使用复合相变材料的相变蓄热器——蓄热器换热蓄热特性研究

摘要

本研究提出了一种新型的重力热管式高温相变蓄热器,使用高温金属盐/膨润土颗粒状固液相变材料作为蓄热材料在蓄热器中堆积出多孔质蓄热层.复合蓄热材料中的固液相变材料由两种金属盐混合而成,相变温度在200℃到250℃之间,包裹壁材料是无机膨润土.使用萘作为重力热管式蓄热换热器相变传热工质.在蓄热阶段,萘蒸汽作为热源工质直接在蓄热层中颗粒表面进行冷凝放热将热量传递给蓄热材料储存.同时冷凝水留存在多孔质蓄热层缝隙中.在放热阶段,颗粒蓄热材料放出热量加热留存的液体萘成为萘蒸汽.萘蒸汽上升到蓄热器上部加热冷却表面再次冷凝后滴落回到蓄热层.依靠传热介质的蒸发/冷凝相变传热将热量由蓄热材料传递给冷却管内工质.这一蓄热/放热机理类似于重力热管.不同于以往各类接触式或者非接触式的蓄热器,本蓄热器中蓄热材料与热源/冷源的吸放热以材料表面传热工质汽液相变反复循环的方式实现.这一新颖的设计摆脱了蓄热材料导热系数低和传热面积有限的束缚,将传统蓄热器中蓄热材料与热源/冷源的吸放热过程由导热和对流转换为液膜蒸发和冷凝相变,使得蓄热器的吸放热性能极其出色.本文对此新型蓄热器蓄热/放热性能进行了一些初步的实验研究,在理论上对蓄热/放热过程温度变化、蓄热器各组件蓄热放热功率分配、颗粒材料和传热工质温差以及换热系数进行了简化计算.研究结果表明,在相变蓄热放热阶段蓄热材料和换热介质的温差非常小,温度变化几乎同步,整体系统具备优良的蓄热/放热性能.