【word】 一种新型相变材料及其热管式换热器的研究

【word】 一种新型相变材料及其热管式换热器的研究 一种新型相变材料及其热管式换热器的研 究 l4制冷技术2010年第4期 一 种新型相变材料及其热管式换热器的研究 章学来米,于关,于树轩,林原培,施敏敏 (上海海事大学蓄冷技术研究所,上海200135) 【摘要】首先研究了一种新型的相变储能材料,通过对氢氧化钡晶体机理的研究,实验选择了其有效添加剂,最后通过DSC 测试对新型材料的熔点和潜热值进行了测定,验证了其高效稳定的蓄热性能.然后设计一套节能型热管式相变蓄热换热器,将 实验所得的相变材料运用其中.经实验,氢氧化钡加6%氯化钡蓄热体系,相变温度为76?一78?,过冷度在1oC左右,相变持 续时问大约在26分钟,该剂量能够较好的抑制分层,减小过冷度,保证放热速率,利用锅炉排放的烟气作为热源,采用热管作为 加热元件,并在烟气段添加环形翘片,加热冷水,成为集加热,蓄热,换热,保温等功能为一体的节能型热管式相变蓄热换热器. 【关键词】相变材料氢氧化钡烟气余热热管式换热器 Researchonanewphasechangematerialand relatedheatpipeexchanger ZhangXuelai,YuMei,YuShuxuan,LinYuanpei,ShiMinmin (ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,China) 【Abstract】 Anewphasechangematerialanditscrystalmechanismwereintroduced.Properadditivewasselected throughexperiment,andthelatentheatandmeltingpointweremeasuredbyDSCmethod.ResultshaveshownBa (OH)2?8H2Ohavinghighlyefficientandstableheatstorageproperties.Aset savingthermalstorageheat ofenergy— pipeexchangerusingBa(OH)2?8H2Oasthephasechangematerialwasdesigned.Theexchangerutilizesexhaust gasesfromboilersasheatsourceandheatpipeasheatingelement,addingringfinatthegassection.Thereforeit becomemulti—functionalheatpipeexchangerintegratedwithheating,thermalstorage,heatexchangeandheat insulation. 【Keywords】 phasechangematerial;Ba(OH)2?8H2O;exhaustwaste;heatpipeheatexchanger 0前言 蓄热材料作为节能技术的重要课题,受到各国科 学家的高度重视,成为一个十分活跃的领域.研究和 寻找蓄热密度高,相变温度合适,重复性良好的相变 材料是相变蓄热技术的关键.在研究物质相变过程 的能量传递的同时,还应注重物质本身的物理化学变 化.需要按照工程和产品的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 对相变蓄热材料进 行筛选,选择合适添加剂配方,反复试验验证其物理 化学性能是否满足多次使用后仍保持重复性良 好’.作为具有广泛应用的水合盐类相变蓄热材 料,目前存在的主要问题就是放热过程存在较严重的 过冷现象和相分离,影响了相变蓄热材料的放热稳定 性和使用寿命.相对放热过程,蓄热过程则比较稳 定.因此相变蓄热材料的实验及理论研究主要集中 在放热过程.而解决过冷和相分离问题行之有效的 方法即加入成核剂和增稠剂. 热管是一种具有很高传热性能的元件,它可将大 量热量通过其很小的截面积远距离传输而无需外加 动力,其工作温区从一273?一直到1000c【=.热管具 有其他传热技术所不具备的许多优点:卓越的传热效 率及可靠性,隔离性,低阻力,体积小,可控制等.因 此,热管及热管换热器已经在越来越广阔的领域取得 米章学来(1985一),男,博士,上海海事大学教授.通讯地址:海浦东新 区浦东大道1550号,邮编:200135.电子邮箱:xlzhang@shrntu.edu cn.基金资助:上海海事大学科技基金(项目编号:2008469) 2010年第4期制冷技术15 卓有成效的应用J.随着工业的迅速发展,能耗增 大与能源紧张的矛盾越来越严重.热管以其优良的 性能,在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充 分的重视,用热管组成换热器来回收废热,并将其用 于工业以节约能源. 