从三个方面简述中温相变蓄热系统的强化传热方法
发布者:zlj | 来源: 化工进展 | 0评论 | 5340查看 | 2019-10-30 11:22:03    
中温相变蓄热系统在太阳能热利用、余热回收等领域有广泛的研究与应用前景,但相变材料较低的热导率严重削弱了相变蓄热系统的热响应速率和蓄放热效率。针对这一问题,本文从提高传热系数、拓展传热面积、增大平均温差3个方面对近年来中温相变蓄热系统强化传热方法进行了综述。


通过分析可以看出,通过导热增强填料对相变材料进行改性时,应注意填料对导热和对流的共同作用,综合考虑填料对热导率、蓄放热时间等性能的影响;直接式相变蓄热系统重量轻,传热效率高,适合应用在移动式相变蓄热车中;梯级相变蓄热系统符合能量梯级利用理念,蓄放热效率高。在未来研究中,对导热增强填料的进一步改性、直接式相变蓄热系统、梯级相变蓄热系统及多种技术协同强化传热的作用机理和强化传热效果还有重要研究潜力与价值。


可再生能源的间歇性和波动性是其实现稳定供能的主要制约因素。相变蓄热系统(LHTESS)利用相变材料(PCM)在相变过程中吸收或释放潜热储存热量,可以将波动的能量输入转化为较为稳定的能量进行输出,具有蓄热密度大、相变过程中温度稳定等特点。将其应用在可再生能源系统中,可以提高可再生能源的稳定性和可靠性。


相变材料按照相变温度(Tm)的不同分为低温相变材料(<20℃)、中温相变材料(20~250℃)和高温相变材料(>250℃)。低温相变材料主要包括水、部分水合无机盐和有机相变材料。高温相变材料包括熔融盐、金属及合金。中温相变材料包括绝大部分水合无机盐及有机相变材料,在被动式建筑、太阳能热利用、余热回收等领域有广泛应用。


PCM普遍较低的热导率导致LHTESS的蓄放热效率较低,这已成为制约LHTESS广泛应用的主要瓶颈之一,强化LHTESS的传热性能一直是相变蓄能领域研究的热点之一。LHTESS传热强化方法分类如图1所示,包括提高PCM与传热流体(HTF)之间的传热系数,通过翅片、PCM封装等方法拓展LHTESS的传热面积,通过梯级相变蓄热系统来增大PCM与HTF的平均温差。本文针对近五年提高中温相变蓄热系统换热效率的技术进行了回顾与分析,并对未来的研究趋势和发展方向进行了展望。


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图1:LHTESS强化传热方法分类  


1.提高PCM与HTF的传热系数


1.1改善PCM的导热性能


1.1.1金属基填料


1.1.2碳基填料


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图2:预处理MWCNTs的过程


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表1:碳基填料改性方法及效果


1.2优化HTF入口参数


1.3采用直接式相变蓄热


2.拓展LHTESS的传热面积


2.1增加翅片


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图3:几种不同翅片结构


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图4:不同环形翅片结构


2.2封装相变材料


2.3采用三管换热器


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图5:三管式换热器三种翅片结构


3.增大PCM与HTF平均温差


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图6:梯级相变蓄热系统


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图7:多级锥形LHTESS的结构图


4.结语


稳定高效地利用可再生能源必然需要高效的蓄能系统,相变蓄热系统可以解决能源供需在时间、空间和强度上的不匹配的问题,已成为能源和环保领域的研究热点。本文综述了近年来LHTESS中各种强化传热技术的研究进展,主要包括提高PCM与HTF之间的传热系数,拓展LHTESS的传热面积以及增大PCM与HTF的平均温差3个方面,得出以下结论。


(1)导热增强填料可以有效提升PCM的热导率,但效果受填料在PCM中的分散性影响很大。通过向填料中添加表面活性剂或通过酸氧化等手段进行改性预处理,以提高填料在PCM中的分散性及相容性,可以进一步增强CPCM的热物理性能,改性方法的作用机制和效果还需进一步研究。


(2)对PCM进行改性时,应考虑填料对PCM导热和对流的综合作用以及对PCM其他热物理性能的影响。除了考虑对热导率的影响外,还应该考虑对PCM熔化凝固时间、相变潜热、相分离等的影响。


(3)在LHTESS中增加翅片是拓展传热面积最直接有效的方式,许多研究者针对翅片的数量、长度、厚度等几何参数进行了详细的优化分析,有效提高了LHTESS的蓄放热效率。采用PCM封装技术不仅可以有效拓展传热面积,还是提高PCM热导率、延长使用寿命、减小腐蚀性的有效手段,是十分有前景的技术方案。


(4)直接式相变蓄热系统具有传热系数大、蓄放热效率高、重量轻等优势。采用梯级相变蓄热技术可以在较低的成本下,提高HFT与PCM之间的平均温差,进而提高蓄放热效率。但目前在这两方面研究都较少。


(5)不同强化传热技术相互协同可以取得良好效果,如不同导热增强填料相互协同,优化HTF入口参数与梯级相变蓄热协同,翅片与三管换热器协同等,协同强化传热的效果和作用机理具有重要的研究价值和潜力。

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