1、第39卷第1期2012年1月Vol.39,No.IJan.,2012華北電力大學學報JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity流體溫度及流速對鋁管內石蠟傳熱性能的影響甘雪菲，何正斌，伊松林，張璧光(北京林業大學材料科學與技術學院，北京1燦83)摘要：分析了鋁管外換熱流像溫度及流速時偌管內石靖儲放然性能的影響，并通過簡化君蠟相變模型,反推得到放熱過程中液相石蜻區域半徑。結果表明：風速越大，儲熱時間越短，最短的儲然時間為1380s,屬于溫度為80笆、風速為3m/s的情況；在一定溫度下，風速越大，管壁溫度下降題快，放然時間越短；通過反推液相區半技發現，政速越

2、小，石蜻凝回越慢.放熱結束時的液相區越大；技小液相半徑出現在空氣溫度為80T,風速為1.5m/s的情況下，其依為4.19mm。關鍵詞：相變儲格；石蠟；熱傳導；新固半徑中圖分類號：QO5I.8+92文獻標識碼：A文章編號：1007-2691(2012)01-0087-06Theeffectofairtemperatureandvelocityonheat-conductingpropertyofparaffinfilledinaluminumtubesGANXue-fei,HEZheng-bintYISongdin,ZHANGBi-guang(CollegeofMaterialSciencean

3、dTechnologytBeijingForestryUniversity.Beijing1OOO83.China)Abstract:Theeffectofairtemperatureandairvelocityonheattransferperformancewasstudiedinthispaper.Theradiusofliquidzonewasoblainedwithinversemethodbasedonasimplifiedphase-changemodel.Theresultsshowthat：thelargerthewindspeed,thetimetostoreheatiss

4、horter.Theshortestlimeis1380secondswith80Yairtemperatureand3m/sairspeed;Inacertaintemperaturetthelargerthewindspeedtthemorerapidlythetubewalltemperaturedropsandtheshortertheexothermictimeis;Itisfoundfromradiuscalculationthatthelowerthewindspeed,themoreslowlytheparaffinsolidifiesandthelargertheareaof

5、liquidzoneisattheendofexothermicprocess;Theleastradiusofparaffinliquidzoneis4.19mmwith80Yairtemperatureand1.5m/sairspeed.Keywords:phasechangeheatstorage；paraffin;heatconduction;solidificationradius。引言為了使能址在供需上得到較好的匹配，儲熱系統已經成為能量利用的重點研究對象，在太陽能利用、電力的“削峰填谷”、廢熱和余熱回收等領域口具有廣泛應用前景。一般而言，儲能系統對能量的作用至少包含兩次能雖轉換過

6、程，而每一次轉換過程都會使能做有所損失或貶值。因此，提高儲熱系統的能破轉換效率，其意義不收稿日期：2011-08-30.矗金項目：教育部新世紀優秀人才支持計劃“木材太陽能F燥相變儲熱系統特性及優化匹配的研究言而喻。儲熱材料的種類繁多，有機類相變儲能材料具有無過冷及析出，性能穩定，無毒，無腐蝕等優點其中石蠟類有機物除具有有機化合物的優點外，其相變潛熱量大、相變溫度范圍廣、價格低，所以在相變儲能材料的研究使用中受到廣泛的重視。然而，與其他材料相比，石蠟作為儲熱材料最大的不足則是導熱性能較差，人們對此展開了大量的研究。文獻6基于集總參數法和矩形相變等效比熱假設建立了相變材料的相變過程溫度模型。文獻7

7、對相變潛熱隨溫度變化的變溫固液相變過程進行了數值分析計算，并重點分析了相變潛熱隨溫度變化對相變過程的影響。文獻【81對石蠟的導熱性能進行改進，為石蠟作為儲熱材料更為廣泛的應用提供了實驗基礎。文獻9用導熱系數比較高的不銹鋼片，銅片和石墨-相變材料復合材料作為添加劑來提高導熱流體與相變材料之間的導熱系數，結果表明，通過添加劑可以大大縮短相變儲熱材料的熔化時間和凝固時間。文獻10通過金屬泡沫來增加石蠟的導熱系數，結果表明，在石蠟熔化過程中，金屬泡沫可以將傳熱速度提高一倍。文獻11研究了周列殼管式蓄熱設備，重點對技術等級石蠟的熔化凝固過程做了相應的傳熱分析。文獻12基于集總參數法和矩形相變等效比熱假設

