相变储热换热器文献综述

相变储热换热器文献综述
1引言
在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。

它是化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。

对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。

通常在化工厂得建设中，换热器约占总投资的10~20%。

在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的85~40%。

在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝等。

换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。

由于使用的条件不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。

另外，在化工生产中，有时换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一个工艺设备中的组成部分。

其他如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉，有时在生产中也是不可缺少的。

总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。

2换热器发展历史简要回顾
二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新材料料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热
和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

节能和环保已经成为当今世界的两大主题，经济高速发展、人口不断增长、过度开采和能源的利用率过低导致能源供需矛盾越来越大．能源紧缺受到人们越来越多的关注，能量存储随之引入了人们的生活。

近年来,相变储换热器在太阳能利用、工业废热利用及暖通空调蓄冷和蓄热等领域获得了广泛的应用。

相变储换热器有多种形式,如管簇式、球形堆积床式和平板式,一些研究者对其热性能进行了模拟和实验研究。

3实验研究的主要成果
3.1相变储能材料的导热强化
在潜热储热系统中，相变材料通过凝固和溶化有效地储存和释放大量能量。

相变材料的优点是储热密度大，吸热和放热的过程几乎可以在恒定的温度下进行。

但是，一些相变材料（特别是石蜡、脂肪酸等有机相变材料）导热系数低的特点往往是制约其实际应用的重要因素。

因此，如何提高相变材料的导热性成为相变材料研究关注的焦点。

同济大学材料科学与工程学院的曾亮等人的研究显示了以下几种强化相变材料传热的方法：
3.1.1与金属复合提高相变储能复合材料的导热性能
金属基主要包括铝基(泡沫铝)和镍基等,相变储能材料主要包括各类熔融盐和碱。

金属基复合蓄热材料既能兼备固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优点,又能克服潜热材料在相变时液固界面处的传热效果差和显热储能材料蓄热量小及很难保持在一定温度下进行吸热和放热等缺点,从而使之具备能快速放热和快速蓄热,蓄热量大的特有性能。

这些优点使它可以用于贮存太阳热能和工业加热炉的余热回收等领域,因此有广阔的应用前景。

3.1.2与陶瓷复合提高相变储能复合材料导热性能
陶瓷基相变储能复合材料主要是将相变材料分布于陶瓷基体的超微多孔网络中,相变材料受热熔化时吸收潜热,而液态相变材料受陶瓷基体毛细张力的作用不会流出,从而使相变前后维持复合材料原来的形状。

陶瓷基相变复合材料是20世纪80年代提出的,主要优点有:可供选择的无机盐种类多;可同时利用显热和潜热,蓄热密度大;无需封装,不存在腐蚀问题;不存在过冷和相分离的问题[1]。

3.1.3利用组合相变材料储热系统强化导热
利用组合相变材料储热系统也是导热强化的有效手段。

浙江大学能源工程系王剑锋等人的研究显示，在同一储热系统中采用相变温度不同的相变材料合理组合,可以显著提高系统效率,而且能够维持相变过程相变速率的均匀性。

这一特性对于储热或放热时间有严格限制的储热系统具有重要意义,且适用于工作温度从几十度到近千度范围的相变材料已有数千种,这为组合相变材料储热的研究奠定了应用基础。

在组合式相变材料储热系统研究中,相变材料的组合方式主要有两种:一种方式是沿传热流体流动方向分别放置相变温度不同的两种或两种以上的相变材料储热单元;另一种方式是在同一储热单元内或沿垂直于传热流体流动方向通过合理组合放置相变温度不同的两种或两种以上的相变材料。

还有一种可能的组合方式是这两种方式的组合。

在高温储热系统中,特别是储热系统工作温区较大的高温储热系统,组合相变材料储热系统将体现其独特的应用特色。

无论是哪一种组合方式的研究和应用,都必须获得给定传热流体工作条件下相变材料的最佳组合方案;或者在给定相变材料组合方案前提下获得传热流体的最佳匹配[2]。

3.2相变储热换热器结构设计
本文要讨论的相变储热换热器属间壁式换热器，而间壁式换热器按结构分为以下几种：（一）夹套式换热器；（二）沉侵式蛇管换热器；（三）喷淋式换热器；（四）套管式换热器；（五）螺旋板式换热器；（六）板式换热器；（七）板翅式换热器；（八）热管式换热器；（九）列管式换热器[3]。

化工生产中使用得比较
多的有板式、板翅式、管壳式（列管式）以及热管式换热器。

3.2.1平板式相变储换热器
平板式相变储换热器结构简单,相变容器内部可布置传热管道,可实现同时充放冷。

清华大学张寅平等人建立了分析板式相变储换热器储换热性能的理论模型,采用温度和相变界面交替迭代法进行求解。

为描述此类问题的本质,引入量纲一参数,得到了相应的量纲一储换热准则公式,并讨论了加肋片后的强化换热效果
[4]。

3.2.2管壳式相变储换热器
管壳式换热器的应用已有很悠久的历史。

现在，它被当作一种传统的标准换热设备在许多工业部门中大量使用，尤其是在化工、石油、能源等行业中使用更为广泛。

一般来说，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。

虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方便无法与板式或板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。

