热能存储热交换器中使用热管技术的研究(中文版)

Energyxxx(2016)1-10请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal.热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源(2016)，杂志主页:热能存储热交换器中使用热管技术的研究AmirAminia,JeremyMillera,HussamJouharab,*a科技中心Spirax-Sarco工程公司.RunningsRoad,Cheltenham,Gloucester,GL519NQ,UKb未来能源研究所,在食物链中使的可持续能源中心办事处(CSEF),工程学院设计和物理科学,BrunelUniversity,London,UK文章信息摘要文章历史：收到20151211收到修改后的版本2016213接受2016215网络上可获取xxx关键词：热能存储（TES）相变材料（PCM）充电（融化）放电（结晶）导热系数热管1.介绍2.热能存储系统一个高效和具有成本效益的解决方案对于存储工业余热供以后热能可以以显热或潜热的形式进行存储。显热热能存储系统可使用，进而提高工业生产过程的能源效率是必要的。TES(热能以通过提高液体或者固体媒介的温度而不改变它的相态来存储能存储)有储存能量供以后使用的能力,能够提高系统的可靠性和量。这种热能存储系统相对于它们的体积而言不能存储大量的能性能,减少可利用能源供应和需求之间不匹配的问题。TES已经量，也不能提供精确的温度控制。显热热能存储系统能存储能量以热贮水箱的形式在大多数建筑物中广泛地使用。目前有许多的多少取决于温度的差异，比热和储热媒介的数量[1,2]。一种热能存储系统和能量存储形式，比如显热，潜热，化学，机些常用的储热材料有砖、混凝土、油(如机油)和有机油脂(如乙械和电气类的热能存储系统。然而,由于潜热热能存储系统的储醇、丙醇、辛烷)，然而水被认为是最好的选择之一，这是因为能密度大、存储体积小和温度变化均匀，它已经开始受到越来它的可视性、低成本和高比热容的价值。显热热能存储系统的存越多人的欢迎。储容量可以由下面公式得出：*Correspondingauthor.Tel:[phone].E-mailaddresses:[e-mail](A.Amini),[e-mail](J.Miller),[e-mail](H.Jouhara).找到一个解决方案来存储工业余热以供未来使用,从而减少能源的使用，已经成为近年来的一个趋势。本文研究了潜热热能存储系统的性能，这种系统是使用一种相变材料在小体积范围内存储或者释放大量的能量，并与显热热能存储系统进行了对比。在这项研究中，通过将嵌入式翅片水热管道装入相变材料当中从而解决了相变材料低导热系数的问题。在这次研究中使用的热管和相变材料槽都是使用316L型不锈钢制成的。这项研究中使用的相变材料是PLUSICES89，它的熔点为89摄氏度，凝固点为77摄氏度。热管的蒸发段是通过冷凝蒸汽流来进行加热的。在蒸发段中吸收的热量然后通过热管的多足翅片式冷凝器被相变材料吸收。PLUSICES89的充电（融化）实验和放电（结晶）实验都进行了。在实验时发现，由相变材料造成的热阻在放电过程中高于充电过程。©2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。0360-5442/©2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。Energyxxx(2016)1-10请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal.热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源(2016)，上式中m是储热介质的质量(kg)，Cp是介质的比热容(J/kg.K)，相变材料能够转变的相态有固-固、固-液、固-气和液-气。Tf和Ti分别是末温和初温（℃），Cap是这个温度范围内的平均在固-固的相态变化中，唯一改变的是材料内部的晶体结构。比热(J/kg.K)[3]。它们的设计非常灵活以及它们的容器要求也比其它种类的相潜热热能存储系统是一个可供选择的热能存储系统，它们利用变材料更低[10]。然而,它们通常被认为只能提供少量的潜了相变材料的存储能力；对比于显热存储，当一种材料发生相变热。另一方面，固-气和液-气相变材料能够存储大量的潜时，它能在小体积范围内释放或者储存大量的能量。这些系统提热，但是，当它们相变时，它们的体积会发生改变，这引起供了存储大量能量的可能性，大约每单位体积能多存储5-14倍的了大家对热能存储系统中容器容量和其潜在可用性的担忧。热量，并且几乎能保持恒定的温度，这些是基于相变材料的相变固-液相变材料的潜热存储能力比液-气相变材料的弱，但是温度。根据不同的应用，一个热能存储热交换器可以使用一种能由于它们的体积变化小，所以被应用于许多的热能存储系统够在特定的操作温度下熔化和凝固的相变材料。对于这样的温度，中[11-14]。所选的相变材料会有一个比预期稍微偏高的熔点。当热交换器中相变材料的另一种分类方法是根据它们的性质来分类。更熔化的相变材料凝固时，能够将其存储的能量转移回循环流体中，具体地说，相变材料可分为有机的（石蜡或者非石蜡），无最终作为终端应用。潜热热能存储系统能够存储能量的多少由以机的（盐水合物或金属）和共晶体（有机-有机，无机-无机，下公式给出：无机-有机）。石蜡有一个很宽泛的温度变化范围，但是由于其昂贵的成本，只有技术等级的石蜡被用作于潜热热能存储系统中的相变材料。化学性质稳定、体积变化小、成本低、可视性以及无腐蚀性是这种技术石蜡的优点。