0 引 言
随着我国人口城镇化率逐年升高,城市供暖需求和环保压力都越来越大,采用清洁能源——电能进行采暖供热是化解上述矛盾的主要途径之一,但电价高是目前电力供热推广应用的主要障碍[1]。如果在电价低的时段（如谷电）或弃风电、弃光电多的区域应用电热设备,并将电能转化的热能蓄存起来,在需要时对外提供,就可以大幅降低电力供热成本。因此,电热型蓄热器的研究具有重要的现实意义[2]。根据蓄热材料在蓄放热时是否发生相变,电热型蓄热器又分为无相变蓄热器和相变蓄热器。由于相变潜热远大于显热,所以相变蓄热器的蓄热密度高,输出能量和温度稳定,在建筑供暖、电力削峰填谷等领域的应用前景广阔[3,4,5,6]。但是,相变材料的低热导率限制了相变蓄热装置的性能。因此,目前对相变蓄热器的研究主要聚焦于强化传热,除了改善相变材料本身的导热性[7,8,9]外,创新设计相变蓄热器的结构也是主要研究内容[10]。
蓄放热特性。
将电能与相变蓄热结合起来的电蓄热技术也是相变蓄热的研究热点。目前,对于供热的电蓄热器概括起来主要有直接加热式[20,21,22]和间接加热式[23,24,25]两种结构形式。直接加热式是电加热器直接加热蓄热材料,蓄热材料再将热量传导给传热媒介。这种蓄热器的优点是结构简单,无额外功,缺点是蓄热材料导热系数低,电热器因散热条件差而实际功率大幅减小。间接加热式是电加热器加热传热媒介（一般是流体）,由传热媒介再与蓄热材料换热。由于流体的对流换热系数大,电热器的散热条件得到极大改善,实际功率效率可以达到标称值。而且流体换热器的换热面积容易增大（比如加翅片）,不受电热器自身结构限制,可以大大提高整体换热效率。但是,这种蓄热器的缺点是要使用流体循环泵,增加额外电功功耗。
针对以上两种电热型蓄热器存在的不足,本文借鉴管壳式换热器的结构,设计了一种蓄热时采用自然对流循环,放热时采用强制对流循环的新型电热蓄热器。
1 蓄热器设计
1.1 相变蓄热材料
该纳米共晶相变材料的主要成分包括常规相变材料、纳米级颗粒和稳定剂。在常规相变材料中加入纳米级颗粒后,常规相变材料潜热得到提高,导热显著增强,过冷度降低,稳定性增加,从而提高相变材料的热力学性能。经过测试,该纳米共晶相变材料的主要参数见表1。
Table 1 Thermal properties of the phase change materials with nanocrystals表1 纳米共晶相变材料热物性参数 |
| 参数 | 参数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 相变温度 | 88 | ℃ |
| 使用温度范围 | <110 | ℃ |
| 潜热量 | 140.54 | kJ/kg |
| 密度（固/液） | 1.63/1.43 | kg/L |
| 比热（固/液） | 2.21/3.29 | kJ/(kg·K) |
| 导热系数（固） | 0.72 | W/(m·K) |
1.2 结构设计
1.2.1 装置组成
相变蓄热材料封装在不锈钢制成的相变蓄热管中,相变蓄热管排穿过前、后管板以及各个上、下缺口折流板中间的圆孔,并被前、后封板密封在罐体内。PTC电加热棒从罐体下部垂直插入罐体内,避开蓄热管排。电源线在壳体外,并连接在电源上。在罐体内的管外空间充满水,进出水管分别布置在罐体顶部两侧。膨胀水箱和排水管作为辅助部件分别布置在罐体顶部和底部。本相变蓄热器的装置组成如图1所示。在该蓄热器中,相变蓄热管是主要蓄热部件,水是主要传热媒介,并兼有蓄热功能。电加热装置采用PTC热敏电阻,其表面发热温度可以在电压波动时保证一定的稳定性。根据管壳式换热器强化换热措施[29]及列管式相变蓄热器结构优化的数值模拟结果[30],本蓄热器相变蓄热管排以正三角形叉排排列,各单管管径48 mm,管壁厚2 mm,管长3 000 mm,管间距为57 mm。罐体内径1 440 mm,长3 000 mm,共布置相变蓄热管458只。PTC电加热棒共有16只,每只标况电功率为6 kW。
Fig. 1 Shell-and-tube latent phase change accumulator with electric heating图1 电热型管壳式相变蓄热器 |
1.2.2 装置运行原理
