相变材料PCM的换热及其研究3.1. CPM传热的研究目的及意义相变储能材料(CPM)的利用主要体现在潜热的释放与吸收方面，所以，相变过程中材料本身的传热性能成为衡量相变材料适用与否的关键。

在设计相变换热器时，同样要考虑储热材料的热物性和外壁边界条件对储放热过程的影响以及相变界面的运动规律。

深入的相变传热分析对于相变材料的有效利用、系统的优化设计以及性能的预测具有重要意义。

3.2. PCM传热的特点相变传热问题有两个共同点:1)两相之间存在着移动的分界面或分界区域，直至相变过程结束。

2)相变过程中有相变潜热的释放或吸收。

这类问题在数学上是一类强非线性问题，解的迭加原理不能使用，根据换热器结构形式不同，必须分别处理。

同时还有其它自然对流、体积变化等不确定因素的影响，更使得相变过程传热的求解变得愈加复杂。

目前仅对少数规则模型如半无限大、无限大区域且有简单边界条件的理想状况能够精确求解，对于多维相变问题一般只能用数值分析的方法处理。

图3一1相变过程形态图3一1为相变过程形态图。

此过程中，不断有热量通过边界层，假设图中过程为一熔化过程，则热量不断使固体熔化，液体层厚度增加，假设固体区亦处于熔化温度，则需求解的仅为液体区温度分布。

这类问题最早由Stefan于1890年研究北极冰原的熔化问题时提出，因而又称Stefan问题。

更进一步精确模型应该考虑固体过冷区的影响，这时需求解液体与固体两个区域中的温度场，这种双区问题又称为Nemunan问题。

最简单的Stefan问题作精确解可以得出一个重要的无量纲参数，称为Stefan准则，记做Ste:其中，c:为液体比热，wt为壁温，界为固相温度，气，为熔化潜热。

Ste数值代表了液体区高于饱和温度的显热相对于熔化潜热的大小，一般情况下Ste《1。

3.3 PCM的传热强化及研究PCM很大程度上并不具备良好的换热性能，因此在增强PMC的换热性能方面，做了很多研究，提出了很多有创意的理论和设想。

关于相变换热的强化方法有很多种，其中各种不同形式的肋片管是较为常用的。

L．F．Cabeza以冰蓄冷换热过程为例，分析了传热工程中的瓶颈问题，指出随着液一固界面的移动，热阻逐渐增加，热流密度逐渐下降。

他提出这种问题可以通过强化传热来改善。

在实验中他给出了三种方法，并对此做了对比分析。

强化传热方法分别为加装不锈钢管束、加装铜管束和对PCM进行渗碳处理。

另外他还发现，加装肋片强化换热只对使用较高导热系数的CPM时才有明显效果。

D.Buddhi分析了研究相变时液一固界面的两种方法研究，通常采用热电偶测温的方法，另外一种是光导纤维法，即从光学角度通过图象的变化反映相变。

通过对比曲线图分析，发现光导纤维的测量结果要比热电偶准确，较能反映实际过程。

J.Bnaaszek等将PCM(以石蜡即w一20为例)卷绕成层状圆柱形嵌入特制换热器中，通过试验分析其融化和凝固特性。

探讨了影响总换热系数的因素及对换热器进行可用性分析。

uJnFukai〔川等人曾研究过用石墨作为强化传热材料用于PMC的相变换热。

他们将碳纤维散布于PCM中，这些纤维所占体积比很小，且很容易散布。

通过这种方法，显著增强了PCM的导热系数，实验样品为石蜡、丁苯聚合物等。

为了提高石蜡、酉旨酸类PMC的导热能力.通常在其中添加金属粉末、石墨粉、金属网以及在封装壁加肋片，增强导热。

AyerS和Flethcer综述了在金属网中加入石墨.以提高材料有效导热系数的研究进展。