8、建立了相變材料的相變過程溫度模型。文獻13選取殼管式單元體進行傳熱分析，建立數學模型編制程序選取初始參數進行算法演示，得到石蠟蓄熱、放熱過程中水流溫度-水流經過的管道-時間、水流經單元體管道的換熱量-水流經過的管道-時間、石蠟凝固/熔化半徑-不同管道-水流循環次數等關系量間的變化曲線，對儲熱系統的設計起到了很大的指導作用。文獻14對不同溫度下石蠟的熔化情況進行了研究，得出了石蠟熔化的規律，并提出了改進石蠟導熱性的辦法，為石蠟作為儲熱材料更為廣泛的應用提供了實驗基礎。在實際使用時，并不都是大ht石蠟聚集在一處，而是被分散地盛裝在小規格的容器中。試驗中石蠟裝在直徑為20mm的鋁管中，大量鋁管按照一

9、定的順序排列起來形成儲熱管束。由于管徑較小，鋁管的體積限制了石蠟相變時的各種運動。比起大空間下相變過程受對流、固液共存區域移動等的影響，管內相變過程更多地受制于鋁管的條件，如鋁管厚度、鋁管導熱性能、管外風速風溫等。該系統儲熱放熱是較復雜的熱最傳遞過程，其中涉及到石蠟各相區之間的熱傳導.石始與鋁管壁之間的熱傳導以及空氣與管壁之間的換熱。石蠟中心與管壁的溫差反映了石蠟管導熱性能的好壞，而導熱性能則影響著空氣與管壁的換熱性能。因此本文對石蠟管管壁溫度與石蠟中心溫度的關系進行了研究，并通過簡化相變模型反推了放熱過程中液相石蠟的半徑，為進一步探索儲放熱過程中鋁管內石蠟的傳熱性能打下基礎，同時給類似的儲熱

10、系統的設計提供參考依據。1材料與方法1.1試驗材料與設備石蠟：54號半精煉石蠟，熔點54潛熱r=189kj/kgo鋁管：外徑20mm,內徑18mm,長度240mmo儲熱單元：將石蠟熔化后灌裝于鋁管中，單根鋁管灌裝量為0.04kg,鋁管兩端用膠塞密封。儲放熱系統：可控溫加熱系統，循環風機，熱線風速儀，叉排管束（如圖1所示，長度285mm,寬度350mm,高度240mm,st=54mm,$2=40.5mm,管排數為7）。數據采集系統：溫度傳感器TP100熱電偶，數字巡檢儀，電腦。圖1叉4$管束儲熱系統Fig.1Staggeredtubebankthermalstoragesystem1.2試驗方法

11、試驗過程中.空氣溫度分別取607080丁，風速分別取1.5,2,2.5和3m/s,在每個給定的試驗條件下，通過傳感器實時監控并記錄18個測溫點（分別是儲熱系統的進口、出口，各3個;鋁管外壁溫度4個；管束內部空氣溫度4個；石蠟中心溫度4個）并得到各個測點的平均值。（1）實驗步驟儲熱過程：打開電加熱器，加熱空氣溫度至603C,然后調節風機變頻器，使60弋的干空氣以1.5m/s的風速流過石蠟管束，加熱石蠟。當石蠟中心溫度升至60丁時，儲熱完成。（2）放熱過程儲熱完成后立即關閉加熱器，打開排氣口，將空氣熱址帶走（模擬實際應用，假設熱址12經使用)，以使放熱過程順利進行。當儲熱系統進口溫度等于或者大于出