蓄热时,连接在进出水管管口的阀门关闭。PTC电加热棒通电加热罐体内的水,水受热后向上流动,罐体内的水产生自然循环。水在自然循环时将热量传递给相变蓄热管,管内的相变材料受热升温,达到相变温度后发生固-液相变,水的热量转化为相变材料潜热,直到相变结束,蓄热材料全部变为液态,蓄热过程结束。放热时,打开连接在进出水管管口的阀门。罐体内的热水在外部水泵驱动下流出蓄热器,成为供热热源,与供暖水在供热换热器中完成换热。降温后的热水流回蓄热器罐体内,并与相变蓄热管对流换热,吸热升温后流出蓄热器,再次成为供热热源。蓄热材料放热时发生液-固相变,释放潜热,直到相变结束,材料全部变为固态,放热过程结束。
1.3 蓄热量理论计算
Table 2 The calculation results of heat storage表2 理论蓄热量计算结果 |
| 参数 | 计算结果 |
|---|---|
| 蓄热器容积 | 4.88 m3 |
| 蓄热材料潜热量 | 406 807 kJ |
| 蓄热材料显热量 | 178 398 kJ |
| 水的总蓄热量 | 231 789 kJ |
| 钢的总蓄热量 | 37 504 kJ |
| 一个蓄热周期的总蓄热量 | 854 498 kJ |
2 实验系统
2.1 实验装置与测试方法
实验装置主要由电热型相变蓄热器、板式换热器、循环水泵、管道及各类阀门、涡轮流量传感器,温度传感器,功率仪,无纸记录仪等组成。实验原理及实物如图2,测量仪表信息见表3。测试蓄热工况时,罐体进出水管的阀门关闭,循环水泵不工作。为了得到罐内温度场的分布情况,将5只PT100温度传感器从上到下均布插入罐体内部测量水温,将6只PT100温度传感器从上到下均布插入不同相变蓄热管内测量蓄热材料温度变化情况。功率仪用来测量电加热棒的电功率和累计电量。测试放热工况时,开启罐体进出水管的阀门和循环水泵,罐内热水流过板式换热器对外放热（与10℃冷却水换热）,涡轮流量传感器测量热水流量。进出水管管口分别布置热电偶温度传感器来测量进、出水温度。无纸记录仪实时记录温度传感器和流量传感器的数据。
Fig. 2 Schematic diagram of experimental device (left) and experimental device of phase change heat accumulator with electric heating (right)图2 实验装置原理图（左）和电热型相变蓄热器实验装置（右） |
Table 3 Information of testing equipment表3 测量仪表信息 |
| 测量仪表 | 型号 | 测量范围 | 测量精度 |
|---|---|---|---|
| 热电阻温度传感器 | PT100 | -50 ~ 200℃ | ±0.25℃ |
| 热电偶温度传感器 | T型 | -200 ~ 260℃ | ±0.5℃ |
| 涡轮流量传感器 | LWGY-A | 1.5 ~ 68 m3/h | 0.5% |
| 功率仪 | PM5350P | - | 0.5% |
| 无纸记录仪 | MIKR8000D | - | - |
2.2 测试参数与数据处理
本实验的主要任务是进行蓄热器内部温度场分布的测量与蓄热器蓄放热性能的测试。由于目前暂无相关技术标准来评价相变蓄热器的性能,根据电热型相变蓄热器的特点,本文选择下述参数来测试本蓄热器的蓄放热特性。
（1）蓄热量
蓄热量是蓄热器的主要技术参数,本文设计的电热型蓄热器是将电能转化成热能并存储起来,因此,蓄热量可以由一个蓄热周期内,电热棒消耗的总电能乘以电热转换率求得,计算公式如式（1）:
${{Q}_{\text{x}}}=E\cdot \eta $ (1)
式中:Qx为相变蓄热器蓄热量,kJ;E为一个蓄热周期电加热棒累计用电量,kJ;η为电热转换效率,实测值为99%。
（2）蓄热功率
相变蓄热器的蓄热功率主要是相变蓄热材料单位时间内储存的热量。如果电热棒产生的热量可以完全被相变蓄热材料吸收,此时电热棒的电加热功率就是相变材料蓄热功率,计算公式如式（2）所示。
${{P}_{\text{x}}}={{P}_{^{_{\text{PTC}}}}}\cdot \eta $ (2)
式中:Px为相变蓄热器蓄热功率,kW;PPTC为电加热棒电功率,kW。
（3）有效蓄热系数
