方桂花，王峰，刘颖杰，孙鹏博，谭心

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

0 前言

太阳能作为常见的清洁能源，具有广泛的应用前景和研究价值。在能源的开发利用过程中，存在间歇性和不稳定性及时效性差异,如何能够“移峰填谷”,提高能源利用效率是一个亟需解决的问题。

毛前军和郑婷使用恒温水浴锅加热蓄热单元以模拟恒温加热环境，对球形胶囊内翅片的熔化过程进行试验验证，获得了球形胶囊内部监测点的温度时间曲线，将模拟结果和试验结果进行对比,得到较好的一致性,验证了胶囊内相变材料的熔化模型的准确性。朱子钦等采用数值模拟与试验相结合的方法研究了等温加热条件下添加不同高度环形翅片时球形容器内的约束熔化传热过程，数值模拟中采用焓模型描述相变过程,并利用有限容积法求解控制方程，与可视化试验结果的对比表明,该方法可以较好地预测熔化过程中固液相界面的演化趋势。FAN等研究了周向翅片球形胶囊中相变材料(Phase Change Material，PCM)的受约束熔化热传递，并应用于潜热热能储存。KUMARESAN等分析探索了翅片方向对填充在内部翅片球形胶囊中的石蜡 PCM 传热增强的影响。游吟等人以管壳式相变储热系统为研究对象,以强化储热系统的换热能力为目的,基于拓扑优化原理,建立了二维相变储热系统模型,对储热系统模型的传热能力进行了研究,讨论了不同肋片设计对于传热能力的影响。阮世庭等在探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中的传热特性。关标等人对相变材料的储放热过程进行了仿真,获得了某型相变材料吸热、散热工作过程的温度变化曲线,验证了相变材料的储放热特性。近年来,对相变材料热物性的测量、相变传热过程以及相变储能装置的研究成为研究热点。

本文作者在前人的研究基础上，结合实验室现有条件，设计一套基于球形相变单元的储热装置，通过试验验证，分析球形相变单元在放热过程的换热特性及影响因素,为储热装置实际工程应用及设计提供参考。

1 相变储能试验台

1.1 试验设备及平台

此次试验的试验台原理及实物分别如图1、图2所示，主要由蓄热水箱、恒温水箱、变频泵、流量表、管路及缓冲水箱搭建而成。储热水箱规格为600 mm×650 mm×550 mm。经过多次循环试验，得出试验平台循环管道均采用导热系数较低的橡塑海绵包裹处理，水箱外部采用导热系数为0.025 W/(m·K)且厚度为50 mm的保温材料聚氨酯包裹可有效降低热损耗。水箱外部分别设置内径为25 mm的溢流口、出水口、进水口和排污口，水箱底部加装孔内径为10 mm的均流板，以保证水流稳定上升,避免水流湍急，进水采用下进上出的方式。

图1 试验平台原理

图2 试验平台实物

1.2 相变储热装置设计

如图3所示,相变球球壳原料为聚丙烯，球壳壁厚为1～1.5 mm，具体参数如表1所示。试验中的PCM选材为石蜡，其热物性参数如表2所示，相变球整体密度比水小，故采用瓦克化学胶水将球单元与托盘进行粘结，相变单元密封采用焊锡锅将聚丙烯原材料熔化后滴在开口处以达到密封效果。

图3 相变球实物

表1 相变球具体参数

表2 石蜡热物性参数

水箱内部不同直径相变球摆放方式如图4所示，k型热电偶主要放置在水箱进出水口，水箱上、中下部及PCM内，具体位置如图5所示。温度巡检仪型号为AT4340，温度巡检仪每20 s记录一次温度，后处理曲线每200 s取一个点作图。

图4 水箱内部相变单元

图5水箱内热电偶测点位置

2 试验

2.1 试验前期准备

(1)试验前期工作。将锅炉内水温加热至80 ℃，打开进水口及输送热源的阀门，同时启动温度巡检仪记录相变单元温度变化，直至相变单元不同测点均为80℃时，达到试验初始条件。

(2)放热试验。暂时关闭变频泵，使系统停止循环，将锅炉内水温降低至试验所需入口温度，打开变频泵使冷源流入水箱内进行循环，当所有测点温度达到入口温度时，试验完成。

2.2 试验分析

2.2.1 凝固特性分析

循环试验过程中流量为0.1 m/h，入口温度为30 ℃。图6所示为水箱内布置直径50 mm相变球时不同层相变球的平均温度随时间变化曲线。可知：放热过程总体分为3个阶段：初期温度下降较快的液态显热放热阶段；中期温度基本均匀的潜热放热阶段；后期温度下降较慢的固态显热放热阶段。在放热初期阶段时，相变球内PCM为液态，热量的交换传递主要由自然对流所引起；上层相变单元温度略低于下部，这是因为水箱进水方式为下进上出，下层相变球最先接触到热源，故其温度上升稍快于上层。随着放热过程的进行，PCM逐渐由液态转为固态，能量交换主要由自然对流转化为导热。