然而，它们的导热系数低，易燃与塑料不兼容，这些因素减少了它们的实际应用[15]。上式中，m是熔化了的媒介的质量，Δhm是每单位质量的熔化热(J/kg)，绝大多数相变材料是非石蜡类的（如酯类、脂肪酸、醇Tm是相变材料的熔化温度（℃），Csp是初温和熔化温度之间的平均比及甘油醇），因为它们具备各种各样的属性[16]。基本上,热容(J/kg.K)，而Clp则是熔化温度和终温之间的平均比热容(J/kg.K)他们都是易燃的,具有高熔点,低热导率,轻度腐蚀性和潜在[3]。的毒性。相比于技术等级石蜡，非石蜡类相变材料特别是脂3.相变材料肪酸的主要缺点是它们的成本高。相变材料的选择是基于其热物理性质，动力特性和化学性质，盐水合物被广泛用作相变材料，因为在相变过程中，它以及经济方面的考虑。首先,最重要的因素之一是相变材料的相变们具有高的熔化潜热，高热导率以及微小的体积变化。它温度，它必须符合应用的操作温度的要求。然后,潜热大和密度高的其它特点是无腐蚀性，塑料兼容性和低成本[17]。盐水合的相变材料能够减少热容器的实际大小，而高导热系数将加强充物主要的问题是，它们会出现过冷状态以及它们在熔化过程电和放电过程的能量存储。此外，相变材料在相变过程应该保持中不能完全地溶解，随着盐成分在容器底部沉淀，在凝固过物理和化学性质方面的稳定以及体积变化小的特点。消除任何过程中它们不能与水分子相结合，这些导致了相变材料功效的冷的影响是很重要的,因为它可以影响甚至停止适当的传热。最后，降低。相变材料的成本和可用性对于材料的选择也起到了很重要的作用金属物质不能视为相变材料的最好选择，这是因为它们的[7-9]。重量的缘故。然而，它们具有高的热导率和高的单位体积熔表格1化潜热[3]。不同相变材料的熔点和熔化潜热[3].下表提供了一个关于一些最有潜力的相变材料的列表(见相变材料表1)。种类材料熔点熔化潜热4.潜热热能存储系统石蜡非石蜡盐水合物金属共晶体图1.热管换热器的工作循环[34]。Energyxxx(2016)1-10请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal.热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源(2016)，相变材料只能够存储热能；为了能够将能量从源头传递到相多层式的潜热热能存储系统，这种系统有着垂直放置的平行相变变材料中，再从相变材料传递到负载当中，传热介质与换热器材料板，以减少能源供应和需求之间的不匹配问题[20]。然后，相结合是必要的。因此，任何潜热热能存储系统的基本组成部Banaszek等人在一个螺旋热能存储系统中研究了相变材料充电和分是合适的相变材料-根据具体的应用,一个合适的换热装置和放电期间的行为[21]，而一年后，他们开发了这个系统的数值模容器必须与相变材料的相变相协调。型，并与之前的实验结果进行了对比[22]。Ismail和Henriquez提由于能源成本的上升，通过相变材料进行相变蓄热对于建筑出了储蓄槽的设计，配备有工作流体循环系统，充满相变材料的物节能、太阳能利用和工业余热回收也是一项重要的技术[11,球形胶囊被安置在槽中[23]。在相变材料存储或释放热能的过程14,15,18]。结果，大量的研究集中在了潜热热能存储系统的发中自然对流传热现象的存在已经被研究了。Jamal和Baccar数值研展上。究了相变材料-空气热交换器系统中的热传递现象，这个系统中使一个潜热热能存储系统带有一个热交换器和一组作为相变材用了内部和外部都有翅片的管子[24]。自然对流对相变材料(石蜡料通道的圆柱形管子在1978年第一次被Shamsundar和Sriniva-C18)凝固时间的影响和翅片数量对热传递速率的影响已经进行了san提出来[19]。在1996年，Brousseau和Lacroix介绍了一种研究。张等人对一种高性能的相变材料在潜热存储应用时的中心图.2.热能存储系统图纸Energyxxx(2016)1-10请在该出版社引用这篇文章：AminiA,etal.热能存储热交换器中使用热管技术的研究，能源(2016)，过在高温潜热热能存储系统中使用带有翅片的热管，使得能量的提取率提高了86%,热管的效率也提高了24%。5.热管技术使用相变材料进行热能存储是一个很具有吸引力的选择，但是相变材料的低热导率却是个问题。这是因为当充电或者放电的热量通过换热器的墙壁进入或者流出相变材料时，一层熔化或者凝固的相变材料会覆盖在换热表面上，从而抑制了相变材料和传热流体之间的热传递，这些促进了热能的传送或者移动。为了解决上面所讨论的低热导率的问题，各种各样的办法被提出来：将翅片附着在传热壁上，以及将高热导率的金属颗粒或金属环或碳纤维应用于相变材料中，这些方法是最受欢迎的[28-32]。然而,一个更有效的方案去解决大体积相变材料之间的热传递效率问题就是热管技术的使用。.基于热交换器的热管在许多工业领域中扮演着更重要图.3.不同相变材料样品温度对应下热流的DSC测量值。的角色，特别是在提高热回收效率、提高商业应用方面的节能以及提高热交换器的热性能。就能源管理和热回收而言，许多科研人员已经进行了环路热管应用的研究。温度进行了研究[25]。他们报告说,相变材料(RT100)和EG(膨胀热管被认为是超级热导体，这是由于它在小的温度梯石墨)相结合能显示良好的光热性能、良好的热存储/释放能力，度下具有高的热传递效率。最简单的热管形式称为热虹吸，并且能增强热导率。张和Faghri[26]通过使用一个内部翅片管，它们的运作依赖于重力，热量只能从热管的底部传递到热研究了潜热热能存储换热器中的强化传热。Khalifa等人[27]通管的顶部。一个热管,允许双向传输热量,称为非毛细热管。图.4.实验装置原理图Energyxxx(2016)1-10请在该出版社引用这篇文章：AminiA,e