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應用于強化相變儲熱的兩相熱虹吸回路研究進展
发稿时间:2019-12-27         作者:文/白烨 张双 王亮          来源:儲能研發中心     【字号:

  儲熱技術能夠解決熱量在供求側時間和空間不匹配的問題,是提高能源利用率的有效措施,已被廣泛應用在壓縮空氣儲能、建築供暖制冷、余熱利用以及太陽能熱發電等系統中。潛熱儲熱,又稱相變儲熱,具有在儲釋熱過程中溫度變化小,儲熱密度高的優點,但相變材料導熱系數普遍較低,通過增強表面、納米顆粒、膠囊化封裝、以及熱管等方式進行強化傳熱是當下的研究熱點。 

  自然兩相熱虹吸回路具有结构简单、传热温差小和无需外界泵功输入等优点,应用于相变储热系统,可以提高储热装备储释热速率,并且可以实现自驱动的储热和释热。但是在变工况下的兩相熱虹吸回路的传热特性与机理尚不明晰。因此,工程热物理所儲能研發中心提出并开展了以兩相熱虹吸回路强化相变储热的研究与探索。自然循环兩相熱虹吸回路工作原理为:工质在蒸发段受热至气态或超临界状态,沿上升管进入冷凝器凝结,在重力的作用下经由下降管回流到蒸发器,由于上升管和下降管存在密度差,可以形成无需外界泵功输入的自然循环回路。兩相熱虹吸回路和相变储热耦合系统在储释热过程中,回路会有不同的工况,回路内工质会处于不同的相态,包括过冷-超臨界共存等複雜狀態。兩相熱虹吸回路工況研究可以爲其和相變儲熱耦合系統的建立和分析提供理論指導。 

  儲能研發中心研究人员搭建了兩相熱虹吸回路强化实验台(图1),研究了溫度、壓力、高度差等不同參數對其性能的影響,進而揭示了其工作機理。由實驗可知,在特定工況下,兩相熱虹吸回路的有效導熱系數可高240000 W/(m·K)同時兩相熱虹吸回路的傳熱性能和管內工質相態有密切的關系,建立了蒸發器內過冷區、過熱區和兩相區換熱比例與傳熱性能的關聯機理(圖2)。研究結果表明:回路循環動力直接影響相態分布,從而影響傳熱性能;當回路內蒸發段處于兩相區的比例越大,熱阻越低,傳熱性能越好。並進一步獲得了兩相熱虹吸回路的高效設計准則(圖3),爲兩相熱虹吸回路和相變儲熱的耦合研究提供了理論支持。 

  以上研究得到了國家自然科學基金、973计划、北京市科技计划项目、中國科學院青年创新促进会、中國科學院科研仪器设备研制项目的支持。相關研究成果已在多個國際期刊上發表(International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 126: 191-200International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 135: 354-367Energy Reports, 2019.)。 

 图1 实验台示意图

 图2 蒸发器内各相态分布比例及热阻分析

 图3 不同充注质量下热阻随加热功率和高度差变化云图

 
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