文中强调:加入石墨，可以显著提高材料的导热系数。

我国梁新刚等和张娜等对两相混合或组合材料的导热能力的理论研究，以及对混合、共融PCM的LTES研究具有重要的意义。

Bugaje对20种低导热系数的PMC做了添加20%v/v星状铝肋片的实验，表明;储热(融化)时间减少2.2倍，放热(固化)时间减少4.2倍。

Faghri及合作者对内肋化管内PCM的融化TLES系统进行了一系列研究，结果证实:内肋化可显著提高TLES的储热速率。

另外，velarj等、陈钟顽等也进行了类似的研究，并得到相近的结果。

王超等采用十七烷为相变工质，实验研究了水平圆管和两种肋管外的凝固过程。

通过导热和自然对流两种控制机制下的实验，揭示了自然对流对凝固换热的阻碍作用、肋片管对凝固换热的强化规律以及肋片管的放置位置对凝固量和凝固层形状的影响。

清华大学〔川对板式相变换热器作了实验研究，建立了板式相变储换热器性能实验台，根据蓄冷装置在实际应用中的运行情况选择了实验工况(流量和温度)，进行了相应实验，研究了不同因素对其储热特性的影响，整理出相应的蓄冷曲线、取冷曲线。

模拟结果与实验结果基本吻合，从而为利用所建模型进行相变储能系统的设计和性能优化提供了可靠性支持。

复合相变换热器技术与装置1技术简介煤、石油、天然气等均为含硫燃料，燃烧时都会产生二氧化硫、三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气结合形成硫酸蒸汽。

锅炉尾部设备中的金属壁面温度若低于硫酸蒸汽的凝结点(酸露点)，就会在其表面形成液态硫酸(酸露)。

长期以来，空气预热器作为锅炉尾部受热装置因壁温过低而引起的酸露腐蚀、灰堵现象经常发生，并一直得不到有效解决，因而．以往的各种锅炉设计通常以牺牲锅炉热效率为代价．通过提高排烟温度来缓解(而不是根除)酸露腐蚀现象．而单纯提高排烟温度势必造成大量的低温热源浪费。

尽管如此，空气预热器往往运行一至两年后依然出现腐蚀，直至穿孔，这是困扰锅炉界的一个世界性难题。

“复合相变换热器技术与装置”是一种广泛适用于各种燃煤、燃油、燃气锅炉、工业窑炉以及冶金、石化等各种换热设备的新型高效节能专利产品。

它来源于上海交通大学杨本洛教授的原创性设计理念及其9项发明专利技术，是“热力学、传热学与锅炉原理、自动控制以及现代计算技术”的综合创新和高效集成，它较好地解决了锅炉排烟温度难以降低的世界性难题，是中低温热源利用上的一次世界性突破。

其核心内涵在于：1)大幅度降低各种锅炉热流体(烟气)的排烟温度。

在世界范围内，首次提出并实现了将“排烟温度与壁面温度之差”从“倍数”关系转变为“加减”关系，使排烟温度出现“量级”意义上的变化：一般工业锅炉可降低30～90℃，个别可降100℃以上，电站锅炉可降低20～50℃；从而使大量中低温热能被有效回收利用(提高锅炉热效率1．5％～6％，个别可达7％以上)，并相应大量减少燃烧尾气(S02、C02)排放，具有节能、减排双重功效，经济效益、社会效益十分可观。

2)在世界上，首次提出并实现了锅炉尾部换热器金属受热面最低壁面温度始终处于“可控可调”状态，并适应各种燃煤、燃油、燃气锅炉及传热负荷的变化。

3)大幅度降低锅炉检修停机损失和换热器维护成本。

在降低排烟温度的同时，使锅炉换热器金属受热面壁温保持较高温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了酸露腐蚀和堵灰现象的出现。