图6 不同层相变单元平均温度随时间变化曲线

2.2.2 不同直径相变单元

此次试验采用控制单一变量的方式改变相变单元直径，入口温度和入口流量分别保持在30 ℃和0.1 m/h，结果如图7所示。可知:在维持PCM总质量在一个较小范围内浮动的情况下，单元直径为70 mm时潜热放热完成时间为4 680 s，总放热完成时间为18 800 s；单元直径为50 mm时潜热放热完成时间为3 240 s，总放热完成时间为17 460 s，相比于70 mm相变球换热效率提升了7%；单元直径为38 mm时潜热放热完成时间为2 620 s，完全放热完成时间为16 360 s，相比于70 mm相变球换热效率提升了13%；单元直径为25 mm时潜热放热完成时间为2 080 s，总放热时间为13 840 s，相比于70 mm相变球换热效率提升了26.4%。这是因为随着相变球直径减小，相变球数量逐渐增加，单元个数也增加，换热面积也随之增大，一方面单个相变球接触面积的减小也一定程度上降低了冷源与相变单元之间的接触热阻，另一方面随着相变球直径减小，PCM厚度逐渐减小，在放热过程中PCM由液态转为固态，随着凝固的PCM越来越多，只有减少相变球直径才可以降低传热热阻，从而达到提升单元换热效率的目的。综合考虑经济性等方面因素，直径为38 mm的相变球和直径为25 mm的相变球经济成本较高，且制作过程中误差较大，故后续试验中选取50 mm球进行研究。

图7 不同直径相变单元平均温度随时间变化曲线

2.2.3 不同间距相变单元

为研究相变单元之间排列间距对装置放热效率的影响，根据水箱尺寸设计3种单元布置方式。其中，方式a间距由下至上层增大，分别为90、100、130、140 mm；方式b间距由下至上每层间距均相同；方式c间距由下至上层逐渐缩小，分别为140、130、100、90 mm。试验中采用控制单一变量的方式改变层间距，入口温度和入口流量分别保持在30 ℃和0.1 m/h，结果如图8所示。可知：方式c潜热放热完成时间为3 860 s，总放热时间为18 040 s；方式b潜热放热完成时间为3 240 s，总放热时间为17 460 s，相对于方式c换热效率提升3%；方式a潜热放热时长为2 420 s，总放热时间为16 660 s，相对于方式c换热效率提升7%。故可得出，方式a和c对整体蓄热效率影响较小。综合考虑后续对采用间距排列方式b且直径为50 mm的相变球进行试验研究。

图8 不同层间距下50 mm相变球平均温度随时间变化曲线

2.2.4 不同入口流量和入口温度

通过控制入口流量或入口温度等单一变量来探究整个试验系统的放热性能。不同入口流量与不同入口温度工况条件设置分别如表3和表4所示。

表3 不同入口流量工况

表4 不同入口温度工况

如图9所示，当入口流量为0.1 m/h时，潜热放热完成的时间为3 240 s，总放热时长为17 460 s；当入口流量为0.2 m/h时潜热放热完成时间为2 280 s，总放热时长为15 420 s，换热效率相对于入口流量0.1 m/h提高11.7%；当入口流量为0.3 m/h时，潜热放热完成时间为1 080 s，总放热时间为9 880 s，换热效率相对于入口流量为0.1 m/h提高43.4%。故可得出，随着入口流量的增大，不仅加强了冷源的流动性，而且还加快了冷源与相变单元的交换速度，从而提升了整个装置的换热效率。

图9 不同入口流量下50mm相变球平均温度随时间变化曲线

图10所示为不同入口温度下的放热曲线。可知：在保持入口流量为0.1 m/h时，随着入口温度逐渐降低，放热时长逐渐减少。入口温度分别为25、30、35 ℃时，PCM的潜热放热时间分别为2 440、3 240和4 380 s，PCM总放热时间分别为15 460、17 460和19 600 s；与入口温度为35 ℃相比，入口温度为25、30 ℃时，换热效率分别提升了21.1%和10.9%。这是因为降低入口温度，一定程度上加大了PCM与冷源的温差，较大的温差会增强水箱内水流的扰动，从而加快PCM吸收冷源的速率，减少放热时间，提升放热效率。

图10 不同入口温度下50 mm相变球平均温度随时间变化曲线

3 结论

本文作者设计了球形相变单元并搭建了试验平台，通过试验法对装置蓄热性能影响因素进行研究，结果表明：

(1)在PCM总质量保持一致时，球形相变单元直径越小，整个相变装置放热时间越短，放热效率越快。综合经济性因素考虑，直径为25、38 mm的相变球经济成本较高，且试验过程中所引起的误差也较大，直径为50 mm的相变球为最优选择，可为相变蓄热装置的设计提供参考；

(2)通过改变不同层间距可得出，层间距的改变对此次试验中的放热效率影响较小，在后续研究中应该合理选择层间距，尽可能减少不必要的工作量；

(3)随着入口流量的增大和入口温度的降低，整个装置的放热效率逐渐增大，且增幅较为明显。综合装置使用寿命及安全性考虑，试验中应尽可能选取较大的入口流量和较低的入口温度。