锅炉，通过电加热的方式得到高温热媒体。同时，在相变材料放热过程中，需要提供低温冷媒体，设计了风机盘管系统，通过与房间冷空气的对流换热。

另外，根据设计的流量要求以及整个系统阻力大小，配置了水泵，以给整个系统提供动力要求。为了测

试相变材料与热媒体的温度，在相变材料中布置了热电偶，在管路中布置了热量表。同时，在实验台的管路中设计了阀门，目的是通过改变流体的流经管路以实现不同的运行模式。实验原理图如图4。

蓄热工况：V3、V4、F1、F2和循环泵1打开，V1、V2、F3、F4及循环泵2关闭，管道环路：A1-B-C-D1-A1；

放热工况：F3、F4及循环泵2打开，V1、V2、V3、V4、F1、F2和循环泵1关闭，管道环路：B-C-E-F-B 。

图4

实验台原理图

Fig.4Schematic diagram of bench

A1V3V4

F3F

F4循环泵2

压力表温度计

热表

风机盘管

温度传感器热表

循环泵1

流量传感器冷凝排水管

毛细管蓄能罐

旁通管

电

热水器

定压补水阀

接电表及控制器

温度计压力表

注：蓄热模式：V3，V4，F1、F2循环泵1打开，V1，V2，F3、F4及循环泵2关闭；释热模式：F3、F4及循环泵2打开，V1，V2，V3，V4，F1、F2及循环泵1关闭。

境温度对蓄能罐的回水温度有着很大的影响。

图6为放热过程中不同流量下蓄能罐的出水温度随时间的变化曲线。

图6放热过程供水温度随时间变化曲线

Fig.6The water temperature versus time curve under different water flow

in the discharge process

由图6中温度曲线对比可知，随流量减小，放热

时间延长；同时随着流量的增大，温降加快，这是因为随着放热的进行，蓄热材料中的固相和液相的相界面逐渐远离毛细管表面，热阻逐渐曾大的缘故，放热功率随着流量增大而增大使相界面运动速度加快，从而使出水温降加快。由于实验放热末端采用的是风机盘管，温差比较大，换热量大，与毛细管末端相比大大缩短了放热时间，若采用毛细管末端会有更长的换热时间和效果。

实验台装有热量表，从热量表上可以读出不同流量下的放热量，蓄热材料的实际放热量大于表上读出的热量，这是由于管路上有热量损失。不同流量下累积放热量的大小如表2。

表2

不同流量下累积放热量的大小

Tab.2Cumulative heat release under different flow

流量/(m 3/h)

累积放热量/MJ

0.03330.05310.07320.09290.12

从表2中可以看出，不同流量下蓄能罐的放热量

变化不大，这说明蓄能罐放热的稳定性；同时随着流量的增加，放热量增加，这是由于流量小时，放热时间长，管路中热量损失较多。

3.3蓄能罐放热特性影响因素分析

从实验结果分析可知，影响蓄能罐相变材料放热量时间的因素分为三部分：相变材料本身的特性、毛细管网的换热特性及热媒体。

其中流速(流量)对放热时间的影响如图7。由图7可见，随着流速的增加，对流换热系数也

随之增大，导致放热时间变短但当热媒体的流量增大到以后，由于受相变材料导热系数的限制，再增大流量对流换热系数对相变材料的蓄放热时间影响不大而且流速增大的同时，管路阻力、泵功率消耗也随之增大。因此，放热流量宜在0.1m 3/h 左右。

图7

流量变化对放热时间的影响

Fig.7The effect of flux ’s variety on the discharge time

4结论

新型复合相变蓄热材料具有一种蓄热密度大、导热系数高、性能稳定的相变材料，且易于制作，成本较低。通过毛细管相变蓄能罐放热特性的测试，得到了放热时蓄能罐供回水水温随时间的变化曲线。研究结果表明流量为影响其放热速率的主要因素，放热流量选在0.1m 3/h 左右较为经济，为蓄能罐的优化设计提供参考和依据。

该毛细管相变蓄能罐具有稳定、安全性好、安装方便、运行费用低等优点，有较好的适用性，还可以缓解电网负荷，并且有很大的开发潜力。但还需对毛细管相变蓄能罐及相变材料进行经济优化，在考虑合理性与完善性的同时，也将经济性划为考虑目标，才能达到能源与资金最佳配置的目的。

参考文献：

[1]朱明善.能量系统的火用分析[M].北京:清华大学出版社,1998.[2]Evaluating a low energy heating system from the power plant through the heat pump to the building envelope [J].Energy and Buildings,2008(40):1799-1804.

[3]郭海新,侯兆川,刘成刚.低火用理论指导下的节能手段[C]//全国暖通空调2008学术文集.

[4]马贵阳,王智慧.相变蓄热电暖器的制作及特性能测试[J].抚顺石油学院学报，2003,23(3).

[5]张寅平,康艳兵,江亿.相变和化学反应储能在建筑供暖空调领域的应用研究[J].暖通空调,1999,29(5).

[6]崔海亭,袁修干,侯欣宾.蓄热技术的研究进展与应用[J].化工进展,2002,21(1).

作者简介：魏云霞(1986)，女，河南人，硕士研究生，供热、供燃气、通风及空调工程专业，从事建筑节能方面的研究(Weiyunxia66@https://www.wendangku.net/doc/859682596.html,)。指导教师：李德英，教授，博导。

0.02

0.040.060.080.100.12

Q/(m 3

/h)

987654t /h 0

50100150200250300350400450500550600

时间/min

65605550454035302520温度/℃

0.03m 3/h 0.05m 3/h 0.07m 3/h 0.09m 3/h 0.12m 3/h