小体积封装式相变蓄热容器蓄热结构研究进展

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摘要：蓄热技术可以实现热量的存储和转移。小体积封装式蓄热结构可以强化蓄热。介绍了小体积封装式相变蓄热器的基本原理及特点。对目前国内外小体积封装式蓄热器强化换热方法进行了阐释和举例分析，尤其从内部结构方面。认为蓄热器的设计应该发展成一门系统的学科，而更加轻质量、蓄能密度大的蓄热器应作为今后的研究方向。

关键词：蓄热器；相变蓄热材料（PCM）；换热流体（HTF）；小体积封装式；强化换热

【分类号】：TB34

0 序言

蓄热技术是最基本的热量存储方法之一，可以实现能量在时间和空间上的转移。蓄热技术可以用于电力上的移峰填谷、太阳能晚间利用、余热和废热的回收等，对节约能源、提高能源利用效率、保护环境等有重要意义[1]。相变蓄热有蓄热密度大以及蓄热温度稳定的优点。相变蓄热器可以分为整体式和小体积封装式两类，整体式蓄热器属于传统的蓄热容器，小体积封装式蓄热器是近些年发展起来的，为了改善整体式蓄热器的缺点和更进一步强化换热。小体积封装式蓄热器在近些年发展迅猛。

1 小体积封装式蓄热器

1.1 小体积封装式蓄热器原理及特点

小体积封装式蓄热器的最基本思路是将PCM封装在一个个独立的小容器（“胶囊”）内，这些小容器按一定顺序布置在相变蓄热器内部空间，或者直接堆积在相变蓄热器内，HTF冲刷这些小容器表面，与其里面封装的PCM进行换热。小体积封装式蓄热器的最大优点是增大了换热面积，提高了容器蓄、放热速度和蓄热器热效率。小体积封装式蓄热器内部有很多空隙，为材料相变时体积的变化提供了充分的适应空间，所以热应力的变化对容器寿命影响较小。这种蓄热器内部一般不单独设蓄、放热管道，冷热HTF在不同时间从封装PCM的小容器之间的空隙流过进行蓄、放热。目前这种蓄热器的最大缺点是成本较高，并且封装相变材料容器的体积越小，制作难度越大。图1[2]是一种堆积床式小体积封装式蓄热器，PCM封装在很多小球内部，小球堆积在容器内部，HTF通过小球之间的空隙流过。

图1 堆积床式小体积封装式蓄热器

1.2 蓄热过程的传热问题与热分析

相变传热是一个复杂的过程，对于该类问题，一般要考虑如下方面：①固液两相界面的移动；②相变时，伴随着密度的变化产生孔穴、膨胀等现象；③热传导和管内外壁的热对流；④穿过孔穴的辐射和蒸发、凝结热交换[3]。并会作如下假设：①PCM各项同性，物性取常数；②传热过程按2维传热问题处理；③可以忽略PCM侧传热壁面的自然对流；④HTF为湍流状态，不可压缩，且忽略其沿流动方向的热传导；⑤整个容器是绝热的[4][5]。对于该类传热问题很难使用解析法进行求解，目前常用的方法是近似分析法或数值分析法[6]。焓法属于数值分析法，其主要思路是在不考虑相变边界的情况下建立能量方程，通过数值分析求出计算区域内的焓值分布，从而跟踪相变界面，模拟传热过程[3]。

1.3 小体积封装式蓄热器研究进展

随着小体积封装式蓄热器的不断发展，板式、环形等很多小体积封装形式随之产生。图2[7]为几种典型的小体积封装形式。

Pablo Dolado等[8]设计并研究了一种板式蓄热器用于空调系统。PCM被铝皮封装成薄板（PCM板），PCM板表面有很多凸点，能加强掠过其表面空气流的湍流程度以强化换热。其研究表明PCM板厚度在2mm-10mm之间时，蓄热器的蓄、放热量变化不大，并且随着PCM板厚度的增加有微减趋势；当PCM板长度大于1m时，随着其长度的增加，蓄热器的蓄、放热量略有增多，但是PCM板的长度为0.5m时，蓄、放热量相对于1m长的薄板而言大幅减少；PCM板之间的距离在5mm-20mm之间时，蓄、放热量变化不大。以上研究为板式蓄热器的内部结构设计提供了指导，但是Pablo Dolado更注重的是对现有实验结果的理论模拟和误差分析，而对蓄热器的换热系数和强化换热方面没做过多的研究。K. Nithyanandam等[9]对PCM填充在管道之间（模型1）和PCM封装在管道内（模型2）两种蓄热器的传热性能进行了试验研究，发现模型2的蓄、放热速度较模型1快，但是模型2的蓄、放热总量比模型1的小；对于模型2，K. Nithyanandam在管壁镶嵌了不同数量的热管，其作用类似于肋片，几种热管布置形式如图3，实验表明放热过程中，在12h末，光管中PCM融化了55.05%，而4-HP管道（图1 （e））中融化的相变材料最多，为73.26%；2-VHP管道中单位长度热管所对应的蓄、放热量最大。K. Nithyanandam在小体积封装的基础上结合了整体式蓄热器常用的肋片强化换热技术，为蓄热器的强化换热提供了新思路。