12、口溫度時，試驗結束，即完成一個放熱過程。改變溫度及風速條件，重夏上述步驟，直至完成所有實驗。2結果與討論2.1溫度與風速對石蠟儲放熱性能的影響如圖2所示，在儲熱過程中，石蠟前期升溫很快，而在大約54T開始，石蠟中心溫度呈緩慢上升狀態，除了由于石蠟需要吸收大址潛熱以外，空氣溫度與管壁溫差的逐漸減少也是導致儲熱換熱效果下降的主要原因之一。在風速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，儲熱時間分別為4740s,4320s,3860s,3780s,放熱時間分別為3120s,2420s,2240s,2200so在放熱過程中，風速越大，溫度曲線越陡，即石蠟管壁溫度以及石蠟中心溫度下降越快

13、，并R放熱時間越短。(a)風速為1.5m/s/S間時/S何時(d)風速為3m/s(b)風速為2m/s(c)風速為2.5m/s石耕中心管壁il度空代溫度ffl2空氣溫度60T不同風速時石心放熱曲錢TheheatnloragrandreleasecurveofparalTinwith60Xairtemperature于一致。雖然由于石蠟釋放大所潛熱，使得放熱8070605040302080，3020觀察圖3儲熱過程可以發現.在空氣溫度為807060504。3020(a風速為1.5m/s(b)風速為2m/$石蠟中心管壁溫度(c)風速為2.5m/s空代溫度20/S間時(d)網速為3m/s圖3室氣溫度7

14、0T不同風速時石蠟儲放熱曲線Fig.3Thehealstorageandreleasecurveofparaffinwith70XairtemperatureFig.2由傳熱學知識可知，空氣橫掠管束的換熱過程中，空氣與管壁的溫差是影響換熱效果的關鍵因素之一。在其他條件一定的情況下.空y與管壁間的溫差越大，換熱效果越明顯，即換得的熱最更多。在儲熱過程中，空氣與管壁的溫差隨著儲熱的進行而逐漸減小，空氣溫度基本決定了石蠟儲熱最終溫度。在放熱過程中，空氣與管壁的溫差起初較小，然后逐漸增大，在放熱即將結束時乂逐漸減小。石蠟中心與管壁在儲熱過程中溫差不大，而在放熱開始時立即產生溫差，并迅速增大，在放熱即將

15、結束時溫差縮小，二者溫度趨期間管壁與空氣的溫差增大，促進換熱，但是管壁溫度曲線并不似石蠟溫度曲線那樣具有孤度,并FL比起石蠟中心與空氣的溫差，可見損失不少。由此可知，熱量從鋁管外傳遞至石始中心,其傳熱過程是較為順利的，而當熱址從石始中心要:傳遞到鋁管外則有一定的困難。隨著溫度升高，儲熱時間逐漸縮短。圖3中，在70龍儲熱溫度，風速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，鋁管石蠟的儲熱時間分別為3000s,2720s,2520s,2280s,放熱時間分別為3680s,3040s,2480s,2340so70龍的條件下，管壁溫度與石蠟溫度溫差較空氣為60T條件下的溫差有明顯增大，并

16、且隨著風速增加，管壁溫度更接近于空氣溫度。可以知道，在該條件下，石蠟與管壁的熱傳導效果不如空氣與管壁的換熱效果，鋁管溫度受空氣溫度以及風速等管外因素影響更甚。由于該放熱過程前期是顯熱釋放，圖3中石蠟中心溫度的線的弧度更好地反映石蠟釋放潛熱的相變過程。比較圖3(a)至圖3(d)可以看出,圖3(a)中的石蠟中心溫度曲線的孤度最為明顯,說明石蠟在釋放潛熱時，其熱最并沒有及時傳遞到鋁管外，而是停留在中心處，使得石蠟中心長期地維持較高的溫度。低風速使得石蠟管束儲熱系統在空間上換熱更均勻，但是換熱效果較差。如圖4,在80Y儲熱溫度，風速為1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的條件下，鋁管石蠟的W

17、807060504030201003-號(a)風速為(b)風速為2m/s(c)風速為2.5m/s(d)風速為3m/s石姑中心一1?壁溫度空氣溫度圖4空氣溫度80T不同風速時石蠟儲放熱曲線ThehealKtorageandreleasecurveofparaffinwith80TairtemperatureFig.4儲熱時間分別為1760s,1860s,1700s,1380s,放熱時間分別為3820s,3060s,2660s,2480s。相比低溫儲熱，高溫儲熱的溫度曲線對石蠟吸收潛熱時的反映較不明顯。并且管壁與石蠟中心溫差較小。可以認為該溫度下，石蠟管儲熱的導熱性能較好。圖4(a)為所有試驗的放