在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管的不断出现，使得管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新生命力[5]。

广东工业大学何秀芳等人利用优化设计理论对管壳式相变储能换热器进行优化设计的方法。

以该装置的成本为优化目标,储热量、放热时间、传热量、加工和防腐要求作为约束条件,得出了最佳的管子半径、厚度及管子根数。

根据优化设计理论，目标函数可表示为管材和储能材料费用总和的表达式:PCM F=F +F 管 其中: F 管为管材的费用,其值为管材总质量与管材价格的乘积,即M C 管管,管材的总质量M 管可表示为r 、δ、n 的函数: 222M =[(r +)]r Hn πδπρ-管管PCM F 为储能材料的费用,其值为储能材料总质量与储能材料价格的乘积,即PCM PCM C M ,储能材料的总质量也可表示为r 和n 的函数: 2PCM M =r Hn PCM πρ。

而约束条件有：换热器
储热量、传热量、放热时间、加工及防腐要求、几何约束[6]。

3.2.3热管相变蓄热换热器
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，上海海事大学蓄冷技术研究所的章学来等人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翅片，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。

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翅片换热元件的热管，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。

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，相变材料也逐渐发生晶格变化-凝固，释放所存潜热后其温度开始下降[7]。

换热器结构图
3.3有限元仿真分析在换热器设计中的应用
广西大学化学化工学院朱志彬等人应用ANSYS软件分别对厚壁圆筒受压情
况、换热器换热过程进行计算模拟,并与理论计算结果进行了比较讨论。

分析结果表明, ANSYS具有很高的计算精度和强大的分析功能,可作为化工机械设计辅助分析的强有力工具,反映了该软件在化工机械设计中具有广泛的应用前景。

ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142单元,可对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究。

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析,分析类型可以为瞬态或稳态。

分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。

并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的形显示。

另外,还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应[8]。

郑州大学郭茶秀等人利用计算流体力学软件FLUENT凝固/熔化模型对一种相变材料蓄冷球的凝固过程进行数值模拟研究,得到了在第一类边界条件下蓄冷球凝固过程的温度场分布、相界面移动规律,并分析了凝固时间与壁面温度和球径的关系。

所得到的结论对相变问题的数值模拟以及相变蓄能装置的设计具有重要的参考价值。

他们的研究表明FLUENT在分析相变传热问题中具有独特的优势:它界面友好,操作方便,计算简单快捷，具有强大的前后处理功能,是进行相变数值计算的强有力工具[9]。

4小结
随着现代工业的发展, 人们越来越多地关注与可持续发展密切相关的能源和环境问题。

设法缓解能源供需在时间、地点和强度上的不匹配问题是节能和环保的有效途径之一。

潜热式能量存贮是一种高效的贮能方式, 与显热式能量存贮相比, 具有能量密度高和充/释热温度稳定等优点, 相关的应用研究已得到广泛的关注。

近代换热器制造加工技术日趋成熟，将新型相变储热材料与传统换热器相结合，制造新型相变储热换热设备具有较大发展空间。

与传统换热器比，由于要在换热器中添加相变储热材料，而大多数的相变储热材料的传热系数低，成为换热器强化传热的“瓶颈”。

结合本专业特点与优势，主要从改良结构设计入手，来提高相变储热材料传热系数，降低热阻，从而达到能量利用率的最优化的目的。

随着电脑技术的发展，有限元仿真技术得以更加方便的使用，结合有限元分析设计，可以大大降低相变储热换热器设计实验成本，加快设计速度，为产品早日投入市场创造了条件。

由于是要投入工程实际中的产品，故还应考虑其生产成本的经济性，利用最优化设计原理对换热器结构进行最优化处理。

参考文献
[1]曾亮，周春玉，张东，相变材料导热性能强化的研究进展，材料科学与工程学报，上海，2010。

[2]王剑锋，陈光明，陈国邦，欧阳应秀，组合相变材料储热系统的储热速率研究，太阳能学报，杭州，2000。

[3]王志魁，化工原理，化学工业出版社。

[4]张寅平，江亿，康艳兵，板式相变储换热器的储换热准则，清华大学学报，1999。

[5]钱颂文，换热器设计手册。

[6]何秀芳，张仁元，管壳式相变储能换热器的优化设计，实用节能技术，2001.
[7]章学来，于美，于树轩，林原培，施敏敏，一种新型相变材料及其热管式换热器的研究，制冷技术，2010。

[8]朱志彬，瞿丽华，李健，王华明，甘加业，林清宇，胡卫朋，林榕端，ANSYS 在化工机械设计中的应用，2004.
[9]郭茶秀，熊辉东，魏新利，蓄冷球凝固的FLUENT数值模拟研究，低温于特气，2006。