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(上海卫星工程研究所，上海　201109)

现阶段，将相变储能技术与换热技术结合，开发新型相变储能换热器成为研究的热点[]。目前主要采用间壁式换热器作为相变储能换热器形式[2]。按照传热壁面的形状，间壁式换热器可以分为管式换热器、板式换热器、夹套式换热器以及各种异形传热面组成的特殊形式换热器[3]。板式换热器是近几十年来广泛应用的一种新型换热器。它由一系列相互平行、具有强化换热表面的薄金属板相叠而成[4]，具有耐高温高压、耐腐蚀、结构紧凑等优点，在我国得到了很大的发展，在航天上也有广泛的应用。康艳兵等[5]建立了板式相变储能换热器的无量纲传热模型，此模型适用于流体入口流量、入口温度随时间变化和需要考虑入口段效应及添加肋片等情况。刘倩平[6]等通过数值模拟技术研究肋片强化传热相变储能换热器蓄热过程，发现热媒体的温度和相变材料相变点之间的温差越大，肋片的间距越小，热媒体的流速越大，所需要的融化时间越短，传热效果会越好。

本文选择板式换热器作为换热器基本形式，再结合相变储能技术设计出一种新型的板式相变储能换热器。针对此相变储能换热器，在不改变换热量的基础上，通过改变换热器进口流速和温度以及换热器的位置等方式对其进行实验研究，分析换热器性能。

1　实验装置

实验装置如图1所示，包括内流体回路系统、外流体回路系统和中间相变储能换热器。其中，中间相变储能换热器为主要研究对象。

图1　实验装置

相变储能换热器由芯体、内回路进出口、外回路进出口和相变材料充装口组成。芯体主要由相变层板、内回路板和外回路板组成，其结构如图2所示。相变材料充装口设置在换热板中间，内外回路进出口斜对角分布。选用正十四烷为充装相变材料，充装量为0.3 kg；选用乙二醇水溶液为流体工质；选用不锈钢作为金属材料。相关物性参数如表1所示。

图2　换热器板片结构

表1不同物质物性参数

物质密度/kg·m-3导热系数/W·m-1·K-1动力粘度/kg·m-1·s-1潜热/kJ·kg-1熔点/K正十四烷762.8/814.00.149 90.007 96226278-279不锈钢7 87481.1———乙二醇水溶液1 0660.370.001——

测试样件实物图如图3所示。在内外回路进出口处布置热电偶，其中，内回路出口温度为主要观察对象。通过在出口铜管和T型热电偶间添加导热硅脂提高测温数据的准确性。

图3　测试样件实物

内流体回路由恒温槽A(DC-4006低温恒温槽)、流量计(LWGY-2转子流量计)、测温计(安捷伦34970A数据采集仪+T型热电偶+电脑)和水泵组成。

外流体回路系统由恒温槽(DC-1030低温恒温槽)和水泵组成。

2　实验步骤

实验开始前，先清理实验台。之后，往相变储能换热器中充装相变材料十四烷，充装系统如图4所示，充装过程如下：

(1)称量相变储能换热器外壳的重量，并记录；

(2)外回路与恒温水槽连通形成回路，通入温度恒为343.15 K的热水；

(3)关闭阀门-1，打开阀门-2，抽出相变储能换热器中的气体；

(4)关闭阀门-2，打开阀门-1，让相变工质正十四烷通入储能换热器，待正十四烷储液箱液面不再发生变化，关闭阀门-1；

(5)移除真空泵，正十四烷储液箱及相关管路，并排出储能换热器中热水。待热水排尽后，移除恒温水箱和对应管道；

(6)称量储能换热器重量，并与原始重量对比，计算充装相变材料质量。

图4　相变储能换热器充装系统

待相变材料充装结束后，开始进行实验。

实验包括以下四种工况：(1)Q=0.4 L/min,Tin=288.5 K;(2)Q=0.5 L/min,Tin=286.2 K;(3)Q=0.6 L/min,Tin=284.7 K;(4)Q=0.7 L/min,Tin=283.6 K。当环境温度T=277 K时，四种工况下理想换热功率都为277.8 W。

