翅片管蓄冷单元相变凝固过程热性能实验研究

唐文学 1 张宇 3， 2 张泰恒 2 原郭丰 2

中国科学院电工研究所 北京 100190

中国矿业大学力学与土木工程学院 江苏徐州 221116

摘要：在相变蓄冷单元内增加环形翅片，对以水为蓄冷介质、导热油为传热介质的相变凝固过程进行了实验研究。分析了在不同传热介质温度以及不同流量下，翅片管蓄冷单元内部的温度响应。研究结果表明：通过对多工况下参数的分析结果表明，传热流体雷诺数应满足Re＞4000对蓄冷效果更好；传热流体温度越低，蓄冷速度越快。

关键词：翅片管；相变蓄冷；实验研究；^

第一作者：唐文学（1981—），男，中级工程师，本科，主要研究热泵空调产品及系统运用。

1. 引言

建筑运行能耗占我国能源消费总量的21. 7% ^[1,2]。水冰相变的蓄冷技术是提升可再生能源高比例应用的最佳选择^[3,4]，在空气调节、食品储存等技术中得到了广泛应用^[5-7]。相变材料导热系数较低、凝固过程导热性能不断衰减，导致蓄冷系统充冷功率衰变，造成系统效率降低。如何提高蓄冷系统效率，是推进蓄冰技术应用的关键。

贺振国和訾洁等^[8,9]构建了一种流态冰蓄冷的形式，与常规冰蓄冷系统进行了比较，研究结果表明，采用流态冰蓄冷系统效率更高，蓄冷功率更为稳定。阮世庭^[10]等对板式相变储热器中不同的换热流体流速和温度对储热器的影响进行了实验研究，结果表明当换热流体温度低、流速高时，㶲效率高。孔凡红^[11]等通过在盘管上加纵向肋片，对其蓄冰、脱冰、储冰及融冰取冷工况进行实验研究，得出周期性的蓄冰、脱冰可以避免热阻的增加，降低蒸发温度；强化传热过程，提高蓄/释冷速率。王玮琦^[12]等研究了环肋翅片管的相变传热特性，利用分形理论优化翅片结构增强传热性能、提高温度均匀性。

提升相变蓄冷系统充放冷速率，优化相变过程充放热功率与系统蓄冷量之间的匹配关系、提升充放冷过程的灵活性是相变蓄冷系统的关键科学问题。本文对在不同传热流体温度和传热流体流态下蓄冷单元内的相变凝固过程进行了实验研究，为蓄冷系统的参数优化设计提供指导作用。

2. 蓄冷相变凝固过程实验

2.1实验系统

实验系统如图3所示，系统主要由相变蓄冷单元、恒温水浴、管道系统、体积流量计、热电偶、Agilent数据采集仪和电脑组成。实验系统包括传热流体循环模块、相变蓄冷模块和数据采集模块。其中相变蓄冷模块的蓄冷单元为主要研究对象。蓄冷单元由环形翅片管和有机玻璃管组成，铝翅片管被放置在有机玻璃管中，翅片在管周围等距分布，如图。其中翅片管半径R=15 mm，翅片高度p=12 mm，翅片间距d=8 mm，翅片厚度0.5mm。有机玻璃管高度L=400 mm，玻璃管以及翅片管的壁厚均为5 mm环形相变区厚度D=20 mm。

图1 实验平台示意图

图2 翅片管蓄冷单元

实验中的传热流体介质为Therminol D-12导热油，相变蓄冷材料为水，翅片管材料为铝。其中，传热流体、储热材料以及翅片管材料的物性参数如表1所示

表1材料物性参数表

材料	物性参数
	密度 /（kg/m3）	定压比热 / J/（kg·K）	导热系数 / W/（m·K）	动力粘度 /kg/（m·s）	相变潜热/（kJ/kg）
水	999.9	4212	0.57	0.001588		333
导热油	1036.85	3574	0.422	0.00503		-
铝	2700	900	238	-		-
有机玻璃	1155	1455	0.19	-		-

试验系统中的管道和蓄冷单元均采用导热系数小于0.038W/(m·K)的保温材料进行保温，以减少实验期间的热量损失。通过测量换热流体温度和相变材料温度来分析蓄冰装置的传热速率。其中图4为实验系统热电偶位置示意图，其中T1、T2、T3为蓄冷单元内顶部、中部和底部的温度测点，T4、T5测量进出口传热流体温度。

图3 实验系统热电偶测点位置

2.2实验步骤

在实验开始之前，需要通过恒温水浴调节旁通阀门进行内循环以降低传热流体温度，此时为传热流体降温阶段。在这个阶段，阀门1、3和4被打开，而阀门2被关闭。当达到设定温度后，打开阀门2，通过调节阀门3，使实验系统流量达到设定值。在实验过程中，采用热电偶测量温度，体积流量计记录传热流体的流量。其中热电偶的温度测量范围为−40°C至200°C，测量精度为±1%。体积流量计的测量范围为0.1-0.6 m3/h，测量精度为±1%。调节安捷伦34970A数据采集系统每10秒记录一次温度数据。