18、熱過程中，唯一能明顯看到管壁溫度曲線呈現弧度，與石蠟中心溫度曲線相似。由此可知，就本實驗而言，風速為1.5m/s,初始換熱空氣溫度為80勾條件下，石蠟與鋁管的放熱導熱性能最佳。另外，比較60T,7080七的放熱曲線可以知道，換熱空氣初始溫度越高，停止放熱時石蠟中心的溫度越低，即有效放熱溫度區間更長°如在風速為2m/s條件下，60P的放熱區間為57.9341.55無，80無的放熱區間為77.4038.053C。2.2利用簡化模型反推凝固半徑將鋁管內石蠟看作圓筒的穩定導熱，由于鋁管K度L=240mm與外徑d=20mm之比大于10,近端處軸向溫度變化忽略不計，溫度只沿半徑r方向變化，整個放

19、熱過程視作一維熱傳導，其等溫面是與管壁同軸的圓柱面。把鋁管石蠟分為3大部分，七為石蠟液相區半徑,I為鋁管內徑，r,-r,為石蠟固相區，心為鋁管外徑，L為鋁管壁厚，如圖5。在放熱過程中，隨著石蠟放熱凝固，石蠟的液相區將逐漸減小，視模型液相區各處溫度與液相區中心，即石蠟中心溫度相同。圖5鋁帶內石蠟模型Fig.5ThemodelofparafGnfilledinaluminumtube根據穩定導熱公式(1)反推液相區半徑,從而可以得到鋁管石蠟放熱過程中，石蠟的凝固狀態。Qn=;(1)frifi,r,式中：a為石蠟放熱的熱流最，叩遙為鋁管長度,m；T,為石蠟中心溫度，K；7為鋁管外壁溫度，K；k、為固

20、相石蠟導熱系數，“/(mK)；奶為鋁管的導熱系數少為所求石蠟液相區半徑，mm；弓=9mm為鋁管內徑；6=10mm為鋁管外徑。所求石蠟液相區半徑結果如圖6所示。從計算結果圖6可以看到，石蠟最終沒有完全凝固。01000200030004000時間/s01000200030004000時間/sEE0*12S:S*§04.區S海01000200030004000HM/S(c)溫度為80C風速LSm/s風速2.0m/s風速2.5nVs“風速3.0m/s圖6石蠟液相區半徑Fig.6TheradiusofparafGnliquidzone當放熱結束后取出石蠟管觀察，中心呈松軟的熔融狀，可見石蠟仍儲

21、有少部分熱量不能釋放出來。石蠟釋放潛熱時，液相區半徑以較慢的速度減小，當潛熱釋放結束后，石蠟急速凝固，液相區半徑急劇減小。最小半徑值為4.19mm,出現在空氣溫度為80X：,風速為1.5m/s的情況下，與石蠟管放熱導熱性能達到最佳時的條件相符。這是因為風速越小，石蠟凝固越慢，凝固越充分，與之前提到的，低風速下石蠟導熱更穩定均勻相吻合。并且由前面對空氣溫度的分析比較可知，空氣初始溫度越高，停止放熱時石蠟中心溫度越低，故石蠟凝固越多，液相區半徑越小的低溫條件較高溫條件換熱更不充分，由于在液相區半徑較大的情況下換熱已經停止，導致石蠟殘留的熱傳較多，在實際應用中應盡域避免熱量的浪費。從石蠟液相區初始半

22、徑的數值變化以及放熱終了時液相區呈現熔融狀態等可以知道，在簡化的模型中計算難免存在一些誤差。為了建立精確的相變模型，不僅要考慮固液共存區域，同時仍需要考慮中空現象。因為鋁管內石蠟凝固時，受管壁影響，固態石蠟附著在鋁管內壁，中心呈窩狀下陷，這就容易導致中間形成空洞，實際情況將更加復雜。3結論(1) 空氣溫度越高，風速越大，則儲熱換熱效果越好，儲熱所需時間越短，最短的儲熱時間為1380s,屬于溫度為80無、風速為3m/s的情況。低溫儲熱更能反映石蠟吸收潛熱的情況。(2) 在一定溫度下，風速越大，放熱時間越短。管壁溫度下降越快，溫差增大，可換得熱扯更多。較低的風速，對于石蠟管束儲熱系統，在空間上換熱

