高温相变胶囊梯级储热系统实验研究.pdf
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1、第 12 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.12 No.8Aug.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology高温相变胶囊梯级储热系统实验研究胡茜芮1,张朝阳2,洪芳军3(1上海交通大学中英国际低碳学院;2上海交通大学巴黎卓越工程师学院;3上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)摘要:中高温相变储热及再利用的方式是低碳经济与工业生产的有效手段。为了更高效地实现工业高温废热的利用,本工作设计搭建并测试了一套高温相变胶囊梯级储热系统,采用了两种不同相变温度的多元碳酸盐材料作为储热材料,对换热工质空气的不同进口温度和进口流量的储
2、放热过程进行了实验研究,研究内容主要包括储热罐中的温度变化、储热量以及储放热过程完成时间。实验结果表明在进口温度为500 的工况下,系统的储热量可以达到30000 kJ,系统进口流量的提高会缩短储热时间,对系统总储热量影响较小,并分析了不同工况下储热罐体内相变材料平均液相率对系统总储热量的影响。同时测试发现系统中设置的空气预热器使得系统的高温尾气与常温进气进行热量交换,可以有效实现高温尾气的余热利用。相变实验的研究结果为高温相变储热技术的实际应用提供了系统运行参数的影响规律和优化准则,具有很高的参考价值。关键词:相变胶囊;梯级储热;储放热特性;余热利用doi:10.19799/ki.2095-
3、4239.2023.0122 中图分类号:TK 11 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)08-2526-10Experimental study of high-temperature phase change capsule gradient heat storage systemHU Xirui 1,ZHANG Chaoyang 2,HONG Fangjun 3(1Shanghai Jiao Tong University China-UK Low Carbon College;2SJTU-Paris Tech Elite Institute of Technolog
4、y;3Shanghai Jiao Tong University School of Mechanical Engineering,Shanghai 200240,China)Abstract:The medium and high-temperature phase change heat storage and reuse is effectively achieve low-carbon economies and enhance industrial production.This study designs and tests a high-temperature phase cha
5、nge capsule step heat storage system to efficiently harness industrial high-temperature waste heat.The system uses polycarbonate materials with two different phase change temperatures as heat storage media and experimentally investigates the heat storage and release process under different inlet tem
6、peratures and inlet flow rates of the heat transfer air.The study mainly focuses on the temperature changes within the heat storage tank,the heat storage capacity,and the completion time of the heat storage and release processes.Experimental results show that the system can achieve a heat storage ca
7、pacity of 30000 kJ when the inlet temperature is 500.Furthermore,increasing the inlet flow rate of the system reduces the heat storage 储能系统与工程收稿日期:2023-03-09;修改稿日期:2023-03-25。基金项目:国家重点研发计划中日能源-环境产业联合研究平台(2017YFE0127100)。第一作者:胡茜芮(1998),女,硕士研究生,研究方向为高效相变储热技术,E-mail:;通讯作者:洪芳军,教授,研究方向为气液两相流动和相变传热,E-mail
8、:。引用本文:胡茜芮,张朝阳,洪芳军.高温相变胶囊梯级储热系统实验研究J.储能科学与技术,2023,12(8):2526-2535.Citation:HU Xirui,ZHANG Chaoyang,HONG Fangjun.Experimental study of high-temperature phase change capsule gradient heat storage systemJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(8):2526-2535.第 8 期胡茜芮等:高温相变胶囊梯级储热系统实验研究time while ha