图2 几种典型的小体积PCM封装形式 （a）球形，（b）柱形，（c）板式，（d）蜂窝式

图3 镶嵌热管的小体积封装形式 （a）两根竖管，（b）两根横管，（c）三根管（倒Y形），（d）三根管（Y形），（e）4根管

在设计小体积封装式蓄热器时，传热过程分析及简化方法与整体式蓄热器的相同。材料选择方面也跟整体式蓄热器的选材思路相同，从封装材料的强化换热及容器的保温角度考虑，同时鉴于封装成本问题，小体积封装蓄热器的加工工艺也是一个需要考虑的重要因素。

2 总结及展望

本文对蓄热技术的优点进行了说明，指出小体积封装式相变蓄热器能够强化换热的优点。对小体积封装式蓄热器的基本换热原理和基本换热结构布置方法进行了说明。指出蓄热器内部蓄热结构强化换热的最基本思路为：增加换热面积。结合目前该领域研究现状，以强化换热为出发点，列举和分析了部分典型换热结构。为小体积封装式蓄热器的设计提供了思路。

但是目前蓄热器内部结构的设计方法并没有换热器那么成熟，也还不完全属于一门系统的学科。这和相变蓄热过程的复杂性、PCM的性质各异、蓄热结构的多样性、以及蓄热技术往往作为一种补偿用能手段而很少需要非常严格的热性能方面的计算等有关。笔者建议蓄热器内部结构的强化换热应从如下方面入手：

① 始终以质量轻、蓄能密度大、蓄放热效率高的蓄热器为研究方向；

② 提高小体积封装式蓄热器的空间利用率，增加蓄热器的蓄热总量，减少设备工艺成本；

③ 对一些关键技术开展相应的实验研究。

随着人们节能意识和环保意识的加强，蓄热技术在废热利用、能量存储和转移等方面将取得更加广泛的应用，小体积封装式蓄热器也将在蓄热技术的强化传热方面得到迅猛发展。

[参考文献]

[1] Mehling H， Cabeza L F. Heat & cold storage with PCM： an up to date introduction into basics & applications （Heat & mass transfer） POD[J]. 2008.

[2] Regin A F， Solanki S C， Saini J S. Heat transfer characteristics of thermal energy storage system using PCM capsules： a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2008， 12（9）： 2438-2458.

[3] 崔海亭， 袁修干， 侯欣宾. 高温固液相变蓄热容器的研究与发展[J]. 太阳能学报， 2002， 23（3）： 383-386.

[4] 李志永. 太阳能相变蓄热供暖系统理论及实验研究[4]. 北京工业大学， 2011.

[5] 廖海蛟， 凌祥. 高温肋板式蓄热器蓄/放热特性的数值模拟[J]. 太阳能学报， 2010， 31（003）： 345-350.

[6] 郭宽良， 传热学， 孔祥谦， 等. 计算传热学[M]. 中国科学技术大学出版社， 1988.

[7] Wei J， Kawaguchi Y， Hirano S， et al. Study on a PCM heat storage system for rapid heat supply[J]. Applied thermal engineering， 2005， 25（17）： 2903-2920.

[8] Dolado P， Lazaro A， Marin J M， et al. Characterization of melting and solidification in a real scale PCM-air heat exchanger： Numerical model and experimental validation[J]. Energy Conversion and Management， 2011， 52（4）： 1890-1907.

[9] Nithyanandam K， Pitchumani R. Computational studies on a latent thermal energy storage system with integral heat pipes for concentrating solar power[J]. Applied Energy， 2012.

作者简介：张新春（1990-），男，硕士研究生，研究方向为蓄热技术和海水淡化。