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新型相变材料换热器的研究及其实验

晨怡热管 (1.昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650224; 2.昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明 曹赵生1,朱孝钦1,胡 劲2,常静华1,杨玉芬1,全黄河 2010-3-4 1:43:33
摘要:传统的管壳式换热器是冷热两种流体通过管子壁面进行热量传递、使热量由温度较高的热流体传递给温度较低的冷流体的工艺设备,但它仅适用于进行热量交换的场合。为此,研究了一种新型相变材料换热器结构,其整体是以传统的管壳式换热器作为 结构基础、管内则充填满相变材料CaCl2·6H2O,一 系列实验研究结果表明,这种新型相变材料换热器结 构既具有热量交换的功能又具有热能储存的功能,因而,它适用于不仅需要进行热量交换而且还需要将热能储存起来的温室、暖房、工业生产中的余热、废热特 别是低品位热能的回收利用,同时还可以应用于热能供应与人们需求之间不一致的场合,如太阳能热利用、 采暖和空调领域等。
    关键词:相变材料;换热器;热能储存;热能释放;回 收利用
    中图分类号:TQ051.5;TK02文献标识码:A
    文章编号:1001-9731(2009)增刊-0705-04
    1 引 言
    随着现代工业生产的不断发展,对于能源的需求 也越来越大,同时,在工业生产过程中也必定会存在大 量的余热或废热,如何将这些热能得以回收与利用,并 努力使之实现既节约能源又减少污染的目的,确实是 人们一直在研究、探索和致力于解决的问题。还有,在 过程工业生产中,特别是化学工业或其它多种工业生 产过程中排放的工业余热或废热大多是间断的或不连 续的[1],怎样才能将这些不稳定的热能合理地回收和 利用,也正逐步成为热能储存技术中的一个重要的研究课题。
    2 传统管壳式换热器的结构及其局限性
    换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设 备[2],它主要用来将一种流体的热量传给另一种流体 的设备,在过程工业生产中由于使用场合、操作条件和 物料特性的不同有多种类型和结构,主要有混合式、蓄 热式、间壁式3种类型,其中间壁式又以管壳式换热器 应用最为广泛,因为它具有适用性广、坚固耐用、密封 性较好以及结构简单、易于制造、清洗方便、换热效率 较高等特点。
传统的管壳式换热器是冷热两种流体通过管子壁 面进行热量传递、使热量由温度较高的热流体传递给 温度较低的冷流体的工艺设备[3,4],在化工、石油、能 源、食品、制药等诸多行业部门都得到了广泛的应用, 其结构如图1所示,它是在圆筒形壳体中放置了由许 多管子组成的管束,管子的两端固定在管板上,管子的 轴线与壳体的轴线平行,通常是在其管程(管内)走温 度较高的热流体、在壳程(管外)走温度较低的冷流体, 从而使冷热两种流体通过管子壁面实现热量传递的目 的,人们对其进行了大量的传热分析与实验研究[5~10], 也有了较为成熟的传热理论分析和计算。虽然可以通 过强化管程技术(如将光管加工成为螺旋槽纹管、横纹 管、缩放管,管内增加插入物或锯齿形翘片或花瓣形翘 片)[11]以及强化壳程技术(主要通过改变管子外形或 在管外加翘片,改变壳程挡板或管支撑物的形式)[12] 使其传热性能和效率得到改善,不过,它仅适用于进行 热量交换的场合。然而,太阳能热利用以及多种工业 余热、废热特别是低品位热能的回收利用过程中不仅 仅需要进行热量交换,而且还需要将热能储存起来,这 样传统的管壳式换热器显然也就无法适用了。
                 
    3 新型相变材料换热器的结构与实验
    3.1 新型相变材料换热器的结构
    为了充分发挥传统管壳式换热器的传热效率较高 的优势并克服其不适于热能储存的局限性,使其在热 能的回收利用过程中可以适用于需要进行热量交换和 热能储存的场合,经过几年的探索,我们研究出了一种 新型相变材料换热器结构(见图2),其整体以传统的 管壳式换热器作为结构基础,但壳体为矩形,内装有7 排管子且每排由7根管子组成,整个换热器的外表面 还安装了厚度为50mm的石棉板作为保温之用;管子 的轴线与壳体的轴线垂直,所有换热管内则充填满相 变材料(CaCl2·6H2O);为了使换热管内的相变材料 能与流体充分接触,每排管子之间是错位排列的,其结 构示意图如图2所示,基本参数见表1。
                 