4)大大延长了锅炉尾部换热器的使用寿命。

在保留了热管换热器高效传热的同时。

克服了一般热管换热器使用一段时间后容易产生不凝气体，从而逐渐老化以至失效的致命弱点。

复合相变换热器作为原创性节能发明专利技术．2000年12月通过了由两院院士参加的国家级鉴定，鉴定意见指出：“该项技术是相关设计理念的一次创新，为国内外首创，处于国际领先水平”，建议“将此技术进一步在锅炉、工业炉窑以及石油化工等行业的换热设备上推广应用，尤其在大型电站锅炉的应用上提高自动化水平。

”2007年3月，“复合相变换热器在锅炉上的应用专家研讨会”会议纪要指出：“复合相变换热器原理与实用技术方案可行，并在实际应用中得到了验证．使用该产品将对工业锅炉的节能改造起到良好的推动作用”。

2设计原理由于是“设计理念”的创新，所以可根据不同应用背景，设计和组合出复合相变换热器的许多变化形式(如图1所示)。

复合相变换热器(FxH)的基本工作原理是：蒸发段：烟道内的F>(H吸收烟气热量．使得FXH管内热工质处于相变状态。

冷凝I段：管内蒸汽(相变态热工质)沿上升管进入冷凝I段，在冷凝I段中管内蒸汽对管外冷空气加热。

冷凝¨段：管内蒸汽经冷凝l段后继续上升至冷凝lI段，在该段中蒸汽被冷凝成液体，并沿下降管回到FXH下段。

通过流量调节，从而实现了壁面温度可控可调图1 FXH复合相变换热器基本工作原理3 与热管技术的不同热管是一种高导热性能的传热部件，它通过管内介质在高度真空下从加热段吸收热量，通过沸腾蒸发形成蒸汽，向冷凝段流动，把热量输送到冷却段。

从而实现热量转移。

具有很高的导热性，良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变。

可远距离传热，可控翎温度等优点。

由于传热是通过管内部介质相变进行的，管内的工质因为反应会产生不凝性气体，不凝性气体的存在大大影响了其工作效率。

因此，热管存在一定使用年限。

分析不凝性气体产生的原因有以下几点：1)热管工质内部的微溶性气体经长时间工作的析出，造成热管性能下降。

2)热管内表面和工质内杂质存在，在热作用下发生化学反应造成不凝气体产生。

3)热管管壳有微漏，那些不凝气体，如氢，氦等微溶或不溶性气体分子的向内渗透。

4)工质与管壳的不相溶，造成不凝气体产生。

现有的热管换热器大都是由很多根热管拼装而成，由于热管生产过程中的制造差异，每根热管不凝性气体的产生比率也不一样，只要其中部分热管的不凝气达到许可极限，整个热管换热器换热效率就会下降，下降到一定程度时，传热效率急剧下降，这台热管换热器就报废了。

而热管的替换和更新费用巨大。

因为热管是利用高度真空下管内低温介质的相交过程进行热量传递的，因此，一根热管一旦成型。

其传热性能也将确定，其璧面温度即固定为管内介质在该真空度下的饱和温度，不能调整。

因此，用其组装的热管换热器也是不能根据用户的工况变化而对其璧温进行调节的。

当用户工况变化时其尾部受热面的最低壁面温度仍有可篦会低于酸露点温度．不能避免酸露导致的腐蚀。

上世纪九十年代初，热管换热器曾在空预器改造中一度被推广，但后来由于热管普遍存在产生和积累不凝气体。

逐渐老化和璧温不可调节等不足，厂家却对应用热管换热器采取了谨慎的态度。

复合相变换热器技术中“相交段”的概念是将原来热管换热器中一根根相互独立的热管，构造成整体热管。

保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。

同时，利用相变传热的原理将被壁面温度的可控可调(恒定或调高调低)。

换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器能够在相当大幅度内，适应锅炉的各种煤种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁温保持相对稳定；保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了酸露腐蚀和堵灰现象的出现，复合相交换热器的最低壁温不仅是设计时可以任意选取，且在锅炉运行时可通过自动控制设备容易地保持在一个不变的数值。