目前世界上热管换热器的应用研究己经在回收 工业排气中的余热,电子元件和仪器的散热,以及在 自然能源方面和化学工程方面的利用等方面取得了 结果,进入了定型生产和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化阶段.在制冷空调行 业由于冷热流体间的温差小,热管及热管换热器技术 更能体现其优越性,使之成为实现制冷空调低能耗, 高效率,冷热源多样性,走绿色空调之路的现实技术 基础之一,在实现人与自然的和谐相处和可持续发展 方面,具有广阔的发展前景. 在实验基础上,针对蓄热温度比较空缺的低温范 围内的较高温度70?,85?,对结晶水合盐类相变 材料一氢氧化钡(Ba(OH):?8HO)的蓄热,放热性 能进行研究.同时,设计一种利用实验所得的相变材 料,采用热管作为加热元件的多功能节能型热管式相 变蓄热换热器. 1相变材料的实验与性能测试 1.1机理分析 氢氧化钡是无色单斜结晶或白色结晶,密度为 2.18g./em’,熔点72?,具有较高的相变潜热244kJ/ kg,溶于水,微溶于醇,不溶于丙酮,其水溶液呈强碱 性,在空气中极易吸收二氧化碳而成碳酸钡J.但 是氢氧化钡有毒,和较强的腐蚀性,对皮肤也有一定 的刺激性.使其在使用过程中有一定的局限性.但 如果将其和陶瓷基合理的结合运用,将其放人陶瓷机 体内,就可以有效地解决它这种缺陷.由重晶石高温 还原焙烧,浸取,静置澄清液与盐酸反应,生成氯化钡 溶液与过量烧碱于100oC,110?进行复分解反应. 1.2添加剂筛选实验 添加剂筛选实验中,选取了硫酸钡BaSO,氯化 钡BaC1,作为添加剂.分别将它们加入氢氧化钡中, 组成两种实验用氢氧化钡蓄热体系.通过对蓄热体 系相变温度和相变持续时间的测定,找出具有较好成 核效果的添加剂.选用如下几种组合. (1)纯物质氢氧化钡; (2)氢氧化钡中加入硫酸钡,其所占蓄热体系的 质量百分比为6%; (3)氢氧化钡中加入氯化钡,其所占蓄热体系的 质量百分比为6%. 第一组纯八水氢氧化钡融化凝固状态均很稳定, 过冷度小于3oC,相变过程大概持续26分钟左右,过 程平稳,但是在熔融状态出现分层现象,经观察分为 3层.第一层呈白色泡沫状,第二层呈透明状液体, 第三层呈白色沉淀状.凝固状态出现的状况与熔融 状态相同.可见,分层现象是氢氧化钡须解决的最大 问题.图1为根据组态王监控软件所测的数据整理 的纯氢氧化钡的时间,温度变化曲线图. 时I1日J/rain 图1纯氢氧化钡的时间一温度变化曲线图 第二组蓄热体系仍存在明显分层现象,较纯物质 氢氧化钡来说,该蓄热体系分为两层,之前的白色泡 沫体消失,而白色沉淀增加.因此,加入硫酸钡并没 有有效地解决氢氧化钡得分层问题. 第三组蓄热体系在熔融和凝固状态均表现出良 好的相变储能材料性能,过冷度小于1oC,相变过程 持续大约26分钟,过程相当平稳,无明显分层现象, 可见加入6%氯化钡之后,不仅过冷度减小了,分层 现象也消失了.所以这种组合是一种较为理想的蓄 热体系,图2根据组态王监控软件所测数据整理的时 间一温度变化曲线图. 90 80 70 60 5O 40 廷30 20 l0 O 时问/rain 图2氢氧化钡加6%氯化钡时间一温度变化曲线图 1.3DSG测试实验结果及分析 纯氢氧化钡相变潜热DSC测试曲线见图3. l6制冷技术2010年第4期 寤震/C 图3纯氢氧化钡DSC曲线 由测试曲线可知,实验中所用的氢氧化钡相变潜 热为244.448J/g,熔点为71.37?,但文献中所 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的相变潜热为267J/g,熔点为78?有少许差别.造 成这种结果的原因可能有以下几种. (1)无法对相变材料在实验过程中达到100%密 封,结晶水熔融后可能在高温下蒸发,相变材料反复 熔融一凝固会出现结晶水的部分损失.再结晶时的 失水会使材料的晶体结构变化,最终导致材料的蓄热 作用失效. (2)在35g左右的蓄热材料中取质量为几毫克 的样品,实际上难免存在取样的不均匀性,相变潜热 的实验值也会相应有所偏差.同时,DSC测试的样本 并非同一样本的反复循环实验,而是在试管中反复加 热融化一冷却后分别取的不同样本,这也造成部分偏 差的存在 氢氧化钡加6%氯化钡的DSC循环测试曲线见 图4 温度/C 图4氢氧化钡加6%氯化钡DSC曲线 由测试曲线可知,实验中所用的氢氧化钡和氯化 钡蓄热体的相变潜热217.164J/g,熔点为71.78?, 相比较于纯物质氢氧化钡的潜热值有所下降,熔点有 所上升,造成此种状况可能的原因是由于氯化钡的相 变潜热值都比氢氧化钡小,而它的熔点很高,所以造 成混合了氯化钡之后的氢氧化钡蓄热体的潜热值下 降,熔点上升的现象.