    3.2 新型相变材料换热器的实验
    为了验证这种新型相变材料换热器热传递效果、 热能储存与释放的性能,我们进行了一系列的实验研 究[1, 13~15]。在图2所示的新型相变材料换热器进出口 处的换热管中心位置及其管外安排4个测温点布置铜 镍合金热电偶,将各测点热电偶连接到Campbell Sci- entific数据记录仪和装有Campbell Scientific′s PC200W软件的计算机上,并与可调速的风机、带有温 度控制装置的电加热器一起通过管路连接成为一个完 整的测试系统,热能储存、释放过程的测试系统示意图 分别如图3、4所示,其图中所画的箭头方向即为空气 流的流程。对于整个测试系统,其实验程序是:(1)选 择空气作为流体介质,通过可调速的风机将流过相变 材料换热器的气流速度分别调至稳定的不同数值;(2) 对应于每一个气流流速,接通电加热器并通过温度控 制装置使进入相变材料换热器进口的空气流温度稳定 控制在40℃,通过实验测试系统连续测出各测点热电 偶的温度值;(3)对于已进行过热能储存的该换热器, 直接选择温度为16~17℃的室外冷空气作为流体介 质,同理,对应于每一个气流流速,通过测试系统连续 测出各测点热电偶的温度值。根据实验测试系统在热 能储存、热能释放周期中,连续测出各测点热电偶的温 度值,经整理后可以分别绘出在两个不同周期内不同 空气流速下,相变材料换热器进出口温度随时间变化 的分布图,在此根据文献[1]的实验结果只选择绘出空 气的质量流速分别为0.132、0.096kg/s时相变材料 换热器进出口温度随时间变化的分布图(见图5~8, 图中I、O分别表示在该换热器进出口测得的数据)。
                
                
    4 结 论
    根据新型相变材料换热器热传递、热能储存与释 放性能的一系列实验研究结果[1, 13~15],可以得到如下 结论:
    (1) 由于管壳式换热器结构本身就能起到热量 交换的作用,而换热管内的相变材料在特定的温度(相 变温度)会发生物相变化而具有热能储存的功能,因而 这种新型的换热器结构能同时具有热量交换和热能储 存两个功能。
    (2) 新型相变材料换热器的热能储存量包括显 热和潜热两部分,根据实测结果得出潜热部分所占的 热能储存量比例近似已达到80%。
    (3) 由于相变材料换热器热能储存是通过该换 热器所有换热管内相变材料(CaCl2·6H2O)吸收热气 流的热量来实现的,由于气流的流速是一个重要参数, 为了使相变材料换热器在同样的条件下储存尽可能多 的热能,最佳的途径就是尽量提高流过该换热器热气 流的流速。此外,这种相变材料换热器的热能储存量 大小还与其结构有关,若工程实际中需增大或减小其 热能储存量,则还可以通过改变该换热器的结构、换热 管数或尺寸来实现。
    (4) 经过热能储存的相变材料换热器在通入温 度低于该换热器管内相变材料(CaCl2·6H2O)的相变 转化温度的冷空气流后,该换热器换热管内的相变材 料(CaCl2·6H2O)就要释放其已经储存的热能而降 温,当温度下降至其相变转化温度(约为26℃)时,此 时管内的相变材料(CaCl2·6H2O)发生相变,由于换 热管内相变材料的相变潜热的热量很大,因此,该换热 器出口的气流温度在一定的时间内仍能保持恒温,这 也是传统管壳式换热器所不具备的、只有这种相变材 料换热器结构才具有的重要特征之一。
    (5) 要提高该换热器在实际应用中热能回收的效果,首先应根据工况中需要回收热流体的温度,合理选择好与之相适应的相变材料;其次,则是根据需要回 收的热能量,合理设计好换热器的结构、换热管数,使两者能相匹配。例如,鉴于研究中换热器结构管内充填的相变材料是无机水合盐(CaCl2·6H2O),其相变转化温度为室温,所以它主要适用于温室、暖房、空调或工业生产中各种低品位热能的回收和利用。
    总之,这种新型相变材料换热器能将温度较高的热流体的热能储存起来,必要时又可释放其已储存的热能,所以,它具有良好的热能储存与释放特性,既可 以应用于各种工业生产过程中存在的余热和废热的储存、回收与利用,也可以应用于热能供应与人们需求之间不一致的场合,如太阳能热利用、采暖和空调领域等。
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