23、更均勻，熱量的釋放也較為緩慢，但是容易導致熱量集中在石蠟中無法被換取出來，造成能量的浪費。(3) 通過反推半徑發現，風速越小，石蠟凝固越慢，放熱結束時的液相區越大，最小液相半徑出現在空氣溫度為80T,風速為1.5m/s的情況下，其值為4.19mm。該方法推算石蠟凝固半徑對建立精確的相變模型具有一定的參考價值,對在實際中影響甚至控制放熱過程有一定的指導意義。參考文獻：1王守濤.蓄能式空調系統中有機相變材料的研究D.大連：大連海事大學，2008.2MondalS.Phasechangematerialsforsmarttextiles：AnoverreviewJ.AppliedthermalEng

24、ineering.2008.(28):1536-1550.3WangJF,XieHQ,XinZ.ThermalpropertiesofheatstoragecompositescontainingmultiwalledcarbonnanotubesJJournalofAppliedPhysics,2008,113537(104)：1-5.4MithatA,OrhanA,KamilK.Experimentalstudyonmelting/solidificationcharacteristicsofapurafGnasPCMJ.EnergyConversionandManagement,2007

25、,(48)：669-678.5ShuoP,AlanF,WirtzRA.PolymericphasechangecompositesforthermalenergystorageJ.PolymerEngineeringandScience,2003,(93)：1240-1251.6張東，周劍敏，吳科如.相變儲能材料的相變過程溫度模型.同濟大學學報(自然科學版)，2006,34(7):928-932.7劉中艮，馬故芳，孫旋.相變潛熱隨溫度變化對固-液相變過程的影響J1.太陽能學報，2003.24(2):53-57.8謝望平，朱冬生.汪南.等.石蠟熔化蓄熱的實驗研究J.廣東化匚,2008.35(1)

26、：10-13.9Mazman,Muhsin,Cabeza,LuisaF,ctal.HeattransferenhancementoffattyacidswhenusedasPCMsinthermalenergystorageJ.InternationulJournalofEnergyResearch,2008.v32,n2,p135-143.10 ZhouD,ZhaoCY.Solid/iiquidphasechangeheattransferinlatentheatthermalenergystorageC.ProceedingsoftheASME3rdInternationalConfere

27、nceonEnergySustainability2009,ES2009,v2,p863-869.11 TrpA.Anexperimentalandnumericalinvestigationofheattransferduringtechnicalgradeparaffinmeltingandsolidificationinashellandtubelatentthermalenergy參考文獻著錄格式1專著序號作者.書名M.版次（第I版不寫）.出版地：出版者，出版年.（專著中的析出文獻應注明起止頁碼）示例：U孫家廣，物長青.計算機圖形學M.北京：清華大學出版社,1995.2SkolinkM

28、LRadarhandbookMj.2ndEdition.NewYork:Mcgraw*Hill,1990.2譯著序號作者.書名M.譯者.出版地：出版者，出版年.（專著中的析出文獻成注明起止頁碼）示例：】霍斯尼RK.谷物科學與工藝學原理Mj.李慶龍，譯.北京：中國儀器出版社，1989.3期刊序號作者.題名J.刊名，年，卷（期）：起止頁碼.示例：I金顯賀，王昌長，王忠東，等.一種用于在線檢則局部放電的數字濾波技術J.清華大學學報（自然科學版），1993,33（4）:62-167.2KucheikoS,ChoiJW,KimHJ,e（al.CnmputerarchitectureaquantitativeapproachJ.JournalAmericanCeramSoc,1997,80（1!）：2937-2940.4論文集序號作者.題名c論文集名.出版地：出版者，出版年：起止頁碼.示例：1）張佐光，張曉宏，仲偉虹，等.多相混雜纖維復合材料拉伸行為分析c/第九屆全國復合材料學術會議論