怎么提高相变材料换热器热能储存量

由于相变材料换热器热能储存是通过该换热器所有换热管内相变材料(CaCl26H2O)吸收热气流的热量来实现的,因此,根据前面的理论分析可知,要提高相变材料换热器热能储存效果和强化相变材料换热器的热能储存性能,可以采取3种措施:

①尽可能增加热气流的流速;
②提高热气流的初始温度;
③延长热气流流过换热器的时间。当通入该换热器热空气流温度维持不变时,气流的流速越大,气流至管内相变材料的热传递速率越大,整个加热周期所需时间也越短。因此,气流的流速是一个重要参数,为了使相变材料换热器在同样的条件下储存尽可能多的热能,最佳的途径就是尽量提高流过该换热器热气流的流速,所以,第1种措施在实际工程应用中应重点考虑。

第2种措施提高热气流的初始温度,由于实际工程中流体的温度主要取决于工况,大多数情况下都是确定的,因此,实际工程应用中是难以实现的。

第3种措施延长热气流流过换热器的时间,这种作法实际也是不可取的,因为表面上好象使相变材料换热器热能储存量有所增加,但却增加了能耗且降低了该换热器热能储存的效率。由于相变材料换热器的热能储存量由显热和潜热2部分组成,并且潜热部分所占的热能储存量比例已近似达到80%,所以,为了提高其热能储存效率,其最佳时间就是当换热器出口处换热管内相变材料完成了整个相变过程的热能储存对应的时间。例如,根据图3和图4可知,该分布曲线是由第1段曲线、中间近似水平直线和第2段曲线所组成,显然,该分布曲线的中间近似水平直线和第2段曲线的交点应为最佳时间点,即当热空气的质量流速分别为0.132,0.096kg/s时,该相变材料换热器热能储存过程所用的最佳时间分别为540,643min。

此外,这种相变材料换热器的热能储存量大小还与其结构有关,若工程实际中需增大或减小其热能储存量,则还可以通过改变该换热器的结构、换热管数或尺寸来实现。

新型相变材料换热器热能释放过程的分析可以看出,已有热能储存量Q的相变材料换热器,其换热管内相变材料(CaCl26H2O)的初始温度接近于40℃,随着温度为1617℃的冷空气流连续通入,整个热能释放过程可以分析和总结如下:

①无论气流速度为多少,该换热器各测点在放热过程中的温度变化规律为:换热器进出口处管内外的温度起初都是急剧下降的,其温度变化曲线为陡降的;当温度下降至其相变温度(约为26℃)时,由于管内的相变材料发生相变而释放相变潜热,其温度变化曲线在一定时间内近似为水平直线;只有当所有换热管内的相变潜热全部释放后,管内相变材料和换热器出口气流的温度又会随时间的增加而逐步下降。

②该换热器换热管内的相变材料在降温过程中会发生相变,由于其相变潜热的热量很大,因此,该换热器出口的气流温度在一定时间内仍能保持恒温,这也是传统管壳式换热器所不具备的、只有这种相变材料换热器结构才具有的重要特征之一。例如,当温度为1617℃的冷气流的流速分别为0.132,0.096kg/s时,本实验的相变材料换热器出口的气流温度维持在20℃以上的时间各为594,717min。

③根据前面的理论分析以及实测结果(表4),若该换热器热能储存量Q为一定时,当通入该换热器冷空气流温度维持不变时,气流的流速越大,管内相变材料的放热速率越大,维持该换热器出口气流温度不变的时间也就越短。因此,气流的流速是一个重要参数,为了使相变材料换热器出口的气流温度在同样的条件下尽可能保持时间长一些,最佳的途径就是尽量降低流过该换热器冷气流的流速。