9、ving less influence on the total heat storage capacity of the system.The influence of the average liquid phase rate of the phase change material within the heat storage tank is analyzed about the total heat storage capacity of the system under different operating conditions.Meanwhile,the study highl
10、ights the air preheater installed in the system,which facilitates the heat exchange between high-temperature exhaust gas and the normal-temperature inlet gas,effectively enabling the waste heat utilization from the high-temperature exhaust gas.The results of the phase change experiment provide valua
11、ble insights into the influence law and optimization guidelines of the system operation parameters for the practical application of high-temperature phase change heat storage technology,which has a high reference value.Keywords:phase change capsule;stepped heat storage;heat storage and exothermic pr
12、operties;waste heat utilization推动相变储热技术的发展是提高能源综合利用效率,促进电力系统改革与转型,帮助我国进入绿色减碳新时期的关键举措之一1。随着各工业领域的高温储热需求不断增加,与之相应的高效高温储热系统的设计研究也受到了广泛的关注。因此,高温相变储热系统的研究与应用具有不可估量的经济、社会以及生态效益,符合我国大力推进生态文明建设的可持续发展部署。梯级相变储热系统是根据换热流体在流动方向上的温度变化趋势布置具有不同熔点的相变材料以保持近似恒定的传热温差2,从而使得整个传热过程的效率更高。由于相变材料可能存在导热系数较低、具有腐蚀性、过冷度大等问题会影响整个
13、系统的传热性能3-5,可以选择将相变材料封装成胶囊的形式进行储热6。胶囊的表面使相变胶囊与换热流体之间的传热面积大幅提高,胶囊外壳多采用导热系数较高的材料制成,从多个角度实现系统传热性能的有效提高7。研究人员针对各类相变梯级储热系统进行了大量实验研究。Yuan等人8对包含三个储热单元的梯级高温相变储热系统的储放热过程进行了实验分析,相变材料选择了三种相变温度不同的三元碳酸盐。实验结果表明,梯级储热系统总储热量和总放热量比单级系统分别高出39.51%和35.74%。Peir等人9对熔点在150200 的相变材料苯二酚和d-甘露醇所构成的单级和梯级储热系统进行了实验评估,结果表明,梯级相变储热结构
14、相较单一相变材料结构储热效率提高了19.36%,这是因为换热流体的出口温度分布会更加均匀。马朝等人10搭建了相变材料为二元碳酸盐的高温套管式梯级相变储热系统,测试了相变材料的热物性参数以及储热系统的储放热性能。分析实验结果发现,在放热过程中相变材料存在一定的过冷现象。由于各处相变材料冷却速度不同,过冷度也存在差异,为了提高系统放热率应尽可能避免过冷现象。同时在相变材料侧设置肋片会有效均匀温度分布,提高系统平均储放热速率11。由于高温相变胶囊梯级堆积床储热系统投入成本高,设计搭建复杂,运行控制难度大,目前相关的实验研究内容仍不够完善,对储热系统各个工作过程的温度变化规律分析不够全面。本工作根据制
15、备的两种不同相变温度的相变储热胶囊完成设计并且搭建了一套高温相变胶囊堆积床梯级储热系统,研究了进口流量、进口温度等参数对系统储放热性能的影响,同时分析了系统的保温性能。1 相变材料与胶囊制备1.1相变材料选择无机盐类储热工质(氟化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐等)是中高温储热工质研究应用的主要方向,熔化后会形成传热和储热能力较好的熔融体,具有稳定性强、工作温度高、成本低等优势12,13。为了实现系统在高温下梯级储放热,本工作选择了两种相变温度分别为400、488 的相变材料,两种相变材料均由多元碳酸盐构成(下文用 PCM400、PCM488表示),并对两种相变材料进行了DSC测试和物性参数表征。相
16、变材料PCM400和PCM488的主要物性参数如表1所示。25272023 年第 12 卷储能科学与技术1.2相变胶囊制备流程本工作选择304不锈钢球作为相变胶囊的封装形式,可以利用其批量生产成本低和导热系数较高的优势,且作为相变材料的包裹材料其具有一定力学性能以支撑壳体在冷热流体交替中产生的物理变化以及内部相变材料在储放热过程中发生体积变化带来的热应力。制备相变储热胶囊的过程中首先要加工出相变胶囊的不锈钢球形壳体,并在顶部开一个用于灌装相变材料的圆孔,相变材料填充完成后进行胶囊的封装。相变材料受到高温加热时会由固相转变为液相,因密度减小导致体积膨胀,因此在将相变材料装入不锈钢壳体时需要预留一
17、定的余量。灌装相变材料时先将相变材料加热成熔融状态再进行灌装,设定胶囊填充率为80%,留有20%的空气在胶囊内部。为了保持高温相变材料处于熔融状态,采用马弗炉作为完成相变储热胶囊内部材料灌装的设备(如图1所示),并在相变材料灌装完成后采用焊接的方式密封相变胶囊(如图2所示)。相变胶囊制备完成后对高温相变胶囊进行热稳定性测试,观察制成的高温相变储热胶囊是否有泄漏现象。1.3密封性检验将封装好的相变储热胶囊并排叠放在耐高温支架上;将耐高温支架同相变储热胶囊一同放入马弗炉中,从常温25 经过60分钟升温到500,保持2小时;待马弗炉冷却后,观察相变储热胶囊内的相变材料是否流出及高温相变储热胶囊壳体表