有效蓄热系数指的是蓄热器在一个蓄热周期内的实际蓄热量与理论计算值的比,计算公式如式（3）所示。
$\varepsilon ={E\cdot \eta }/{{{{{Q}'}}_{\text{x}}}}\;$ (3)
式中,${{{Q}'}_{\text{x}}}$为相变蓄热器理论蓄热量。
（4）放热功率
相变蓄热器的放热功率是蓄热器对外供热时相变蓄热材料单位时间内释放的热量,计算公式如式（4）所示。
${{P}_{\text{f}}}={{c}_{w}}\cdot {{q}_{w}}\cdot \left( {{T}_{o}}-{{T}_{i}} \right)$ (4)
式中,Pf为相变蓄热器放热功率,kW;cw为水的比热,取4.2 kJ/(kg∙℃);qw为循环水流量,kg/s;To、Ti分别为出水管管口水温和进水管管口水温,℃。
2.3 误差分析
实验测试中,数据处理结果会不可避免地存在系统误差。除了不可预测的随机误差外,系统误差
主要由实验仪器精度产生。因此,本实验误差分析只考虑测量仪表精度。定义实验结果y是互相独立的测量变量x1,x2,x3,… , xn的函数:
$y\text{ }=\text{ }f\left( {{x}_{1}},{{x}_{2}},{{x}_{3}},\ldots ,{{x}_{n}} \right)$ (5)
则y的标准误差Δy可以按式（6）计算
$\Delta y\text{ }={{\left[ \begin{align} & {{\left( \frac{\partial y}{\partial {{x}_{1}}}\Delta {{x}_{1}} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{\partial y}{\partial {{x}_{2}}}\Delta {{x}_{2}} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{\partial y}{\partial {{x}_{3}}}\Delta {{x}_{3}} \right)}^{2}}+ \\ & \cdots +{{\left( \frac{\partial y}{\partial {{x}_{n}}}\Delta {{x}_{n}} \right)}^{2}} \\ \end{align} \right]}^{\frac{1}{2}}}$ (6)
式中,Δx1,Δx2,Δx3,…,Δxn为所对应测量仪器的测量误差。本实验用到的实验仪器精度已在表3中列出。根据式（1）~ 式（6）计算得出Q和P的最大误差为3.1%,ε的最大误差为4.5%。
3 结果与讨论
3.1 温度场的分布
蓄热器在蓄热工况时,依靠热水自下而上的自然循环向相变蓄热材料传热。对外放热时,热水在罐体内被强制循环流动,并在折流板导流下与相变蓄热管做垂直对流传热。由于蓄、供热工况不同的换热方式,蓄热器在这两种工况的温度场也不同。为了研究温度场的分布情况,在罐体内的共布置了11只温度传感器,分布如图3所示,其中tw1 ~ tw5是测量水温的传感器,tm1 ~ tm6是测量相变蓄热材料温度的传感器。
Fig. 3 Location of the temperature sensors图3 温度传感器分布图 |
实验从常温开始蓄热,当罐内水温tw1达到98℃时,电加热棒停止加热,蓄热周期结束。然后打开进出水管的阀门,开启循环水泵,调节流量至6 m3/h,进入放热周期。当tw1下降到75℃时,关闭阀门和水泵,放热周期结束。图4为罐内热水、相变蓄热材料在蓄热周期、放热周期中温度随时间的变化曲线。由图4a可以看出,5个水温测点在蓄热过程中的温差较大,温度从上到下依次降低,最大温差值可达到4℃。在放热过程中,温差值缩小到2℃左右,依然是高位测点温度较高,低位测点温度较低。以上规律说明了罐内强制对流换热比自然对流换热的均温性更好,但由于流场的不均性,水温不可能完全达到均温状态。由图4b可以看出,相变蓄热材料在蓄热时由于各处水温的不同,导致各个蓄热材料棒的温度也不相同,温度分布规律与水温大致相同。放热时,蓄热材料在整个放热周期都是在相变温度点附近放热,因此温度始终保持在88℃左右（该相变蓄热材料的相变温度为88℃）。