另外,氢氧化钡容易吸收空气 中的二氧化碳,反应生成碳酸钡,也可能是导致熔点 上升和潜热值下降的原因之一. 2热管式换热器 2.1运用相变材料的热管式换热器简述 热管式换热器在为解决工业余热回收中供,需双 方在时间,地点,强度等方面的不匹配现象,将热 管应用于相变蓄热领域中,设计了热管式相变蓄热换 热装置.将实验所得的相变材料运用其中,利用锅炉 排放的烟气作为热源,采用热管作为加热元件,并在 烟气段添加环形翘片,加热冷水,使其成为多功能的 节能型热管式相变蓄热换热器.装置不仅有储热,释 热的一般功能,而且还具备取放热同时进行的功能, 在此功能下,热源的热量可以瞬时,有效的传递给进 行取热的流体.而被相变材料所吸收的热量仅占很 少的部分.通过一定工况下的计算表明,约70%的 热量可被传递给取热流体. 2.2工作原理 换热器大致分3层,第一层冷流体通道,中间为 蓄热体空间,第三层为热流体通道,三层互相独立,互 不相通.在热流体通道内有带翘片换热元件的热管, 上面两层均为光管,自上而下贯穿3个空间,传递热 量.通过时间温度控制器控制烟气热量通过加热翅 片管加热相变材料Ba(OH)?8H0,加热至80?, 停止烟气输送.相变材料发生相变,储存显热与潜 热,通过均布的热管传递到水中,将水加热至50cC, 相变材料Ba(OH)?8H0也逐渐发生晶格变化一 凝固,释放所存潜热后其温度开始下降,温度下降到 55?时,由于设计换热温差为5?,出水温度低于45 ?,视为放热完毕,此时可恢复烟气输送加热,可以达 到边蓄边供的效果. 2.3换热器示意图 2.3.1换热器结构图 换热器结构图见图5. 2010年第4期制冷技术17 a)热管换热器主视图b)热管换热器侧视图c)换热器烟气侧剖视图 1一保温层,2一热管,3一隔板,4一导热金属翘片,5一底部金属支撑,6一温度时间控制器, 7一出水L_1,8一烟气温度调节阀,9一烟气进El,10一温度时问控制器,11一进水口, 12一温度时间控制器,l3一烟气出15,14一相变材料,15一吹灰通道 图5换热器结构图 2.3.2管子排列示意图 换热器管子排列示意图见图6. ……fl 图6管子排列示意图(单位ram) 3结论 相变材料换热技术与热管技术有效的结合起来 无疑是一种非常高效的新型节能技术,一般的相变材 料导热系数较低,将热管作为换热元件应用于相变蓄 热领域中是改进相变蓄热系统,提高其换热效率的一 个重要手段,还合理利用了排气余热,不仅在最大程 度上节省了燃料,而且降低了污染物排放量,满足我 国可持续发展的战略要求. 蓄热体系的过冷度可以达到令人满意的程度.该蓄 热体系的相变温度为76?,78?,过冷度在1?左 右,相变持续时间大约在26分钟.经过十次循环后 的结果表明,该添加剂量能够较好的抑制分层,减小 过冷度,保证放热速率,并且重复性良好. (3)设计了一套节能型热管式相变蓄热换热器, 将实验所得的相变材料运用其中,利用锅炉排放的烟 气作为热源,采用热管作为加热元件,并在烟气段添 加环形翘片,加热冷水,使其成为集加热,蓄热,换热, 保温等功能为一体的节能型热管式相变蓄热换热器. 参考文献 [1]宋婧,曾令可,任雪潭等.蓄热材料的研究现状及展望[J].陶 瓷,2007,(1):5—9. [2]王志强,曹明礼,龚安华等.相变储热材料的种类,应用及展望 [J].安徽化工,2005,134(2):9一lO. [3]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版 社.2000. [4]李华昌,符斌.实用化学 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M].北京:化学工业出版社, 2【x】6 通过实验研究与测试,可以得到以下结论:霉:,7暑’相变储能的研究进展与应用材(1)氢氧化钡是一种很有开发潜质的无机水合[6]’A.Adv ‘ aneinHeatPipeTe.hn0l.gy….1981,(3):479 盐类相变蓄热材料.但它有明显的分层现象,所以可一587. 以通过筛选合适的添加剂来解决分层现象,实验证[7]Mireoslaoz,FrantisekPP.CoolingofPowerelectricsbyHeatPipes 明,加入氯化钡能够有效的解决氢氧化钡的分层现 [J]?HeatPipehnologY,The.ryApplicali0nsandPmspecls’ 象1997,(】):99一o?’, (2)经过反复实验测试,氢氧化钡加6%氯化钡换热器原理与设计M?北京:北京航空航天大学出版 《f{?H’H’}_{‘H’卜{‘卜{‘H’}_{.H.H’}-{‘}_{‘}_{‘H’卜{‘卜{‘}_{‘}_{‘卜{‘卜{‘}_{‘H’卜{‘卜{‘}_{‘}_{.卜{.}_{‘}_{‘}{‘H’}_{‘}_{.}_{‘H’}_{‘H’}_{‘H’H’}喑 辜热烈欢迎各界制冷空调同仁光临”中国制冷展”季