其中蓄冷介质初始温度为T=25℃。实验包括以下五种工况：（1）T_l=-5℃ ，Q=0.6m3/h，（2）T_l=-10℃，Q=0.6 m3/h，（3）T_l=-15℃，Q=0.6 m3/h，（4）T_l=-10℃，Q=0. 43 m3/h ，（5）T_l=-10℃，Q=0.35 m3/h。

3. 结果与分析

3.1不同传热流体流量的影响分析

图4为三种传热流体流量下蓄冷单元进出口温差的对比。其中这三种流量在该蓄冷单元的结构下，在蓄冷单元的圆管内的流动方式分别为Q=0.6 m3/h时为湍流（Re＞4000），Q=0.43 m3/h时为湍流与过渡流的分界值（Re=4000），Q=0.35 m3/h时为过渡流（2100Q= 0.35m3/h时的进出口温差明显比流量为Q=0. 43 m3/h和Q=0.6 m3/h时要小。这主要是因为流量为Q=0.35m3/h时，流态为过渡流，另外两个为湍流和逐渐转变为湍流时的状态，相比之下Q =0. 43 m3/h和Q =0.6 m3/h时，翅片管管内的流体的扰动更大，换热更充分。流量为Q =0. 43 m3/h和Q =0.6 m3/h时，二者的进出口温差重合度较高，表明在翅片管蓄冷单元内传热流动时，流态在接近湍流或处于低湍流状态时，其进出口温差的差别不大。

图4三种流量下的进出口温差

图5为在翅片管蓄冷单元内，内部测点的温度变化曲线图。从图5可知，三种流量下内部的温度曲线下降的趋势均一致，内部测温点经历三个阶段：首先是液态显热蓄冷阶段，温度下降迅速；然后为潜热相变阶段，水/冰开发生相变，能量以潜热的形式储存在相变材料中，温度变化为等温相变趋势；最后是冻结后固态显热蓄冷阶段。

从它们之间对比可得出，传热流体的流量越大，热量传递给蓄冷单元内的相变材料的速度越快，温度下降得越快，凝固时间越短。并且在三个位置的温度变化曲线中，流量为Q =0. 483 m3/h和Q =0.6 m3/h时，二者在前1000s时温度曲线重合度较高，说明在雷诺数达到4000以上后，流体传热的效果能得到明显的增强。而Q =0. 35 m3/h时，处于过渡流状态，其温度曲线下降的要明显慢于另外二者，凝固时间也需要更久。

（a）	（b）	（c）

图5三种流量下蓄冷单元内部温度变化（a）：T1的温度变化；（b）：T2的温度变化; （c）：T3的温度变化

3.2不同传热流体温度的影响分析

图6为在不同传热流体温度下，蓄冷单元进出口温差的对比。从图中可得出，在1000s前，三者的温差变化是基本一致的，此时蓄冷单元内处于一个液态显热蓄冷阶段。1000s后均开始等温相变阶段，此时进出口温差变化不大，等温相变过后，各自的蓄冷单元内部基本冻结完成，T_l=-5℃，T_l=-10℃和T_l=-15℃大约分别在时间为9000s,8000s 和4100s时的进出口温差下降速度开始增大。明显得出在T_l=-15℃时的温差下降的是最快的，表明冷量传输给蓄冷单元内的液态水更快，蓄冷单元内部的凝固时间越短。

图6三种温度下的进出口温差

图7为三种传热流体温度下，翅片管蓄冷单元内测点的温度变化曲线。从图中可以看出，在液态显热蓄冷阶段，三种温度下，三个测点的温度下降速度较一致；当进入等温相变阶段时由于传热流体温度不同，内部测点的温度下降速度的差异开始显现出来，很明显传热流体温度越低，蓄冷单元的测点温度下降得越快，凝固的时间也越短。并且由于T1点位于入口端，其温降速度是最快的，T2和T2分别处于中间和出口端位置，温降速度依次慢于T1点。

（a）	（b）	（c）

图7三种温度下蓄冷单元内部温度测点曲线图（a）：T1的温度变化；（b）：T2的温度变化; （c）：T3的温度变化

4. 结论

本文对翅片管蓄冷单元内相变凝固过程进行了实验研究。通过建立翅片管蓄冷单元实验平台，分析了在不同传热流体温度和传热流体流量下蓄冷单元内的温度响应。其结论如下：传热流体的流量选取时，应该选择在雷诺数Re＞4000以上，使得流动能够达到湍流的换热效果最好，蓄冷速度更快。传热流体的温度越低，蓄冷单元内部温度下降的更快，凝固速度也更快。因此在对相变蓄冷系统设计过程中，应选择合理的参数强化相变传热过程，以达到蓄冷性能优。

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