Fig. 4 The temperature curve of temperature measurement points with time图4 电热型相变蓄热器内部测温点温度随时间变化曲线:（a）罐内水温测温点温度;（b）相变蓄热材料测温点温度 |
3.2 蓄热性能测试
该电热型相变蓄热器在蓄热时是依靠罐内热水自然对流进行传热,热量从电热棒表面传递到蓄热材料核心区域的整体传热系数是影响蓄热功率的主要因素。由于水的自然对流换热系数远大于该蓄热材料的导热系数,因此传热过程中的主要热阻在蓄热材料。本蓄热器以tw1水温作为蓄、放热工况控制参数,如果电功率过大而使水的温升速度超过相变材料温升速度,就会出现tw1水温达到98℃的放热条件而蓄热材料温度仍然没有达到或超过相变温度88℃的情况,从而失去相变蓄热的意义。因此,该相变蓄热器蓄热时,水与蓄热材料温度差必须小于10℃,此时电热棒的电热功率才等于整个蓄热器的蓄热功率。该蓄热器在这个前提下进行了蓄热性能试验,测试结果如图5所示。
Fig. 5 Curves of charging power and capacity with time图5 蓄热功率、蓄热量随蓄热时间变化曲线 |
由图5的蓄热功率曲线可以看出,整体蓄热功率随时间而降低,从开始蓄热时（tw1水温75℃）的96 kW逐渐降低到蓄热结束时（tw1水温98℃）的91.5 kW,平均蓄热功率为94.13 kW。整个蓄热周期结束时,该相变蓄热器的蓄热量达到216.61 kW∙h,换算成焦耳单位为779 796 kJ。因此,该蓄热器的有效蓄热系数为:
$\varepsilon ={779796}/{854498}\;\approx 0.91$
有效蓄热系数在本实验中实际反映了蓄热器在蓄热时温度场和流场的均匀性。当tw1温度达到98℃时,蓄热器内其他测温点的温度并未同步达到98℃,造成部分蓄热材料吸热不充分,在蓄热周期结束时没有达到理论最大蓄热量。
3.3 放热性能测试
放热实验时,将进口温度${T}'$ = 10℃、流量qw2 = 6 m3/h的冷水通入板式换热器,与从蓄热器流出的热水进行换热。放热功率Pf（换热量）由热水侧的蓄热器进出水管管口水温差（出水温度To,进水温度Ti）及流量qw1计算得出。在本次实验中,将qw1设定为6 m3/h,仍以tw1温度为98℃时作为放热周期起始时间,75℃时作为放热周期结束时间。每隔5 min记录1次水温数据,并根据该数据计算即时放热功率。根据图6所示的具体测试数据可以看出,在放热开始阶段,水温较高,放热功率处于最大值74.2 kW,但是随着水温不断降低,功率也相应不断降低。此阶段对外释放的热量主要来自罐内热水自身的热量。当热水温度逐渐降低到蓄热管温度以下时,相变蓄热材料开始传热给罐内热水,由于蓄热材料在释放潜热过程中相变温度基本不变,所以对外释放的热量可以保持相对稳定,到放热周期结束时放热功率缓慢降低到最小值51.8 kW。
Fig. 6 Curves of temperature and discharging power with time图6 温度、放热功率随放热时间变化曲线 |
4 结 论
（1）与电热管直接加热蓄热材料的蓄热器相比,本文蓄热器由于使用水作为电热管和相变蓄热材料之间的传热媒介,既使电热管的输出功率得到了提升,也由于水的自然对流传热使相变蓄热材料的换热效率得到了增强。
（2）在蓄热实验中,水是自然循环流动,没有外加驱动力,不需要额外功。在放热实验中,管壳式换热器结构可以使蓄热器内部相变蓄热材料及水的温度分布更加均匀。
（3）在蓄热周期（tw1水温从75℃到98℃）,本蓄热器的实际蓄热量为779 796 kJ,有效蓄热系数达到0.91,平均蓄热功率为94.13 kW。
（4）在放热周期（tw1水温从98℃到75℃）,当冷水温度为10℃,冷热水流量均为6 m3/h时,该蓄热器的放热功率随tw1水温的下降而减小,从最高74.2 kW逐渐减小至51.8 kW。当tw1水温降至相变温度以下时,放热功率趋稳。
综上所述,管壳式电热相变蓄热器单位体积的蓄放热功率比直接加热式相变蓄热器大,适用于风电、太阳能发电、波浪能发电等发电量波动较大的新能源发电设备在发电峰值时的电力消纳与存储,为解决弃风弃光问题提供了性价比很高的解决方案,具有较大的推广价值。