高效相变换热器.docx

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1、相变材料PCM的换热及其研究3.1.CPM传热的研究目的及意义相变储能材料(CPM)的利用主要体现在潜热的释放与吸收方面，所以，相变过程中材料本身的传热性能成为衡量相变材料适用与否的关键。在设计相变换热器时，同样要考虑储热材料的热物性和外壁边界条件对储放热过程的影响以及相变界面的运动规律。深入的相变传热分析对于相变材料的有效利用、系统的优化设计以及性能的预测具有重要意义。32PCM传热的特点相变传热问题有两个共同点：1)两相之间存在着移动的分界面或分界区域，直至相变过程结束。2)相变过程中有相变

2、潜热的释放或吸收。这类问题在数学上是一类强非线性问题，解的迭加原理不能使用，根据换热器结构形式不同，必须分别处理。同时还有其它自然对流、体积变化等不确定因素的影响，更使得相变过程传热的求解变得愈加复杂。目前仅对少数规则模型如半无限大、无限大区域且有简单边界条件的理想状况能够精确求解，对于多维相变问题一般只能用数值分析的方法处理。图3一1相变过程形态图3一1为相变过程形态图。此过程中，不断有热量通过边界层，假设图中过程为一熔化过程，则热量不断使固体熔化，液体层厚度增加，假设固体区亦处于熔化温度，则

3、需求解的仅为液体区温度分布。这类问题最早由Stefan于1890年研究北极冰原的熔化问题时提出，因而又称Stefan问题。更进一步精确模型应该考虑固体过冷区的影响，这时需求解液体与固体两个区域中的温度场，这种双区问题又称为Nemunan问题。最简单的Stefan问题作精确解可以得出一个重要的无量纲参数，称为Stefan准则，记做Ste:其中，c:为液体比热，wt为壁温，界为固相温度，气，为熔化潜热。Ste数值代表了液体区高于饱和温度的显热相对于熔化潜热的大小，一般情况下Ste《1。3.3PCM的

4、传热强化及研究PCM很大程度上并不具备良好的换热性能，因此在增强PMC的换热性能方面，做了很多研究，提出了很多有创意的理论和设想。关于相变换热的强化方法有很多种，其中各种不同形式的肋片管是较为常用的。L.F.Cabeza以冰蓄冷换热过程为例，分析了传热工程中的瓶颈问题，指出随着液一固界面的移动，热阻逐渐增加，热流密度逐渐下降。他提出这种问题可以通过强化传热来改善。在实验中他给出了三种方法，并对此做了对比分析。强化传热方法分别为加装不锈钢管束、加装铜管束和对PCM进行渗碳处理。另外他还发现，加装肋

5、片强化换热只对使用较高导热系数的CPM时才有明显效果。D.Buddhi分析了研究相变时液一固界面的两种方法研究，通常采用热电偶测温的方法，另外一种是光导纤维法，即从光学角度通过图象的变化反映相变。通过对比曲线图分析，发现光导纤维的测量结果要比热电偶准确，较能反映实际过程。J.Bnaaszek等将PCM（以石蜡即w一20为例）卷绕成层状圆柱形嵌入特制换热器中，通过试验分析其融化和凝固特性。探讨了影响总换热系数的因素及对换热器进行可用性分析。uJnFukai〔川等人曾研究过用石墨作为强化传热材料用于

6、PMC的相变换热。他们将碳纤维散布于PCM中，这些纤维所占体积比很小，且很容易散布。通过这种方法，显著增强了PCM的导热系数，实验样品为石蜡、丁苯聚合物等。为了提高石蜡、酉旨酸类PMC的导热能力.通常在其中添加金属粉末、石墨粉、金属网以及在封装壁加肋片，增强导热。AyerS和Flethcer综述了在金属网中加入石墨.以提高材料有效导热系数的研究进展。文中强调：加入石墨，可以显著提高材料的导热系数。我国梁新刚等和张娜等对两相混合或组合材料的导热能力的理论研究，以及对混合、共融PCM的LTES研究具

7、有重要的意义。Bugaje对20种低导热系数的PMC做了添加20%v/v星状铝肋片的实验，表明;储热（融化）时间减少2.2倍，放热（固化）时间减少4.2倍。Faghri及合作者对内肋化管内PCM的融化TLES系统进行了一系列研究，结果证实：内肋化可显著提高TLES的储热速率。另外，velarj等、陈钟顽等也进行了类似的研究，并得到相近的结果。王超等采用十七烷为相变工质，实验研究了水平圆管和两种肋管外的凝固过程。通过导热和自然对流两种控制机制下的实验，揭示了自然对流对凝固换热的阻碍作用、肋片管对凝

8、固换热的强化规律以及肋片管的放置位置对凝固量和凝固层形状的影响。清华大学〔川对板式相变换热器作了实验研究，建立了板式相变储换热器性能实验台，根据蓄冷装置在实际应用中的运行情况选择了实验工况（流量和温度），进行了相应实验，研究了不同因素对其储热特性的影响，整理出相应的蓄冷曲线、取冷曲线。模拟结果与实验结果基本吻合，从而为利用所建模型进行相变储能系统的设计和性能优化提供了可靠性支持。复合相变换热器技术与装置1技术简介煤、石油、天然气等均为含硫燃料，燃烧时都会产生二氧化硫、三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