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]。