实验步骤如下：

(1)调节恒温槽B内水温至277.15 K，关闭泵A，打开泵B，让恒温槽内工质流经相变储能换热器，整个换热器达到初始温度277.15 K；

(2)调节恒温槽A内水温，在不同工况下分别达到不同温度；

(3)关闭泵B，打开泵A，通过调节泵A的电压调节内回路流量，让内回路流量与工质温度相对应；

(4)通过数据采集仪记录温度数据(间隔2 s记录一次)；

(5)当换热器出口温度不随时间变化时，停止试验。

3　实验数据误差分析

3.1　直接测量误差分析

安捷伦温度采集仪绝对误差ΔT=0.1 K，测温范围T≈10 K，则温度测量值的相对误差ΔT/T=1%。

LWGY-2转子流量计绝对误差ΔQ=0.003 L/min，流量Q≥0.3 L/min，流量测量值的相对误差ΔQ/Q=1%。

采用安捷伦自带时间记录仪记录时间并测温，故认为时间误差忽略不计。

3.2　间接测量误差分析

根据统计学误差传播定律，由于变量含有误差，致使间接测量量受其影响也含有误差。按照Moffat[9]关于实验数据不确定性的分析方法，如果间接测量量y是之间测量量x1,x2,…xn的函数，Δx1,Δx2,…,Δxn是x1,x2…xn的绝对误差，那么由Δx1, Δx2,…,Δxn引起的y的绝对误差Δy表示为

(1)

y的相对误差为

(2)

相变储能换热器内回路换热功率q表示为

q=cpρQ(Tout-Tin)

(3)

式中cp=3 399 J/(kg·K)，ρ=1 066 kg/m3，Q=0.4 L/min，0.5 L/min，0.6 L/min，0.7 L/min，ΔT=11.5 K，9.2 K，7.7 K，6.6 K。那么q=3 623 334×QΔT。

根据式1，换热功率q的最大绝对误差为

(4)

根据式2，换热功率q相对误差为

(5)

依次代入Q=0.4 L/min，0.5 L/min，0.6 L/min，0.7 L/min，ΔT=11.5 K，9.2 K，7.7 K，6.6 K，计算得到相对误差分别为1.58%，1.83%，2.09%，2.36%。

4　结果与讨论

4.1　换热器出口温度分析

图5为相变储能换热器内流体回路出口温度在不同工况下随时间变化曲线。从图上可以看出，四种工况下，换热器出口流体温度变化具有相似性。将出口温度变化曲线分为四个阶段:(1)相变材料未融化阶段；(2)相变材料融化阶段；(3)相变材料融化结束阶段；(4)温度趋于稳定阶段，分别对应图中A，B，C，D。

图5　内回路出口温度变化

在A阶段，相变材料未开始融化，这一阶段主要传热形式为导热，相变材料吸收内回路换热流体热量并以显热形式储存起来，由于导热所传递的热量相差不大，故四种工况下温度变化曲线大致相同。B阶段时，相变材料开始融化。此阶段温度曲线变化平缓，这是因为此时相变材料利用融化时的潜热吸收。在达到相变点时，相变材料温度不因加热而持续上升，取而代之的是向换热器出口移动的相变界面。此过程中，相变材料吸收大量热量，并以相变潜热形式储存起来。C阶段时，相变材料完全融化，此阶段与A阶段相似，不同的是此阶段传热方式包括热对流与热传导(忽略热辐射)两种形式，此时对流换热是主要的换热方式。由于四种工况下进口温度不同，导致出口温度变化存在较大差异。在D阶段，相变材料温度与进口流体温度差异不大，故内流体回路出口温度变化不再明显。

从图5可以看出，在A和B阶段，四种工况下，流速高温度低(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)时，出口温度最高，流速低温度高(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)时，出口温度最低。这是因为相同换热量下，进口温度低时，相变材料吸收的显热较少，出口温度较高；进口温度高时，相变材料吸收的显热较多，出口温度较低。在C和D阶段，其结果与A和B阶段相反，流速低温度高(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)时，出口温度最高，流速高温度低(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)时，出口温度最低。究其原因，融化结束后，依靠相变材料显热吸收热量，进口温度高时，出口温度也高，进口速度低时，出口温度也低。

4.2　换热器换热功率分析

根据式(3)，计算相变储能换热器内回路换热功率变化曲线，其结果如图6所示。从图上可以看出，换热功率随时间推移而下降，与温度变化趋势相似，在A，C阶段，换热功率下降明显，而在B，D阶段，由于温度变化缓慢，此阶段换热功率下降不明显。