18、面的氧化及受损程度。最终制备完成的两种相变材料的高温相变储热胶囊的理论储热量可由式(1)算出。EPCM=mpcp,s(Tm-Tini)+mp H+mpcp,l(Tin-Tm)+mshellcp,shell(Tin-Tini)(1)其中,前三项表示相变材料的显热和潜热储热量,最后一项表示相变储热胶囊壳体的显热储热量。Tini表示相变胶囊的初始温度,Tm表示相变材料开始发生相变的温度,Tin表示外界换热流体带来的温度,H表示相变材料的相变焓值。根据实际制成的相变储热胶囊半径为25.5 mm,胶囊壳体厚度为1.2 mm,相变材料填充量为80%,可以计算出对于相变材料为PCM400的相变储热胶囊,胶囊
19、壳体质量为73.88 g,内部相变材料质量为102.89 g,根据式(1)计算出当单个PCM400相变储热胶囊温度从25 上升到600 时,理论储热量为139.6 kJ,储热密度约为789.7 kJ/kg。对于相变材料为PCM488的相变储热胶囊,胶囊壳体质量为73.88 g,内部相变材料质量为105.78 g,根图2封装完成的相变胶囊Fig.2Encapsulated phase change capsule 图1马弗炉内加热灌装Fig.1Filling with heat in the muffle furnace表1相变材料PCM400和PCM488的物性参数Table 1Physica
20、l properties of phase change materials PCM400 and PCM488物性参数/(kg/m3)/W/(mK)cp/J/(kgK)L/(kJ/kg)Tm/K/kg/(ms)PCM40021400.4551500288.26730.0052PCM48822000.4501480263.07610.00522528第 8 期胡茜芮等:高温相变胶囊梯级储热系统实验研究据式(1)计算出单个PCM488相变储热胶囊温度从200 上升到600 时,理论储热为139.1 kJ,储热密度约为774.2 kJ/kg。2 实验系统本工作的高温相变胶囊梯级堆积床储热系统如图3
21、所示,主要包括风机、空气预热器、高温空气加热器、堆积床储热罐和数据采集控制系统,换热流体为空气。为了准确测试高温相变胶囊梯级储热系统的储放热性能,储热系统的各个子系统分工协作,分别包括:空气驱动及流量调节子系统、空气预热和加热子系统、梯级相变胶囊储热段、数据采集子系统以及实验环境辅助子系统。该储热实验系统的进口温度和空气的体积流量分别可达到550 和210 m/h。实验台子系统储热段的部分由储热罐和罐内堆叠的两种相变材料的相变胶囊以及输运空气的管道等组成。空气管道及储热段外部包裹有厚度为400 mm的石棉保温层,用于减少实验过程中的热损失。储热罐体内的相变胶囊采用梯级堆叠的方式堆放在罐体内的空
22、气分配器上,总共堆积13层,每层为19个,其中底部6层相变胶囊的相变材料为熔点是400 的PCM400,上面7层相变胶囊的相变材料为熔点是488 的PCM488。罐体内相变胶囊堆积状态如图4所示。为降低不同季节环境温度的变化对实验测试的影响,对系统的测试设定一个高于环境温度的初始值作为储放热过程中的储热起始温度和放热到达温图3高温相变堆积床梯级储热系统Fig.3High-temperature phase change stacked bed gradient heat storage system图4储热罐示意图Fig.4Schematic diagram of heat storage t
23、ank25292023 年第 12 卷储能科学与技术度。系统设定储热罐体参考的初始温度为200,即首先启动电热器和风机将储热罐系统预热到起始温度,待稳定之后再设定较高的储热温度进行储热实验测试。实验中通过不同阀门的关闭,实现储热过程、保温过程和放热过程三个功能部分。分别对应图3中的三条流动通路。如图5所示,实验的温度测试点分布在系统各个位置以及储热罐内,采用数据采集仪Keysight 34970A进行间隔为20 s的数据采集。2.1储热量对于整个高温相变胶囊堆积床梯级储热系统而言,理论储热量除了储热罐体内所有相变胶囊内部相变材料的显热储热量、潜热储热量、相变胶囊壳体的显热储热量,还包括整个储热
24、罐体部分的显热储热。由于储热罐体内装有相变温度分别为400 和488 的两种相变胶囊,所以系统理论储热量公式是分段函数的形式,本工作搭建的高温相变胶囊堆积床梯级储热系统不考虑运行过程中热量散失的理论储热量计算公式为:当储热罐体进口温度小于400 时,Estorage=Mp400cp400,s(T-Tini)+Mshell400cp,shell(T-Tini)+Mp488cp488,s(T-Tini)+Mshell488cp,shell(T-Tini)+mtankcp,tank(T-Tini)(2)当 储 热 罐 体 进 口 温 度 大 于 400 且 小 于488 时 Estorage=Mp4
25、00cp400,s(Tm400-Tini)+Mp400H400+Mp400cp400,l(T-Tm400)+Mshell400cp,shell(T-Tini)+Mp488cp488,s(T-Tini)+Mshell488cp,shell(T-Tini)+mtankcp,tank(T-Tini)(3)当储热罐体进口温度大于488 时Estorage=Mp400cp400,s(Tm400-Tini)+Mp400 H400+Mp400cp400,l(T-Tm400)+Mshell400cp,shell(T-Tini)+Mp488cp488,s(Tm488-Tini)+Mp488 H488+Mp488
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