在A，C和D阶段，四种工况下换热器换热功率大致相等，这三个阶段不会造成换热器出口温度较大差异。在B阶段，不同工况下换热器换热功率存在较大差异。由于相变材料融化时，相变点不变，在进口温度较高的工况下(ΔT=11.5 K)，相变材料未融化部分温升不大，相变材料已融化部分吸收的热量偏多，温升较大，导致此工况下相变储能换热器换热功率较大。反之，在进口温度较低的工况下(ΔT=6.6 K)，相变材料已融化部分吸收的热量不多，温升较小，导致此工况下相变储能换热器换热功率较小。

图6　换热功率变化曲线

如图6所示，换热器在B阶段换热功率不同，其中，当Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K时，换热器换热功率最大，那么相变材料吸收的热量最多，相变材料的温升最大，导致换热器出口流体温度最高，此结果与图5一致。

4.3　换热器不同摆放位置对出口流体温度影响

在日常应用中，通常会改变换热器的摆放方式以适应不同的工作环境。本文对换热器三种摆放位置进行实验，分别是正放、横放和平放，分别对应图7(a)，(b)和(c)。对不同摆放位置的换热器进行实验研究，对比实验结果，从而得到不同摆放位置对换热器性能的影响。

图7　不同摆放位置的换热器实验装置

通过测温仪测量不同摆放位置换热器出口流体的温度，其结果如图8所示。从图上可以看出，出口温度变化曲线几乎重合，这说明不同的摆放位置对换热器出口流体温度影响很小。不过从图上还可以看出，这几条温度曲线还有一些细微区别。以图上红色虚线为界，在虚线左侧，横放的换热器(黑色曲线)出口温度偏低，换热功率偏大；平放的换热器(蓝色曲线)出口温度偏高，换热功率偏小。在虚线右侧，横放的换热器(黑色曲线)出口温度偏高，换热功率偏小；平放的换热器(蓝色曲线)出口温度偏低，换热功率偏大。实验进行到结束时，不同摆放位置的换热器出口温度相同。

图8　不同摆放位置换热器出口流体温度变化曲线

把热力系由任意状态下可逆变化到与给定的环境相平衡的状态时所能做的功称为最大可用功或，用Ex表示。对于实际过程，由于系统的不可逆性，并不守恒，而是减少。热力学第二定律引入效率η以合理评估能量可利用的价值，即反映因储能体系内在的不可逆性导致的能量恶化。效率方程表达式如下式(6)

(6)

式中Ex(storage)——储存于相变材料中的;

Ex(input)——在储能过程中内回路流体提供的。

根据Demirel等[10]提供的储能过程中表达式，储存于相变材料中的和储能过程中内回路流体提供的表达如式(7)和式(8)

(7)

(8)

式中cp——内回路换热流体比热;

Q——换热流体流量;

Tin——换热器进口流体温度;

Tout——换热器出口流体温度;

T0——环境温度;

TPCM——相变材料相变点。

(9)

根据式(9)，选取初始温度T0=274 K，相变材料相变点TPCM=278.5 K，得到内回路储能过程效率如图9所示。从图上可知，四种工况下储能过程的效率变化趋势一致，都随着时间的推移而减小。其中，在A阶段和C阶段减少的速率偏大；在B阶段和D阶段减少的速率偏小。在流速偏快，温差较小时(Q=0.7 L/min，ΔT=6.6 K)，效率最高，根据与熵的关系，此时系统熵产最少，不可逆性最低；在流速偏快，温差较小时(Q=0.4 L/min，ΔT=11.5 K)，效率最低，根据与熵的关系，根据与熵的关系，此时系统熵产最多，不可逆性最高。

5　结论

本文通过实验探究板式相变储能换热器在不同工作状态下的流动与换热性能，以及不同工况下的损失，分析换热流体的流速、温度以及板式相变储能的摆放位置对相变储能换热器出口温度、换热功率以及效率的影响，得到以下结论：

图9　内回路储能过程效率

(1)不同工况下换热器出口温度存在较大差别。在相变材料融化结束前，流速高温度低时，出口温度最高，流速低温度高时，出口温度最低。当相变材料融化结束后，流速低温度高时，出口温度最高，流速高温度低时，出口温度最低。

(2)对换热器换热功率进行分析，发现换热器中相变材料在相变阶段，换热器换热功率不同，其中，当流量低温差大时，换热器换热功率最大，相变材料吸收的热量最多，相变材料的温升最大，导致换热器出口流体温度最高。

(3)对不同摆放位置的换热器进行实验研究发现，不同摆放位置对换热器性能的影响很小。